第四章 量子论和原子科学的渊源

    原子的概念比十七世纪现代科学的开端要早得多；它起源于古希腊的哲学，在希腊哲学初期，它还是留基伯（Leucippus）和德谟克利特（Democritus）所传授的唯物主义的中心概念。另一方面，原子事件的现代解释和真正的唯物主义哲学已很少类似之地事实上，人们可以说原子物理学已经使科学离开了它在十九世纪所具有的唯物主义倾向。因此，将希腊哲学向原子概念的发展同这一概念现在在现代物理学中的地位作一比较，是颇有趣味的。


    首次提出物质的最小的、不可分割的、最终的单位的观念，是和作为希腊哲学初期的标志的关于物质、存在和生成等概念的刻苦钻研相联系的。这时期开始于公元前六世纪，首先是由米利都学派的创始人泰勒斯（Thales）开端的，亚里土多德认为“水是万物的质料因”这个命题就是泰勒斯首创的。这个命题，虽然在我们看来感到很奇怪，但却如尼采（Nietzsche）所指出，表达了哲学的三个基本观念。第一，提出万物的质料因问题；第二，要求对这个问题作出合理的回答，而不求助于神话和神秘主义；第三，假设最终必能把万物还原于一个本原。泰勒斯的命题是关于基本实体观念的第一个表述，他认为所有其他东西都是基本实体的暂时形式。在那个时代所说“实体”一词，当然不是单纯在质料的意义上解释的，如我们今天常常描述它的那样。当时，生命被认为是与这种“实体”相联系或者是这种“实体”所固有的，并且，亚里土多德认为“万物都充满着神”这一命题也是泰勒斯提出的。但是，泰勒斯还是提出了万物的质料因这样一个问题，并且不难设想，他最初是从气象学的考察形成他的观点的。我们知道，在万物之中，水能够取多种多样的形状：它在冬天能取冰和雪的形式，它能变为蒸汽，它能形成云雾。在河流形成三角洲的地方水似乎转化成为土地，水也能从土地中喷出。水是生命的条件。由此可见，假如说有那么一种基本实体，很自然地会首先想到水。


    基本实体的观念后来又为阿那克西曼德（Anaximander）进一步发展了，他是泰勒斯的学生，他们生活在同一个城市中。阿那克西曼德否认基本实体是水或者是任何其他已知的实体。他教导说，原始实体是无限的、永恒的和不灭的，它包含着整个世界。这种原始实体转化成为各种各样我们熟悉的实体。德奥弗拉斯特（Theophrastus）引用了阿那克西曼德的一段话：“万物所由之而生的东西，万物又消灭而复归于它，这是命运规定了的，因为万物按照时间的秩序，为它们彼此间的不正义而互相补偿。”在这种哲学中，存在与生成的对立起着基本的作用S原始实体，即无限和永恒的、不能分割的存在，退化成为多种多样的形式，这些形式导致无穷无尽的斗争。生成的过程被看作是无限的存在的一种贬质——即分离成为对立，这种对立又因复归到无形无性的那种东西而最后得到补偿。这里所指的对立是热和冷、火和水、湿和干等对立面。其中一方对另一方的暂时胜利就是不正义，为此，它们最后将按照时间的秩序作出补偿。按照阿那克西曼德的见解，存在着“永恒的运动”，有无穷个世界从无限中产生，又消灭复归于无限。


    在这里指出这一点可能是有意思的，“原始实体能不能是一种已知的实体或者它必须是某种本质上不同的东西？”这个问题在原子物理学的最新部门中也以稍微不同的形式发生了。现今，物理学家企图发现一个物质的基本运动定律，使得所有基本粒子和它们的性质都能用数学方法从这个定律推导出来。这个基本运动方程或许与一种已知类型的波有关，例如和质子和介子波有关，或许与一种本质上不同性质的波有关，这种波与任何已知的波或基本粒子都毫无关系。第一种情形意味着所有其他基本粒子都能用某种方法还原为少数几种“最基本的”基本粒子；实际上在过去的二十年中；理论物理学主要遵循了这条研究路线。在第二个情形中，所有不同的基本粒子，都能够还原为某种我们可以称作能量或者物质的普遍实体，但基本粒子中的任何一个都不能比其他的更为“基本”。当然，后一见解与阿那克西曼德的学说更为一致，我相信，在现代物理学中这种见解是正确的。但现在还是让我们继续讨论希腊哲学吧。


