物理学哲学分享 http://blog.sciencenet.cn/u/赵国求 研究员,武汉市学科带头人,专著十部,国内外发表论文六十余篇。

博文

相互作用原理与相互作用实在

已有 4034 次阅读 2007-3-1 17:06 |个人分类:物理学哲学

第三章  相互作用原理与相互作用实在

第一节  广义与狭义相互作用原理

相互作用原理包括广义相互作用原理和狭义相互作用原理两部分。

一、             广义相互作用原理:

广义相互作用原理是指事物间的普遍联系。联系作为一个哲学范畴,是指一切事物、现象之间及事物、现象内部诸要素之间的相互作用、相互影响、相互制约的关系。事物、现象及其过程与他事物、现象及其过程之间的相互影响、相互作用、相互制约的关系称外部联系;事物、现象及其过程内部诸要素之间的相互作用、相互影响、相互制约的关系称内部联系。

事物之间的普遍联系具有客观性、普遍性和多样性。联系的客观性表明,联系不是人们的主观臆造,而是不以人的意志为转移的客观事物,是事物固有的本性。人们可以发现联系,但不能创造联系。联系的普遍性指出,世界上一切事物、现象及其过程的内部和外部都处在相互联系中,世界上没有“没有相互联系的事物”,整个世界是一个相互联系的统一体。孤立的、静止的、彼此没有任何联系的事物是没有的。“实体是它自身的原因”(斯宾诺莎),每一事物通过其自身体现出联系的普遍性,又通过联系的普遍性表明它自身的存在。自然界如此,人类社会亦如此。联系的多样性与世界极其广大和发展的无限性相关。事物联系的主要形式有:因果联系、必然联系和偶然联系,本质联系和非本质联系。因果联系是包括时间先后秩序在内的,由一种现象必然引起另一种现象的内在本质联系。必然联系是事物存在和发展的内在规定性,规定事物发展的基本趋向,它由事物内部的基本矛盾所决定。偶然联系表明事物出现的或然性。事物既可以出现,也可以不出现;既可以这样出现,也可以那样出现。这就是偶然性。唯物主义认为,事物的偶然联系是事物存在和发展的外在规定性,由事物的外部条件或事物内部的非基本矛盾所决定。本质联系是反映事物本来面目的基本联系,它决定事物的根本性质。非本质联系是事物的表面特征和外部联系,是事物的假象表现。真象是事物本质从正面直接的表现,假象是事物本质从反面歪曲的表现,往往事物的真象易被假象所掩盖。真象和假象都是客观的。以为假象与本质毫无关联的看法是有违于辩证法的。即假象仍是本质自身特殊形式的表现。事物的现象是必定与事物的本质相联系,而事物的本质就是事物发展的规律。规律是本质联系,现象是非本质联系。

事物普遍联系的具体形式还有:直接联系和间接联系、内部联系和外部联系、主要联系和次要联系等等。

透过现象看本质是唯物主义者研究自然和人类社会的基本要义。

世界上的万事万物都是普遍联系的,而普遍联系包含着相互作用,“相互作用是事物的真正的终极原因”,1可见无论是自然界,还是人类社会,任何事物都是在其相互联系、相互作用中表现其存在的,世界上没有孤立的、静止的、无相互联系、无相互作用的事物。

二、             狭义相互作用原理

狭义相互作用原理指明人类认知的自然现象是如何形成的。

(一)几个相关概念及其相互联系

1.       物质

物质——外在世界的本原,万物的基始。哲学上的物质,它是抽象的,无所谓形体概念。物理学中的原子、电子、基本粒子,以至夸克、超弦等都不能等同视作哲学上的本原。它只能是物质本原在物理学中的具体体现。

2、自在实体(本体)

指人类意识之外独立存在的客体。“月亮在不看它时作为月球照样存在”,“自在实体”不是不可知之物,“月球”就是我们所称的“自在实体”(本体) ,但“月球”通过观察转化成为“月亮” ,转化成“为我之物”[2] 。世界上没有不可知的东西,昔日不可知,今日变成可知。这种转化就是认识。

“本体”与“物质”相比,在“形”的构成上前进了一步。它已经出现了“体”的概念。这个“体”如何形成,哲学家们没有过多的追究。但相互作用是物质的基本属性,从“相互作用”这个普遍的形上概念看,相互作用应是 “体”形成的原因。是相互作用使物质形成了本体,形成了某种关系的“纽结”。由于相互作用在这里仍是一个普遍抽象概念,因而本体是什么样子,人类不去观察就不知道,但不是不可认识。因为有了“体”,按洛克的说法是“物质实体” [3],因此,本体是本体论中的“实在”,比“存在”向现实世界走近了一步。然而,本体如果不与自然力结合,不与人类使用的观测信号,例如光发生作用,其形象和实在性将不被人类所感知。因此,结合洛克的概念,我们把本体称作“自在实体”。与物质概念相比,“本体”已经通过“自然力”的相互作用“凝聚”成“体”(纽结)了,“只是这些物体本身可能是什么样子,我们一点也不知道。”[4]

3、物理实体

现行哲学辞典中没有这一概念,但广为物理学家和物理学哲学家所使用。指物理理论所指称的研究对象[5]。按照经典物理学,从物质形态上划分,物理实体有气态、液态、固态三大类形态。气态无形无体(无一定的体积),液态无形有体(有一定的体积),固态有形有体。从结构上划分,物理实体则有分子、原子、原子核、电子、质子、中子等等。有的知道“形”,有的不知道“形”,例如原子中的电子,我们就不知道它的形状。分析还原论者认为,原子、电子等微观客体在系统内和系统外具有不变的特性,例如原子中的电子与从原子中分离出来的电子就具有相同的属性。

