原因與結(jié)果
——因果律是一種歷史遺物
英國(guó)數(shù)學(xué)家、哲學(xué)家羅說(shuō)素：“所有各派的一切哲學(xué)家都以為因果律是科學(xué)的基本公理之一，可是奇怪得很，在象天文學(xué)那樣高深的科學(xué)中，原因這個(gè)詞卻從來(lái)沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)。我認(rèn)為，因果律是一種歷史遺物，它所以能象君主政體那樣殘存著，在哲學(xué)中間代代相傳，只是因?yàn)殄e(cuò)誤地以為它是無(wú)害的。”原因和結(jié)果是我們?nèi)绱耸煜さ膬蓚€(gè)概念，羅素為什么會(huì)這樣來(lái)評(píng)論它呢？這兩個(gè)概念在人們探索自然現(xiàn)象時(shí)曾起過(guò)重要的作用。然而，隨著統(tǒng)計(jì)方法在物理學(xué)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用，因果決定論的思想也日益成為妨礙科學(xué)發(fā)展的東西。
一、牛頓力學(xué)與決定論。
亞里士多德認(rèn)為一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)離不開(kāi)力的作用。一輛馬車要前進(jìn)就得有馬拉它，馬不拉它，它就不走。16世紀(jì)，意大利物理學(xué)家伽利略提出了慣性概念。他認(rèn)為，力是改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的因素，而不是維持運(yùn)動(dòng)的因素。他指出，一輛運(yùn)動(dòng)著的馬車，即使馬不再用力，馬車也不能立即停下來(lái)，而要繼續(xù)運(yùn)動(dòng)一段距離。一旦有力作用于運(yùn)動(dòng)的物體上，那么物體的運(yùn)動(dòng)就不是勻速的，而是變速的。也就是說(shuō)，物體的運(yùn)動(dòng)速度每時(shí)每刻都是不同的、變化的。這就產(chǎn)生了瞬時(shí)速度和瞬時(shí)加速度的問(wèn)題。
為了描述瞬時(shí)速度和瞬時(shí)加速度，牛頓創(chuàng)造了微積分，瞬時(shí)速度為距離對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)，而瞬時(shí)加速度為距離對(duì)時(shí)間的二階導(dǎo)數(shù)。運(yùn)動(dòng)物體的瞬時(shí)狀態(tài)被當(dāng)作一個(gè)點(diǎn)，這時(shí)把物體看作質(zhì)點(diǎn)。這個(gè)質(zhì)點(diǎn)的速度和加速度，由位置的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)確定。
當(dāng)人們用微積分去研究力學(xué)問(wèn)題、物理學(xué)問(wèn)題就要用到微分方程。牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律和萬(wàn)有引力定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式都是微分方程。微分方程描述的是一個(gè)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。對(duì)動(dòng)力學(xué)方程的積分表示，從初始狀態(tài)開(kāi)始的逐漸延伸的相繼運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也就是質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的集合，也就是物體的運(yùn)動(dòng)軌道。這條軌道包含了質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的所有信息，完整地描述了這個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)。