    米利部学派的第三个哲学家，阿那克西曼德的朋友阿那克西米尼（Anaximenes）教导说，空气是原始实体。“正如我们的灵魂是空气，并且是通过灵魂使我们结成一体一样，嘘气和空气也包围着整个世界。”阿那克西米尼在米利都哲学中引入了凝聚和稀散过程是原始实体变化为其他实体的原因的观念。水蒸汽凝聚为云被看作是一个明显的例子，当然，空气和水蒸汽的差别在那时候还是不知道的。


    在爱非斯的赫拉克利特（Heraclitus）的哲学中，生成的概念占有头等的地位。他认为运动着的火是基本的元素。他认为对立面的斗争正是一种和谐，从而解决了将一个基本的本原的观念与现象的无限多样性相协调的困难。对于赫拉克利特，世界同时是一和多，正是各个对立面的“对立关系”构成了一的统一性。他说：“应当知道，战争对一切都是共同的，斗争就是正义，一切都是通过斗争而产生和消灭的。”


    将希腊哲学的发展回顾到这里，人们认识到，从开始到这个阶段，它都被一与多之间的对立关系所推动。对于我们的感觉，世界是由物、事件、颜色、声音的无限多样性所构成的。但是为了了解它，我们必须引入某种秩序，而秩序意味着去认识什么是相等的，它意味着某种统一性。由此产生了有一个基本的本原的信仰，而同时也产生了从它导出万物的无限多样性的困难。因为世界是由物质组成的，所以，万物应当有一个质科因的观点是理所当然的出发点。但当人们把基本统一性的观念推到极端，人们就到达无限的和永恒的不可分割的存在，它不管是不是质料的，都不能以它本身解释万物的无限多样性。这就导致存在和生成的对立，并最终导致赫拉克利特的解答：变化本身是基本的本原；正如诗人们颂赞它的：“不朽的变化啊，你革新了世界。”但是变化本身并不是一个质料因，因而在赫拉克利特的哲学中用火来代表它，把它当作一个基本元素，它既是物质，又是一种动力。


    在这里我们可以看到，现代物理学在某些方面非常接近赫拉克利特的学说。如果我们用“能量”一词来替换“火”一词，我们差不多就能用我们现在的观点一字不差地来重述他的命题。能量实际上是构成所有基本粒子、所有原子，从而也是万物的实体，而能量就是运动之物。能量是一种实体，因为它的总量是不变的，并且在许多产生基本粒子的实验中可以看到，基本粒子能够实际上用这种实体制成。能量能够转变为运动、热、光和张力。能量可以称为世界上一切变化的基本原因。但是希腊哲学和现代科学观念的这种对比将在后面讨论。


    在生活在南意大利的爱利亚的巴门尼德（Parmenides）的教义中，希腊哲学又暂时回到了一的概念。他对希腊思想的最重要的贡献或许是他将纯逻辑推理引人了形而上学。“你不能知道什么是非存在——那是不可能的，——你也不能说出它来；因为能够思维的和能够存在的乃是同一回事。”由此可见，只有一存在，没有生成，没有消亡。巴门尼德根据逻辑推理否认虚空的存在。又因为如他所假定，一切变化都需要虚空，所以他否定了变化，把变化看作是幻觉。


    但是哲学不能长久依靠在这种悻论之上。来自西西里南岸的恩培多克勒（Empedocles）第一次从一元论转向某种多元论。为了避免一种原始实体不能解释事物的多样性的困难，他假设有四种基本元素：土、水、空气和火。这几种元素由于受和根的作用而相互混合和分离。这样，爱和恨是永恒变化的原因，在许多方面可象其他四种元素一样看作是有形体的。恩培多克勒以下列图象描述世界的构造：第一，有一个一的无限球体，如巴门尼德的哲学中一样。但在原始实体中，所有四种“根源”都被爱混合在一起。然后，当爱消失，而恨进入时，这些元素有部分分离了，有部分结合了。此后，这些元素全部分离了，爱也就在世界之外了。最后，爱又将元素集合在一起，而们又消失了，这样我们又回到原始的球体。


