科学与近代世界

第八章 量子论

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相对论引起了人们的极大关注,它虽十分重要,但却不是近来主要引起物理学界兴趣的论题。这个地位无疑地被量子论占据了。这个理论中有趣的地方在于,根据这种说法,某些可以渐增渐减的效应实际上都是以一些明确的跳跃方式增减的。这好像是说,你能每小时走三英里或四英里,但却不能走三英里半。

上述效应牵涉分子受到碰撞时被激发的发光现象。光是由电磁场中的振动波组成的。当一个完整的波经过既定的一点时,那一点上的一切东西便又恢复了原状,准备接受随之而来的下一个波。你不妨设想一下大海里的波,数一数一个接着一个的波峰。在一秒之内通过既定的一点的波的数量就是这一波动体系的频率。具有确定频率的光波体系就相当于光谱中的一定颜色。当一个分子被激发时,它便以几种确定的频率振动。换句话说,分子振动有一套确定的方式,而每一个方式都有一个确定的频率。每一种振动方式都能在电磁场中激起与它本身频率相同的波。这些波带走了振动的能量,所以,当这些波形成之后,分子也就失去了激发的能量,随着波就停止了。因此,分子可以辐射出具有一些确定颜色的光,也就是说,可以辐射出具有确定频率的光。

你们也许会认为,每种振动方式都可以被激发到任何强度,因之,这种频率的光便可以带走任何量的能量。但事实并非如此,似乎有一种最小量的能量是不能被再分的。这情形好比下列情形:一个美国人用美金付款时,无法把分币再分成更小的单位来支付他所获得的最小分量的货物。分币就相当于最小量的光能,获得的货物就相当于激发原因的能量。这种激发原因要么就强到能得到一分钱的能量的发射,要么就根本得不到任何能量的发射。在任何情况下,分子都只能发射整分币数的能量。我们可以用一个英国人来解释一个更深层级的特征。这个英国人用英国货币来付款,他所使用的最小的单位是便士,便士的价值与分币是不同的。非常粗略地估计,一便士事实上相当于半分币左右。在分子中,不同的振动方式具有不同的频率。我们不妨把每一种方式都比作一个国家。将一种方式比作美国,将另一种比作英国。有一种方式只能辐射整分币数的能量,故而一分币的能量便是它所能付出的最小量;另一种方式只能辐射整便士数的能量,故而一便士的能量便是它所能付出的最小量。此外,我们也可以找出一个法则来计算一种方式中的一分币的能量与另一种方式中的一便士的能量的相对价值。这一法则简单得连小孩都能明白:每个最小钱币的能量所具有的价值与该方式的频率严格成比例。根据这一法则来比较便士与分币,一个美国人的频率将约为一个英国人的频率的两倍。换句话说,一个美国人在一秒之内所做的工作约为一个英国人的两倍。这是否与两国人的美好性格对应,就留给大家来判断了。我还要提出一点,太阳光谱的两端都被认为有一定作用。有时人们需要红光,有时则需要紫光。

我希望量子论关于分子的叙述是不难理解的。迷乱的情形是由把这个理论硬套到科学上关于原子与分子内部情形的一般描述中而引起的。

唯物论的基础是:自然界中发生的事情应当用物质的空间运动来解释。根据这一原理,光波要用物质性的以太的空间运动来解释,而分子的内部情况则必须用单独的物质性的组成部分的空间运动来解释。关于光波方面,物质性的以太已经退到后面一个不确定的地位上去了,并极少被谈及。但这一原理被应用到原子上时,它未被怀疑过。例如,一个中性的氢原子被认为至少是由两团物质组成的:一团是由正电的物质所组成的原子核,另一团是一个单个的电子,它是负电。有迹象表明:原子核的结构是复杂的,可以再分为更小的物质团——有些是正电物质团,有些是电子物质团。这个假设的意思是:原子中不论发生什么振动,都应归结到可以从其余物质上分离出来的一小片物质的振动式的空间运动。根据这种假说,量子论的困难就在于:我们必须把原子描绘成具有有限数目的确定的凹槽,这些凹槽是振动发生的唯一轨道;然而,古典科学的描述却没有这些凹槽。量子论所要求的是路线有限的有轨电车,而科学的描述却只能提供在原野里奔驰的马。其结果是物理学上的原子理论很像哥白尼以前的天文学上的本轮论。

根据自然机体论,存在两种完全不同的振动:一种是振动式的空间运动,一种是振动式的机体变形。这两种变化的条件在性质上是不同的,换句话说,一种是整个模式的振动式的空间运动,另一种是振动式的模式变化。