軌道的特征是決定性和可逆性。為了計(jì)算一條軌道，需要知道運(yùn)動(dòng)物體的初始狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。然后，就可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從任何一個(gè)初始狀態(tài)推演出系統(tǒng)隨時(shí)間的推移所經(jīng)歷的一系列狀態(tài)。也就是說(shuō)，只要知道了作用力，從任何一個(gè)初始狀態(tài)出發(fā)都可以確定系統(tǒng)的過(guò)去和未來(lái)的狀態(tài)，因此一切都是給定的。發(fā)生在前面的事件是原因，發(fā)生在后面的事件是結(jié)果。這樣就把自然界的一切運(yùn)動(dòng)變化用因果關(guān)系連接起來(lái)了。愛(ài)因斯坦說(shuō)：“只有微分定律的形式才能完全滿足近代物理學(xué)家對(duì)因果性的要求。微分定律的明晰概念是牛頓最偉大的理智成就之一。”
牛頓根據(jù)自己的理論，計(jì)算了地球的形狀，并得到法國(guó)科學(xué)家的證實(shí)；同樣，天文學(xué)家根據(jù)牛頓理論計(jì)算并預(yù)言哈雷慧星的回歸日期，以及預(yù)先確定了海王星在太空的位置。牛頓力學(xué)的輝煌成就，使人們相信它的前因后果的嚴(yán)格確定性，它的嚴(yán)格可預(yù)言性；使人們認(rèn)識(shí)到自然界因果聯(lián)系的客觀性和普遍性，并形成了哲學(xué)上的決定論。這種決定論實(shí)際上是牛頓力學(xué)巨大成就的產(chǎn)物。1814年，法國(guó)數(shù)學(xué)家拉普拉斯把這個(gè)決定論推廣到整個(gè)宇宙。他說(shuō)：“我們應(yīng)當(dāng)把宇宙的現(xiàn)在狀態(tài)看作是它先前狀態(tài)的效果，隨后狀態(tài)的原因。暫時(shí)設(shè)想有一位神靈，它能知道某一瞬間施加于自然界的所有作用力以及自然界所有組成物各自的位置，并且他能夠十分廣泛地分析這些數(shù)據(jù)，那么他就可以把宇宙中最重物體的運(yùn)動(dòng)和最輕的原子的運(yùn)動(dòng)，均納入同一公式之中。對(duì)于它，再?zèng)]有什么事物是不確定的，未來(lái)和過(guò)去一樣，均呈現(xiàn)在它的眼前。”
根據(jù)拉普拉斯的決定論，未來(lái)已經(jīng)包含在過(guò)去中，一切都是給定了的。任何事件都是可以預(yù)言的，任何事件都在預(yù)料之中。正是這個(gè)科學(xué)的決定論，宇宙好象被堅(jiān)硬的枷鎖套住了，使人喪失了一切創(chuàng)造性，也妨礙了一切革新。而這是與人類追求自由，向往改革，進(jìn)行創(chuàng)造的精神相違背的，是與人類的目標(biāo)和本性相違背的。
二、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)與決定論
19世紀(jì)，由于物理學(xué)家把統(tǒng)計(jì)方法引進(jìn)物理學(xué)領(lǐng)域而使決定論思想受到第一次沖擊。
1857年，德國(guó)物理學(xué)家克勞修斯，在研究熱現(xiàn)象時(shí)，采用了統(tǒng)計(jì)方法。他認(rèn)為，熱是由于大量分子的無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)。在這里，要考慮所有分子的因果聯(lián)系是不可能的，也沒(méi)有必要。系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)涉及的是大量分子的平均效應(yīng)?？藙谛匏褂媒y(tǒng)計(jì)方法研究氣體分子的運(yùn)動(dòng)，得到了理想氣體的壓強(qiáng)公式，解釋了氣體分子緩慢擴(kuò)散的事實(shí)。
1860年，英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋采用更徹底的統(tǒng)計(jì)方法，來(lái)研究氣體分子的運(yùn)動(dòng)。他認(rèn)為，氣體分子的頻繁碰撞并不會(huì)使分子的速度趨于一致，而是出現(xiàn)不同速度的一個(gè)分布。他用嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)方法得到了氣體分子的速度分布律。
