量子力学的建立与科技创新的评价体系.docx

量子力学的建立与科技创新的评价体系第 1 卷第 1 期2001 年 3 月昆明理工大学学报(社科版)Journal of Kunming University of Science and TechnologyV ol. l No. 1Mar. 2001量子力学的建立与科技创新的评价体系 纪念普朗克创立量子论 100 周年何柞麻(中国科学院理论物理研究所,北京 100080)摘要通过量子力学的建立与发展、奠定了原子能、计算机、光纤通讯、激 光技术的理论基础,证明了科学技术是第一生产力的论述的科学性。通过量子力学 的发展,论证了江泽民同志关于“三个代表”的理论是科技创新评价体系的根本性 标准。关键词量子力学;科技创新;评价标准中图分类号04- 1文献标识码 A文章编号CN 53- 1160/C (2001) 01-0003-06The Establishment of Quantum Mechanics and the eva1uation System of Scientific andTechnological Innovation In Commemoration of the 100th Anniversary ofthe Establishment of Planch Quantum TheoryHE Zuo-xiu(Chinese Academy of Science, Beijing, 100080, China)Abstract: The establishment and development of quantum mechanics lay down the theoretical foundation for the development of atomic energy, computer, fiber-optical communication and laser technology. It also attests to the scientificalness of the theory that science.and technology are the first productive force. The development of quantum mechanics argues that Jiang Zemings theory on Three Representativesthe fundamental criterion of the eva1uation system of scientific and technological innovation.Key words:quantum mechanics; scientific and technological innovation; eva1uation system1900 年的 12 月 14 日,普朗克宣布创立了量子论。这是一个划时代的伟大的 发现。一、最子力学开创了人类的高技术时代量子力学不仅解释了微观世界里的许多现象、经验事实,而且还开拓了一系列 的新的技术领域。首先,量子力学和狭义相对论再加上原子核物理的深刻的研究,共同开拓了一个新时代 原子能时代,从而为人类找到了一种可以说“取之不尽,用之 不竭”的能源,并有可能将人类活动的踪迹, 由地球移到别的星球,如月球、火星等 等。然而更为重要的是量子力学还开辟了一种全新的信息技术,使人类进人信息化 的新时代,或又称为电脑时代。量子力学除了应用到原子、分子、原子核、粒子等 微观体系外,它还被应用到固体领域等复杂体系,用它解释了铁磁体、铁电体等物质 的电磁性质,也解释了为什么有些材料是绝缘体,有些是导体。尤为重要的是,解释 了为什么某些材料是半导体。而且根据量子力学,在这些半导体中,可以有电子导 电、空穴导电等等区别,从而又提出半导体的二极管、三极管等等的观念。后来又 发展为集成线路。大规模集成线路的组合,成为现代电子计算机的技术基础。可以 说,没有量子力学,就没有以电脑控制占主导地位的现代化工业。由量子力学的深刻的研究所提出的光的受激辐射的原理,还被用来研制种种形 态的激光器,广泛地应用于科学实验,制成激光雷达、激光制导以及光武器(又称为 “死光,?) 等等。