论经典科学与系统科学的沟通

[摘要]经典科学和系统科学向来被认为是科学范式及理论传统完全不同的两种形式的科学，实际并非如此。从方法论的角度讲，量子力学的理论体系内部事实上孕育了二者沟通与衔接的信息，或者说。量子理论提供了经典科学与系统科学沟通的可能性。文章从三个方面论述了这种可能性。

[关键词]量子理论；经典科学；系统科学；整体论

[作者简介]刘敏，东南大学哲学与科学系讲师，哲学博士，江苏南京211189

[中图分类号]G305

[文献标识码]A

[文章编号]1004-4434(2010)05-0022-04

经典科学是指自16世纪经哥白尼一伽利略一牛顿逐渐完成的天文学革命为起始标志，至20世纪初量子力学和相对论的产生为标志的第二次科学革命的科学体系；系统科学，是指20世纪上叶首先发生在生物学领域的、以贝塔朗菲“一般系统论”的提出为标志的、发展至今的非线性科学(也被称为复杂性科学)。经典科学以还原论为主要特征，系统科学以整体论为主要特征。

笔者认为产生于20世纪初的量子力学可视为经典科学与系统科学的转折点。而为什么又要将其划分在经典科学范围内，是因为量子力学的总体指导思想并没有完全脱离牛顿的经典力学的范式模式，如吴国盛所说，“它更像是对经典精神的进一步完善”；但同时又必须承认，量子力学已经对牛顿科学做出了很大的突破，并且在自身已孕育了探寻科学发展新方向的巨大潜力。因此笔者认为，从方法论上讲，量子理论提供了经典科学与系统科学沟通的可能。

一、科学话语中世界图景的嬗变与转折

自16世纪哥白尼革命以来，历史上出现了一个全新看待世界的方式。而在此后的17世纪诞生的牛顿力学为代表的新物理学，构成了近代世界图景的基础。牛顿的世界图景假定物理世界具有某种质的单一性，“所有的物质运动，就其服从牛顿定律而言，是同质的”，它们在现象界的差异都可以还原为实在界量的差异。牛顿的世界图景一度成为科学世界图景的代名词，牛顿的研究方法已成为科学方法的代名词，在构造世界图景方面，人们自觉地向牛顿图景靠拢(如化学、电磁学)，至少不与其矛盾(如进化论)；在研究法方面，注重对象的具体成分、数量和特征。这是一种分门别类的研究，因此很自然地采用了孤立、静止的方法，把自然界当作一个既成事物，而不是当作一个发展过程来研究。从总体上讲，此时自然科学的研究带有机械论的色彩。

接下来的18、19世纪，自然科学的发展基本上是牛顿模式的充实和扩展，应用和放大，方法上也没有革命性的进展。但是到了19世纪，科学已不再把自然界当作一个既成事物，而是当作一个发展过程来研究，并且开始用联系和发展的观点来揭示现象之间的关系。自然科学为人类提供的已不再是自然界的某种简单投影，而是一幅初具规模的立体图画。

到19世纪末，近代自然科学所建立的一座座雄伟壮观的理论大厦耸立在人们的眼前：经典力学、电磁学理论、能量守恒与转化定律、原子论与分子学说、细胞学说、进化论等等。至此，可以说经典科学的世界图景最终确立了。在这些成果面前，许多科学家都沉浸在一片胜利喜悦气氛中。这些巨大的成就使人们相信，古典科学已发展到了顶峰，剩下的事情只是将已经建立起来的原理应用于自然界中的种种现象上去。

但是到了19、20世纪之交，出现了一系列既有理论难以解释的新的实验现象，古典的世界图景开始毛病百出。

在20世纪中上叶，出现的系统理论、非线性理论等科学从思维模式、认识论模式及方法论模式等方面向经典科学发起了根本的挑战。从科学范式的角度讲，经典科学是一种还原论、原子论、决定论、线性的、可逆的世界图景，与经典科学注重世界的简单性和原子构成性形成鲜明对照的是，系统科学以整体的观念、非还原的观念、非决定的观念、复杂性的观念、不可逆性的观念突出出来，与自然界生命的原则、有机的原则相衔接。

