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成素梅 | 科学与哲学在哪里相遇?——从量子理论的发展史来看

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科学与哲学在哪里相遇?

——从量子理论的发展史来看

摘要

当代科学已经发生了很大变化,不论是基于数学模型的理论物理学,还是依赖于技术的实验室科学,都与哲学错综复杂地交织在一起。量子论的发展史表明,科学与哲学在前沿科学领域和科学思想的交汇地带再次彼此相遇。哲学开始于科学停止的地方,并贯穿于科学发现过程中出现理解歧义的各个环节。

作者系上海社会科学院哲学研究所研究员

摘自《社会科学战线》2022年第1期

本文载《社会科学文摘》2022年第2期

逻辑经验主义者在拒斥形而上学和倡导观察与理论二分等主张中,所理解的科学依然是经典意义上的科学,他们将科学发现排斥在哲学研究范围之外的做法,使哲学远离了真实的科学实践过程。然而,他们的研究方式及其成果与科学实践的分离,并不等于哲学远离了科学。同样,当前的科学教育设置中对哲学的远离,也不等于科学远离了哲学。当代科学已经发生了很大变化,不论是基于数学模型的理论物理学,还是依赖于技术的实验室科学,都与哲学错综复杂地交织在一起。量子论的发展史表明,科学与哲学在前沿科学领域和科学思想的交汇地带再次彼此相遇。哲学开始于科学停止的地方,并贯穿于科学发现过程中出现理解歧义的各个环节。

科学与哲学

相互远离的学科背景

科学与哲学最初并没有截然分明的界线,希腊哲学是科学或力求成为科学,近代自然科学开始时被统称为自然哲学。那时,实验的可观察性与可感知性使得实验事实成为科学发现和科学检验的权威证据。科学事实被定义为是脱离理论的“经验块”。到19世纪,精密科学和定量实验使实验事实的可靠性从信任人转向信任程序和测量所提供的数据或图像。对仪器的这种信任一直延续至今。实验越来越远离人的直接感知,出现了去身体化的趋势。这种趋势强化了关于事实的原初定义,影响了曾经孕育了科学的哲学发展方向。

后来,科学与哲学的论域空间和研究旨趣呈现出相背而行的现象。当科学越来越向着实验室科学的方向发展时,哲学则反其道而行之,越来越向着抽象化和思辨性的方向发展。到19世纪下半叶,自然科学得到了相对全面的发展,确立了优势地位,从哲学领域内完全独立出来,乃至以罗素为代表的哲学家倡导以科学家为榜样,追求运用逻辑方法来重新思考传统的哲学问题,由此拉开了拒斥思辨哲学的帷幕。这场哲学运动使哲学与神学分道扬镳,改变了哲学训练的方式,滋养了新一代哲学家的成长。在罗素看来,哲学应该像科学那样,是合作的、发展的和尝试性的,而不应该像神学那样,是固执的、僵化的和教条的。在这种思想的影响下,20世纪哲学家的学术训练或多或少也像科学家的训练一样,囿于某一学派或某个哲学分支的有限范围之内,研究兴趣也只限定于这一传统内的哲学研究。

19世纪的哲学虽然因其思辨性而远离了具体科学,但从自然哲学延续下来的作为科学之母的雄心依然没有减弱,哲学家关心整个世界,试图站在整合各门学科的高度来俯视科学的发展,而逻辑经验主义则以效仿科学研究的方式推动哲学革命,使哲学放弃认知功能,转而成为科学的“服务生”。最早跻身于运用数理逻辑方法和语言分析方法来研究哲学之列的先驱者,与自然哲学家一样具有科学背景。他们既目睹了相对论和量子力学对经典物理学概念体系的超越,发动了变革思辨哲学的运动,又默认了将观察事实作为“经验块”的传统理解。他们的共识主要包括:拒斥形而上学,坚持证实主义的意义标准,信任现代逻辑方法,主张哲学的未来在于成为科学的逻辑。

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逻辑经验主义虽然主观上是为了改造思辨哲学,超越各种哲学体系之间不必要的争论,使哲学走上可对话的科学化的发展道路,但在客观上,却是将整个科学发现的具体过程排斥在哲学研究的视域之外。在后来的发展中,当科学哲学家基于对逻辑经验主义观点的批判性剖析来阐明自己的立场时,这条批判—建构相结合的线索构成了20世纪科学哲学的发展主线,其目标主要是强化科学的成功,而不是参与科学前沿问题的哲学讨论。“索卡尔事件”体现了他们与后现代哲学家之间的根本分歧。科学哲学家主要是以科学进步为背景,在远离当代科学实践活动的基础上为科学辩护;而后现代哲学家则主要是用人文社会科学的放大镜,有选择性地挑出科学活动中潜存的各类人为因素来全面否定科学的进步或客观性。