尤为重要的是激光通讯,它可以通过光纤网络高速而大容量地传 播信息,所谓“信息高速公路”就是利用光纤来实现信息量大于 10 G-b 以上的通讯 网络。这已成为当代新经济的重要内涵。顺便说说,描述光纤通讯的光的传播的方 程式,却是二维的量子力学方程。二、量子力学和认识论问题然而量子力学所给予人们的还不仅仅是科学和技术上的成就,量子力学还丰富 和发展了唯物主义哲学,发展了马克思主义的认识论。首先是量子力学深化了人们对物质和运动的基本规律的认识。古典物理学所 追求的一个崇高理想,就是自然界将能由一系列的微分方程或偏微分方程组所描述, 在给定的始值条件和边值条件下,人们将能描述和预测世界发展的一切细节。天体物理学家拉普拉斯曾认为:如果有一个智能生物能确定从最大天体到最轻 原子运动的现时状态,就能按照力学规律推算出整个宇宙的过去状态和未来状态,这 又称为拉普拉斯式的决定论。19 世纪的机械论自然观的破灭,并没有改变这一决定论的自然观, 只不过由电 磁图像代替了力学图像。 19 世纪下半叶发展出来的统计力学首先把统计规律引人 物理学,但是统计力学所探讨的对象,往往是数达 1013 的粒子, 以致统计涨落所引起 的偏差,完全可以忽略。统计力学所给出的预测,仍然是确定的或“决定论”式的预 言。量子力学打破了这一思维定式。量子力学虽然是微观世界的基本特征 “波 粒二象性”的深刻反映和概括,但是这一“波粒二象性”的物理实质,并没有立刻弄 清楚。一个显然的事实是,量子力学中的粒子,并不是通常牛顿力学里所定义的粒子, 因为它们不能同时具有确定的位置和动量。量子力学中的波,又不等同于通常的牛 顿力学里的机械振荡中的波,如声波, 因为这种“波包”又能扁缩为粒子。量子力学 的另一位奠基人玻恩,提出几率波的概念。量子力学中的波,所描述的是粒子在空间 分布或动量分布的概率。所以,量子力学的方程式,一方面在形式上是决定论的,亦 即一旦给定了始值条件和边值条件,“波包”就会严格地按照薛格方程式所决定的 演化方向而前进;但是量子力学中的“波包”在物理的解释上,却又是概率论的,亦 即量子规律是决定论的和随机论的规律的统一。量子规律的出现,丰富了人们对自然界发展规律的认识。例如,在生物体发展 中虽然有遗传又有变异,但物种的演化,却又按照达尔文所指出的物种要向不断进化 方向发展。其本质上的原因,就是自然规律不仅是有决定论的,而且也是有概率论的 或随机论的。自然规律是决定论和随机论的深刻的统一。同样,对于社会发展的规律来说,社会历史发展的规律是一元的,亦即是按照广 大人民群众所期待的人类进步的方向而发展;但另一方面这一规律的表现又是随机的,亦即通过各种偶发事件,甚而是戏剧性的事件来实现的。但是, 由于人类是有认 识能力的生物,所以,有组织的人群将能依据他们对社会发展规律的某些认识,促进 或促退历史向前进方向的发展。但总的来说,社会历史发展的规律是“一元化”和 “多样性”的统但是, 由于人们习惯用古典物理学的思维定式来看待物理学新发生 的问题,这就导致两种认识,或者认为“上帝并不投掷散子”,因而要求修改量子力 学,使量子力学满足决定论的模式;或者就偏向于另一极端,认为理论的“目的不在 于揭露现象的实在要素,而在于尽可能地在我们的经验种种方面之间追寻出一种关 系”。从自然观的角度来说,量子力学还第一次打破了不连续形态物质和连续形态物 质间的“硬而分明”的界线,使自然界走向连续物质形态和不连续物质形态的统一。其次,量子力学的发现还诱发了激烈的哲学的争论。量子力学的规律本质上是 统计性质的规律。统计规律的实现,必定伴随着大量事例的统计;每一次的测量就必 定破坏粒子所处的原来的万方数据何柞麻:量子力学的建立与科技创新的评价体系 状态,每次测量必然出现有“波包”的“扁缩”。这正如投掷一个般子,其结果必定或者是“红四”,或者是“黑六”,也就 是在概率的测量中,必定是破坏了原来的概率,实现未定状态,在测量后就“扁缩” 到某一确定的“本征态”如“红四”或“黑六”,。相当一些初学者,或者对量 子规律的特点理解不深者,就或者惊讶于为什么测量后波函数必定归结为和测量相 应的本征波函数,或者就进一步怀疑量子状态的本来面貌不可知。所以,在中国的某 些研究量子力学哲学问题的人士,就会去认为“微观世界的本来面目?或自在状 态?不可捉摸”,认为“认识不是实际事物?的反映,知识也不是真理?