形上集

科學哲學答問(二)

90年前,愛因斯坦與海森堡的一場對話,點出了量子力學引來的哲學困擾。

撰文/高涌泉

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科學哲學答問(二)

90年前,愛因斯坦與海森堡的一場對話,點出了量子力學引來的哲學困擾。

撰文/高涌泉


關於量子力學帶給物理學家的哲學困擾,我相信愛因斯坦與海森堡在1926年的一場對話是最生動的解說。以下簡要介紹這段對談,不過得先交代其背景。


1913年,波耳為了解釋氫原子光譜,任意地提議氫原子中的電子只能在某些具有特定半徑的軌道上運轉,而且電子在這些軌道上運動時不會放出電磁輻射(即愛因斯坦的光量子),但是它可以藉由吸收或放出光量子而躍遷至其他軌道。透過實驗,我們能夠捕捉到原子放出的光量子,也能查驗出有無光量子被原子吸收,卻無從觀測電子是否真的在波耳設定的軌道上運動。


波耳之後,物理學家的目標就是建構出一套完備的理論,讓波耳沒來由的假設獲得妥善的說明,可惜一直沒人成功——直到海森堡。海森堡在1925年夏天提出嶄新的量子法則,在這些法則裡,電子無所謂軌道可言,這是很奇怪的事,但海森堡可是能從中算出實驗所能觀察到的量,例如輻射的頻率與強度。很快地,在眾人合作之下,奠基於海森堡法則的量子力學就此建立起來。


愛因斯坦對於這項成就頗有保留,原因不在於他不承認量子力學的預測非常成功,而在於他認為量子力學不談論電子軌道,顯示這不是完備的理論。1926年春天,海森堡受邀至德國柏林大學演講量子力學,演講結束後,愛因斯坦邀請海森堡陪他走路回家,以便更深入地討論這些新點子。


以下是兩人對話大旨(根據海森堡出版的《物理內外》第五章「量子力學及與愛因斯坦的一場談話」):


愛:「你的說法實在太奇怪,你假設原子裡有電子,這大概是對的,卻又拒絕考慮它的軌道——即使我們可以在雲霧室中觀察到電子的軌跡。我很想多聽你解釋,為何要做如此奇怪的假設?」


海:「但原子內電子的軌跡可是觀察不到的,而我們卻可以從原子所發出的輻射推論出電子躍遷的頻率以及強度。既然好的理論必須建立在可以直接觀測的量,我以為只把自己局限於處理這些量,是恰當的做法。」


愛:「你可不是真的相信,只有可觀測量才能出現在理論之中吧?」


海:「但你不就是在狹義相對論中這麼做的嗎?畢竟你的確強調過不可以談論絕對時間,因為絕對時間是無法觀測的,只有時鐘才能決定時間,無論是在運動座標或是靜止座標。」


愛:「我也許曾經這麼做過,但這終究是胡扯。把什麼是可觀測量放在腦子裡,或許對於嘗試性的探索是有好處的,不過就原則而論,只把理論建立在可觀測量上,是非常錯誤的做法。事實上,反過來才是對的:不應該由可觀測量去決定如何建構理論,而是理論決定了我們能夠觀察到什麼。你得了解,觀測是很複雜的過程,我們需要藉由理論,也就是自然定律,才能推論出我們到底觀測到了什麼。你必須假設馬克士威的電磁理論是適用的,才能去談光如何從原子傳到光譜儀。」


海:「我所採用的觀點可以上溯至馬赫,難道你認為他錯了?」


愛:「我不希望被認為是在主張某種膚淺的實在論,但是我相信馬赫對於觀測的想法過於幼稚。」


愛:「你能不能更清楚地描述電子如何從一個能態躍遷至另一個能態?」


海:「我從波耳那裡學到,不能用傳統觀念去描述電子躍遷,也就是說,躍遷不能看成是發生在時空中的過程。」


愛:「你似乎只是在談我們對於自然的了解,而不是在談自然到底是怎麼回事。科學只應該關心自然是什麼,而不是我們能夠怎麼談論它,如果你的理論是對的,你遲早得告訴我,電子從一個能態跳至另一個時,它到底做了什麼?」

海森堡當時提不出能讓愛因斯坦滿意的說法,90年後的今天,依舊沒人可以。