1877年奧地利物理學(xué)家玻耳茲曼用統(tǒng)計(jì)方法解釋了熱力學(xué)第二定律的不可逆性。他指出，熵自發(fā)減小的過(guò)程不是絕對(duì)不可能，只是概率非常非常小。這樣，玻耳茲曼就揭示了熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)本質(zhì)，表明這個(gè)定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律。
統(tǒng)計(jì)方法在物理學(xué)中的應(yīng)用，出現(xiàn)了一種新的規(guī)律——統(tǒng)計(jì)規(guī)律。統(tǒng)計(jì)規(guī)律在物理學(xué)領(lǐng)域的出現(xiàn)產(chǎn)生了重大的后果。首先，它打破了力學(xué)規(guī)律，也即嚴(yán)格決定論獨(dú)霸天下的局面。
隨著牛頓力學(xué)在18世紀(jì)一次又一次的勝利，竟在不同程度上決定了后來(lái)物理學(xué)的研究方法和實(shí)驗(yàn)方向。按照牛頓的看法，自然界的一切現(xiàn)象和問(wèn)題最終都可以用力學(xué)方法來(lái)解釋。20世紀(jì)以前的物理學(xué)也的確是沿著牛頓指出的方向發(fā)展的。聲學(xué)最早被納入力學(xué)的框架，人們把聲音看作是在彈性媒質(zhì)中傳播的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。熱學(xué)在18世紀(jì)以熱質(zhì)為基礎(chǔ)。在光學(xué)方面，牛頓把光看作是具有慣性的微粒。后來(lái)光的波動(dòng)說(shuō)取代了光的微粒說(shuō)，但堅(jiān)持波動(dòng)說(shuō)的物理學(xué)家把以太看成傳播光的媒質(zhì)。在電磁學(xué)中，庫(kù)侖定律是比照著萬(wàn)有引力定律得出的；法拉第的力線和場(chǎng)仍與力學(xué)有密切的聯(lián)系。德國(guó)物理學(xué)家赫姆霍茲說(shuō)：“我們最終發(fā)現(xiàn)，所有涉及到的物理問(wèn)題都能歸納為不變的引力和斥力，……整個(gè)自然科學(xué)的最終目的溶化在力學(xué)之中。”英國(guó)物理學(xué)家開(kāi)爾文說(shuō)：“我的目的就是要證明，如何建造一個(gè)力學(xué)模型，這個(gè)模型在我們所思考無(wú)論什么物理現(xiàn)象中，都將滿足所要求的條件。在我們沒(méi)有給一種事物建立起一個(gè)力學(xué)模型之前，我是不會(huì)滿足的。”可見(jiàn)，在19世紀(jì)末以前，物理學(xué)家普遍認(rèn)為，力學(xué)是整個(gè)物理學(xué)的基礎(chǔ)，因而把力學(xué)解釋看成是物理學(xué)解釋的最終標(biāo)準(zhǔn)。
然而，統(tǒng)計(jì)規(guī)律的出現(xiàn)使這一切發(fā)生了變化。當(dāng)物理學(xué)家把統(tǒng)計(jì)方法引進(jìn)物理學(xué)領(lǐng)域，就發(fā)現(xiàn)了事物的一些新的性質(zhì)，新的規(guī)律。這是與力學(xué)規(guī)律完全不同的規(guī)律。從科學(xué)本體論來(lái)說(shuō)，這表明嚴(yán)格決定論并不是描述自然現(xiàn)象的唯一有效的方法。
統(tǒng)計(jì)規(guī)律的出現(xiàn)導(dǎo)致的另一個(gè)嚴(yán)重后果是，它剝奪了規(guī)律的嚴(yán)格性?！吨袊?guó)大百科全書(shū)•哲學(xué)》關(guān)于規(guī)律的解釋是：“規(guī)律亦稱法則?？陀^事物發(fā)展過(guò)程中的本質(zhì)聯(lián)系，具有普遍性的形式。規(guī)律和本質(zhì)是同等程度的概念，都是指事物本身所固有的、深藏于現(xiàn)象背后并決定或支配現(xiàn)象的方面。然而本質(zhì)是指事物的內(nèi)部聯(lián)系，由事物的內(nèi)部矛盾所構(gòu)成，而規(guī)律則是就事物的發(fā)展過(guò)程而言，指同一現(xiàn)象的本質(zhì)關(guān)系或本質(zhì)之間的穩(wěn)定聯(lián)系，它是千變?nèi)f化的現(xiàn)象世界的相對(duì)靜止的內(nèi)容。規(guī)律是反復(fù)起作用的，只要具備必要的條件，合符規(guī)律的現(xiàn)象就必然重復(fù)出現(xiàn)。”這就是哲學(xué)家所理解的規(guī)律。
