自然科学论文投稿作品

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　　自然科学论文投稿作品篇一

　　自然科学与社会科学间相互启迪范例探析

　　摘 要：本文通过介绍玻尔互补理论之由来和基本观点，探讨了量子力学中两个重要概念“不确定关系”与“互补”理论之间的演变关系，分析了“互补”理论在心理学、人类文化学、生物学、哲学等学科研究方面的价值意义。强调指出，从科学史的角度看，物理学中的重要概念与其它学科甚至人文科学在更高层面上具有相互促进、互为启示的联系和作用。

　　关键词：玻尔;量子力学;互补性;人文科学;启示

　　中图分类号：N0 文献标志码：A 文章编号：1002-7408(2012)011-0096-03

　　1927年，对于现代物理史，尤其是量子力学，是一个不可磨灭的重要时间。当年9月，在意大利科莫举行的纪念伏打(Alessandro Volta，1745—1827)逝世一百周年的国际物理学会议上，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔(Nies Henrik David Bohr，1885—1962)以《量子公设和原子理论的晚近发展》为题发表演讲。在这篇演讲中，他第一次正式提出并阐述了“互补”观点。这种观点经过玻尔本人及其他多位学者的阐述、完善，已经成为量子物理学、哲学等多种学科的一个重要概念。“互补性”观点的出现，不仅给经典物理学与量子物理学之间架起了一道坚固的联接桥梁，更重要的是，它在引导人们认识微观世界的同时，突破了传统思维观念，在更广泛的学术甚至社会领域，开拓了精微、广阔的认识空间。这是“互补性”观点至今仍然不间断被人研究，甚至引人争论的意义和价值所在。

　　一、“互补性”与不确定关系

　　玻尔“互补”观念的形成，是与量子物理学的发展，以及量子现象与经典物理学之间发生矛盾、冲突密切相关的。在这之中，又与德国著名物理学家海森伯提出“测不准原理”紧密联接。

　　在企图按照经典理论来解释量子力学时，物理学家发现了不可调和的矛盾：即从物理学上看，在作为粒子的电子不能存在的地方，波动函数也不为零。于是，人们明确地认识到，在过去的物理学中提炼的波动概念和粒子概念虽然适用于电子，却无法解释量子力学。也就是说，原子中的电子不能用位置、速度和轨道之类的日常叙述和日常概念来描述。在以前总是可以通过电子在任意给定时刻的位置和速度来描述电子的运动。现在，这些概念只有在参照测量它们所用的实际实验操作时或由这种操作来定义时才有意义。这就出现了一个难题。海森伯认为：如果你要测量一个电子的确切位置，你可以用一个分辨率极高的显微镜，这就要求用波长很短的光来照亮电子。但是，波长越短，射在电子上的光量子的能量就越大(或者说光波的压强就越大)，于是电子的反冲速度也越大。基于这种状态，海森伯指出：在你任一给定时刻同时测量一个电子的速度和位置而得到的不准量之间，似乎存在一种反比关系。“我们越准确地测定位置，那一时刻的速度的测定就越不准确。反之亦然。”而且这种测量结果的不准量之间的反比关系，对例如能量和时间之类的其他各对共轭变量也成立。用数学关系式表示，就是海森伯的不确定关系：

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　　无论怎么说，不确定关系的涵义是重大和有深远意义的。正如海森伯自己概括的那样：“上述这种由自然本身确定的精确度的界限，具有重要的后果，那就是，在某种意义上，因果定律变成不正确的了。”因果规律，即每一效果都和一个原因相联属以及因果的时间顺序，是经典力学的基本支柱。而且在长久以来，它已成了人们在每一种形式理性研究中或隐或显的预设前提。(即使在今天，它也是一般人看待许多问题的基本认知方式)海森伯不确定关系的公布，让人们认识到经典力学的有效范围和界限，即：无论我们的思维规律，还是从日常经验，都不能推出我们日常经验中所得到的运动学和力学的各种关系在微观领域内也能成立。

　　很快，玻尔就在意大利，发表了他的著名“科莫演讲”。在这次讲演中，虽然由于原创和繁复，玻尔只是以探索的口吻，提出并阐述了“互补性”观点，可他正是在海森伯测不准原理的基础上，将这个结果发展成更一般的人们认识自然的结构的看法。

　　在这次著名的演讲中，玻尔接续着海森伯说：“量子理论的特征就在于承认，当运用于原子现象时，经典物理概念是有一种根本局限性的。”“量子理论的本性就使我们不得不承认时空标示和因果要求是依次代表着观察的理想化和定义的理想化的一些互补而又互斥的描述特点，而时空标示和因果要求的结合则是经典理论的特征。”在原子现象的描述中，量子公设给我们提出了这样一个任务：要发展一种“互补性”理论。该理论的无矛盾性只能通过权衡定义和观察的可能性来加以判断。“海森伯最近曾对这些方法的无矛盾应用问题作出了一个重要的贡献。特别说来，他曾经强调了对原子物理量的一切测量都有影响的那种独特的反比式的不确定性。……出现于这一不确定性中的描述互补性已经是不可避免的了。”这就将海森伯的不确定关系与“互补”观念紧密地联系在了在一起。