这些二元对立与冲突表明,科学主义者和人文主义虽然都是基于近代自然科学的思想观念来理解科学,但由于其视域不同或立场迥异,而产生了截然相反的科学观。因此,当代科学哲学的深化发展,既有必要回到现实的科学实践活动中重新检视20世纪的这场哲学革命,也需要意识到,当代大科学的研究范式与近代小科学的研究范式相比,在各个方面都发生了很大变化。正是这些变化将镌刻在科学家背景知识中的哲学意识激发出来,使科学与哲学在科学变革的前沿领域和科学思想的交汇地带深刻地交织在一起,呈现出一体化的互动发展趋势。本文接下来主要基于量子理论的发展史对此展开论证。

科学与哲学相遇在

科学变革的前沿领域

石里克认为,伟大的科学家也总是哲学家。1999年,塞尔在《哲学与未来》一文中指出:虽然科学与哲学之间并没有截然明确的分界线,但哲学问题具有三大特征:一是哲学关注还没有系统方法来回答的问题;二是哲学关注框架问题,不是具体问题;三是哲学处理概念以及概念与所表征的世界之间的关系问题。科学问题是不断地从哲学问题中转化而来的。但并不意味着,科学会使哲学终结或放弃哲学的认知功能。哲学也会对人类的知识做出直接或间接的贡献。同样,蒯因提出要恢复本体论承诺,凯茨认为哲学是科学事业的一个组成部分等。

然而,这些哲学家虽然努力重建哲学的认知功能,但他们对科学与哲学关系的阐述,依然是站在科学的外围看问题,还没有深入到科学发展的实践中。从相对论与量子理论的产生与发展来看,哲学不仅开始于科学停止的地方之外,更重要的是,还贯穿于科学发现过程中有思想歧义的环节。在这些环节中涉及的哲学问题只有具备哲学素养的科学家才能感知到。正如爱因斯坦所认为的那样,当经验迫使物理学家寻找更新的和更坚固的物理学的理论基础时,他们就不能完全任由哲学家对物理学的基础进行批评性的反思。因为只有物理学家才能更好地知道和更确定地感觉到“鞋子在哪里夹脚”。

爱因斯坦的这种观点来自科学实践。他正是通过澄清时间、空间、质点、同时性、力、场等概念的意义以及剖析经典物理学的基本概念体系中隐含的不一致性,创立了狭义相对论;通过阐明运动定律中的“惯性质量”和万有定律中的“引力质量”之间的关系以及各向同性的引力场中物体的加速度与质量之间的关系等,创立了广义相对论。这两个理论的创立改变了牛顿力学提供的时空观与质量观,提出了尺缩、时延、时空弯曲等新的概念,比牛顿的理论更好地解释了水星近日点的进动现象,还预言了后来得到实验证实的红移现象等。

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相对论力学虽然限定了因果性概念的使用范围,带来了时空观等方面的哲学变革,但是,理论的前提假设并不与经典物理学相冲突。量子理论的诞生才导致了科学革命和哲学革命。正是在这种双重革命的前沿领域,科学与哲学再次汇聚在一起。爱因斯坦是量子化假设的最早推广者和奠定者,却在量子力学创立后,变成了批评者和反对者。因为他深信“上帝不会掷骰子”。他与玻尔关于量子力学解释的论战,就是关于世界观和物理学理论基础的哲学争论。这揭示了科学家在探索前沿问题时,其思想深处所固有的世界观和认识论态度所产生的影响。他对量子力学的不断质疑激发薛定谔提出“量子纠缠”概念,促使玻姆、贝尔等物理学家为寻找隐变量量子论而奋斗,并推动了实验检验的发展等。

这个事例表明,当哲学信念内化为物理学家的基本素养和自觉意识时,概念批判的力量就会在他们创建、评判、审视与接受新理论的过程中或在科学前沿领域体现出来。然而,哲学信念一旦固化,又会成为接受新观念的绊脚石。正如海森堡所认为的那样:所有科学家的工作都以某种哲学看法为基础,否则,他们就无法清晰地表达观念之间的联系;有些新的经验证据,只有当科学家付出巨大努力扩展其哲学框架和改变思想进程的结构时,才能得到理解;在量子力学的情况下,爱因斯坦显然不愿意迈出这一步。

海森堡将爱因斯坦看成是恪守经典哲学信念的保守派,将能够根据新的经验证据扩展自己哲学框架的物理学家看成是勇于变革思想的先锋派。这也表明,哲学信念与科学发展之间的关系是非线性的和复杂的。哲学既构成了科学家深耕科学前沿领地的“前结构”,也随科学发展而发展。虽然科学家无法将这些先存观念条理分明地或清晰地表述出来,但他们对世界的理解或把握却在某种程度上受到这些奠基性观念的促进或制约。与爱因斯坦相反,玻恩在赋予薛定谔方程中的波函数以概率解释之后,将概率看成是基本的,将决定论看成是概率等于1的特殊情况,认为在原子世界里放弃决定论,是一个哲学问题,只靠物理学的论证是不能决定的,并作出了“理论物理学是真正的哲学”的断言。