    恩培多克勒的这个学说代表着希腊哲学中转向更为唯物主义的观点的一种肯定的倾向。四种元素与其说是基本的本原，不如说是真实的物质实体。这里第一次表达了这样的观念，就是少数基本不同的实体的混合与分离，解释了事物的无限多样性。多元论从不求助于那些习惯于用基本的本原的概念来思考的人。但它是一种合理的妥协，它避免了一元论的困难，而又容许建立某种秩序。


    走向原子概念的第一步是由阿那克萨哥拉（Anaxasoras）迈出的，他是恩培多克勒的同时代的人。他在雅典差不多生活了三十年，大约在公元前五世纪的前半期。阿那克萨哥拉强调混合物的观念，强调一切变化是起因于混合与分离的假设。他假设组成万物的无限小的“种子”的无限多样性。这种种子与恩培多克勒的四种元素无关，有不计其数的不同种子。但是种子被相互混合然后又被分离开来，就这样实现了一切变化。阿那克萨哥拉的学说第一次容许对“混合物”一词作出几何学的解释：因为他说到无限小的种子，它们的混合物可以描绘为就象两类颜色不同的砂子的混合物。种子的数目和相对位置可以变化。阿那克萨哥拉假设在每一物中都包含了所有的种子，只是不同的物中种子的比例有所不同。他说：“万物都在每个物中；也不能使它们分离，但万物有每个物的一部分。”阿那克萨哥拉的宇宙不是由于爱和恨而开始运动的，如恩培多克勒所主张的那样，而是由“奴斯”（nons）推动的，这个字我们可译为“精神”（mind）。


    从这个哲学到原子概念只有一步之遥了，而这一步是由留基伯和阿布德拉的德谟克利特同时迈出的。巴门尼德哲学中存在与非存在的对立这里改换为“充满”与“虚空”的对立。存在不只是一，它能够重复无限次。这就是原子，物质的不可分割的最小单位。原子是永恒的和不灭的，但它有一定的大小。运动只能在原子之间的虚空中进行。这样就在历史上首次宣告了有最小的、最终的粒子存在的观念。这种粒子我们称为基本粒子，是物质的基本建筑基石。


    按照这种新的原子概念，物质并不仅仅由“充满”所组成，还由“虚空”，由原子在其中运动的虚空所组成。巴门尼德对虛空的逻辑否定“非存在不能存在”，只是忽略了去和经验相适应。从我们现代的观点看来，我们说德谟克利特哲学中原子间的虚空不是无；它是几何学和运动学的负荷者，它使得原子的各种排列与运动成为可能。但是虚空的可能性永远是哲学的一个争论问题。在广义相对论中，所给的答案是几何学由物质产生，或者物质由几何学产生。这个答案更密切地符合许多哲学家的观点，即空间是由物质的广延所规定。但德谟克利特显然背离了这种观点，才使得变化与运动成为可能。


    德谟克利特的原子全都是具有存在特性的相同的实体，但有不同的大小和不同的形状。因此，它们被描绘为在数学意义上是可分的，而在物理意义上是不可分的。原子能够运动并能占有空间中的不同位置。但它们没有其他的物理性质。它们既无颜色，又无嗅味，也无滋味。我们的感觉器官所感知的物质的性质，被设想为由原子在空间中的位置和运动所引起。正象悲剧和喜剧都能用同一种字母的文字写出一样，这个世界中事件的巨大多样性也能由同样的原子通过它们的不同排列和运动而实现。几何学与运动学，是虚空才使得它们成为可能的，它们在某些方面显得比纯粹的存在更为重要。曾有人引证德谟克利特的话：“物仅仅显现出有颜色，仅仅显现出是甜还是苦。只有原子和虚空才是真实的存在。”


    在留基伯的哲学中，原子并不仅是由于偶然的机缘而运动。看来留基伯相信完全的决定论，因为我们知道他曾说过：“没有什么是可以无端发生的，万物都是有理由的，而且都是必然的。”原子论者对原子的原始运动并没有讲出任何理由，这恰恰表明他们考虑到了原子运动的因果描述；因果性只能以早先的事件来解释以后的事件，但它决不能解释开端。