物理实体与本体相比,它体现了四种具体自然力(引力、电磁力、弱力、强力)对形成“体”的作用。它能帮助人类对本体的具体认知。不同的自然力,物理理论所指称的研究对象——物理实体的表现也不一样。它们分别以质量载体(m)、电荷载体(q弱荷载体(g)、强荷载体(G)加以区别。

物理实体在牛顿力学、相对论力学及现行量子力学中 “形”都忽略不计,抽象成了质点。质点是一个没有“大小”,但有“实”的东西。物理理论所指称的研究对象——物理实体均是物理实在。

4、现象实体

与自在实体相对。现行哲学辞典中没有这一概念。按现行哲学概念,“现象”指“自在之物”——本体作用于人的感官所引起的感觉表象,是事物外在的,易变的方面;“实体”通常指能够独立存在,作为一切属性的基础和万物本原的东西。实体与现象相对,是现象所依存的本体。现象与实体放在一起组成新的概念,看来有些矛盾。是现象就不是实体,是实体就不是现象。那么既是现象又是实体的“现象实体”指的是什么呢?现象是“自在实体”(自在之物)作用于人的感官所引起的感觉表象,这个感觉表象有时具有形体概念,有时却没有。这既与“自在实体”本身有关,还与中介信息和人的视觉识别能力有关。我们把现象与实体共同组成“现象实体”,主要是强调感觉表象中“客体”“形体”的一面,强调既有“象”又有“形”,还有“体”的客体。“现象实体”是“本体”通过观测信号作用,由人的感官或感官的延伸与大脑神经系统综合作用引起的感觉表象。它表明人对客观世界的认知有一个科学的物质作用过程。感觉表象是人脑的一种生物建构。“现象实体”是本体在特定条件下的一个具体体现,尽管与人脑接收的中介传媒的性质和人脑的结构有关,但它是客观实在的。当现象实体作为物理学研究对象时,就构成物理实体。现象实体概念的引入,将对我们理解量子力学指称的研究对象有重要帮助。

5、观测信号

人类认知世界借以使用的探测信号。没有观测信号,人类就不知道“本体”是什么。也无法认识四种基本“自然力”的作用规律。观测信号的性质,直接影响人类对“本体”的观测结果,其中包括“现象实体”的时空特征。因此,凡涉及“现象实体”,人的主体作用就加进来了。“物体”、“现象”这些概念,都有人的主体作用成分。人类认知世界的“中介观测信号”是感觉表象必备的客观基础。

观测信号作用与人的经验对应。人类认识的时空必然要打上“现象实体”时空特征的烙印。空间即物质广延性的哲学思想有了物理学基础。

6.“现象实体还原为本体”:特指不计观测信号作用在人类认识世界过程中的影响,包括不计对“本体”时空特征的影响。这样,“现象实体”(物体)的时空特征就可以理解为“本体”的时空特征。我们将要说明牛顿力学就是这样的力学。

7.“本体”转化为“现象实体”(物体):是指承认观测信号作用对人类认识世界的影响,也即承认观测信号作用对“本体”时空特征的影响。

8.基本相互作用:泛指普遍的自然力。经观察,现今人类认识了引力、电磁力、强力、弱力等四种基本相互作用。

9.价值和意义:我们认为,如果没有人,自然界中的一切均无所谓价值和意义。“现象实体”的价值和意义是相对于人而言的。这与尼采的观点类似。

10.乘号“·”:在语义解释上表示“现象”与“意义”的依存关系,在句法的直观意义上是算术的,如果证明是“群论”的(即在句法上纳入广义运算的规则体系),则可能有新的预见(见逻辑通式(3-1))。上述概念的逻辑层次见图3-1

                               

                                

                                       图3-1    人类认识世界的逻辑层次图

                                      

                         

 

                                       

 

在日常生活中,通常人们把本体通过观测信号到现象实体的认识过程忽视掉了,直接从“自然力”的相互作用到现象实体,这样,物质常被看成是本体。

科学实在论的真理派,把现象实体误认为自在实体,抹杀了自在实体与现象实体的区别;反科学实在论的经验主义者则是只看到了现象,而丢掉了自在实体。前者忽视了观察信号对自在实体在时空显现上的影响,后者则是忘记了观察信号没有作用对象,现象不可能出现的道理,显然两者都是片面的。我们的目的是取二者之长,去二者之短,建立一个合理包容二者的综合理论,这意味着辩证地重构康德批判哲学的现代物理图景。

(二)狭义相互作用原理与物体的时空形象

自然界中一切物体在时空中的形象都是由物质间的相互作用形成的,大到宇宙星球,小到微观世界的原子、电子均不例外。物体间的相互作用性质是有区别的,引力、电磁力、强力、弱力的性质就各不相同,相互作用的性质不同,大小相异,由相互作用形成的物体的时空形象也就会不同。形成地球的分子、原子、电子,形成原子核的质子、中子,形成质子、中子的夸克,由于它们之间相互作用性质和大小的区别,由其形成的物体在时空中的形象及运动状态也是各有区别的。具体体现在描述它们的形状及“状态方程”“解”的区别上。地球是球形的,绕太阳运动,形成地球形状及其运动状态的是长程力的引力。没有引力,地球在时空中的形象及其运动规律无以形成。地球的半径r及由此形成的球面曲率RR1/ r),表征地球在引力作用下自身在时空中的形象特征。地球绕太阳运动的轨道,可体现地球绕太阳运动的状态,决定轨道运动的方程则称其为地球运动的状态方程。与此相对应,我们称r为物体在时空中的特征半径,R则称为与物体联系的特征曲面的曲率,rR表征了物体自身的时空形象,状态方程的解则表征物体运动的具体状态。