或真实? 的简单近似”,因为“在量子测量过程中,必定伴随有仪器的干扰”。柳树滋甚而认 为“人类总是带着有色眼镜?去看待微观世界,这一有色眼镜?是永远也无法摘 除的。”所以,所谓的量子力学的“规律”就只能是主客观相互作用的结果。至于 金观涛更借此而大谈特谈所谓的“客观性危机”。也甚而鲜明地提出,“月亮在无人看它时确实不存在”,“唯物主义今天已被证伪了”!这就是在 1988 年到 1990 年 间,在中国的土地上所出现的,有关量子力学哲学问题的一场争论。其争论的焦点就 在于:1)在微观领域中是否存在不依存人们意识的客观实在;2)如果在微观领域内存 在着这样一种客观实在,它们能否被人们所认识。 2000 年 7 月,本文作者在北京师 范大学出版社出版了一本新著 (现代物理学研究中的哲学问题的三大论战 ,就纪 录了在中国土地上出现的这场争论,并做了(一个评述。在国际范围内,就更有许多国际重量级的科学大师,介人于量子力学哲学问题 的争论。这里有被称为“世纪之争”的由爱因斯坦和玻尔所发起的对“EPR 佯 谬”问题的争论,有许多著名科学家,如贝文、玻姆,还有吴健雄教授等都介入这一 争论之中,对于“量子力学测量问题”,先后就更有玻文、海森堡、冯 普意、魏格 纳、霍勒、罗森菲文德?先后介人这一场争论之中。有兴趣的是,对于这些哲学观 念之争,人们不仅发表了不同哲学主张,而且还建构了许多“理论”,如有关测量问 题的理论,甚而实验物理学家也加人到争论之中,用实验来评定争论的是习卜。玻普曾攻击马克思主义哲学是“伪科学”,据说“马克思主义不具有可证 性”,。可是,在唯心和唯物之争的问题上,现在已不仅仅是哲学的或物理的理论的 分析,而是由科学实验来判定哲学争论的是非。作为一位曾经长期在物理学哲学问题这一领域的从事研究的工作者,我们能贡 献的意见是列宁曾说过的两段话:一段是“在哲学方面,现代物理学的危机?的实 质就在于:旧物理学认为自己的理论是对物质世界的实在的认识?,就是说,是对客 观实在的反映;而物理学中的新思潮则认为理论只是实践(引者按:实践总是主客体 的统一)的符号、记号、标记,就是说,它否定不依赖于我们的意识并且为我们的意 识所反映的客观实在的存在。”另一段话是:“遵循着马克思的理论的道路前进,我 们将愈来愈接近客观真理(但决不会穷尽它);而遵循着任何其他的道路前进,除了混 乱和谬误之外,我们什么也得不到。”三、量子力学和科学创新评价标准问题现在 我国正在建立国家科学创新体系,要贯彻“有所为有所不为”的方针,这就牵涉到科学创新的评价标准的问题。我国也建立了许多国家级的奖金,奖励对国家做出有突 出贡献的科学工作者,这又涉及科学创新的评价标准的问题。我以为在科学评价标 准的问题上,有三类评价标准,这就是美学评价标准,学术或科学评价标准,实践评价 标准,或又称为社会历史评价标准。首先是何谓美学评价标准?我曾向王元同志请教,“现今的数学研究,可以说 99.99%以上的数学问题的研究都是没有实际用途的,那末你们凭什么说,这项科学成 果可以得一等奖,那一项可以得二等奖?”我意想中的回答是,那是由于此工作对学 科的推动,如提供新的解决数学问题的方法,提出深刻的数学思想,带动一个或几个 领域的研究,等等学术评价标准,来评定某项科学成果水平的高低的。没有想到的是, 王元同志鲜明地回答说:“美学标准,也就是它的结果万方数据昆明理工大学学报 (社科版)是否漂亮?、干净?或beautifinl等等。”而且,王元同志还强 调说,“这是数学工作中唯一地并为大多数数学家所共同接受的评价标准。”可以 举一个例子。例如,歌德巴赫猜想说,“任何一个偶数都可以归结为两个素数的相加, 这又简称为 1+1=2”这一猜测如果能得到严格的证明的话,那末这一结果将无疑是 十分漂亮?或干净?的结果, 因为任何一个偶数竟然能如此简洁地归结为两个素 数的相加!可惜的是,虽然电子计算机的长期实践,从来未发现有例外的情形,但是电 子计算机的运算,在数域中总是有限的, 因而无法由电脑的运算得出任何一个偶数均 能分拆成 1+1=2。陈景润证明,“任何一个偶数可以归结为某一素数加上两个素数 的相乘,或又称 1+2=3. ”这也是十分漂亮?或十分beautifcal?的结果。但如果 和哥德巴赫猜想相比较,就要略逊一筹。所以,美学标准的确是评价科学创新水平的 某种标准;既然大