現代物理與哲學答客問

作者/劉源俊(東吳大學名譽教授)(本文轉載自《通識在線》第57期)

請問物理與哲學的關係?

要先從科學與哲學的關係說起。哲學一詞是西文philosophy的翻譯, 原文是希臘文φιλοσοφ α,意指「愛智」;科學一詞源自西文science,原文是拉丁文scientia,意指學問或知識。兩詞的原意本相差無幾,都指好「學」好「問」的人探究「事」「物」,經思惟論辯後所建構出來的「道」、「理」或「學說」。兩詞都襲自日譯,譯得並不達意,但如今已通行,只好沿用。

「學者」就是這種好學好問的「愛智者」(philosopher)。學者與常人對「用」的態度與方法有所不同: 常人憑「感」「情」(「實」)用事──感知事物的現象,直接拿來應用;學者則先歸納事物的現象建立道、理、學說,明理以致用。西方直到十八世紀, 並無scientist(科學家)或physicist(物理學家)的說法,十七世紀的牛頓是所謂natural philosopher(以天地為探究對象學者) 。他1687年的物理學名著,拉丁文名Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, 直譯是《天地哲學的算學原理》,但用現代詞彙說則應為《物理的算學原理》。可見,過去物理學家屬「一種哲學家」。但近一兩百年來,哲學與科學兩者「漸行漸遠」──現代大家所稱的哲學,研究的對象是普遍而基本的問題,目的在更了解例如關於實在、存在、認識、價值、理性、心性、語言等不能測量的事物,可稱「窮本究原之學」;而科學探討的對象則是可以測量的事物,可稱「實驗明理之學」。

然則,物理學與哲學仍有著密切的關係,一是因為前述哲學家關心的關於實在與對物質世界的認識等問題,也是物理學家關心的根本問題。再就是由於科學方法──建構任何理論都必須從假設出發,因此就建構理論這一作為而言,科學與哲學是類似的。

許多大物理學家都關心有關的哲學問題。且舉幾個著名物理學家為例:愛因斯坦就被稱為philosopher-scientist(哲思科學家),牛頓與波爾在物理哲思上都有重要的發現。另外,至少有兩本書以《物理與哲學》為名,一本的作者是英國天文學家、物理學家James Jeans,另一本的作者則是德國物理學家Werner Heisenberg。

請說一說物理學家的作為,並與哲學家相比較

一般說到科學家的作為只說到做實驗與建構理論,而且將科學家分為兩大類──實驗科學家與理論科學家。但這樣分太籠統,不容易了解個別科學家到底在做什麼。以下用附圖說明科學家的作為:


首先將知識分為三界──現象界、理論界與應用界。科學從現象界「抽象」得到理論,應用理論發展各種技術,又利用技術擴大現象界;於是「週而復始」,科學與技術逐漸昌明。科學是實驗與理論不斷對話又攜手共進的學問。

在前述過程中,可以歸結出科學家的六種主要的作為:
1.「實驗」(experimentation)──設計因而發掘現象(發現,discovery),廣徵立據,擴大現象界。
2.「形象」(phenomenology)──歸納現象,形成律則(invention of laws),即事求理。
3.「理論」(theoretization)──假設從而推理,導出律則,建構理論界。
4.「說明」(explanation)與「預測」(prediction)──依據理論解釋現象,依理解事。
5.「應用」(application)──利用理論發展技術,增益應用界。
6.「詮釋」(interpretation)──思考前述方法或理論背後的意義,索隱探賾。

實驗科學家總的工作包括前述1.與2.,理論科學家總的工作包括前述2. 3.與4.,應用科學家總的工作是前述5.,前述6.則屬哲思科學家的工作。

個別科學家的作為則各有側重。以一些著名物理學家為例說明:伽利略的作為屬1.2.3.4.與5.;牛頓的作為屬1.2.3.4.與6.;愛因斯坦的作為屬2.3.4.與6.;費米的作為屬2.3.4.與5.;李政道的作為屬2.3.與4.;楊振寧的作為屬3.4.與6.;吳健雄與丁肇中的作為屬1.。

物理學的對象主要是物質、能量及其間的交互作用。其所用的方法濫觴於十七世紀(主要是由於伽利略與牛頓兩人的貢獻),後來成了各類科學的模範。總結經三百多年來演進見臻成熟的物理學方法,是:歸納實驗的發現形成明確的概念,提出簡約的假設解釋廣泛的現象,以算學為基本工具並與之互相發明,不斷演進推陳出新但仍呼應舊理論,接受當下最適切的說法。

