因果律是一種歷史遺物

原因與結果 ——因果律是一種歷史遺物

英國數學家、哲學家羅說素：「所有各派的一切哲學家都以為因果律是科學的基本公理之一，可是奇怪得很，在象天文學那樣高深的科學中，原因這個詞卻從來沒有出現過。我認為，因果律是一種歷史遺物，它所以能象君主政體那樣殘存著，在哲學中間代代相傳，只是因為錯誤地以為它是無害的。」原因和結果是我們如此熟悉的兩個概念，羅素為什麼會這樣來評論它呢？這兩個概念在人們探索自然現象時曾起過重要的作用。然而，隨著統計方法在物理學越來越廣泛地應用，因果決定論的思想也日益成為妨礙科學發展的東西。一、牛頓力學與決定論。亞里士多德認為一個物體的運動離不開力的作用。一輛馬車要前進就得有馬拉它，馬不拉它，它就不走。16世紀，義大利物理學家伽利略提出了慣性概念。他認為，力是改變運動狀態的因素，而不是維持運動的因素。他指出，一輛運動著的馬車，即使馬不再用力，馬車也不能立即停下來，而要繼續運動一段距離。一旦有力作用於運動的物體上，那麼物體的運動就不是勻速的，而是變速的。也就是說，物體的運動速度每時每刻都是不同的、變化的。這就產生了瞬時速度和瞬時加速度的問題。為了描述瞬時速度和瞬時加速度，牛頓創造了微積分，瞬時速度為距離對時間的一階導數，而瞬時加速度為距離對時間的二階導數。運動物體的瞬時狀態被當作一個點，這時把物體看作質點。這個質點的速度和加速度，由位置的一階導數和二階導數確定。當人們用微積分去研究力學問題、物理學問題就要用到微分方程。牛頓第二運動定律和萬有引力定律的數學表達式都是微分方程。微分方程描述的是一個動力學問題。對動力學方程的積分表示，從初始狀態開始的逐漸延伸的相繼運動狀態，也就是質點運動軌跡的集合，也就是物體的運動軌道。這條軌道包含了質點運動的所有信息，完整地描述了這個動力系統。軌道的特徵是決定性和可逆性。為了計算一條軌道，需要知道運動物體的初始狀態和運動規律。然後，就可以根據運動規律，從任何一個初始狀態推演出系統隨時間的推移所經歷的一系列狀態。也就是說，只要知道了作用力，從任何一個初始狀態出發都可以確定系統的過去和未來的狀態，因此一切都是給定的。發生在前面的事件是原因，發生在後面的事件是結果。這樣就把自然界的一切運動變化用因果關係連接起來了。愛因斯坦說：「只有微分定律的形式才能完全滿足近代物理學家對因果性的要求。微分定律的明晰概念是牛頓最偉大的理智成就之一。」牛頓根據自己的理論，計算了地球的形狀，並得到法國科學家的證實；同樣，天文學家根據牛頓理論計算並預言哈雷慧星的回歸日期，以及預先確定了海王星在太空的位置。牛頓力學的輝煌成就，使人們相信它的前因後果的嚴格確定性，它的嚴格可預言性；使人們認識到自然界因果聯繫的客觀性和普遍性，並形成了哲學上的決定論。這種決定論實際上是牛頓力學巨大成就的產物。1814年，法國數學家拉普拉斯把這個決定論推廣到整個宇宙。他說：「我們應當把宇宙的現在狀態看作是它先前狀態的效果，隨後狀態的原因。暫時設想有一位神靈，它能知道某一瞬間施加於自然界的所有作用力以及自然界所有組成物各自的位置，並且他能夠十分廣泛地分析這些數據，那麼他就可以把宇宙中最重物體的運動和最輕的原子的運動，均納入同一公式之中。對於它，再沒有什麼事物是不確定的，未來和過去一樣，均呈現在它的眼前。」根據拉普拉斯的決定論，未來已經包含在過去中，一切都是給定了的。任何事件都是可以預言的，任何事件都在預料之中。正是這個科學的決定論，宇宙好象被堅硬的枷鎖套住了，使人喪失了一切創造性，也妨礙了一切革新。而這是與人類追求自由，嚮往改革，進行創造的精神相違背的，是與人類的目標和本性相違背的。二、統計物理學與決定論19世紀，由於物理學家把統計方法引進物理學領域而使決定論思想受到第一次衝擊。1857年，德國物理學家克勞修斯，在研究熱現象時，採用了統計方法。