　　1930年，海森伯把玻尔的互补思想用下表表示出来：

　　这样看来，海森伯的“不确定关系”具体规定了经典力学概念的有效范围和界限。而玻尔的“互补”思想把这个结果发展到更一般的人们认识自然的结构的看法上，奠定了可以统一完整的量子力学的解释。

　　二、“互补”观念与心理思维问题

　　玻尔“互补”思想的形成，虽然最初是为量子力学解释物理现象提出来的，可究其内核，它又是一种思维观念的革命性的发展，与人们认识世界的深入、精微有密不可分的联系。这一点，也是玻尔最新注意和提出来的。

　　就在提出“互补”观念的“科莫演讲”结束时，玻尔提到了该问题与人的 “知觉”问题：“要使我们从感觉借来的知觉方式，适应于逐渐深入着的关于自然规律的知识，在这一道路上所遇到的障碍，主要起源于这样一件事实：不妨说，语言中的每一个词，都要涉及我们通常的知觉。在量子理论中，在表征着量子公设的那种不合理性特色的不可避免性这一问题中，我们马上就遇到这一困难。然而，我希望，互补性这一概念是适于表征目前的形势的;这种形势和人类概念形成中的一般困难深为相似，这种困难是主观和客观的区分中所固有的。” 　　玻尔在这里指出一种心理学现象，即我们思维运用的“词”，是与我们的“知觉”相联系的。而在量子力学领域，我们还没有建立起与知觉相联系的“词”。应该说，玻尔提出的“互补”观念，正是在人们思维中建立与量子学说联系的最佳的“词”。

　　在这里，玻尔只是敏锐地感觉到了这一点。他在两年后的另一篇《作用量子和自然的描述》一文中， 对互补观念与心理学之间的关联进行了较为深切的生发：“为了描述我们的心理活动，一方面，我们要有一种客观给定的内容来和一个知觉主体相对立;而另一方面，正如在这样一个断语中所暗示的，在主体和客体之间不可能保持任何明确分界线，因为知觉主体也属于我们的心理内容。”这是人们描述心理活动时遇到的难题。而通过人去理解并描绘某些概念或字眼时，这个过程也遇到了相应的困难：“从这些情况中，不但可以引出每一概念或者说每一字眼的相对意义，这种意义以我们观点的随意选择而为转移，而且，我们一般还必须有准备地接受以下事实的同一客体的完备阐述，可能需要用到一些无法加以单值描述的分歧观点。”由此推去：“任一概念的自觉分析是和该概念的直率应用处于互斥关系中的。”由此“运用一种互补的或者说是反比式的描述方式的必要性，或许是我们在心理学问题中最为熟悉的。”也许是说，人们心理在理解某些概念时会受到自己旧有“知觉”的影响。这是应该通过“互补”观念来影响及扩展的;同时，心理学中的认知方式，许多是运用一种互补或者反比式来描述某些表面“互斥”现象的。这又反证了“互补”观点在此领域的成立。

　　在之后的时间，玻尔在思考“互补”观念的领会时，总是将心理学纳入自己的视野并给予越来越完善、精确的解说。1932年，他在“光和生命”的一篇演讲中，再次涉及到“互补”概念在此领域的情形：“当然，在讨论纯物理概念对于生命机体的适用性时，我们曾经像看待物质世界的任何其他现象一样来看待生命。然而，几乎用不着强调，作为生物学研究之特征的这种态度，决不能引起对生命的心理学一面的任何忽视。”玻尔注意到，量子力学中必须考虑测量仪器和所研究客体之间的相互作用，这种必要性和心理分析中的一些奇特困难“很类似”。也就是说，当人们企图研究某种心理内容，把注意力集中在这一特殊方面时，“心理内容本身就必然会改变。”这种类似性，使玻尔认为：为心理—物理平行论提供了重要的阐释。在玻尔看来，由这样心理学的特征，应该对理解“原子物理学”的特性有启示。在这里，他用了哲学语言对这种心理学矛盾、互斥现象做了相互关联的“互补”性的高度概括：对于“解释”这一概念的分析很自然地要和取消对我们自己的意识活动的解释同始同终。

　　在五年之后的另一次题为《生物学和原子物理学》的演讲中，玻尔谈到了生物学的发展，也同样只有“在互补性的框架中避免任何这种逻辑矛盾的可能性。……”随即，他又将这种说法带到了心理学领域：“在这种领域里，科学研究中的定义问题和观察问题所带来的困难，远在这些问题在自然科学中尖锐化起来之前就已经被认识到了。事实上，在心理经验中不可能区分现象本身及现象的感知，这种不可能性很明显地要求人们放弃按照经典物理学的模型来进行简单的因果描述;而且，用‘思想’、‘感觉’这一类的字眼来描述这种经验的那种用法，也极有启发性地使我们想起在原子物理学中遇到的互补性。”