值得注意的是，量子力学出现的时间，正是在经典科学危机四伏、科学界充满争论与系统科学日渐崛起之时。而且在实验理念与研究方法上，量子理论在以上二者之间起到一种过渡和衔接的作用。从方法上讲，量子理论突破了经典科学还原论的、严格因果决定论的理念，自身孕育和体现了整体论的、几率解释的思想。特别是在主客体关系上，量子理论放弃了经典力学所推崇的“客观实在与观测无关”的信念，提出主客体之间相互作用，观测中中介工具对结果的影响的理论。有趣的是，量子理论提出的这些观念和方法恰恰是随后在二十世纪上半叶出现的系统科学所使用的基本方法。比较起来，三者的研究对象不尽相同，经典科学描述的是一种宏观低速运动，系统科学探索的是复杂巨系统，而量子力学的研究对象则是微观粒子世界。

本文从以下三个方面论述量子理论对经典科学与系统科学的衔接与沟通作用。

二、从还原论到整体论

自哥白尼革命以来，在近代科学发展的300多年里，从方法论上讲，科学界一直是还原论独霸话语权，因为近代西方科学的产生和发展就是以还原论为基础的，牛顿力学“拆零”式方法论对整个经典科学起了引领和示范作用。而产生于20世纪中上叶的系统科学的指导思想则是“整体论”的方法论原则。系统科学最本质的特征把对象做为一个“整体”来研究。20世纪30年代末贝塔朗菲创立的一般系统论则是对“整体”和“整体性”的科学探索。然而在系统科学产生以前，20世纪初出现的量子理论也提出了整体性概念。从时间上讲，量子理论整体性概念的提出是早于系统科学的，而当时在量子理论中这一思想的提出不能不说是对科学界主流思想的冲击，不能不说是对经典科学方法论的挑战。

与系统科学所涉及的宏观领域不同，量子力学在微观粒子世界体现了整体论的思想。

黑体辐射研究领域中“紫外灾难”的出现，使经典物理学陷于危机之中，最终导致了量子论的诞生。而最先提出量子理论的是德国物理学家普朗克。1900年10月19日，在德国物理学会上，他以《论维恩辐射定律的改进》为题报告了自己的新公式E=hv，这个公式中令人注目的是引进了一个新常数h(后被称为普朗克常数)。然而后来他发现，他的公式在经典物理学领域内根本无法得到解释，但如果假设黑体辐射中的能量不是连续的，而是以一定数值的整数倍跳跃式地变化的，就是说，在辐射的发射和吸收过程中，能量不是无限可分的，而是有一个最小的单元，那么他的公式就能得到非常合理的解释。普朗克把这个不可再分的能量单元定义为“能量子”或“量子”。普朗克第一次提出了能量不连续的概念，为20世纪的物理学提出了一种崭新的观念。可惜的是普朗克不是一个自觉的革新者，由于在量子假说提出的最初五年里，并未引起物理学界的积极响应，特别是意识到能量不连续的观念与经典理论格格不入，这给他带来了很大的苦恼。正当普朗克在量子论的道路上犹豫、徘徊

的时候，天才的爱因斯坦却从他手中接过量子概念，提出了光量子假说。这也深刻揭示了普朗克假说的深远意义。

哥本哈根学派的创始人尼尔斯·玻尔说：“普朗克关于普适作用量子的发现，形成了发展中的一个转折点；这一发现揭示了原子过程中的一种整体性特色，这是完全超出于经典物理概念之外的，甚至是超越了物质有限可分性这一古代学说。”

量子力学发端于唯象描述，即对铺天盖地而来的新奇的实验观测结果进行描述和概括。在理论研究过程中，从两个不同的方向分别出现了薛定谔的波动力学和海森堡的矩阵力学，薛定谔的理论以德布洛意的物质波概念为基础，海森堡则以可观察量为基础。这两个看起来完全不同的理论体系都很好地解决了量子理论所碰到的难题，后来证明波动力学和矩阵力学在数学上是等价的，形式上统一了量子力学数学体系。但是在对其理论体系中新引入的物理量进行物理解释、赋予物理意义的时候，却充满了争议。在整个争论过程中，以玻尔为首的哥本哈根学派给出的解释通常被认为是正统解释。哥本哈根学派整合了以物质的波动图像为基础的波动力学和以物质的粒子图像为基础的矩阵力学，提出了波函数的统计解释(玻恩)、测不准原理(海森堡)和互补原理(玻尔)，被称为“哥本哈根学派理论三步曲”，形成了对量子力学的正统解释。