統(tǒng)計(jì)規(guī)律正是要否定對(duì)規(guī)律這種死板的解釋。統(tǒng)計(jì)規(guī)律的實(shí)質(zhì)是概率性的，涉及自然界的隨機(jī)現(xiàn)象。由于分子數(shù)目很大，沒(méi)有必要去求解每個(gè)分子的軌跡，而只能運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法，求運(yùn)動(dòng)著的大量分子各種平均值。趨于平衡狀態(tài)的過(guò)程有極高的概率；然而，相反的過(guò)程也不是絕對(duì)不可能，只是概率非常小。玻耳茲曼正是這樣來(lái)解釋熱力學(xué)第二定律的。由于相反方向的過(guò)程概率極低，對(duì)不可逆性規(guī)律作統(tǒng)計(jì)解釋的實(shí)踐意義雖然不大，但它的理論意義卻極大。人們發(fā)現(xiàn)，除了嚴(yán)格的必然性規(guī)律之外，還有另一種規(guī)律——統(tǒng)計(jì)規(guī)律。由于這一結(jié)果，因果性理論進(jìn)入一個(gè)新的階段。
統(tǒng)計(jì)規(guī)律的出現(xiàn)直接沖擊了因果決定論。既然統(tǒng)計(jì)規(guī)律使得由前一種狀態(tài)產(chǎn)生的結(jié)果不是完全確定的，那么那種單值的因果鏈條就不存在了。德國(guó)科學(xué)哲學(xué)家依賴欣巴哈說(shuō)：“我們沒(méi)有理由假設(shè)分子是由嚴(yán)格規(guī)律所控制的；一個(gè)分子從同一個(gè)出發(fā)情況開(kāi)始，后來(lái)可以進(jìn)入各種不同的未來(lái)情況，即使拉普拉斯的超人也不能預(yù)言分子的路徑。”
三、量子力學(xué)與決定論
1926年初，奧地利物理學(xué)家薛定諤給出了微觀粒子的運(yùn)動(dòng)方程，建立了波動(dòng)力學(xué)。在這個(gè)方程中，波函數(shù)是中心概念。1926年6月，德國(guó)物理學(xué)家波恩，給出波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)解釋。薛定諤發(fā)現(xiàn)的量子規(guī)律經(jīng)過(guò)玻恩的解釋，就變成了統(tǒng)計(jì)規(guī)律。這時(shí)，對(duì)一個(gè)電子的出現(xiàn)，我們不能預(yù)言它一定會(huì)在什么地方出現(xiàn)，而只能預(yù)言它出現(xiàn)在某個(gè)位置的概率。量子力學(xué)不具有牛頓力學(xué)那樣的確定性。
1927年，德國(guó)物理學(xué)家海森伯提出測(cè)不準(zhǔn)原理：不能同時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)定運(yùn)動(dòng)粒子的位置和速度。這是量子力學(xué)中一個(gè)非常重要的原理。
人們當(dāng)然知道，任何物理量都不能測(cè)得很精確。不過(guò)，人們又相信隨著技術(shù)水平的提高，物理量的測(cè)定會(huì)越來(lái)越精確。然而，根據(jù)海森伯的這個(gè)原理來(lái)看，在量子力學(xué)中，實(shí)際上并不是這樣，可達(dá)到的精確性是有一定限度的：對(duì)位置測(cè)量得越精確，會(huì)使得對(duì)速度的測(cè)量越不精確，反之亦然。海森伯認(rèn)為，這是由于我們的研究進(jìn)入微觀世界的結(jié)果。在宏觀世界中，當(dāng)我們用儀器觀測(cè)一個(gè)物體時(shí)，觀測(cè)儀器也會(huì)對(duì)物體產(chǎn)生影響，但這種影響很小，是可以忽略的。比如用光線照射一個(gè)天體，光子打在天體上，對(duì)天體不起作用。而在微觀世界里，光線照射在一個(gè)粒子上，光子對(duì)粒子的影響就是不能忽視的。觀測(cè)儀器與觀測(cè)對(duì)象之間有著不可避免的相互作用，這使得我們無(wú)法觀測(cè)到一個(gè)絕對(duì)孤立存在的物理現(xiàn)象。
