自然科學論文投稿作品
自然科學發現了人類社會與自然界的緊密聯絡，下面是小編為大家精心推薦的，希望能夠對您有所幫助。
篇一
自然科學與社會科學間相互啟迪範例探析
摘 要：本文通過介紹玻爾互補理論之由來和基本觀點，探討了量子力學中兩個重要概念“不確定關係”與“互補”理論之間的演變關係，分析了“互補”理論在心理學、人類文化學、生物學、哲學等學科研究方面的價值意義。強調指出，從科學史的角度看，物理學中的重要概念與其它學科甚至人文科學在更高層面上具有相互促進、互為啟示的聯絡和作用。
關鍵詞：玻爾;量子力學;互補性;人文科學;啟示
中圖分類號：N0 文獻標誌碼：A 文章編號：1002-7408***2012***011-0096-03
1927年，對於現代物理史，尤其是量子力學，是一個不可磨滅的重要時間。當年9月，在義大利科莫舉行的紀念伏打***Alessandro Volta，1745—1827***逝世一百週年的國際物理學會議上，丹麥物理學家尼爾斯·玻爾***Nies Henrik David Bohr，1885—1962***以《量子公設和原子理論的晚近發展》為題發表演講。在這篇演講中，他第一次正式提出並闡述了“互補”觀點。這種觀點經過玻爾本人及其他多位學者的闡述、完善，已經成為量子物理學、哲學等多種學科的一個重要概念。“互補性”觀點的出現，不僅給經典物理學與量子物理學之間架起了一道堅固的聯接橋樑，更重要的是，它在引導人們認識微觀世界的同時，突破了傳統思維觀念，在更廣泛的學術甚至社會領域，開拓了精微、廣闊的認識空間。這是“互補性”觀點至今仍然不間斷被人研究，甚至引人爭論的意義和價值所在。
一、“互補性”與不確定關係
玻爾“互補”觀念的形成，是與量子物理學的發展，以及量子現象與經典物理學之間發生矛盾、衝突密切相關的。在這之中，又與德國著名物理學家海森伯提出“測不準原理”緊密聯接。
在企圖按照經典理論來解釋量子力學時，物理學家發現了不可調和的矛盾：即從物理學上看，在作為粒子的電子不能存在的地方，波動函式也不為零。於是，人們明確地認識到，在過去的物理學中提煉的波動概念和粒子概念雖然適用於電子，卻無法解釋量子力學。也就是說，原子中的電子不能用位置、速度和軌道之類的日常敘述和日常概念來描述。在以前總是可以通過電子在任意給定時刻的位置和速度來描述電子的運動。現在，這些概念只有在參照測量它們所用的實際實驗操作時或由這種操作來定義時才有意義。這就出現了一個難題。海森伯認為：如果你要測量一個電子的確切位置，你可以用一個解析度極高的顯微鏡，這就要求用波長很短的光來照亮電子。但是，波長越短，射在電子上的光量子的能量就越大***或者說光波的壓強就越大***，於是電子的反衝速度也越大。基於這種狀態，海森伯指出：在你任一給定時刻同時測量一個電子的速度和位置而得到的不準量之間，似乎存在一種反比關係。“我們越準確地測定位置，那一時刻的速度的測定就越不準確。反之亦然。”而且這種測量結果的不準量之間的反比關係，對例如能量和時間之類的其他各對共軛變數也成立。用數學關係式表示，就是海森伯的不確定關係：
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無論怎麼說，不確定關係的涵義是重大和有深遠意義的。正如海森伯自己概括的那樣：“上述這種由自然本身確定的精確度的界限，具有重要的後果，那就是，在某種意義上，因果定律變成不正確的了。”因果規律，即每一效果都和一個原因相聯屬以及因果的時間順序，是經典力學的基本支柱。而且在長久以來，它已成了人們在每一種形式理性研究中或隱或顯的預設前提。***即使在今天，它也是一般人看待許多問題的基本認知方式***海森伯不確定關係的公佈，讓人們認識到經典力學的有效範圍和界限，即：無論我們的思維規律，還是從日常經驗，都不能推出我們日常經驗中所得到的運動學和力學的各種關係在微觀領域內也能成立。
很快，玻爾就在義大利，發表了他的著名“科莫演講”。在這次講演中，雖然由於原創和繁複，玻爾只是以探索的口吻，提出並闡述了“互補性”觀點，可他正是在海森伯測不準原理的基礎上，將這個結果發展成更一般的人們認識自然的結構的看法。