波尔在1958年发表的《量子物理学和哲学》中指出，“事实上，真正量子现象所特有的整体性特点，是在下述情况中得到逻辑表示的：任何明确规定的再分划的尝试，都会要求对实验装置进行一种和所研究现象的定义不相容的改变”。

关于量子理论中的整体论思想的来源，“量子领域的整体论特征，是从经典科学自身中生长出来的新的思想，它在某种意义上给诸多新科学开辟了概念平台和广阔的发展空间”。

三、从因果决定论到概率因果性

经典科学遵守严格的因果决定论。牛顿创立经典力学的一个基本信念就是因果性原则。决定论的核心思想在于只要初始状态一定，则未来状态可以由因果法则进行准确预测。它在宏观低速世界内十分有效，使得人们对其提供的因果图景不容置疑。牛顿的微分方程深刻地体现了这一点，爱因斯坦曾说，“只有微分定律的形式才能完全满足近代物理学家对因果性的要求。微分定律的明晰概念是牛顿最伟大的理智成就之一”。

量子理论抛弃了因果决定论，提出了概率因果性。这与系统科学主张的非线性因果性原则相一致。

哥本哈根给出的正统解释在描述世界图景时的一个突出特点是在微观领域引入了概率随机性。而最能反映量子理论的随机性特征的，是哥本哈根学派对波函数的解释及测不准原理的提出。

玻恩最主要的贡献是对波函数的统计解释。在对波粒二象性进行物理描述时，玻恩认为，波函数是用来描述量子客体在某一给定位置的几率，它所给出的数学描述与量子客体的物理行为并不直接对应，而是统计对应。衍射环实验充分说明了这个问题。有趣的是，一次发射很多的电子和分许多次逐渐发射相同数目的电子，所得到的两个衍射环是完全相同的。这个现象形象地说明了波粒二象性并不是二者的机械相加，而是两者的辩证结合。

玻恩的几率波解释澄清了波粒二象性中“波”的含义，即它不是经典意义上的三维实在波，而是多维位形空间中的几率波。测不准原理和几率波解释也同时澄清了波粒二象性中“粒子”的含义，即它不是经典意义上拥有精确位置和轨道的粒子，而是处在不完全确定状态。光通过小孔发生衍射时，光是作为波起作用的；类似的，电子通过狭缝后，打在对面的屏幕上，其位置并不确定的，而是几率分布的。

实际上，在经典物理学中也曾出现过统计规律，但那却被认为是对初始条件缺乏详尽认识的时候所采取的一种临时措施。在经典物理学中牛顿式的决定论占统治地位，认为当系统完全不受外界影响时，当初始条件能精确确定时，那完全可以准确地预言质点在某时刻的状态。然而量子力学却认为即使在这种理想情况下，我们也不能达到这个目的。于是玻恩宣布：在量子力学中机遇是基本概念，统计规律是基本规律。物理学原理的方向发生了质的改变：统计描述代替了严格的因果描述，非决定论的统治代替了决定论的统治。玻恩指出，我们必须抛弃决定论观念，但这并不意味着严格的自然规律不再存在，也不意味着放弃了因果性。

能反映量子理论随机性特征的另一个理论就是海森堡提出的“测不准原理”。他认为，任何一个粒子的位置和动量不可能同时准确测量，要准确测量位置，动量就完全测不准，反之亦然。造成这种状况的原因是由于测量中不可避免的仪器对测量对象的干扰以及粒子本身所具有的波动性。这样海森堡的测不准原理和玻恩的波函数几率解释一起奠定了量子力学诠释的物理基础。同年，玻尔把玻恩、海森堡的观点提高到哲学高度，提出了“互补原理”。玻尔对“互补”的解释是：“互补一词的意义是：一些经典概念的任何确定应用，将排除另一些经典概念的同时应用，而这另一些概念在另一种条件下却是阐明现象所同样不可缺少的。”玻姆在《量子理论》中我们概述：“从量子尺度看，任何客体最一般的物理性质都必须用成对的互补变量来表示，其中每个变量仅仅以相应地减小另一变量的确定程度为代价才能成为比较确定的。”这种确定程度的代价以海森堡的测不准理来定量的刻划。这样，经典的决定论的因果律在量子系统中不再成立，人们只能了解粒子出现的概率，而不能确定某个粒子在某时某处是否一定出现。这就是量子力学的统计解释或几率解释。

