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【洪定国】论物理实体的实在性

 

物理实体是物理经验的理论抽象,它的实在性从来是哲学争论的焦点之一。为求得这个问题的合理解决,本文倡导一种寓于正常人思维习惯与科学家正常研究程序之中的进化哲学。这种哲学寓本体哲学、认识哲学与语言哲学于一体,强调思维关于经验的“形下”操作与关于实体本性把握的“形上”操作之间的交替作用,对于常识实体观念的形成所起的关键作用。在物理实体的实在性问题上表现出来的认识论与本体论之间的冲突,可以而且只能在无穷的认知序列中解决。

一、三种实在及它们之间的关系

实在这个词的朴素含义就是“存在着的东西”。然而,在不同境况中使用这个词,完全有着不同的蕴涵。粗略地说,相对于认识主体,存在三种实在观念。

第一类实在是处在和独立于主体的客观实在,称作本体实在。它的本质特征就是其超验性。很自然,凡信仰经验是知识的唯一源泉的哲学家,都会认为本体实在是不可知的,从而断然否认本体观念具有任何认识论意义。但是,相信直觉洞见的哲学家们则认为:本体实在虽是经验不可及,却是人的思维可及的。这里“经验”一词是紧密关联于人的感知过程使用,而“思维”一词则是从该过程游离出来的一种纯悟性活动。

第二类实在是指主体的经验所触及的实在,可简称作经验实在。经验是主体按时间—空间—因果序(即显序)组编的。所以,经验实在是经验显序相关的实在。由于主体悟性可以在不同程度上卷入经验之中,所以,经验实在实际上是一个抽象程度不等的主客体共建的连续统。如果主体悟性全然没有介入其中,那么这个经验实在就是主体脑所感受的原始感觉流。但是对低层次经验实在的分析与整合是人脑一种导致高层次悟性的自发操作。因此,在实际的脑操作中,这种悟性升华以及悟性检验是不可避免的。这一对反向流动过程的结合,便构成了经验实在的连续统。它是人的经验的外化,是以感觉和直觉为依托的关于外部世界的某种显序建构。

第三类实在是一切层次的悟性及其一切可能的繁衍中呈现的实在,简称作观念实在。它是一个生长着的概念王国。由于观念实在中许多成分参与了经验实在的构建,所以,在某种程度上,观念实在与经验实在有着某种对应关系。但是,观念实在是一个超越经验实在的、内涵极为丰富的范畴。它的地盘总要被相对于经验具有独立性的思维扩展着。思维的自由创造给观念实在开辟了一条可望通往超验的本体实在的道路。从这个意义上说,在观念实在与本体实在之间存在某着种由前者向后者的“注入”关系。

就常识客体(即日常经验中的自然事物)而论,人们甚至在语言和经验、观念和本体这四方之间约定俗成建立起“强”意义的同构关系。由于这种同构观念是从幼儿时代开始一点一滴地积累起来的,以致人们一般很少去考虑它们之间的本质区别。

 

二、对常识实体观念的哲学审议

最简单实体的原始观念产生于人脑的直觉判断。这种判断是逆向因果推理,即主体相信:感觉到的东西是有外部原因的;而且,确信经验中特定的一些感觉频频地相关出现,暗示有特定的外部实体或外部关系跟这种感觉整合相对应。这种本体符合论的常识实体观念,在日常经验中有着十分牢固的基础。然而,从严格逻辑意义上讲,常识实体观念的本体性是既不可证明也不可证伪的。例如贝克莱的“感觉复合论”就是这样。哲学主流经历了本体哲学到认识哲学再到语言哲学的转移。这也说明了本体问题是一个不可能求得逻辑解决的休谟问题;同时又说明了经验还原论也不是哲学的根本出路。

语言哲学以语言本身(特别以哲学语言、科学语言和日常语言)为对象,采用逻辑的和概念的分析手段,以清除思辨哲学中的混乱和解释科学语言或日常语言的意义为己任,把哲学研究水平提高到了新的高度。应该说,经由语言哲学实现哲学“现代化”是哲学的一大进步。但我不认为形式的语言演算技术可以彻底澄清哲学中的认识论问题,完全消除哲学中的本体论问题。