自然界中的基本相互作用力,我们统称其为“自然力”。它们的存在与人类是否存在无关。 “本体”是物质在基本相互作用中形成的“形象”。并且,相互作用的性质不同,“形象”也不同,它是“人”的意识以外的东西,人类不去观测它,就不知道它是什么。

但是,我们认识的自然现象,及由此总结归纳的一切自然规律,还依赖于人类使用的观测信号。“物体”所受的相互作用不同,观测信号不同,一般说来,在时空中表现出来的形象是有区别的,包括表征“物体”的特征量rR及其运动方程的变化。不观测,则什么形象(现象)也不知道。物体在时空中的形象和运动规律与观测信号的性质相关。

月球在天空,在自然力的作用下,有其自身的形状和运动状态,与我们看不看它无关。但是,如果没有观测信号光,或者我们根本不去观测它,我们是无论如何也不会知道月亮的形状及运动规律的。说“月亮不看它时,它就不存在”按照朴素直观的理解,那似乎是典型的反实在论观点。因为按照实在论的观点,决不能说自在实体不存在。因此,正确地说应该是“月球没人看它时,作为月亮不存在”。这是罗嘉昌先生在强调实在的关系性质时所说的话。我们把它解读为,离开了观测作用,作为可感知时空形象的“现象实体”就不存在。当然,由现象实体不存在直接推出自在实体也不存在的做法是极端荒谬的。换个通俗、明确而可接受的提法是,月球在我们不观测它时,就不知道它是什么形象。仍然可以借用罗嘉昌先生的话来说明自在实体的客观性,“月亮在没有人看它的时候作为月球仍然存在”。我们认为作为现象实体的月亮有时空形象,但人类如果不去观测作为自在实体的月球,就永远不会知道它的形象的。这并不能导致不可知论。因为,人类可以通过“观察”将“自在实体”转化成“现象实体”进行认识,只有“现象实体”对人类才有实际意义。总之,我们观测到的现象(或物体的形象及状态)是基本作用产生的本体与观测信号作用的综合产物。不借助观测信号作用,人们就不知道本体是什么。从哲学的角度来说,“自在实体”与“现象实体”这两者之间的关系是既不能直接混同又不能隔裂开来的。

由此,我们总结出狭义相互作用原理的完整表述:

自然界中一切物体在时空中的形象和状态都是由物质间的相互作用形成的,既包括基本自然力作用,也包括人类观测世界使用的观测信号作用。

对物体的受力进行具体分析,发现物体的受力可分为内力和外力两大类。当内力作用等于零时,在一般情况下物质就无法凝聚。物质无法凝聚,组成“物体”的一定物质散布于整个空间,物质的平均密度等于零,那就等于什么也看不见,即什么也没有,当然也就无所谓物体的时空形象。如果我们用时空特征量r(曲率半径)和R(曲率)(不管是什么相互作用形成的)表征物体在时空中的形象,那么,由于此时r=,R=0,则与“物体”对应的,表征“物体”形象的特征曲面(时空特征)是一平面。可见,人类观念中的“平面”,如若与物体的相互作用联系在一起,“几何”就与“物理”及“物体”时空特征有了有机的联系。也就是说,数学中的平面与“物体”没有“时空中的形象”,光学作用效应为零和物质的平均密度等于零等概念联系在一起。更深刻地说,那就是内力不存,“本体”无依。这就是本体论哲学认定,不存在没有相互作用的“物体”的根本原因。

但物理上物体还有另一类受力状态,那就是外力。物理学指出,当“物体”有内力,但无外力或外力作用之和等于零时,“物体”处于静止或匀速直线运动状态。并规定建在静止或匀速直线运动物体之上的时空坐标是均匀平直时空。物体不受外力,其中包括观测信号作用也没有,理论上讲,人们根本就无法认识它。没有办法认识它,概念上是一个“无”,“无”是“零”的起源。这就是人类约定建在“静止”或“匀速直线运动”的物体上的时空坐标系是平直时空的精神实质。平直时空还是体现一个理想化的、没有相互作用的世界的特征,而这种特征用时空的均匀性来说明。牛顿的绝对时空就是一个均匀平直时空,绝对时空是一个没有相互作用的寂静世界。这与没有内力作用,约定与“物体”联系的特征曲面是平面在逻辑规定上是一致的。真空既可以是真正的“无”(如无内力作用的情况),也可以是“有”中的“无”(有内力而无外力或外力作用之和为零),而后者只要相应的条件(一定的外部相互作用)存在,即可“无”中生“有”。相互作用使真空的均匀性遭到破坏,“物”就从其中突现出来,这正是中国古代道教哲学的逻辑依据,也是量子场论中粒子在真空中产生与湮灭的哲学基础。

总之,物体的时空特征量R=0(r=∞ )(平面),与匀速运动坐标系“时空平直”等价,都表示没有相互作用,对物质或本体无法认知。要使物质或本体被我们认识,在时空中表现出“有形”,就必须施以相互作用(包括观测信号作用),让“物质”和“本体”呈现出人类认识的时空结构。由此,我们得到推论一:

现象缘于相互作用,没有相互作用,“物质本体”无以形成被观测的时空形象。

“物质”之所以在某处形成时空形象,是因为“物质”在该处受到力的作用(包括观测信号作用),使形成的物体动量、能量发生了变化,并伴之以一定的变化过程,改变了与物体联系的时空特征量rR或建在物体之上的坐标系的时空均匀性。物体在A处出现,既是A处“物体”自身的空间结构发生了变化(由R=0到R≠0),也是与物体联系的坐标系的时空均匀性发生了变化,显示了物体的存在。两者既与内力相联系,也与外力相联系。在微观世界,则通过物质波波长λn除以2π——特征半径rn的倒数,即曲率Rn=pn/(h/2π)形成的空间结构,体现“微观客体”的可观测程度。是相互作用,包括观测信号光的作用,使我们得以认识一个客体在时空中的特有存在形式(或特有的时空结构)。