四、实验观测：从观众到演员

在经典范式科学实验中，观测者及观测本身的“绝对客观性”。而正统解释所给出的世界图景的另一个突出特点，是与量子现象的整体性伴随而来的主客体分界的模糊性。由于量子力学直接建立在实验观测结果之上，而实验观测又依赖于测量仪器以及测量程序的选择和安排，并不只是对一个独立的客体世界的不走样的反映，因此，量子力学所提供的世界图景原则上无法排除观察主体的作用。它所展示的是一幅主体和客体相互交融、相互作用的图景。正如玻尔所说“在现实存在的这个伟大的舞台上，我们既是观众，又是演员”。

在爱因斯坦和玻尔争论量子理论对物理实在的描述是否完备的问题时，出现了著名的EPR悖论。事实表明，在描述关于物理实在的问题时，由于作用量子的存在规定了客体和测量仪器之间的有限相互作用，引起了最后放弃因果性这一经典概念并修正了我们对于物理实在的态度——因为客体对测量仪器的反作用是不可控制的。

对于量子力学中的测量，玻尔说过，“在我们关于自然的描述中，目的不在于揭露现象的实在要素，而在于尽可能地在我们经验的种种方面之间追寻一些关系”。在这里，他阐述了量子力学和经典力学在测量问题上出现的矛盾：经典力学的观点是，人们可以对客观对象进行观察测量而了解客观实在，测量结果是对客观实在的真实反映而不

带任何主观成分，并且可以据此预言客观事物的进程。但是在量子力学中就不同了。人们对微观客体进行测量时，由于作用量子的存在，测量仪器对于被测量的客体之间存在着原则上不可消除的相互作用，而且这些相互作用也反映在测量结果中。因此经典物理学中“客观实在与测量无关”的信念便不适用了。这一点与系统科学主张的思想再次不谋而合。

量子理论对“相互作用”强调与系统科学对此的重视相符。

按照哥本哈根学派对量子理论的解释，对于如何认识微观世界，粒子的属性只有通过它们和其它体系的相互作用才是可观察的。因为人们认识到测量仪器和所研究的物理体系之间的相互作用，构成量子现象一个不可分裂的部分，这种认识，不但揭露了机械自然观的一种出人意料的局限性，而且迫使我们在整理经验时必须适当注意到观察条件。正如玻尔所说，“作为一种更适当的表达方式，我曾建议用现象一词来代表在特定环境下得到的观测结果，这种特定环境包括对整个的说明在内”。

总之，在量子理论的发展过程中，哥本哈根学派的正统解释极大地动摇了经典科学的传统概念框架和思想方法。但是关于这一点也引起了极大的争论，著名的爱因斯坦与玻尔之争的核心就是量子力学是否完备。爱因斯坦本来也是量子论的创始人之一，但他却对量子理论后来的发展以及哥本哈根学派的解释不满。对于正统解释所给出的量子世界图景的两大突出特征——概率随机性、量子整体性，爱因斯坦都持异议，他坚决认定，科学的目的在于发现隐藏在自然界背后的确定性的规律，上帝不是赌徒，不会掷骰子，因此只给出了统计规律的量子力学，肯定是不完备的。

结语

不论如何，量子力学的确以激烈的方式改变了世界图景的构造。如果说相对论只是把时空框架与物质运动熔为一体，还保留了牛顿力学固有的严格决定论的数学微分方程，保留了因果律，保留了定域性(拒绝超距作用)，那么这一切在量子世界图景中都或多或少地遭到了破坏。量子概念是量子力学的首要概念，它的引入导致了一系列基本概念的改变：连续轨迹的概念被打破，代之以不连续的量子跃迁概念；严格决定论的概念被打破，代之以概率决定论；定域的概念被打破，代之以整体论的概念。伴随着这些基本概念的变化，量子世界出现了波粒二象性、测不准原理、定域性破坏等奇妙的现象。

量子理论在科学史中的出现，对原有的经典科学的理论大厦是一次极大的冲击，而它所体现的整体观念、概率因果论及对实验中主客体关系的新认识又恰恰与20世纪中上叶出现的系统科学的主导思想不谋而合。毕竟经典科学与系统科学向来被认为是两个不同范式指导下的科学体系，而从方法论上讲，量子力学的理论体系内部事实上孕育了二者的沟通与衔接，所以说，量子理论提供了二者沟通的可能性。

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