在对待“本体实在”这样的根本性哲学问题上,需要跳出逻辑怪圈,采取一种进化的开放性哲学思路,集本体哲学、认识哲学与语言哲学等各家之长于一体,才能求得比较合理的解决。这里,借鉴于常人在直觉与逻辑中寻找平衡的思维习惯是大有好处的。这种思维习惯是人们从幼儿意识发端时就开始养成的,它是正常人的认知基础。一方面,主体通过感知器官同外界发生关系,并从混沌的感觉流与知觉流中逐步形成并发展了从变化中捕捉不变,从差异中捕捉相似的能力。这种能力的形成与发展是跟主体形成一个个的“感觉整合”、“知觉整合”等复合观念,以及学会应用思维的各种逻辑规则,紧密地联系在一起的。这样,脑意识便频频地应用逻辑的、可算法化的操作从普遍观念导出具体观念来,我们称它为脑的“形下”操作。另一方面,主体意识的本性是以感知为依托,直觉地判断外部事物以及外部事物之间关系的存在的。脑意识的这种由主体逆向因果地推断客体的操作,是放大性可错推理,我们称之为脑的“形上”操作。在主体与客体的关系上,主体的“形上”操作导致客体呈现于主体的种种“意义”、主体的“形下”操作导致主体“耍弄”客体的种种“意向”。如果在某论域中作用于客体的意向操作导致客体对于主体的新意义,则主体在直觉与逻辑中寻找平衡的流程

…意义→意向→新意义→新意向…将会持续;但如果作用于客体的意向操作不会导致客体对于主体的新意义,那么,这流程便暂告停止。这意味着,直觉与逻辑之间达到了暂时的统一,即主体对于所涉论域的客体有了相对稳定的认知。

总之,常识观念中的实在性,就是主体在脑的意义流与意向流,以及直觉与逻辑(脑的“形上”操作与“形下”操作)之间的不断转化中把握的。正常人思维的这种动态图景是每时每刻都在发生着的,它实际上是个体思维的生命所在,是跟个体的生存条件息息相关的。

 

三、物理现象的两种说明

科学家的思维活动与常人并无本质区别,不同的只是:他们所面对的经验扇区限于科学观测到的现象;需要使用特殊的逻辑与数学来关联这些现象,以及精邃的洞察力来把握这些现象的本质。

说到物理现象,人们首先想到的是自然界中的日、月、星、辰、风雨、雷电等天然现象。然而,除了日、月、星、辰的位置变化之外,一般天然物理现象都是极为复杂的,不可能成为物理学家们对之作精细研究的出发点。弗朗西斯·培根说得好:“自然的奥妙在人造环境中比其在自行显示中更易于揭示自身。”①因此,物理学家特别关注的物理现象是更为窄狭的、可操作的一类,它指的是:人们在物理观察与实验中捕捉到的某些具有共有性、规则性和类定律性的东西,科学家称之为物理效应。

为了揭示物理现象或物理效应的本质,需要对它们作理论说明。按照卡特赖特的观点②,物理学中的理论说明涉及两种不同类型的活动:第一,把现象归属于一个广博的理论构架之中,以基本定律为核心的算法系统将不同类别的大批现象关联在一起;第二,详细阐述现象产生的原因。我把它们分别称为关联说明和因果说明。虽然人们把它们统称为自然定律,但在功能上,这两者是大不一样的。它们基本上分属于物理学的形下方面(即经验的逻辑方面)和形上方面(即对于经验本源的把握方面),所谓“基本上”是指:在具体运用中,前者需要形上思维的参与;后者则用到具体的形下算法系统。