在牛頓力學(xué)中，由于我們能同時(shí)精確地測(cè)定質(zhì)點(diǎn)的位置和速度，以軌道為根據(jù)，就能由質(zhì)點(diǎn)的現(xiàn)在狀態(tài)推斷其過(guò)去和未來(lái)的狀態(tài)，因此牛頓力學(xué)是決定論的。在微觀世界，由于測(cè)不準(zhǔn)原理，我們就不能象描述行星的運(yùn)行軌道那樣來(lái)描述電子的軌道。我們從粒子的初始狀態(tài)只能計(jì)算出粒子以某一速度在某一地點(diǎn)出現(xiàn)的概率。這樣，量子力學(xué)就把一切都?xì)w結(jié)為令人迷惑的概率了。量子力學(xué)中包含著基本的統(tǒng)計(jì)要素，這個(gè)要素不是自然本身的性質(zhì)，它是由于物理學(xué)家的干預(yù)產(chǎn)生的。
由于測(cè)不準(zhǔn)原理使得量子力學(xué)的規(guī)律成為統(tǒng)計(jì)性的，也就成為對(duì)因果決定論的挑戰(zhàn)和沖擊。在經(jīng)典物理學(xué)中，由于能同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)定運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的位置和速度，我們就能由初始狀態(tài)準(zhǔn)確地推知系統(tǒng)的過(guò)去和未來(lái)，就能在所有現(xiàn)象之間建立穩(wěn)定、嚴(yán)密、必然的因果聯(lián)系。然而，測(cè)不準(zhǔn)原理表明，我們不能同時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)定粒子的位置和速度，得不到一個(gè)準(zhǔn)確的初始狀態(tài)，也就排除了對(duì)未來(lái)狀態(tài)作準(zhǔn)確預(yù)言的可能。
量子力學(xué)的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)不同于統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，是由于大量運(yùn)動(dòng)粒子的相互作用和對(duì)它們的初始條件了解得不完備造成的。如果有一臺(tái)理想的計(jì)算機(jī)或物理學(xué)家稱為的萬(wàn)能先知者，我們就能測(cè)定大量粒子的初始狀態(tài)和每個(gè)粒子的力學(xué)性質(zhì)，那么在理論上就可以不使用統(tǒng)計(jì)方法，而知道每個(gè)粒子的過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)。但是量子力學(xué)的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)不是由于我們理論的不完備性，而是由于微觀粒子的量子效應(yīng)。因此，量子力學(xué)的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)是本質(zhì)的、不可避免的。因而它對(duì)決定論的沖擊就更有力。美國(guó)物理學(xué)家溫伯格說(shuō)：“20世紀(jì)20年代中葉，量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)，是17世紀(jì)現(xiàn)代物理學(xué)誕生以來(lái)最深刻的革命。”
20世紀(jì)，量子力學(xué)的出現(xiàn)的確是對(duì)牛頓以來(lái)形成的因果決定論的沖擊。在許多科學(xué)家的心中，因果決定論已經(jīng)不再是自己科學(xué)研究的指導(dǎo)原則。正象羅素說(shuō)的那樣，它已經(jīng)成為“一種歷史遺物”。
最后，我用波恩的話來(lái)結(jié)束這篇短文。他說(shuō)：“我確信，象絕對(duì)的必然性、絕對(duì)精確、最終真理等等觀念都是應(yīng)當(dāng)從科學(xué)中排除出去的幽靈。人們可以根據(jù)關(guān)于一個(gè)體系目前的有限知識(shí)，依靠一種理論，推演出用概率表示的關(guān)于未來(lái)情況的推測(cè)和期望。從所使用的理論的觀點(diǎn)看來(lái)，每個(gè)概率的陳述或者是正確的或者是錯(cuò)誤的。在我看來(lái)，這種思維規(guī)則的放松，是現(xiàn)代科學(xué)給我們帶來(lái)的最大福音。因?yàn)槲矣X(jué)得，相信只有一種真理而且自己掌握著這個(gè)真理，這是世界上一切罪惡的最深刻的根源。”
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