机体论中的完整机体对应于唯物论中的质点,存在一种原始的属,它包含若干种机体,每个被属于原始的属中的种所包含的原始的机体,都不可分解为次极的机体。我将这种属于原始的种的机体称为原始体,可能存在许多不同种的原始体。

我们必须记住现在谈论的是物理学的抽象概念。所以,我们现在不会思考作为来源于具体位态的摄入的一个模式的原始体本身是什么;也不会思考就它被摄入的具体位态而言,它与被摄入的环境的关系是什么。我们正在思考的这些不同的位态,仅仅就它们对模式和空间运动的影响而言,是能够用时—空关系来表达的。因此,用物理学的语言来说,一个原始体的位态只是它加到电磁场中去的东西。实际上,这正是我们所知道的关于电子与质子的一切。对我们说来,一个电子仅是它的环境中的位态的模式,那些位态与电磁场相关。

现在讨论相对论的时候,我们可以看出,两个原始体的相对运动仅意味着它们的机体模式正在利用不同的时—空系统。假如两个原始体不继续处于相对静止中或不继续做相对的同一运动,那么它们当中至少有一个正在改变它的内在的时—空系统。运动定律所说明的是影响这些时—空系统的条件。振动式的空间运动的条件便是以这种普遍的运动定律为基础的。

但是,有几类的原始体在导致时—空系统改变的条件下常常发生分裂。这些种类将仅仅经历长期的连续性,如果它们成功地形成了不同种类的原始体之间的有利的联合,以至于在这种联合中分裂的趋势被联合的环境中和。我们可以设想,原子核是由大量不同种类的原始体组成的,其中有些原始体属于同一种类,整个联合便有利于稳定。带正电的原子核和带负电的电子组成中性的原子便是这种联合的例子。中性的原子像这样就隔绝了电场。在其他情形下,电场会引起原子的时—空体系的变化。

物理学的要求提供了一个与机体哲学非常配合的概念。我用以下这个问题的方式提出了这个概念:持续性的机体论是不是受到唯物论的熏染,以至我们可以毫无疑问地认为持续性必然意味着有关的生命史中的始终不分化的同一性呢?也许你会注意到:我在前一章中把“重现”当成“持续”的同义语使用。显然,这两个字的含义并不完全相同,现在我要指出,重现与持续性发生区别的地方,正是重现更接近机体论的要求的地方。这种差别正好相当于伽利略派人物和亚里士多德派人物之间的区别:亚里士多德说“静止”的地方,伽利略正好加上“或者是直线均速运动”。因此,在机体论中,模式不一定要在时间过程中维持不分化的同一性。模式可能在本质上是一个审美的对照,需要一段时间来展示自己。音调就是这样一种模式。因此,模式的持续便意味着对照的连续重现。这显然是机体论中最普遍的持续概念,“重现”也可能是最直接地表达这一概念的字。但是,当我们把这个概念转化为物理学的抽象概念时,它立刻就变成了关于“振动”的专门概念。这种振动不是振动式的空间运动:它是振动式的机体变形。近代物理学中有人提示,我们需要振动实体以解释以物理界为基础的微粒机体的作用。这种微粒就是从原子核中被排斥出来时所看到的那种微粒,排出后就化为了光波。我们也许会猜想,这样一个微粒单独存在时,它的持续性是不稳定的。因此,一个不利的环境使它固有的时—空体系发生了迅速的变化。换句话说,这种环境把它冲击得具有猛烈的加速度,使它分裂并化为同一振动周期的光波。

一个质子(或许一个电子)都可能是这种原始体互相叠加的组合。当这种原始体被冲击得具有移动的加速度时,其频率与空间维数就能提高有机综合体的稳定。稳定性的条件将使质子可能具有周期性的联合。对原始体的排斥来自一个冲击力,这个冲击力使得质子要么变成另一种组合,要么在其所获得的能量的帮助下产生一种新的原始体。

一个原始体的振动式机体变形必然具有确定的频率,故而在分裂时就能分解为同一频率的光波。然后,这些光波将其平均能量全部携走。作为一个特殊假说,不难想象出具有确定的频率的电磁场的驻波振动。这种驻波围绕着一个中心往复辐射。根据公认的电磁定律,这个中心将包括一个振动的满足某一套条件的球形核和一个满足另一套条件的振动的外场。这就是机体振动变形的例子。根据这一特殊假说进一步来说,有两种决定辅助条件的方式可以满足数学物理学的一般要求。根据其中的一种方式,全部的能量便可以满足量子条件,因此,它便包含着整数的单位或分币,而原始体的每一分币的能量则与其频率成正比。我还没有把稳定性或稳定组合的条件描述出来。我提到这个特殊假说时,只是举例说明自然机体论使我们有可能重新考虑基本的物理定律,而与此相反的唯物论则不能如此。