我们首先考察物理现象的关联说明。所谓关联说明,就是把许多唯象定律组编到一个形式算法系统之中,从形式算法系统的基本定律(或关联定律)推导出一切唯象定律来。这里讲的形式算法体系,是一切最终可归结于数字运算的数学体系的总称。有人认为唯象定律之所以正确,是因为形式算法中的基本定律正确。其实不然,基本定律与唯象定律之间只是演绎关系,并不是因果关系。格吕堡姆说得好:“虽然综合性更强的理论定律G在逻辑上包含一条综合性较弱的定律L,为L提供了一种说明,但G并不是L的原因。认识到这一点是至关重要的。具体地说,定律的说明并不是证明定律所断言的种种规则性是因果操作的产物,只是意识到它们是综合性更强的真理的特殊情况”③。在任何一种具体的物理境况中,基本定律总是跟它所说明的唯象定律等价的。不过,基本定律是以更为一般的方式给出断言的,以至在逻辑上,它们同时也可以对不同物理境况中的现象作出断言。

然而,基本定律的形式化特征也正是它的弱点所在。哥德尔不完全性定理告诉我们,任何形式系统都不可能对于系统内部的全体真命题给出证明或证伪。形式系统的这种不完全性,要靠人的理性直觉补偿。事实上,如果不凭借理性直觉去构建各种物理模型并选用有效计算方法,无论如何也无法使形式算法系统中的基本定律跟唯象定律沟通。在人们应用基本定律推导(或说明)唯象定律时,实际上已经默许随心所欲地使用各种具体的物理模型,以及试用种种有效的计算方法。我要特别强调的是:脱离了一个个具体的物理模型,物理学中的基本定律便是“无源之水,无本之木”。它们的丰富蕴涵全是在各种模型中被揭示出来的。对于不同的物理境况,人们可能构建不同的模型,应用基本定律可以导出不同的唯象定律。即使是相同的物理境况,模型的构建也不是唯一的。不同的模型会导致不同的乃至不相容的结果。实验中确立的唯象定律是认可与淘汰物理模型的仲裁者。在合适的模型中,由基本定律推导唯象定律时,往往会遇到近似计算问题。就是说,唯象定律是近似计算的结果。认为基本定律是绝对正确的自然定律,近似计算是对于真理的背离,这显然是一种理论偏见。应该说,向唯象定律靠拢的近似,是对基本定律及相关模型的一种修正!

总之,物理学中以基本定律为核心的形式算法系统,之所以能够说明千差万别范围广阔的物理现象,除了依靠其自身的逻辑演绎结构之外,还要仰仗物理模型和近似计算方法,而模型选择与近似处理中的巨大灵活性则在其中起着重要作用。

现在,我们来考察物理现象的因果说明。利用物理实体的已知公认性质,推导待说明的唯象定律中所包含的新型因果关系,就是因果说明。跟关联说明不同,因果说明不对现象作量的说明,而是致力于探求对它作质的说明。跟关联推理不同,因果推理不是演绎推理,而是推断性推理,非逻辑的理性直觉在其中起着重要作用。它以唯一的具体的因果链陈述物理现象为什么会发生。就是说,物理现象的因果说明是具体的和排它的。当然,这并不是说因果说明是不可以改进的。在物理科学的发展过程中,对物理现象的较浅显的因果说明终究会被较深刻的因果说明所取代。

卡特赖特曾以阻尼辐射为例来阐明因果说明和关联说明的区别与联系③。我们知道,在阻尼辐射中,原子发射光子而退激,光子的频率取决于原子的能级差。人们从实验中得知,由光谱仪观察到的原子辐射谱线并不是理想地锐利,而是有一定的宽度的。究竟什么会引起这种谱线拓宽呢?量子理论对此给出了一种因果说明④:

“有许多相互作用可以拓宽原子谱线,但最基本的一种作用是辐射场对原子的反作用。就是说,当一个原子激发态自发地辐射衰变时,它发射一个能量子至辐射场中,这个辐射可能又被该原子吸收,场对原子的反作用给予原子一个谱线宽度,从而引起如我们所见到的原始原子能级的移位,这是自然线拓宽和兰姆移位的缘由。人们知道:原子是不停地发射着和重新吸收着辐射量子的。能级移位并不要求能量守恒,然而,辐射阻尼则要求能量守恒。这样,辐射阻尼是由真实光子的发射和吸收产生的;而能级移位中所发射和吸收的光子则称为虚光子。”