    原子论的基本观念为以后的希腊哲学所接受并作了部分修改。为了与现代原子物理学作比较，谈一谈柏拉图（to）在他的对话《蒂迈欧篇》（Timaeus）中所作的关于物质的解释是重要的。柏拉图不是原子论者，相反，第欧根尼·拉尔修（Diosenes　Laertius）曾介绍说，柏拉图嫌恶德谟克利特到这样的程度，以致他甚至希望烧毁德谟克利特的全部著作。但是，柏拉图把接近原子论的观念与毕达哥拉斯（Pythagoras）学派的学说和恩培多克勒的教义结合起来。


    毕达哥拉斯学派是神秘主义的一个主派，它起源于酒神的礼拜仪式。这里早已建立了宗教与教学的联系，而数学从那时以来，已对人类思想发生了最强烈的影响。毕达哥拉斯派似乎最早认识到数学形式化所固有的创造力。他们发现，如果两条弦的长度成简单的比例，它们将发出谐音，这个发现表明，数学对理解自然现象能有多么大的意义。对于毕达哥拉斯派，这甚至不是一个理解的问题。在他们看来，弦的长度间的简单的数学比例创造了声音的谐和。在毕达哥拉斯学派的学说中还包含许多我们难以理解的神秘主义。但是，由于他们把数学当作他们的宗教的一部分，他们接触到人类思想发展中的一个主要点。这里我可以引伯特兰·罗素（Bertrand　 Russell）关于毕达哥拉斯的一句话：“我不知道还有什么别人对于思想界有过象他那么大的影响。”


    柏拉图知道毕达哥拉斯派所完成的关于正多面体的发现以及将它们与思培多克勒的四个元素结合的可能性。他将元素上的最小部分与立方体相比，元素空气的最小部分与八面体相比，元素火的最小部分与四面体相比，元素水的最小部分与二十面体相比。没有元素相当干十二面体；这里相拉图只是说：“神用以勾划宇宙的还有第五种结合方式。’


    如果代表四种元素的正多面体确能和原子相比较的话，柏拉图已弄清它们不是不可分割的。柏拉图用两种基本的三角形———等边三角形和等腰三角形——构成了正多面体，这些三角形彼此连接而构成多面体的表面。因此，元素能够（至少部分地）相互转换。正多面体可以拆成一些组成它们的三角形，并由这些三角形构成新的正多面体。例如，一个四面体和两个八面体能够拆成二十个等边三角形，它们又能重新结合成一个二十面体。这意味着：一个火原子和两个空气原子能够结合而得出一个水原子。但是基本三角形不能看作是物质，因为它们在空间中没有广延。只有当把一些三角形放在一起构成一个正多面体，才产生出一个物质单位。物质的最小单位不是德谟克利特的哲学中那种基本的存在，而是数学的形式。这里十分明显，形式比以它为形式的实体更重要。


    在这样简要地考察了希腊哲学直到原子概念的形成之后，我们可以回到现代物理学，并提出一个问题：我们关于原子和量子论的现代观点如何同这种古代的发展相比较，历史上，在十七世纪的科学复兴时代，现代物理学和化学中的“原子”一词被用在错误的对象上，因为一个称为化学元素的最小粒子仍然是由一些更小单位组成的颇为复杂的系统。这些更小的单位现个称为基本粒子，显然，如果现代物理学中有某种东西可与德谟克利特的原子相比较的话，这应当是象质子、中子、电子、介子那样的基本粒子。