由此可见,从量子理论的发展来看,在科学变革的前沿领域或库恩所说的科学革命时期,科学与哲学在总的发展趋势上总是相伴而行并相得益彰。

科学与哲学相遇在

科学思想的交汇地带

与第一代科学哲学家具有科学背景相媲美,第一代量子物理学家具有良好的哲学素养和人文情怀。但不同的是,在第一代科学哲学家中,大多数人是在大学期间系统地学习某门科学,而第一代量子物理学家的哲学潜能则来源于家庭熏陶和人文教育的学养积淀以及主动的学习热情。比如,海森堡在中学时代凭兴趣阅读柏拉图的作品,由于崇拜相对论而阅读科普读物,由于迷恋数学而阅读数学家外尔的著作。这就使海森堡能够将在中学教育中被割裂开来的数学、物理和哲学潜在地关联起来。玻恩甚至说自己对科学的哲学背景比对科学的特殊成果更感兴趣。劳厄根据自己从事科学研究的体会,把在中学时代能够较多地学习古代语言看成是日后在科学上有所发展的秘方。

量子物理学家所具有的这种综合性的学科背景,在他们创立量子理论的过程中潜在地起到了“思维拐杖”或智力工具的作用,有助于他们在长期的科学实践活动中升华出一种特有的直觉能力或洞察力。这种能力虽然并不像理论或证据那样总是能够以命题的形式表达出来,但却同理论与证据一样有价值,有时甚至会更有价值。因为它们能够使知识融会贯通,能够引导量子物理学家超越实验证据的束缚,创造性地提出革命性的概念和理论,还能够引导实验室里的科学家或工程科学家有针对性地设计出精妙设备来挖掘量子世界中有意义的新问题和验证新理论等。

物理学研究领域越远离人的知觉范围,物理学家潜在的直觉判断力与洞察力的作用就越突出和越重要。在经典领域内,物理学家的重点是提出理论框架来说明实验现象。而在量子领域内,他们除了提出新的理论框架来说明现象之外,更重要的是,还需要进一步理解理论本身,需要在坚持传统的理论观还是接受新的理论之间作出艰难抉择。这就导致了两个层面的理解:一是创建理论体系来理解和说明现象,二是形成哲学见解来理解新的理论体系。因为在经典物理学中,研究对象较为直观,理论本身蕴含的哲学假设与日常思维基本吻合,但在量子领域内,却出现了截然不同的新情况。

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首先,量子化概念的确立意味着,微观粒子的运动不再像宏观粒子的运动那样是可追溯的。微观对象的行为表现依赖于测量设置,这赋予测量概念新的涵义,使“现象”一词只能应用于观察结果,不能应用于两种观察之间的中间状态,而且,运用经典术语来描述量子测量现象时发生了语用与语义的变化。其次,微观粒子是通过仪器制备出来的,有些还极不稳定,乃至稍纵即逝,这样,事实与理论密切联系在一起。再次,当代量子论借助于数学来构造理论,很难获得实验检验。最后,量子力学抛弃了决定论的因果性概念,只提供对变量的概率性预言。

微观粒子和量子理论具有的这些新特征意味着,在微观领域内,现象、事实、概念、理论、测量设置等成为共同建构的整体。物理学家虽然能够自如地运用量子力学的形式体系来解决问题,并建立了相应的直觉,但对形式体系的理解至今没有达成共识。他们需要形成新的哲学见解来传播其理论成果。关键问题在于,我们的日常语言和经典概念是对象性的,这种思维方式使认识论问题本体论化。而在量子理论中,物理学家则是在认识论意义上使用概念和语言。如果我们意识不到运用概念层次的变化,就无法对量子理论的新特性有清晰的认识。这也是为何爱因斯坦与玻尔关于量子力学概念问题的争论曾成为索尔维会议的亮点,以及为何量子物理学家关于如何理解量子力学的争论会出现在科学哲学会议上的重要原因。

正如普里戈金所言,在科学会议上最令人激动的时刻,经常是发生在科学家们讨论像量子力学解释等似乎没有实用性的问题上。量子物理学家虽然很少抛开物理学的具体问题来讨论纯哲学意义上的概念问题,也很少撰写系统性的哲学论著,但他们的哲学见解散见在对特殊听众的学术报告或科普作品中。他们之间的争论揭示了科学与哲学在“科学思想”的交汇地带深刻地交织在一起。

结语

量子理论的发展史表明,理论物理学家都深刻地意识到自己的工作总是同哲学思维错综地交织在一起的。玻恩甚至告诫学生,如果不关心哲学,研究工作将是无效的,呼吁科学家不应该和人文学科的思想割裂开来。第一代量子物理学家的成长之路和他们在科学研究中得到的切身体会,无疑为我们今天的教育改革指明了方向。科学研究越深入,科学与哲学的关系就越密切。当前人工智能的发展进一步印证了本文所论证的观点。

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