总之,阻尼辐射及其相关的谱线拓宽是由真实光子的发射和吸收产生的。这种因果说明是目前物理学界普遍接受的一种物理说明。

要定量处理阻尼辐射,即把谱线拓宽纳入到量子力学的一般数学构架之中,就必须采用对自发辐射现象的关联说明了。处理的方式多种多样。阿加瓦尔在《自发辐射的量子统计理论及其与它种方法的关系》⑤一书中列出了六种不同方法:1.不斯科夫—魏格纳方法;2.海特勒—马方法;3.哥尔德柏格—外特逊方法;4.量子统计方法:主方程;5.朗之万方程;6.自发辐射的新经典理论。这六种方法都为谱线的拓宽频谱宽度和形状提供了精确的计算。它们都运用了量子力学基本方程——薛定谔方程。它们的不同点是,各有一个不同方程。在这六种处理方法中,实际上只有三个不同的方程。阿加瓦尔认为:不同的方法服务于不同的目的,相辅相成而不相互矛盾。例如,主方程和朗之万方程,其形式都是从统计力学借鉴而来的。激光器的发展引起了人们对于光子关联实验的关注,希望对问题找到一个统计的答案,理所当然地要从统计方程出发。我们看到:在关联说明中,物理学家提出对物理现象应如何列出各种各样的方程并对它们求解。求解方程时,便试着使用各类近似。一旦发现某种计算技巧奏效时,他们便把它应用于一切可资应用的场合。物理学家们这样“实用主义”地使用基本定律说明现象,恰好说明了基本定律与因果原理的区别。十分明显,物理现象的因果关系并不随计算方法的变异而转移。因此,对现象的因果说明是不允许采取任何实用主义态度的。

综上所述,物理现象的两种理论说明是各具特色、相辅相成,缺一不可的。

 

四、物理实体的实在性

物理科学承认常识中的实体观念的本体论意义,并以此为自身探究的起点,把实体形上学观念向日常经验不能直接感知的领域拓展,寓实验、直觉、逻辑方法于一体,采取螺旋式上升方式,逐级构建较高层次的实在观(如经典实在观与量子实在观);再返回来,对在狭隘经验域中形成的较低层次的形上学观念进行反思与修正。然而,量子力学已经表明:经典实在不能在还原意义上归结于量子实在(关于这个问题将另文阐述)。总之,无论科学如何发展,任何层级的科学实在观都不可能免除科学进一步发展对它所提出的质疑,从而摆脱不了被进一步修正的命运。因此,科学实在观不是一成不变,而是不断进化的。

让我们以电子为例,说明物理科学是怎样建立起关于它的实体观念以及这一观念是如何不断地被精细化的。1868年希托夫发现阴极射线直线前进,这是首次在实验中观察到与电子有关的现象。1877年柯耳劳施以实验证明离子的存在,1884年舒斯特尔用气体分子的离解说明了气体的导电性,同年爱迪生发现了热电子现象,1887年赫兹发现了光电效应,1986年贝克勒耳发现放射性。作为一个理论实体,早在1878年电子就出现在洛仑兹的光色散电子论之中了。但是,确认电子存在的关键实验,却是1897年汤姆逊测量阴极射线的荷质比,以及1909年密立根实施的油滴实验以测量电子电荷(基本电荷)。无疑,对于揭示电子概念的涵义来说,运用已知的低层次因果性质对其操作以确立其质量与电荷,远比只有说明功能的洛仑兹电子论重要得多。当然,要肯定密立根与汤姆逊所测量的是属于同一实体(电子),就需要更多的理论探究。这种探究涉及的观念又会反馈到许多其它现象之中,固体物理学,原子物理学,甚至凝聚态物理学等都会卷进来。1925年乌伦贝克—哥德斯密特引入电子自旋概念成功地说明了包括原子能级的劈裂在内的一大批问题。自此以后,电子具有自旋便成了公论。但是,要真正确认电子自旋,就应该在实践上利用电子的自旋性质实现对电子的新型操作,以探明电子其它效应。七十年代末,终于在探究宇称与弱中性流的实验中实现了这一目标。让我们回顾一下这段历史。