力的作用能够改变与物体联系的时空结构,显示“物体”的存在,而“物体”所在处时空结构的变化,反过来又可影响其他物体的运动状态,表现出某种运动趋势,体现某种力的作用特征,表现出物体所在处存在一种场的作用。场的相互作用与物体建立的时空结构的变化是一个问题的两个方面,加速场与均匀引力场等效是广义相对论的前提假设,正好体现广义相对论与相互作用原理的内在联系。于是我们得到推论二:

时空变化之所在,即为物体之所在,也是场源之所在。

有了上述狭义相互作用原理及推论,现在我们可以来回顾和讨论牛顿力学、相对论力学和量子力学中物体时空形象和状态描述的哲学基础了。

按照前面的分析,物体时空形象的形成,其动因既包括产生“本体”的基本相互作用(自然力),也包括观测使用的观测信号作用。自然界中的任何物体如果不做理论抽象,显然都不会是质点,都有与相互作用相联系的特征量rR。观测信号对物体在时空中的形象也应有影响。但牛顿力学都把物体简化为质点,质点无大小,没有几何形状,物体自身无形象,加上牛顿力学中观测信号作用速度无穷大,无穷大的信号速度无法区分物体上不同的时空点。因此,牛顿力学中,观测信号也就无法判别和影响物体因运动而引起的时空形象的变化。这等于忽略了观测信号作用对物体时空形象的影响。坐标系是建在物体(参照物)之上的,物体(参照物)的时空特征就是坐标系的时空特征。忽略观测信号对运动物体(参照物)时空形象的影响,也就是忽略观测信号对坐标系的时空特性的影响。所以牛顿力学中时空是绝对的,与物体的运动状态无关。从不计观测信号作用对“物体”时空特征的影响角度看,牛顿力学是现象实体可以直接等同于自在实体的力学。现象实体的时空特征也就被看作本体的时空特征。这是一种过分简单化、理想化了的近似假说。日常生活中,人类对自然现象的许多认识与思考都有意无意根植于这一自然哲学原理。

围绕质点的意义,牛顿力学给出了逻辑一致的假设。这就是:一、信号作用速度无穷大。因为作用在物体上任何一处的信号都是同时到达,无法区分不同的时空点,所以“物体”简化为质点。二、质点的内能密度无穷大,能量密度无穷大,预示物体的内力作用无穷大。因此,无穷大的作用对应牛顿力学质点的含义。三、牛顿力学是推论二的极限理论。物体的时空特征rR取极值。特征半径r=0,特征曲面的曲率R=∞。一切自然定律在此处失效。物理学中用奇点表示粒子,奇点的物理性质的自然哲学应源于此。

相对论力学则不同。相对论力学否定了光速无穷大特性,承认光速有限,实际上是否定了物体的点粒子特性。爱因斯坦的火车对时实验,即是最好的说明,火车就不是质点。否定了物体的点粒子特性,也就是承认观测信号作用对物体的时空形象有影响。相对论的光信号对时及光速的有限性对时空特性的影响,正是源于这样的新的自然哲学原理。当然,相对论物理学中物体最后还是变成了质点,但那是在将观测信号作用对物体(兼作参照物)时空形象的影响,归结为坐标系的时空属性之后才办到的。物体成了质点(坐标系建于质点之上),时空形象无变化,但与物体(参照物)联系的坐标系的时空却在变化。这种抽象处理,体现了爱因斯坦的超常智慧,是空间即物质广延的哲学思想的具体化。相对论力学是比牛顿力学更精确的力学,在对现象的描述中,它既考虑了牛顿力学中的基本相互作用,又考虑了观测信号作用。但是必须指出,相对论力学考虑观测信号(光)对物体时空形象的影响时,不动摇基本相互作用对物体时空形象的定位,而且引力和光的作用被看做是连续的,形成了时空的连续性。电磁力作用对时空的影响可以转换成引力的变化对时空的影响。本书的后继章节将作深入讨论。由于时空特征是相互作用的产物,因而连续的作用保证了时空的连续性。这是宏观低速和宏观高速世界的特征,在微观世界情况则另当别论。

在微观世界,光子与电子的作用是不连续的,吸收与释放是一份一份的。因此,电子的时空特征也表现出不连续性。间断的相互作用造成了形态突变区的存在。光子和电子之间相互作用的大小和方向当然也是可以变化的。因此,由相互作用形成的电子的时空特征量rR也是变化的,体现出不同时空点上曲率R的波动。但每个能级有一个基本的最大值,出现在波函数的振幅中,我们称其为基准曲率。按照我们的新的理解方式,这就是电子波的本质所在。电子波反映的是电子运动过程中通过光学现象表现的自身空间结构(表面曲率)的变化。我们还要证明,空间结构——“形”的变化与点粒子几率的变化是可以相互转换的。曲率解释可以包容几率解释,并弥补了几率解释中对“形”的缺失。

 

第二节  现象实体的三种认知进路和人类认识自然的逻辑通式

一、现象实体的三种认知进路

哲学所称的“感觉表象”,不涉及感觉表象产生的科学机制。二百年前人们恐怕还无法深入研究“感觉表象”的科学机制问题。但今天的情况却不同,现代物理学、现代生物生理学、现代脑科学、现代神经科学及计算机科学的迅速发展,为研究“感觉表象”的科学机制提供了基础。就我们的研究,“现象实体”至少有三种不同的认知途径。