在這次著名的演講中，玻爾接續著海森伯說：“量子理論的特徵就在於承認，當運用於原子現象時，經典物理概念是有一種根本侷限性的。”“量子理論的本性就使我們不得不承認時空標示和因果要求是依次代表著觀察的理想化和定義的理想化的一些互補而又互斥的描述特點，而時空標示和因果要求的結合則是經典理論的特徵。”在原子現象的描述中，量子公設給我們提出了這樣一個任務：要發展一種“互補性”理論。該理論的無矛盾性只能通過權衡定義和觀察的可能性來加以判斷。“海森伯最近曾對這些方法的無矛盾應用問題作出了一個重要的貢獻。特別說來，他曾經強調了對原子物理量的一切測量都有影響的那種獨特的反比式的不確定性。……出現於這一不確定性中的描述互補性已經是不可避免的了。”這就將海森伯的不確定關係與“互補”觀念緊密地聯絡在了在一起。
1930年，海森伯把玻爾的互補思想用下表表示出來：
這樣看來，海森伯的“不確定關係”具體規定了經典力學概念的有效範圍和界限。而玻爾的“互補”思想把這個結果發展到更一般的人們認識自然的結構的看法上，奠定了可以統一完整的量子力學的解釋。
二、“互補”觀念與心理思維問題
玻爾“互補”思想的形成，雖然最初是為量子力學解釋物理現象提出來的，可究其核心，它又是一種思維觀念的革命性的發展，與人們認識世界的深入、精微有密不可分的聯絡。這一點，也是玻爾最新注意和提出來的。
就在提出“互補”觀念的“科莫演講”結束時，玻爾提到了該問題與人的 “知覺”問題：“要使我們從感覺借來的知覺方式，適應於逐漸深入著的關於自然規律的知識，在這一道路上所遇到的障礙，主要起源於這樣一件事實：不妨說，語言中的每一個詞，都要涉及我們通常的知覺。在量子理論中，在表徵著量子公設的那種不合理性特色的不可避免性這一問題中，我們馬上就遇到這一困難。然而，我希望，互補性這一概念是適於表徵目前的形勢的;這種形勢和人類概念形成中的一般困難深為相似，這種困難是主觀和客觀的區分中所固有的。” 玻爾在這裡指出一種心理學現象，即我們思維運用的“詞”，是與我們的“知覺”相聯絡的。而在量子力學領域，我們還沒有建立起與知覺相聯絡的“詞”。應該說，玻爾提出的“互補”觀念，正是在人們思維中建立與量子學說聯絡的最佳的“詞”。
在這裡，玻爾只是敏銳地感覺到了這一點。他在兩年後的另一篇《作用量子和自然的描述》一文中， 對互補觀念與心理學之間的關聯進行了較為深切的生髮：“為了描述我們的心理活動，一方面，我們要有一種客觀給定的內容來和一個知覺主體相對立;而另一方面，正如在這樣一個斷語中所暗示的，在主體和客體之間不可能保持任何明確分界線，因為知覺主體也屬於我們的心理內容。”這是人們描述心理活動時遇到的難題。而通過人去理解並描繪某些概念或字眼時，這個過程也遇到了相應的困難：“從這些情況中，不但可以引出每一概念或者說每一字眼的相對意義，這種意義以我們觀點的隨意選擇而為轉移，而且，我們一般還必須有準備地接受以下事實的同一客體的完備闡述，可能需要用到一些無法加以單值描述的分歧觀點。”由此推去：“任一概念的自覺分析是和該概念的直率應用處於互斥關係中的。”由此“運用一種互補的或者說是反比式的描述方式的必要性，或許是我們在心理學問題中最為熟悉的。”也許是說，人們心理在理解某些概念時會受到自己舊有“知覺”的影響。這是應該通過“互補”觀念來影響及擴充套件的;同時，心理學中的認知方式，許多是運用一種互補或者反比式來描述某些表面“互斥”現象的。這又反證了“互補”觀點在此領域的成立。
在之後的時間，玻爾在思考“互補”觀念的領會時，總是將心理學納入自己的視野並給予越來越完善、精確的解說。1932年，他在“光和生命”的一篇演講中，再次涉及到“互補”概念在此領域的情形：“當然，在討論純物理概念對於生命機體的適用性時，我們曾經像看待物質世界的任何其他現象一樣來看待生命。然而，幾乎用不著強調，作為生物學研究之特徵的這種態度，決不能引起對生命的心理學一面的任何忽視。”玻爾注意到，量子力學中必須考慮測量儀器和所研究客體之間的相互作用，這種必要性和心理分析中的一些奇特困難“很類似”。也就是說，當人們企圖研究某種心理內容，把注意力集中在這一特殊方面時，“心理內容本身就必然會改變。”這種類似性，使玻爾認為：為心理—物理平行論提供了重要的闡釋。在玻爾看來，由這樣心理學的特徵，應該對理解“原子物理學”的特性有啟示。在這裡，他用了哲學語言對這種心理學矛盾、互斥現象做了相互關聯的“互補”性的高度概括：對於“解釋”這一概念的分析很自然地要和取消對我們自己的意識活動的解釋同始同終。