自然界有四种基本力:引力、电磁力、强力与弱力。强力作用于强子(质子、中子,以及更新的一些粒子)上,它虽比电磁力强一百倍,却不作用于轻子(电子、μ子,及它们的中微子等),而且只在质子的直径尺度上才起作用。弱力的强度只有电磁力的万分之一,力程也只有强力的百分之一,但弱力作用于强子和轻子上。原子的放射性衰变就是典型的弱力表现。量子力学问世以后,人们对电磁力进行了最充分的研究,创造了量子电动力学,为范围广阔的电磁现象的关联说明提供了一个形式算法系统。量子电动力学在高于百万分之一的精度上预示出原子谱线的兰姆移位创立了实验物理学中一大奇迹。量子电动力学认定“场粒子是力的载体”。光子就是电磁力的载体。当两个荷电粒子交换光子时,它们就发生电磁互作用。于是,人们设想“引力子”是引力的载体。人们还设想,在原子衰变弱互作用中,轻子和核子之间存在着弱力荷电流(the weak chared current),荷电的玻色子是弱力的载体。七十年代,出现了这样一种看法,即认为电子—核子散射中涉及无电荷交换的弱互作用。这就是说,不带电荷的中性玻色子也是弱力的载体。这样,从纯粹出于跟量子电动力学的类比,中性玻色子便被认为是弱中性流的载体了。

弱互作用有一个重要特征,那就是宇称不守恒。这是现代高能物理学最著名的发现之一。在此之前,不论是物理学家还是哲学家都认为自然界是不分左历的。什么“左旋”、“右旋”,皆是人们的约定俗成语,并非大自然本性。关于电子自旋是这样规定的:将右手四指沿电子旋转方向弯去,拇指指向表示自旋矢量。如果自旋矢量跟它的运动方向一致,则称它为右旋激化电子;如果自旋矢量跟它的运动方向相反,则称它为左旋激化电子;如果电子运动方向跟自旋矢量无确定的关系,则称电子自旋是未激化的。粒子衰变的产物μ中微子,只以左旋激化态存在,人们从未见到过右旋中微子,这是最初发现的宇称不守恒实例。后来发现,在弱荷电互作用中,宇称也是不守恒的。人们自然会问,弱中性流会怎样呢?六十年代末,温伯格和萨拉姆分别独立地提出了把电磁作用、强互作用和弱互作用三者统一起来的大统一理论,这就是令人瞩目的温伯格—萨拉姆模型。这纯属推测的模型却取得了令人心悦诚服的成功。该模型预言:宇称在中性弱互作用中会受到些微的破坏。因此,验证它的正确性,似乎是值得去做的事情。但是预言说:从靶散射出来的左旋激化电子稍多于右旋激化电子,两者相对频差仅为万分之一(相当于几率0.500050.49995之间的差别)!可见,宇称守恒的这种破坏是极其微弱的。七十年代初斯坦福大学的直线加速器电子源效率太低,每秒种只产生120个脉冲(每个脉冲提供一个电子事件)。要用来做实验以验证弱中性流中宇称不守恒,它至少要运转二十七年!首次用于做这种验证性实验的电子源是一台热阴极射线仪PE GGYⅠ,其阴极锂被加热,释放出大量热电子。但是,真正成功地验证出弱中性流宇称不守恒的,却是工作原理完全不相同的另一种电子装置PEEGGYⅡ。