他認為，熱是由於大量分子的無規運動。在這裡，要考慮所有分子的因果聯繫是不可能的，也沒有必要。系統的宏觀性質涉及的是大量分子的平均效應。克勞修斯用統計方法研究氣體分子的運動，得到了理想氣體的壓強公式，解釋了氣體分子緩慢擴散的事實。1860年，英國物理學家麥克斯韋採用更徹底的統計方法，來研究氣體分子的運動。他認為，氣體分子的頻繁碰撞並不會使分子的速度趨於一致，而是出現不同速度的一個分布。他用嚴格的統計方法得到了氣體分子的速度分布律。1877年奧地利物理學家玻耳茲曼用統計方法解釋了熱力學第二定律的不可逆性。他指出，熵自發減小的過程不是絕對不可能，只是概率非常非常小。這樣，玻耳茲曼就揭示了熱力學第二定律的統計本質，表明這個定律是一個統計規律。統計方法在物理學中的應用，出現了一種新的規律——統計規律。統計規律在物理學領域的出現產生了重大的後果。首先，它打破了力學規律，也即嚴格決定論獨霸天下的局面。隨著牛頓力學在18世紀一次又一次的勝利，竟在不同程度上決定了後來物理學的研究方法和實驗方向。按照牛頓的看法，自然界的一切現象和問題最終都可以用力學方法來解釋。20世紀以前的物理學也的確是沿著牛頓指出的方向發展的。聲學最早被納入力學的框架，人們把聲音看作是在彈性媒質中傳播的機械運動。熱學在18世紀以熱質為基礎。在光學方面，牛頓把光看作是具有慣性的微粒。後來光的波動說取代了光的微粒說，但堅持波動說的物理學家把以太看成傳播光的媒質。在電磁學中，庫侖定律是比照著萬有引力定律得出的；法拉第的力線和場仍與力學有密切的聯繫。德國物理學家赫姆霍茲說：「我們最終發現，所有涉及到的物理問題都能歸納為不變的引力和斥力，……整個自然科學的最終目的溶化在力學之中。」英國物理學家開爾文說：「我的目的就是要證明，如何建造一個力學模型，這個模型在我們所思考無論什麼物理現象中，都將滿足所要求的條件。在我們沒有給一種事物建立起一個力學模型之前，我是不會滿足的。」可見，在19世紀末以前，物理學家普遍認為，力學是整個物理學的基礎，因而把力學解釋看成是物理學解釋的最終標準。然而，統計規律的出現使這一切發生了變化。當物理學家把統計方法引進物理學領域，就發現了事物的一些新的性質，新的規律。這是與力學規律完全不同的規律。從科學本體論來說，這表明嚴格決定論並不是描述自然現象的唯一有效的方法。統計規律的出現導致的另一個嚴重後果是，它剝奪了規律的嚴格性。《中國大百科全書?哲學》關於規律的解釋是：「規律亦稱法則。客觀事物發展過程中的本質聯繫，具有普遍性的形式。規律和本質是同等程度的概念，都是指事物本身所固有的、深藏於現象背後並決定或支配現象的方面。然而本質是指事物的內部聯繫，由事物的內部矛盾所構成，而規律則是就事物的發展過程而言，指同一現象的本質關係或本質之間的穩定聯繫，它是千變萬化的現象世界的相對靜止的內容。規律是反覆起作用的，只要具備必要的條件，合符規律的現象就必然重複出現。」這就是哲學家所理解的規律。統計規律正是要否定對規律這種死板的解釋。統計規律的實質是概率性的，涉及自然界的隨機現象。由於分子數目很大，沒有必要去求解每個分子的軌跡，而只能運用統計方法，求運動著的大量分子各種平均值。趨於平衡狀態的過程有極高的概率；然而，相反的過程也不是絕對不可能，只是概率非常小。玻耳茲曼正是這樣來解釋熱力學第二定律的。由於相反方向的過程概率極低，對不可逆性規律作統計解釋的實踐意義雖然不大，但它的理論意義卻極大。人們發現，除了嚴格的必然性規律之外，還有另一種規律——統計規律。由於這一結果，因果性理論進入一個新的階段。統計規律的出現直接衝擊了因果決定論。既然統計規律使得由前一種狀態產生的結果不是完全確定的，那麼那種單值的因果鏈條就不存在了。