在这种振动原始体的特殊假说中,麦克斯韦方程式应该适用于所有的空间,包括一个质子的内部空间。这些方程式表示了在振动的方式下产生和吸收能量的定律。每个原始体所经过的全部过程都产生某种本身特有的、与其质量成比例的平均能量。事实上,能就是质量。原始体的内外都有振动的辐射能量流。原始体内,电的密度作振动式的分布。根据唯物论,这种密度就标志着物质的存在。但根据机体振动论,这种密度则标志着能量在振动的方式下产生。这种产生方式只限于原始体的内部。

所有的科学都必须对其所研究的事实作最后的分析,并将关于这种最后分析的假定作为出发点。这些假定由于符合我们直接看到的各种形式的显相而被部分地证明,也由于它能不用特殊假设而用一定程度的普遍性来表示被观察到的事物而被部分地证明。上面概述的原始体振动的一般理论只是举例说明机体论对物理科学提供了什么样的可能。关键是,除了增加了单纯的空间运动的可能以外,这一理论还增加了机体变形的可能。光波就是机体变形的重要例证。

任何世纪的科学假说,当它们表现出本轮说的这种症候,都将站不住脚。天文学在16世纪时从本轮说的状态中被解放出来,现在,物理学正表示出了这样的症候。为了重新考虑它的基础,它就必须回到关于真实事物的性质的更具体的观点上去,必须把它的基本概念看作从这种知觉中得出的抽象概念。物理学正是以这种方式来探讨它摆在眼前的修改的一般可能性。

量子论所提出的不连续性要求修改物理学的概念以便配合这些不连续性。尤其说来,以下这点已经被指出:我们需要一种解释不连续存在的理论。我们所要求于这样一个理论的东西是:一个电子的轨道可以被看作一系列分离的位置,而不是一条连续的线。

上述的原始体或振动模式的理论加上前一章所说的时间性与广延性的区别,刚好得到这个结论。大家将会记得:事件综合体的连续性来自广延性的关系。然而,时间性则来自一个模式在主体事件中的体现,这个模式的展现需要将整个延续过程以事件中的位态所赋予的方式空间化(即滞留)。因此,体现便是以一系列时期性的延续来进行的;而延续的转变(即机体变形)则是在已经提出的延续之内实现的。振动式的机体变形实际上就是模式的重现。一整段的时间就是完整的模式所需要的延续。因此,原始体便是原子式地在一连串的延续中体现的。每一个延续都应从一个极点到另一个极点来加以量度。因此,当原始体被作为一个完整的持续的实体来看时,它便将连续地分配在这些延续上。如果把它当作一个东西,它的轨道便由一系列的分离点概略地展现出来。因此,原始体的空间运动在时间与空间中是不连续的。如果深入到时间量子(即一系列原始体的振动周期)之下,我们就会发现一系列振动的电磁场,每一个电磁场在其本身的延续的时—空内都是稳定的。每一个这样的场都表现出一个单独的、完整的电磁振动周期,这种振动构成了一个原始体。这种振动不能被认为是实在的体现;它只能被认为是一个不连续的体现状态中的原始体。同样,相继的各延续——原始体在其中得以体现——是连接的;因此,原始体的生命史可以表现为显相在电磁场中的连续发展。但这种显相是以占据一定时期的、整个原子式的团的方式体现的。

没有必要在这种意义(所有的模式都必须在同一系列的延续中体现)上,理解时间是原子式的。首先,纵使有两个原始体的周期相同,体现的延续可能还是不同。换句话说,两个原始体可能异相。如果周期不同,那么一个原始体的任何一个延续周期中的原子就必然会被另一原始体的延续周期的边界瞬间所再分。

原始体的空间运动的定律说明了,在什么条件下原始体将改变其时—空体系。

我们不必继续深究这个概念了。振动存在的概念的证明必须是纯粹实验式的。这个例子说明了下面这一点:这儿所采取的宇宙观与物理学方面所提出的不连续性的要求是完全符合的。如果我们认为时间化是一系列时期性的延续的体现,那么芝诺的难题也就可以避免了。我们在这儿赋予这个概念的特殊形式,只是被用来说明问题的;在适用于实验物理学的结果以前,它必须被重新拟定。