　　由此可见，对于玻尔来说，自己在量子力学中提出的“互补”观念，他发现在心理学中亦有类似情状。这样，他不仅为“互补”观念能在其它领域得到印证深感其意义、价值，同时，我们也应当注意，心理学的研究，也应当通过玻尔“互补”观念的引入，而更能够注意本学科的难点，并更恰当地处理似乎相互矛盾但其实又可“互补”的心理课题。这是心理学科应该感谢玻尔这位物理学家的。

　　三、“互补”观念在其它学科的应用

　　除去心理学中许多现象与量子力学观察中的问题相类似，引起玻尔高度兴趣外，其它多门学科，也都日渐进入了他的视野。较为突出的，是玻尔1938年发表的《自然哲学和人类文化》的演讲。在这篇文稿中，玻尔结合现实，谈到了人类不同文化间“彼此互补”的关系：“人类文化的传统差别，在很多方面是和人们描述物理经验时所用的不同的等价方式相类似的。物理问题和人文问题之间的这一类似，是有一定界限的;而且夸大这种类似曾经引起对于相对立本身精髓的误解。事实上，相对论的世界图景的统一性，精确地蕴含了一种可能性：任何一个观察者都可以在自己的观念构架中预见到任何另一观察者在他自己的构架中任何描述经验。然而，对于不同人类文化之间的关系这个问题，采取无偏见态度的主要障碍就在于传统背景方面的根深蒂固的差别;不同人类社会之间的文化协调就是以这种背景为基础的，而且这种背景排除了这些文化之间的任何简单比较。”

　　为什么不能作任何“简单比较”呢?按玻尔的认识，当研究和我们自己的文化有所不同的人类文化时，我们需要处理一种特殊的观察问题。具体到研究不同文化，尤其“未开化民族的文化”时，学者们不但确知必要的接触有破坏这种文化的危险，而且，他们甚至面临这种研究对他们自己的人生态度的反作用问题。说到不同人类文化是彼此互补时，玻尔清晰地表述：“事实上，每一种文化都代表传统习惯之间的一种和谐的平衡;利用这种平衡，人类生活的潜在能力在一种方式下表露出来，以使我们认识到它的无线丰富性和无限多样性的新方面。”当然，人类文化之间，不可能像在定义原子对象的互补关系的那种“绝对互斥”，在这中间，我们可以从历史例证中发现。人类社会之间的某种程度的接触可以导致传统之间的融合，这种融合能够引起全新文化的产生。(例如，西域文化给唐代的文化繁荣注入了最充分的异域因子)“对于人类文明的进步来说，由移民或征服而引起的人口混合，其重要性几乎是毋庸赘言的。”由此生发，玻尔这位物理学家对人文科学研究提出“ 最大希望 ”，即“通过关于文化发展史的一种与日俱增的知识而对逐渐消除偏见有所贡献”，并且“逐渐消除偏见，这正是所有科学的共同目的。”玻尔对人文科学研究提出的希望，距今虽然已经70多年，可对于今天不同种族、多元文化的相互理解、包容，仍然具有充分的现实启示意义。这大约又从一个侧面，表现了玻尔“互补”观念的成立和能够在更广泛领域的运用。

　　四、余论

　　限于篇幅，我们不能将“互补”观念与更多学科的联系和受到的启迪的情形予以介绍。事实上，“互补”对其它学科的启迪、价值意义还远没有被人们充分挖掘出来。仅玻尔自己，就对“互补”观在心理学、生物学、生命科学、药物病理学甚至哲学……等方面的运用进行了描述和探讨。作为一个物理学家，玻尔以其开创性的思维，为量子力学与经典物理学研究之间，搭建起一座坚固的桥梁;为该学科的理论建设，作出了重要贡献。著名科学家泡利在1933年甚至这样评论：“和‘相对论’一词相类似，人们可以把现代量子理论命名为‘互补论’。”在这里，笔者只是将其提出、发展、演变和在更广泛领域的运用、作了一些探讨和介绍。这些探讨虽然有限，但却希望能以此使人们更清楚地意识到“互补”观点在人类认识世界中的重要作用，以及这个发源于现代物理学的学说，对其它多种学科认识、发展的启迪意义。对于“互补”这样对人类认识有非凡意义的观念、学说，是值得人们常常关注，不断发掘其价值的。因为，它至今仍是人类认识宏观及微观世界的灵感源泉。

　　参考文献：

　　[1][丹麦]N·玻尔. 尼尔斯·玻尔哲学文选[M].北京：商务印书馆，2007.

　　[2][美]阿布拉罕·派斯.尼尔斯·玻尔传[M].北京：商务印书馆.2001.

　　[3][美]大卫·C·卡西第.海森伯传(上册)[M].北京：商务印书馆，2002.

　　[4][日]广重彻.物理学史[M].北京：求实出版社，1977.

　　[5][比]雷昂·罗森菲尔德.量子革命[M].北京：商务印书馆，1991.

　　[6][西德]W·海森伯.物理学和哲学[M].北京：商务印书馆，1981.

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