德國科學哲學家依賴欣巴哈說：「我們沒有理由假設分子是由嚴格規律所控制的；一個分子從同一個出發情況開始，後來可以進入各種不同的未來情況，即使拉普拉斯的超人也不能預言分子的路徑。」三、量子力學與決定論1926年初，奧地利物理學家薛定諤給出了微觀粒子的運動方程，建立了波動力學。在這個方程中，波函數是中心概念。1926年6月，德國物理學家波恩，給出波函數的統計解釋。薛定諤發現的量子規律經過玻恩的解釋，就變成了統計規律。這時，對一個電子的出現，我們不能預言它一定會在什麼地方出現，而只能預言它出現在某個位置的概率。量子力學不具有牛頓力學那樣的確定性。1927年，德國物理學家海森伯提出測不準原理：不能同時準確地測定運動粒子的位置和速度。這是量子力學中一個非常重要的原理。人們當然知道，任何物理量都不能測得很精確。不過，人們又相信隨著技術水平的提高，物理量的測定會越來越精確。然而，根據海森伯的這個原理來看，在量子力學中，實際上並不是這樣，可達到的精確性是有一定限度的：對位置測量得越精確，會使得對速度的測量越不精確，反之亦然。海森伯認為，這是由於我們的研究進入微觀世界的結果。在宏觀世界中，當我們用儀器觀測一個物體時，觀測儀器也會對物體產生影響，但這種影響很小，是可以忽略的。比如用光線照射一個天體，光子打在天體上，對天體不起作用。而在微觀世界裡，光線照射在一個粒子上，光子對粒子的影響就是不能忽視的。觀測儀器與觀測對象之間有著不可避免的相互作用，這使得我們無法觀測到一個絕對孤立存在的物理現象。在牛頓力學中，由於我們能同時精確地測定質點的位置和速度，以軌道為根據，就能由質點的現在狀態推斷其過去和未來的狀態，因此牛頓力學是決定論的。在微觀世界，由於測不準原理，我們就不能象描述行星的運行軌道那樣來描述電子的軌道。我們從粒子的初始狀態只能計算出粒子以某一速度在某一地點出現的概率。這樣，量子力學就把一切都歸結為令人迷惑的概率了。量子力學中包含著基本的統計要素，這個要素不是自然本身的性質，它是由於物理學家的干預產生的。由於測不準原理使得量子力學的規律成為統計性的，也就成為對因果決定論的挑戰和衝擊。在經典物理學中，由於能同時準確測定運動質點的位置和速度，我們就能由初始狀態準確地推知系統的過去和未來，就能在所有現象之間建立穩定、嚴密、必然的因果聯繫。然而，測不準原理表明，我們不能同時準確地測定粒子的位置和速度，得不到一個準確的初始狀態，也就排除了對未來狀態作準確預言的可能。量子力學的統計性質不同於統計物理學的統計性質。統計物理學的統計性質，是由於大量運動粒子的相互作用和對它們的初始條件了解得不完備造成的。如果有一台理想的計算機或物理學家稱為的萬能先知者，我們就能測定大量粒子的初始狀態和每個粒子的力學性質，那麼在理論上就可以不使用統計方法，而知道每個粒子的過去、現在和未來。但是量子力學的統計性質不是由於我們理論的不完備性，而是由於微觀粒子的量子效應。因此，量子力學的統計性質是本質的、不可避免的。因而它對決定論的衝擊就更有力。美國物理學家溫伯格說：「20世紀20年代中葉，量子力學的發現，是17世紀現代物理學誕生以來最深刻的革命。」20世紀，量子力學的出現的確是對牛頓以來形成的因果決定論的衝擊。在許多科學家的心中，因果決定論已經不再是自己科學研究的指導原則。正象羅素說的那樣，它已經成為「一種歷史遺物」。最後，我用波恩的話來結束這篇短文。他說：「我確信，象絕對的必然性、絕對精確、最終真理等等觀念都是應當從科學中排除出去的幽靈。人們可以根據關於一個體系目前的有限知識，依靠一種理論，推演出用概率表示的關於未來情況的推測和期望。從所使用的理論的觀點看來，每個概率的陳述或者是正確的或者是錯誤的。在我看來，這種思維規則的放鬆，是現代科學給我們帶來的最大福音。因為我覺得，相信只有一種真理而且自己掌握著這個真理，這是世界上一切罪惡的最深刻的根源。」