第一、“自在实体”通过光等中介传媒直接作用于人的感官(主要是视觉系统),在人的大脑中引起感觉表象,建构、认知“现象实体”。例如,通过光我们看到月亮、太阳是圆的。月亮、太阳的形象,就是通过光直接作用于我们的眼睛,然后由大脑中的神经系统综合建构出来的。这就是一种认知。现代脑科学与现代神经科学已为这种认知的建构特性做了充分的科学研究。取出人观看苹果的脑波信息,我们可以让人看到的苹果形象在计算机屏幕上重现。我们看到的月亮、太阳、苹果不是本体,而是本体通过传媒(光)和人的眼—脑系统共同作用形成的“现象实体”。宏观经验中人们赋了“现象实体”形象不变的基本属性。

第二、“自在实体”向“现象实体”的转换,不能由人的感官和大脑直接认知,而是通过感官的延伸——显微镜、望远镜等在我们的大脑中形成被观察物的形象。例如,微生物、细胞、分子、遥远的星球等。当然,这种方式形成的视觉表象,一方面和第一种情况一样,最终都离不开人眼—脑的直接建构;但另一方面,仪器的原理、设计却离不开人类已有的知识、理论和已经建立起来的逻辑体系,感觉表象又与人的理性有一定的联系。

第三、“现象实体”还有一种间接认知方式。那就是人不能直接感觉,而是自然现象通过人的观察,由已有的经验、知识、理论和逻辑基础,为研究对象建构“形象”。这种“形象”不是精神,它有实体依托,亦有现象表现,是物理实在,是物理学的研究对象。在微观世界,电子不但肉眼看不到,就连再高倍的显微镜也看不到。我们对电子等微观客体形体的认知,只能凭现象观察、经验、知识、理论和相应的逻辑推理来进行建构。我们曾想象过原子像个葡萄干,电子像沙粒镶其中,后来发现不对;接着又想象成形状不变的小球,绕原子核旋转,后来又发现在原子世界仍不能成立。在原子世界电子是一个波粒二象性的统一体。波粒二象性的统一是个什么样的实体,电子的形状可变?反正,这个该死的电子至今仍在折磨人类的思维。当然,也有人索性把电子的实体性丢掉,变成由经验所构建的一堆关系的称谓,关系的“纽结”本身反倒没有了,只剩下一堆关系,那电子是个什么东西?电子什么都不是!这就是强化关系,虚化“纽结”的结果,是反科学实在论者的出发点。显然,这个想法不能为人们所接受,尤其是不为坚持实在论的物理学家所接受。看来,建构一个符合客观实际的电子“现象实体”仍是人们追求的目标。

人类通过自身的感官或感官的延伸建构的“现象实体”是客观实在,人类通过现象观察、经验、知识、理论和逻辑推理建构的“现象实体”亦是客观实在。月亮、太阳、遥远的星球是实在的,微生物、细胞、分子也是实在的,量子力学中具有波粒二象性的电子等微观客体还是实在的。不过电子“现象实体”需要通过前述第三种方式去建构。

其实,人类对地球形状的认知,历史上用的也是第三种方法。在古希腊就曾有人认为球形的地球最合理,但站在地球上,人只能感觉到一个平面地球。球形地球是通过绕圈探行后回到原地及海平面上先看到船的桅杆得到证实的。这是先有推理建构,而后证实。当然,我们现在可以在宇宙飞船上直接看到球形地球。但那是科学技术进步的结果。显然,由经验、知识、理论和逻辑推理间接认知的“现象实体”同样具有实在性,人类对电子的认知也应如此。必须指出,我们不是建构“实体”(本体),而是建构“实体”的“形”。“实体”有了被认知的“形”,才转化成“现象实体”。因此,我们建构的是“现象实体” 。“本体”是不能建构的,而且“现象实体”不等于“现象”。“现象实体”是物理哲学中的概念。

牛顿力学中,现象实体的“形”在讨论的问题中,均被认为对讨论的问题没有影响,可以忽略不计。物理学描述的对象——物理实体抽象成了质点。物理实体是实在的,牛顿力学中质点就代表了物理实在。在相对论力学中,质点仍代表了物理实在,广义相对论中,广域分布的场也是物理实在,时间空间受物质分布影响,也以几何场的形式成为一种物理实在[7]。量子力学中的电子等微观客体,物理实在的表现形式是什么?还能是“形”忽略不计的质点吗?问题在于,我们连电子的“形状”是什么现在还十分迷茫,如果连形状是什么都不知道,就把“形”忽略掉了,对电子的认知,能不出问题吗?

人类对宏观现实世界的认知基于宏观连续作用,恐怕应是共识。人脑通过光的连续作用而辨识宏观的“现象实体”,就是一个连续的图像。其实人对非连续发光的适应能力是很差的,电影胶片,如果每分钟少于24幅,就不能形成连续的画面。在原子世界,电子在能级跃迁中给出的是非连续的光谱,用非连续的光叫大脑直接建构原子中电子的形象是强其所难。人的大脑还没有这个能力。更何况,原子中的电子除能级量子数之外,还有角量子数、磁量子数和自旋量子数等不连续概念(h0)。说电子是一个大小不变的光滑小球,并可抽象成质点,那纯粹是根据宏观连续作用(h=0)所做出的经典想象。卢瑟福的原子模型,就在这种想象中碰了钉子。

微观世界的作用是非连续的,人脑无力对非连续发光的客体直接建构其形象,完成“本体”到“现象实体”的转化。但人类必须完成这一转化,否则对原子中的电子就不能做到完全的认知。在前述“自在实体”到“现象实体”的三种转化途径中,只有第三种可用。对微观客体的认知,我们必须通过微观客体给出的光学现象,由经验、知识、理论和相应的逻辑基础进行形体建构。被建构的电子“现象实体”,必须具有波粒二重属性。它不是精神而是地地道道的物理实在。因为这个物理实在,可以通过它表现出的光学现象得以还原证实。説得具体些,也就是由第三种方法建构的,与原子中电子等微观客体对应的“现象实体”,通过量子测量连续作用的界入),可以呈现出客体的宏观经典粒子属性。