    德谟克利特很了解这样一个事实：如果说原子能够以它们的运动和排列来解释物质的性质——颜色、嗅味、滋味，那么，它们本身则不能具有这些性质。因此，他把这些性质从原子身上去掉，这样，他的原子是物质的更为抽象的部分。但是，德谟克利特给原子保留了“存在”的性质，即在空间中广延的性质，形状和运动的性质。他之所以保留这些性质，是由于如果这样一些性质也被去掉的话，归根到底就很难谈论原子了。另一方面，这也暗示了他的原子概念不能解释几何学、空间中的广延或存在，因为不能将它们简化为某种更基本的东西。考虑到这一点，基本粒子的现代观点似乎更为前后一致和更为彻底、让我们来讨论这样一个问题：什么是基本粒子，我们简单地回答，譬如说，“中子是基本粒子”，但我们不能给“中子”一幅确切的图象，并且说明我们用这个词表示了什么。我们能够使用几幅图象，有时把它描述为一个粒子，有时又描述为波或波包。但我们知道这些描述没有一个是准确的。当然，中子没有颜色，没有嗅味，没有滋味。在这方面，它与希腊哲学的原子相类似。但是，甚至还有其他一些性质也至少在某种程度上从基本粒子身上去掉了；几何学和运动学的概念，例如形状或空间中的运动，已不能够前后一致地对它加以应用了。如果人们希望对基本粒子作准确的描述——这里着重点是在“准确”一词上，那么，唯一能写下作为描述的东西是一个几率函数。但是，在另一方面，人们看到，甚至存在的性质（如果那可以称为“性质”的话）也不属于被描述的东西了。它是存在的一种可能性，或者存在的一种倾向。由此可见，现代物理学的基本粒子比希腊人的原子更为抽象，并且它正是由于这个性质，才能够重前后一致地作为解释物质行为的线索。


    在德谟克利特的哲学中，所有原子均由同样的实体组成，如果“实体”一词一定要在这里应用的话。现代物理学中的基本粒子同样是在受限制的意义上具有质量，就同它们在受限制的意义上还具有其他的性质一样。因为根据相对论，质量和能量本质上是相同的概念，所以我们可以说，所有基本粒子都由能量组成。把能量定义为世界的原始实体，就能解释这一点了。确实，它仍包含属于“实体”这个术语的主要性质，那就是它是守恒的。因此，前面已经说过，现代物理学的观点在这方面非常接近于赫拉克利特的观点，如果人们把他的元素火理解为能量的话。能量事实上就是运动之物；它可以称为一切变化的原始原因，并且能量能够转化为物质、热或光。赫拉克利特哲学中的对立面的斗争能够在不同形式的能量之间的斗争中发现。


    在德谟克利特的哲学中，原子是物质的永恒的、不可毁灭的单位，它们决不能相互转化。关于这个问题，现代物理学采取了明确地反对德谟克利特的唯物主义而支持柏拉图和毕达哥拉斯的立场。基本粒子的确不是永恒的、不可毁灭的物质单位，它们实际上能够相互转化。事实上，如果两个这样的粒子以很高的动能在空间中运动，并且互相碰撞，那么，从有效能量可以产生许多新的基本粒子，而原来的两个粒子可以在碰撞中消失。这样的事件常常被观察到，并为所有的粒子均由同一种实体——“能量”——制成的论断提供了最好的证据。但是，现代观点和柏拉图与毕达哥拉斯的观点的类似性还多少能进一步发展。柏拉图的《蒂迈欧篇》中的基本粒子最终不是实体，而是数学形式。“万物皆数”，这是毕达哥拉斯的名言。那时唯一应用的数学形式是这样一些几何形式，例如正多面体或构成它们表面的三角形。在现代量子论中，无疑地，基本粒子最后也还是数学形式，但具有更为复杂的性质。希腊哲学家想到的是静态的形式，并想象它们取正多面体形式。然而，现代科学从十六和十七世纪开创时期起，就是从动力学问题出发的。自牛顿以来，物理学中的恒定因素不是位形，或者几何形状，而是动力学定律。运动方程在任何时候都成立，它在这个意义上是永恒的，而几何形状，例如轨道，却是不断变化的。由此可见，代表基本粒子的一些数学形式将是某种永恒的物质运动律的一些解。实际上这是一个尚未解决的问题。物质的基本运动律还不知道，因此还不能用数学方法从这样一个定律推导出基本粒子的性质。但是处于目前状态的理论物理学似乎距离这个目的已不很遥远了，我们至少能够说，我们必须预期得到怎样一类定律。最终的物质运动方程或许是某种关于算符的波场的量子化非线性波动方程，这里波场仅仅代表物质，而不代表任何特种类型的波或粒子。这个波动方程或许和一些相当复杂的积分方程组等价，这些积分方程具有物理学家所称的“本征值”和“本征解”。这些本征解最后将代表基本粒子；它们是将要代替毕达哥拉斯的正多面体的数学形式。我们可以在这里指出，这些“本征解”将从物质的基本方程推出，所用的数学方法与从弦的微分方程推出毕达哥拉斯弦的谐振动的方法是十分类同的。但是，前面已指出，这些问题尚未解决。