在五年之後的另一次題為《生物學和原子物理學》的演講中，玻爾談到了生物學的發展，也同樣只有“在互補性的框架中避免任何這種邏輯矛盾的可能性。……”隨即，他又將這種說法帶到了心理學領域：“在這種領域裡，科學研究中的定義問題和觀察問題所帶來的困難，遠在這些問題在自然科學中尖銳化起來之前就已經被認識到了。事實上，在心理經驗中不可能區分現象本身及現象的感知，這種不可能性很明顯地要求人們放棄按照經典物理學的模型來進行簡單的因果描述;而且，用‘思想’、‘感覺’這一類的字眼來描述這種經驗的那種用法，也極有啟發性地使我們想起在原子物理學中遇到的互補性。”
由此可見，對於玻爾來說，自己在量子力學中提出的“互補”觀念，他發現在心理學中亦有類似情狀。這樣，他不僅為“互補”觀念能在其它領域得到印證深感其意義、價值，同時，我們也應當注意，心理學的研究，也應當通過玻爾“互補”觀念的引入，而更能夠注意本學科的難點，並更恰當地處理似乎相互矛盾但其實又可“互補”的心理課題。這是心理學科應該感謝玻爾這位物理學家的。
三、“互補”觀念在其它學科的應用
除去心理學中許多現象與量子力學觀察中的問題相類似，引起玻爾高度興趣外，其它多門學科，也都日漸進入了他的視野。較為突出的，是玻爾1938年發表的《自然哲學和人類文化》的演講。在這篇文稿中，玻爾結合現實，談到了人類不同文化間“彼此互補”的關係：“人類文化的傳統差別，在很多方面是和人們描述物理經驗時所用的不同的等價方式相類似的。物理問題和人文問題之間的這一類似，是有一定界限的;而且誇大這種類似曾經引起對於相對立本身精髓的誤解。事實上，相對論的世界圖景的統一性，精確地蘊含了一種可能性：任何一個觀察者都可以在自己的觀念構架中預見到任何另一觀察者在他自己的構架中任何描述經驗。然而，對於不同人類文化之間的關係這個問題，採取無偏見態度的主要障礙就在於傳統背景方面的根深蒂固的差別;不同人類社會之間的文化協調就是以這種背景為基礎的，而且這種背景排除了這些文化之間的任何簡單比較。”
為什麼不能作任何“簡單比較”呢?按玻爾的認識，當研究和我們自己的文化有所不同的人類文化時，我們需要處理一種特殊的觀察問題。具體到研究不同文化，尤其“未開化民族的文化”時，學者們不但確知必要的接觸有破壞這種文化的危險，而且，他們甚至面臨這種研究對他們自己的人生態度的反作用問題。說到不同人類文化是彼此互補時，玻爾清晰地表述：“事實上，每一種文化都代表傳統習慣之間的一種和諧的平衡;利用這種平衡，人類生活的潛在能力在一種方式下表露出來，以使我們認識到它的無線豐富性和無限多樣性的新方面。”當然，人類文化之間，不可能像在定義原子物件的互補關係的那種“絕對互斥”，在這中間，我們可以從歷史例證中發現。人類社會之間的某種程度的接觸可以導致傳統之間的融合，這種融合能夠引起全新文化的產生。***例如，西域文化給唐代的文化繁榮注入了最充分的異域因子***“對於人類文明的進步來說，由移民或征服而引起的人口混合，其重要性幾乎是毋庸贅言的。”由此生髮，玻爾這位物理學家對人文科學研究提出“ 最大希望 ”，即“通過關於文化發展史的一種與日俱增的知識而對逐漸消除偏見有所貢獻”，並且“逐漸消除偏見，這正是所有科學的共同目的。”玻爾對人文科學研究提出的希望，距今雖然已經70多年，可對於今天不同種族、多元文化的相互理解、包容，仍然具有充分的現實啟示意義。這大約又從一個側面，表現了玻爾“互補”觀念的成立和能夠在更廣泛領域的運用。
四、餘論
限於篇幅，我們不能將“互補”觀念與更多學科的聯絡和受到的啟迪的情形予以介紹。事實上，“互補”對其它學科的啟迪、價值意義還遠沒有被人們充分挖掘出來。僅玻爾自己，就對“互補”觀在心理學、生物學、生命科學、藥物病理學甚至哲學……等方面的運用進行了描述和探討。作為一個物理學家，玻爾以其開創性的思維，為量子力學與經典物理學研究之間，搭建起一座堅固的橋樑;為該學科的理論建設，作出了重要貢獻。著名科學家泡利在1933年甚至這樣評論：“和‘相對論’一詞相類似，人們可以把現代量子理論命名為‘互補論’。”在這裡，筆者只是將其提出、發展、演變和在更廣泛領域的運用、作了一些探討和介紹。這些探討雖然有限，但卻希望能以此使人們更清楚地意識到“互補”觀點在人類認識世界中的重要作用，以及這個發源於現代物理學的學說，對其它多種學科認識、發展的啟迪意義。對於“互補”這樣對人類認識有非凡意義的觀念、學說，是值得人們常常關注，不斷髮掘其價值的。因為，它至今仍是人類認識巨集觀及微觀世界的靈感源泉。
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