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摘 要：本文通过介绍玻尔互补理论之由来和基本观点,探讨了量子力学中两个重要概念“不确定关系”与“互补”理论之间的演变关系,分析了“互补”理论在心理学、人类文化学、生物学、哲学等学科研究方面的价值意义.强调指出,从科学史的角度看,物理学中的重要概念与其它学科甚至人文科学在更高层面上具有相互促进、互为启示的联系和作用.

关 键 词：玻尔；量子力学；互补性；人文科学；启示

中图分类号：N0文献标志码：A文章编号：1002-7408（2012）011-0096-03

1927年,对于现代物理史,尤其是量子力学,是一个不可磨灭的重要时间.当年9月,在意大利科莫举行的纪念伏打（AlessandroVolta,1745—1827）逝世一百周年的国际物理学会议上,丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（NiesHenrikDavidBohr,1885—1962）以《量子公设和原子理论的晚近发展》为题发表演讲.在这篇演讲中,他第一次正式提出并阐述了“互补”观点.这种观点经过玻尔本人及其他多位学者的阐述、完善,已经成为量子物理学、哲学等多种学科的一个重要概念.“互补性”观点的出现,不仅给经典物理学与量子物理学之间架起了一道坚固的联接桥梁,更重要的是,它在引导人们认识微观世界的同时,突破了传统思维观念,在更广泛的学术甚至社会领域,开拓了精微、广阔的认识空间.这是“互补性”观点至今仍然不间断被人研究,甚至引人争论的意义和价值所在.

一、“互补性”与不确定关系

玻尔“互补”观念的形成,是与量子物理学的发展,以及量子现象与经典物理学之间发生矛盾、冲突密切相关的.在这之中,又与德国著名物理学家海森伯提出“测不准原理”紧密联接.

在企图按照经典理论来解释量子力学时,物理学家发现了不可调和的矛盾：即从物理学上看,在作为粒子的电子不能存在的地方,波动函数也不为零.于是,人们明确地认识到,在过去的物理学中提炼的波动概念和粒子概念虽然适用于电子,却无法解释量子力学.也就是说,原子中的电子不能用位置、速度和轨道之类的日常叙述和日常概念来描述.在以前总是可以通过电子在任意给定时刻的位置和速度来描述电子的运动.现在,这些概念只有在参照测量它们所用的实际实验操作时或由这种操作来定义时才有意义.这就出现了一个难题.海森伯认为：如果你要测量一个电子的确切位置,你可以用一个分辨率极高的显微镜,这就要求用波长很短的光来照亮电子.但是,波长越短,射在电子上的光量子的能量就越大（或者说光波的压强就越大）,于是电子的反冲速度也越大.基于这种状态,海森伯指出：在你任一给定时刻同时测量一个电子的速度和位置而得到的不准量之间,似乎存在一种反比关系.“我们越准确地测定位置,那一时刻的速度的测定就越不准确.反之亦然.”而且这种测量结果的不准量之间的反比关系,对例如能量和时间之类的其他各对共轭变量也成立.用数学关系式表示,就是海森伯的不确定关系：

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无论怎么说,不确定关系的涵义是重大和有深远意义的.正如海森伯自己概括的那样：“上述这种由自然本身确定的精确度的界限,具有重要的后果,那就是,在某种意义上,因果定律变成不正确的了.”因果规律,即每一效果都和一个原因相联属以及因果的时间顺序,是经典力学的基本支柱.而且在长久以来,它已成了人们在每一种形式理性研究中或隐或显的预设前提.（即使在今天,它也是一般人看待许多问题的基本认知方式）海森伯不确定关系的公布,让人们认识到经典力学的有效范围和界限,即：无论我们的思维规律,还是从日常经验,都不能推出我们日常经验中所得到的运动学和力学的各种关系在微观领域内也能成立.

很快,玻尔就在意大利,发表了他的著名“科莫演讲”.在这次讲演中,虽然由于原创和繁复,玻尔只是以探索的口吻,提出并阐述了“互补性”观点,可他正是在海森伯测不准原理的基础上,将这个结果发展成更一般的人们认识自然的结构的看法.

在这次著名的演讲中,玻尔接续着海森伯说：“量子理论的特征就在于承认,当运用于原子现象时,经典物理概念是有一种根本局限性的.”“量子理论的本性就使我们不得不承认时空标示和因果要求是依次代表着观察的理想化和定义的理想化的一些互补而又互斥的描述特点,而时空标示和因果要求的结合则是经典理论的特征.”在原子现象的描述中,量子公设给我们提出了这样一个任务：要发展一种“互补性”理论.该理论的无矛盾性只能通过权衡定义和观察的可能性来加以判断.“海森伯最近曾对这些方法的无矛盾应用问题作出了一个重要的贡献.特别说来,他曾经强调了对原子物理量的一切测量都有影响的那种独特的反比式的不确定性.等出现于这一不确定性中的描述互补性已经是不可避免的了.”这就将海森伯的不确定关系与“互补”观念紧密地联系在了在一起.

1930年,海森伯把玻尔的互补思想用下表表示出来：

这样看来,海森伯的“不确定关系”具体规定了经典力学概念的有效范围和界限.而玻尔的“互补”思想把这个结果发展到更一般的人们认识自然的结构的看法上,奠定了可以统一完整的量子力学的解释.

二、“互补”观念与心理思维问题

玻尔“互补”思想的形成,虽然最初是为量子力学解释物理现象提出来的,可究其内核,它又是一种思维观念的革命性的发展,与人们认识世界的深入、精微有密不可分的联系.这一点,也是玻尔最新注意和提出来的.

就在提出“互补”观念的“科莫演讲”结束时,玻尔提到了该问题与人的“知觉”问题：“要使我们从感觉借来的知觉方式,适应于逐渐深入着的关于自然规律的知识,在这一道路上所遇到的障碍,主要起源于这样一件事实：不妨说,语言中的每一个词,都要涉及我们通常的知觉.在量子理论中,在表征着量子公设的那种不合理性特色的不可避免性这一问题中,我们马上就遇到这一困难.然而,我希望,互补性这一概念是适于表征目前的形势的；这种形势和人类概念形成中的一般困难深为相似,这种困难是主观和客观的区分中所固有的.”玻尔在这里指出一种心理学现象,即我们思维运用的“词”,是与我们的“知觉”相联系的.而在量子力学领域,我们还没有建立起与知觉相联系的“词”.应该说,玻尔提出的“互补”观念,正是在人们思维中建立与量子学说联系的最佳的“词”.

在这里,玻尔只是敏锐地感觉到了这一点.他在两年后的另一篇《