PE GGYⅡ的问世,全然不是某个理论的产物,而是由一件偶然事件诱发的:从事探究宇称与弱中性流实验的普赖斯科特,偶然从一本光学杂志上得知晶体砷化镓的一种奇异性质,即以一定频率的圆偏振光打在这种晶体上时,晶体便发射许多激化电子。为了提高电子的出射率。需要在晶体表面镀上铯氧化合物,因为人们知道铯和氧“产生的负的电子亲和势”。经过逐步摸索性实践,最终的PE GGYⅡ是这样的:从激光器猝发的红光(7100埃),穿过一块普通的偏振器(比方说,一块方解石棱镜)后成为线偏振光;再通过泡克尔盒以电的手段把线偏振光变为圆偏振光。圆偏振的方向取决于盒中电极的取向,后者由一放射源随机支配变化着(圆偏振光每一次的取向均由电脑记录下来)。圆偏振光的随机变化是至关重要的。因为人们所要检验的是左旋与右旋之间的微小不对称性。随机性有助于消除实验装置的任何系统“漂移”。最后圆偏振光脉冲射到砷化镓晶体上,产生出激化电子脉冲。这样的电子脉冲束被精心设计和调试好的磁性绕组引导进入粒子加速器中(沿途接受一个探测电子激化比例的装置的检测),以供正式实验之用。

得到一个可以压抑住误差系统与统计误差的实验结果,至少需要10[11]个事件。由于PEGGYⅡ所能提供的事件远远超过这一要求,所以,物理学家共同体信服其实验结果。这就是说,从氘靶散射出的左旋电子数目确实比右旋电子稍多一点。这是弱中性流作用中宇称不守恒的第一个令人信服的实例。

普赖斯科夫及其同事们精心设计制作的PE GGYⅡ,验证出弱中性流中宇称不守恒,这一贡献的哲学意义是什么呢?我认为,它把自旋电子这一理论中的实体转变成了实验中的实体,从而加强了电子的实在论地位。关于实验实体的实在论意义,伊安·哈金有一段相关的精辟论述⑥:“关于一个假设或推测的实体的实在性,最好的证据就是我们能够着手测度它,或者理解它的种种因果关系。而具有这类理解的最好证据,就是一开始我们就能借助这个或那个困果关系构建能可靠工作的仪器。可见,关于实体的科学实在论的最好证明,是使之工程化而不是理论化。”

哈金为支持实在论而强调实践的观点,是对实证主义的唯象观点的有力挑战。然而,我们应特别提防庸俗的唯实践观点。因为,把理论思维与实践活动割裂开来、对立起来,进而贬低理论思维意义的庸俗观点,是不可能真正捍卫科学实在论的。事实上,纵观电子实体观念演化的全局,我们即看到了理论与实践的各自的独立作用,又看到这两者的相互关联与影响。因此,从哲学高度上,对于“理论化”与“工程化”任何一方的偏颇,都是不适宜的。我曾多次指出直觉洞见对于认识本体实在的重要意义:理性直觉是把经验实体向理论实体转化的永恒动力。理论结构的逻辑扩展引导着物理实体内涵的不断深化,也使得我们能够不断接近于本体实在。如果在物理实体实在性问题的论证中,轻易地放弃了它,则无论怎样强调物理实体既可以说明现象又可用来创造现象,都将与事无补,那种论证仍然是软弱无力的。电子一例告诉我们:人们是由于直觉洞见,才满怀信心地将各种因果性质委归于电子的。它们当中有些来自于物理学的唯象定律,有的则出于理论的考虑。前者用来制造电子“探针”,后者则引导电子实体内涵不断深化。现在有许许多多不同理论、程式、模型、图像和方法涉及到电子,然而,它们都各自有其应用的条件和范围。这种状况表明:电子和一切别的物理实体一样,是不可穷尽的。

【参考文献】

[1] J.Robertson(ed.)(1905),The Philosophical Works of Francis Bacon,London and New York.

[2] N.Cartwright(1983),How the Laws of Physics Lie,Oxford Uni.Press.

[3] A.Grunbaum,Science and Ideology,The Seientific Monthly(July 1954),P.14.

[4] H.L.Willium(1973),Quantum-Statistical Propertics of radiation,John Wiley Sons,P.285-289

[5] G.S.Agarwal(1974),Quantum Statistical theories of SpontoneousEmission and their Relation to Other Approaches,Springer-Verlag.

(原载《哲学研究》1994年第12期)