哲學家與算學家類似,著重建構理論;所不同的是:算學家用算學為工具,哲學家用語文為工具。再藉用前述附圖描述,則他們兩者的作為主要屬3.與4.的「說明」那一部分,以及6.;換言之,他們對實驗不在乎。

你說到「物理哲思」,願聞其大要

這裡所說「物理哲思」指的是" the philosophy of physics",探究的是物理學背後的基礎哲學問題。哪些問題呢? 首先是要反思物理學所引致的「理而上的」(metaphysical)及「認識上的」(epistemological)問題,如「因果性」(causality)、「命定性」(determinism)及物理律的本質這些。其次是有關現代物理學所提出的一些特殊問題,如屬宇宙論裡的時間、空間及宇宙的起源與歸宿等,屬熱物理學與統計力學裡的能量、功、無規性與消息等,屬量子力學裡的有關各種不同詮釋及其與常識相扞格的說法。

另外, 就是關於物理學方法論本身的問題。例如歸納法的局限、假設的必要性、算學與物理的關係、物理理論的近似性質、對應原理(correspondence ptinciple) 、想像實驗(thought experiment)、操作型定義(operational definition)、測量問題(the measurement problem)等等。

請問,現代物理對哲學有些什麼影響?

學哲學當不能脫離科學而獨立。雖然在西方古時學問就只是指哲學,不談什麼科學──物理學和化學,直到現在的社會科學都是後來從哲學派分出來的;但現代談哲學必須要不脫離這些科學才能落實,研究哲學的人應該要對現代科學的發展有相當認識才好。

現代科學發展迄今範圍很廣, 可大別為三個領域: 一、研究天地萬物的學問(即物窮理諸學),一般稱為自然科學(natural sciences)。二、研究工程的學問(致用諸學),一般稱為技術科學(technological sciences)。三、研究人群的學問(經世諸學),一般稱為社會科學(social sciences)。

自然科學又有物質科學(physical sciences)、生命科學(life sciences)的分野。

現今科學分工很細,每個學科學的人也只專長一門科學中的一小部分;我自己的專長是物質科學裡的物理學,所以只能針對物理學的影響而發言。物理學是自然科學的基礎,所以它的發展影響到很多門科學,現代物理學也事實上影響了哲學的發展,所以學哲學的人是應該要對現代物理學多所認識。

現代物理學與現代哲學相關的重要發展有兩項:一項是相對論,另一項是量子論,從相對論、量子論再進一步發展就是量子場論;這些發展都跟哲學有關,給我們許多啟示。首先,人的直觀並不可靠。例如,牛頓那時直觀地認為空間是絕對的,是延伸到無窮遠的,而時間是一道流,絕對地一直流下去,這種時、空毫不相干的觀念,被相對論推翻修正了。

其次,就是任何一個科學理論,都有它的限制,只適用於一定範圍。以前總以為可以輕易地發現一個普適性原理──例如,牛頓力學未被推翻以前,人們以為它能適用於各種力學系統,到相對論發展之後,便知道速度快的系統就不適用。量子力學發展後,更發現牛頓力學在微世界裡也不適用。依此類推,很多物質世界的理論應該也不能適用於生命科學。以前有些人還想把物理學理論或方法運用在社會科學,這當然是有問題的,因為即使是在物理學與化學之間也都有相當大層次上的差異──化學適用的系統比物理學對象複雜的多,所以需要使用不同的語言。不同的科學都可能要用不同的語言。

第三, 現代物理學從量子論發展出所謂「互補相成觀」(complementarity)與「整體觀」(holism)。例如「光是什麼?」這個問題,牛頓認為光是一束粒子而解釋了一些現象;到了十九世紀,一般卻相信光是波動。什麼波呢?麥克斯威爾(James Clerk Maxwell)說是電磁波,於是解釋了更多現象。然而到上世紀初,物理學家又發現另外一些現象,甚至波動說也無法解釋,而必須把光看做是一包包能量的東西。這裡便出現一個大問題:粒子說與波動說兩者是不能相容的,那光怎麼可能有時表現粒性,又有時表現波性?