二、原子中电子“形象”的建构及物质波的物理意义

原子中电子在能级跃迁中放出光子,光子的能量E=hv=E2-E1,E2、E1是电子在能级21上的能量, υ是光的频率。光子的能量直接体现出电子能量、动量的改变。电子的动量与电子的德布罗意物质波波长有直接的关系,而波长与空间概念相关。物理学上就常用康普顿波长除以2π(λ0/2π=r0)作为静态粒子的特征长度。我们的研究表明,将这个特征长度视为静态粒子的分布半径是有实验依据的。美国实验物理学家霍夫斯塔特对中子、质子分布半径的实验检验[6],及其他人对电子分布半径的测试,实验数据与特征长度就符合得相当好[7]。可见用波长建构电子的“形”是有实验依据的。

静态电子不是原子中的电子。原子中的电子在不停地运动。电子从一个能级跃迁到另一个能级,我们看到的是光的频率和强度,是不连续的谱线,不连续的光谱不能给大脑建立一个连续的电子形象。静态粒子的特征长度不适用。但原子中电子的德布罗意物质波波长有空间概念。类似地,我们试用原子中的德布罗意物质波波长λn除以(λn/2π ,作为原子中能级n上电子的基准曲率半径rn 。氢原子中,这个半径rn刚好可以表述成:rn=na0  n是能级量子数, a0是玻尔半径,  Rn=1/rn是曲率,氢原子及其他物质波波函数的振幅中均可分离出1/rn这一曲率因子。每一个时空点均有一个与电子的“形”相对应的曲率在变化。所以我们认为物质波是曲率波。曲率的大小表示电子的粒子性,曲率的变化表示电子的波动性[8]。波动性和粒子性在原子世界有了和谐的统一。

原子中电子越靠近原子核,曲率Rn越大,能级跃迁时发射的光子的频率越高;电子越远离原子核,曲率Rn越小,能级跃迁时发射的光子的频率越低。原子中电子越靠近原子核,曲率Rn越大,形越小,在形内找到点电子的概率越高,电子跃迁几率越高,光越强;电子越远离原子核,曲率Rn越小,形越大,形内找到点粒子的概率越小,电子跃迁几率越低,光越弱。曲率解释充分利用了光在人类建立客体“形”中的作用,我们把这叫“光形转换”;曲率解释同样利用形与质点之间的关系,建立了几率解释与曲率解释之间的对应连接,我们称其为“形点转换”。但我们可以证明原子中,我们用波长为电子建构的“形”在原子深处不可忽略,失去了宏观质点抽象的条件[9]如果非要把原子中的电子抽象成质点,点电子的位置就会有测量误差,误差范围就是电子“形”的展布半径。点电子有了新的性质,这就是“质点”在其“形”内的不确定性。而且质点是虚的,波是实的,表现为动量决定的空间特征量的变化。原子世界中,曲率波和虚质点共同组成了量子力学的描述对象——电子的物理实在。

我们还想说明,人类对“现象实体”“形”的识别,还有赖于“现象实体”与“现象实体”存在的环境,看其是否能与背景空间分离。在宏观连续作用的世界,客体与背景空间的分离让人的眼——脑系统有很好的形体分辨与建构能力。在微观世界,如果“形”在讨论的原子问题中不能忽略,表明客体与环境难以分离。这时讨论客体的运动,就难以用从空间中分离出来的形体抽象成的质点进行描述,而必须改用客体在不同时空点上表现出的时空特征进行描述,这就是量子力学中波函数的物理意义。它的客观实在性是毫无疑义的。

三、人类认识自然的逻辑通式

人类对自然界的认识,离不开主体、客体(本体)观测信号三个基本要素。主体、客体(本体)、观测信号与现象(物体的时空特征)之间的关系,构成了人类认识自然的逻辑基础。

但是,在讨论人类认识自然的逻辑基础之前,我们还得根据前述的相互作用原理,对一些重要概念作进一步的明析。

1.本体(客体)——是一种与基本相互作用相关与主体无关的客观实在。如果人类不通过一定的观测信号去观测,人类将不知道“本体”是什么。

2.主体——人是认识自然和社会的主体。没有主体,与人类相关的“价值体系”将失去意义。

3.现象——是现象实体的时空特征。人类认知的现象都是观测的产物。没有观测,现象实体还原为本体。

4.观测信号——相互作用是物质间的基本属性,没有相互作用的物体是不存在的。目前人类发现的基本相互作用有四种,即引力、电磁力、强力、弱力。人类用以观测本体的信号,目前就是上述四种,而最基本、最常用的是电磁信号。没有观测信号,人类无法将本体转化为被认识的自然现象。

5.意义——特指人类对自然现象评价的价值体系。没有主体,任何自然现象的价值还原为零,也即意义为零。

明晰了上述五个基本概念之后,人类认识自然的逻辑通式即可建立,它表现为:

主体+观测信号+本体(客体)=现象·意义

A+B+CD·E                                    3.1

这里,A——主体,B——观测信号,C——本体(观测对象)D——现象,E——意义,·——乘号(参看本章第一小节的解释)。等式的左边是人类认识自然的三个基本要素,等式的右边是认识的结果。

     B(观测信号)=0,则D(现象)=0

          A(主体)+C(本体)=0                   3.2

上式表明,主体人离开了观测信号,对自然现象将无法认知,本体无法转化为人所认识的现象实体,即认识对象——现象=0,这是很容易理解的。试想,如果人类处在一个信息全无的“黑暗”世界,我们还能了解到世界上的什么呢?本体无法转化为被认识的“现象实体”,本体虽在,但“现象”全无。这就是“现象”为零的意义。