    如果我们追随毕达哥拉斯的思路，我们可以希望基本的运动律最后将是一个数学上很简单的定律，即使对各本征态求值的计算可以是很复杂的。关于这种对简单性的期望，难以举出任何充分的论据——一除了这样一个事实：即迄今为止，总是能够以简单的数学形式写下物理学中的基本方程。这个事实与毕达哥拉斯的宗教相符合，而许多物理学家在这方面也具有同样的信仰，但还没有一个令人信服的论据足以证明它必然如此。


    在这里我们可以对普通人常常提出的关于现代物理学中基本粒子概念的问题，再发一点议论。这个问题是：为什么物理学家主张他们的基本粒子不能分成更小的部分，这个问题的答案清楚地表明，现代科学比起希腊哲学来要更为抽象到什么程度。论证过程如下：人们怎样才能分裂一个基本粒子，当然只有利用极强的力和非常锐利的工具。唯一适用的工具是其他基本粒子。可见，两个非常高能的基本粒子间的碰撞是能够实际分裂粒子的唯一过程。实际上，它们在这样的过程中能够被分裂，有时分成许多碎片；但碎片仍然是基本粒子，而不是它们的任何更小的部分，这些碎片的质量是由两个相碰粒子的非常巨大的动能产生的。换句话说，能量转换成为物质，使得基本粒子的碎片仍然能够是同样的基本粒子。


    在将原子物理学中的现代观点和希腊哲学作了类比之后，我们必须补充一个警告，即对这种类比不应有所误解。乍看起来，似乎希腊哲学家由于某种天才直觉而得到了与我们现代相同或很相似的结论，而我们的结论却是经过几个世纪的实验和数学方面的艰苦劳动才得到的。对我们的类比的这种解释无论如何是一种完全的误解。在现代科学和希腊哲学之间有着巨大的差别，那就是现代科学的经验主义态度。自从伽利略（Galileo）和牛顿的时代以来，现代科学就已奠基于对自然的详细研究之上，奠基于这样一个假设之上，这就是：只有已被实验证实的或至少能被实验证实的陈述才是容许作出的。为了研究细节并在连续不断的变化中找到经久不变的定律，人们可用一个实验在自然中隔离出若干事件，这种观念希腊哲学家是没有想到过的。由此可见，现代科学在一开始就立足于一个比古代哲学更谨慎同时也更巩固得多的基础之上。因此，现代物理学的陈述在某种意义上比希腊哲学更严肃得多。譬如，当柏拉图说火的最小微粒是四面体时，人们很不容易了解什么是他的真实意思。是不是四面体的形式仅仅象符号一样附加在元素火的上面的，还是火的最小微粒的力学行为就象一个刚性四面体或一个弹性四面体那样呢？用什么力才能够将它们分成一些等边三角形呢，还有一些诸如此类的问题。现代科学到最后总要问：人们怎样能从实验上肯定火的原子是四面体而不是立方体，因此，当现代科学说质子是基本物质方程的某个解时，这意味着我们能从这个解用数学方法推导出质子的全部可能性质，并且能用实验从每个细节上验证这个解的正确性。以很高的准确度并在任意数量的细节上用实验验证一个陈述的正确性的这种可能性，给这个陈述以古希腊哲学的陈述所不能具有的巨大份量。


    尽管如此，古代哲学的若干陈述还是颇接近于现代科学的那些陈述。这只是表明，将我们未曾做过实验就具有的关于自然的日常经验，同在这种经验中寻求某种逻辑秩序以便根据普遍原理来理解这种经验的不懈努力相结合，人们能够到达怎样的境地。