到1927年,波爾(Niels Bohr)提出新的看法把這一矛盾調和了: 原來光就是「光」!要說光是「粒子」或「波動」都只是人心中的一個圖像,而硬要把它歸類。換言之,我們若先選定某個角度去觀察一個東西,它當然就表現、呈現出那個樣子──我以波動角度看光,它看出來便是波動,以一包包能量的角度去看光,它看出來便是一包包的能量。電子的性質也類似。所以,它便是它;它就是各種不同的角度觀點的綜合體,而不同觀點是互補相成。

其實以前哲學家老早就有這種看法,可是過去的物理學家總以為他可以研究一個客觀存在的世界──古典物理就是這個觀念;到現代,則從實驗研究發現,我們對世界的認知不可能擺脫觀察者與受觀察者之間的關係而獨立,換言之,我們研究的對象一定是主體跟客體互相交涉的結果。一個生命體,你看它全體是有生命的,你把它切開來看,分析為原子分子,便不是整體,也就沒有了生命;小到一個原子也是一樣,電子與質子結合成氫原子,結合以後就是氫原子,不復是電子加質子,氫原子自有氫原子自己的個性。這便叫做整體觀,這個觀點對哲學當然一定很有影響。

第四,現代科學家已經完全擺脫了命定觀(determinism)。在古典物理裡,尤其像拉帕拉斯這個數學家,他講得十分明確:你只要給我全世界粒子的初始位置跟速度,我就可以預測整個世界的未來,這是古典物理的機械命定觀,現代物理學家則不這麼認為。因為第一,量子物理的發展,認為凡未來的預測一定是或然式的,統計式的,這根源於微小世界物質本身的性質;第二,是即便根據古典物理牛頓力學,也不能精確預測未來,因為只要在方程式中加進一小點非線性的成分,未來便有可能「失之毫釐,差之千里。」這部門學問現在很流行──所謂「紊亂學」(chaos);其實這在古典物理裡早已看到端倪,只是以前沒有在這方向上好好下功夫。

這種新觀點可能把以前相反爭執的一些哲學觀點在更高層次上形成一種綜合,這對哲學的影響頗大。另外,現代科學家比較清楚知道科學在幹什麼。以前的科學家總把物理學看是對客觀存在世界「真理」的一種發現,現代自量子物理發展後便不作此想,反認為科學家發現的是現象,至於理論則是人的「發明」;任何理論本身都有其限制,不能宣稱是真理。換言之,現代科學家既然對科學本身性質比較了解,就不會陷入泛科學主義的窠臼,也太不會流於教條主義,這對哲學界應有所啟示。

總之,學哲學應該對科學多點認識。我深深感覺到我們中國目前的學界,科學與哲學的交流太缺乏,以致於彼此都有誤解。

哲學能對物理學起什麼作用?

任何一門科學發展的背後都是有哲學作基礎的。講一個簡單事實,西方發展出現代科學,而不是在東方,這便與它的哲學基礎有關係。簡單而言,中國哲學比較注重天人合一觀,不忍去分析「有情的」宇宙,西方則傾向把天人分為二者,而人要勝天,便去分析它,便發展出科學。

當然西方走了很長的路以後,發現天人還是要合一;不過,在過程裡面他們發展出一個科學文明來,這是事實。以上是就大方向來說的;就比較小的方面,牛頓的宇宙觀、愛因斯坦的宇宙觀,以至於量子力學的宇宙觀,都各有其哲學背景在裡頭。所以,讀自然科學想要有所成就的話,必須對哲學有些掌握。

科學與哲學應如何實際的,積極的互相配合?

實際上,第一就是應鼓勵主修科學的副修哲學,最好是再讀哲學的研究所,我這裡所謂科學,是指各方面科學──物理、數學、社會科學都是。另方面,讀哲學的人最好選某一門科學作為副修──或者自己鑽研多讀某一門科學當然也是可以。其次,就是在學者教授的層次,應該要創造一些交流機會以多交換一些觀點。可惜的是有這種想法的人不是很多;真正講來,大部分學科學的人只對所研究對象有興趣。不過還是有些人蠻關心的。我想哲學界也應該要求科學界,不要「閉關自守」,多對行外人談一談現代科學的內涵。

我越來越認為,鼓勵大學生在主修之外選副修,其效果比只修幾門蜻蜓點水式的「通識科目」為好。

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