     A(主体)=0,则D(现象)=0E(意义)=0

            B(观测信号)+C(本体)=0                3.3

3.3)式表明,如果自然界失去了认识的主体——人,那么,自然界的本体,除了无法转化为人认识的“现象”之外,自然界的一切由人定义的价值体系也将失去意义,这即是D0E0,这很像哲学 家尼采对人的价值观的认识。离开了人类观测的存在,只能是抽象的存在,这个存在只有哲学意义,而无现实意义。

     C(本体)=0,则D(现象)=0

               A(主体)+B(观测信号)=0                  3.4

3.4)式表明,只有观测信号作用于本体,才能得到一个对人类有价值的实际存在——现象实体。没有本体,观测信号没有作用的对象,则现象=0。其实,如果(3.4)式中的本体不存在,主体和观测信号也就不存在。因为主体人和观测信号本质上也是由本体构成的,本体不存在,则世界不存在,哪有人和观测信号呢?

唯心主义者认为意识决定物质。意识第一性,物质第二性。(3.4)式还可以帮助我们解析唯心主义认识论的逻辑起源,指出其认识的偏差始于何处。

意识是主体所具有的,而主体从物质属性上都可归于本体。本体没有了,即产生意识的主体——人没有了,何来人的意识?唯心主义的错误在于,它不了解(或不愿意承认)主体人本身也是物质本体构成的。本体的消失,思维过程不存在,人的意识也自然消失。世界都不存在,何来意识决定物质?

当我们认识到思维(意识)本身也具有物质属性的时候,世界将完全统一于物质。思维(意识)与物质的关系不再是谁决定谁的问题,而是与思维(意识)对应的这种物质到底是如何产生的。我们应当进一步研究的是人脑中与意识对应的这种物质产生的物理化学过程。这是当今世界脑科学和思维科学研究的课题。

可见,人类认识自然的三要素缺一不可,人类要全面正确的认识世界,必须是A0B0C0,最后才能保证D·E0,这就是人类正确认识世界——逻辑通式(3-1)必须具备的前提条件。

牛顿力学是本体=现象实体的力学,它一方面忽视了主体人在认识自然现象中的作用,另一方面忽略了人使用观测信号时,其作用对被观测对象的影响。牛顿力学认识论的逻辑通式是

本体=现象实体

即现象是本体的时空特征,这显然是不全面的。

相对论力学考虑到了观测信号作用对“本体”在时空显现中的影响,但对于人的主体地位却并不确定。如果主体是非人的其他动物,则其理论结构会发生相应的变化,即体现为观测信号的变化或极限速度c的变化。人使用的观测信号(对时信号)是光,而其他非人的动物使用的可能是其他通讯信号。例如蝙蝠使用的是声波,其理论结构和“现象”描述则完全不同于人类。历史表明,人类可以将“另类”的认知,转化为人类的认知,这是人之所以为人的最可贵的地方。

量子力学,尤其是哥本哈根学派的正统量子力学,对微观世界的描述,不但考虑到观测信号——光的作用,而且在量子测量理论中,还考虑了量子概率向宏观经典概率转化的作用机制问题。应该说量子力学的建立过程是符合人类认识自然的逻辑通式的。可惜的是,它一方面把观测到的“现象”——波函数描述的对象,一味地理解成了“量子几率”,而不是电子在时空中的波动形象特征;另一方面,它把观测信号对客体时空形象的影响,直接归为思维对客体的影响。纠正这一认识偏差,正是“量子力学曲率解释”的任务。

应该注意,我们强调人在认识客观世界中的主体地位作用,并不是说人的主观意识对本体有什么干扰作用,而是说人在认识客观世界——“本体”时,离不开观测信号作用对本体的影响,而意识——人脑的活动本身对客体(本体)的运动规律并没有什么干扰作用,而只是对客观世界的能动反映,并在观察信号的作用下伴随有相应的物理、化学、生理机制发生。关于这一点,海森伯说得很透彻:“量子论并不包含真正的主观特征,它并不引进物理学家的精神作为原子事件的一部分。”从辩证法观点看,作为观测者的人本来就是自然(被观测者)不可分割的一部分,人只能处在自然之中看自然,而不能跑到宇宙之外看自然。这样,用内在化观点看,不仅自在实体间的相互作用不可避免,而且观测者与自在实体间的相互作用也是不可或缺的。总起来说,我们强调人对自然的认识是本体与观测信号相互作用的综合产物,不仅完全合乎唯物论,而且完全合乎辩证法。

第三节  相互作用实在论

广义相互作用原理指出,每一事物通过其自身体现出联系的普遍性,而又通过联系的普遍性表明自身的存在。“实体是它自身的原因”“相互作用是事物的终极原因”这表明事物是在相互联系、相互作用中表明自身的实在性的。

狭义相互作用原理则试图把人类对自然的认识更加科学化、具体化,试图将康德、马赫、笛卡尔等哲学家的哲学思想好的部分集中起来与现代科学融为一体,从而展现人类认识自然的科学进路。我们清晰地看到,牛顿力学、相对论力学、量子力学都是在人类一定的认识层次上,通过相互作用(包括观察信号作用)描述客观世界,揭示客观世界的实在性及其运动规律的科学理论。没有物质世界的相互作用,物质世界的实在性将荡然无存。

“物质是我们感觉到的客观实在”。这里,列宁所说的“客观实在”就包含有人与本体间的相互作用。人如何“感觉到”?当然有不同的方法。一是凭我们的感官,二是凭感官的延伸——仪器,三是通过现象由推理认知。但不管是感官直接感受,还是仪器间接感受,亦或是通过现象推理,要“感觉”到观察对象是一个客观实在,实在是离不开相互作用信息的交流。我们看到山川、湖泊、星星、月亮、房舍、村庄,这是借助光的作用才感觉到的。人在地面行走,感知到地面是一个“客观实在”是因为有引力的吸引和脚与地面的接触摩擦作用。我们向一堵墙走去,如果人与墙没有直接的的阻碍作用,人将穿墙而过,我们将无法感知墙的“客观实在性”。卢瑟福用 α粒子轰击原子,如果没有原子核与 α粒子之间的相互作用,使α 粒子散射,可以想象,人类至今也不会知道原子的结构为何物。一束粒子打进靶内,如入无“人”之境,如果再撤去光,那么人类如何“感觉”到耙的“客观实在性”呢?也许有人会说,靶是可以用手“摸”到的。请注意,这“摸”就是引进了相互作用。因此,我们可以说,物体间相互作用愈强,感知物质的“客观实在性”越易;相互作用越弱,感知物质的“客观实在性”越难;没有相互作用就无法感知物质的“客观实在性”。物质的“客观实在性”是通过相互作用感知的,或者说物质的“客观实在性”是通过相互作用发现的。

上面的论述可能带有人的主观认识,是人在“感知”。对于一个客观实在,应该是不以人的主观认识为转移的。那么,物质之间是如何“感知”客观实在的呢?运动是物质间的基本属性,物质间的相互作用是物质间“感知”“实在”的友谊的“天使”。“物质总是作为力的源泉而作用于其它物质并由此确证它的存在”10爱因斯坦这里所说的“力”其实就是一种场。电磁作用能使电荷之间感知到实在性,“吸引”、“排斥”是“感知”物质实在性的表现形式。引力场能使有质量的物体之间感知到彼此的实在性,吸引是彼此之间“感知”实在的表现形式。人与物之间的感知,可看做物——物感知的特例,它借助光的作用而实现。弱力本质上与电磁力同源,它是弱电力的另一种表现形式,强相互作用是核子之间“感知”实在的力。一个不参与强相互作用的粒子,用强场去探测会全然无知,就象用电磁场去探测中子,如果中子不是两种电性物质的中和,则不能感知中子为何物一样。“场”只能识别自己的“同胞兄弟”,而对异姓姐妹却全然无知。我们不能用彼此之间不发生相互作用的场物质去“感知”对方的“客观实在性”。彼此不发生相互作用是无法感知实在的,不管是人类与自然,还是自然本身都是一样。一个完全不运动的世界,物质间传递相互作用的场物质消失,物体之间将无法“感知”彼此的实在性。没有实在性的世界是一个全“无”的世界。这等于说,毫无相互作用的世界根本就不“存在”。这又从另一个侧面证明了运动是物质的基本属性,世界是由运动着的物质组成的,绝对不动的物体根本就不存在的哲学原理。

物质的运动是在时空中运动,物质的存在也是在时空中存在,玻色子场是物质间彼此感知客观实在的“天使”。物质的运动状态不同,场的性质不同,人们“感知”的物质的存在形式也就不同。黑夜里我们用红光去照射物体,物体发红光,呈现红色;我们用紫光去照射物体,物体发紫光,呈现紫色。用弱相互作用场去照射,物体将全然无“知觉”。场物质全部穿透物体就无法感知物体的“客观实在性”。物体到底是红色的,还是紫色的,还是不“存在”?只是所使用的感知对方“存在”的场信息不同,结果不同而已。因此,我们认识的物体在时空中的形象肯定带有“感知场的偏见”,只是有些我们知道,而有些不知道而已。我们也许无法说清楚物体最终还会有什么,但我们可以说清楚物体现在是什么!一切物质的客观实在性都是通过相互作用感知的。随着探测信息的转换,我们可以更多地认识物质的各种各样的尚未发现的特性(这就有别于不可知论)。我们还能够发现过去认为“不存在”的东西,而过去认为存在的东西,在一定的条件下也可以不翼而飞。这完全是“感知实在”的相互作用场的魅力。人类通过弱相互作用认识中微子的存在就是一个最好的例证。一个物体是否“存在”,以及怎样“存在”,或者说物体能否被感知,及感知的形象是什么,与我们使用的探测场信息有关。如果用曲率表示物体的形象,则曲率会随场的作用的变化而改变。目前人类能够使用的“感知场”有引力场(感知质量m),电磁场(感知电荷q),强相互作用场(感知“强荷”),弱相互作用场(感知“弱荷”)等等。我们完全不用担心,在一种探测场中“不存在”——失去某种“实在性”的东西,其物质性会在世界上消失。辨证唯物主义的“存在—物质”是各种相互联系、相互作用辨认的“实在”的总和。这就是我们提出的相互作用实在论。

参考文献 

(1) 金吾伦,生成论(M),石家庄:河北大学出版社,2000年,P2154

(2) 马全民等,哲学名词解释(上)(M),北京:人民出版社,1982P110

(3) 冯契,哲学大辞典(M),上海辞书出版社,2001年,P15791582

(4) 康德,未来形上学导论,冯契,哲学大辞典(M),上海辞书出版社,2001P710

(5) 洪定国,物理实在论(M),北京:商务印书馆2001年,P110-118

(6) 费·因蔓,今天的物理学(M),北京:科学出版社,1981年,P168-173

(7) 倪光炯等,近代物理学(M),上海科学技术出版社,1980年,P146

8)、(9)赵国求、桂起权等,物理学的新神曲(M),武汉出版社,2004年,P241-294

10)爱因斯坦  物理学的进化(M),上海科学技术出版社,1964年,P35 

 



http://blog.sciencenet.cn/blog-315-392.html

上一篇:物质—外在世界的本原
下一篇:经典概率、量子概率与量子概率的产生

0

发表评论 评论 (0 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2020-4-6 14:54

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部