因果律是一种历史遗物

原因与结果
——因果律是一种历史遗物
英国数学家、哲学家罗说素：“所有各派的一切哲学家都以为因果律是科学的基本公理之一，可是奇怪得很，在象天文学那样高深的科学中，原因这个词却从来没有出现过。我认为，因果律是一种历史遗物，它所以能象君主政体那样残存着，在哲学中间代代相传，只是因为错误地以为它是无害的。”原因和结果是我们如此熟悉的两个概念，罗素为什么会这样来评论它呢？这两个概念在人们探索自然现象时曾起过重要的作用。然而，随着统计方法在物理学越来越广泛地应用，因果决定论的思想也日益成为妨碍科学发展的东西。
一、牛顿力学与决定论。
亚里士多德认为一个物体的运动离不开力的作用。一辆马车要前进就得有马拉它，马不拉它，它就不走。16世纪，意大利物理学家伽利略提出了惯性概念。他认为，力是改变运动状态的因素，而不是维持运动的因素。他指出，一辆运动着的马车，即使马不再用力，马车也不能立即停下来，而要继续运动一段距离。一旦有力作用于运动的物体上，那么物体的运动就不是匀速的，而是变速的。也就是说，物体的运动速度每时每刻都是不同的、变化的。这就产生了瞬时速度和瞬时加速度的问题。
为了描述瞬时速度和瞬时加速度，牛顿创造了微积分，瞬时速度为距离对时间的一阶导数，而瞬时加速度为距离对时间的二阶导数。运动物体的瞬时状态被当作一个点，这时把物体看作质点。这个质点的速度和加速度，由位置的一阶导数和二阶导数确定。
当人们用微积分去研究力学问题、物理学问题就要用到微分方程。牛顿第二运动定律和万有引力定律的数学表达式都是微分方程。微分方程描述的是一个动力学问题。对动力学方程的积分表示，从初始状态开始的逐渐延伸的相继运动状态，也就是质点运动轨迹的集合，也就是物体的运动轨道。这条轨道包含了质点运动的所有信息，完整地描述了这个动力系统。
轨道的特征是决定性和可逆性。为了计算一条轨道，需要知道运动物体的初始状态和运动规律。然后，就可以根据运动规律，从任何一个初始状态推演出系统随时间的推移所经历的一系列状态。也就是说，只要知道了作用力，从任何一个初始状态出发都可以确定系统的过去和未来的状态，因此一切都是给定的。发生在前面的事件是原因，发生在后面的事件是结果。这样就把自然界的一切运动变化用因果关系连接起来了。爱因斯坦说：“只有微分定律的形式才能完全满足近代物理学家对因果性的要求。微分定律的明晰概念是牛顿最伟大的理智成就之一。”
牛顿根据自己的理论，计算了地球的形状，并得到法国科学家的证实；同样，天文学家根据牛顿理论计算并预言哈雷慧星的回归日期，以及预先确定了海王星在太空的位置。牛顿力学的辉煌成就，使人们相信它的前因后果的严格确定性，它的严格可预言性；使人们认识到自然界因果联系的客观性和普遍性，并形成了哲学上的决定论。这种决定论实际上是牛顿力学巨大成就的产物。1814年，法国数学家拉普拉斯把这个决定论推广到整个宇宙。他说：“我们应当把宇宙的现在状态看作是它先前状态的效果，随后状态的原因。暂时设想有一位神灵，它能知道某一瞬间施加于自然界的所有作用力以及自然界所有组成物各自的位置，并且他能够十分广泛地分析这些数据，那么他就可以把宇宙中最重物体的运动和最轻的原子的运动，均纳入同一公式之中。对于它，再没有什么事物是不确定的，未来和过去一样，均呈现在它的眼前。”
根据拉普拉斯的决定论，未来已经包含在过去中，一切都是给定了的。任何事件都是可以预言的，任何事件都在预料之中。正是这个科学的决定论，宇宙好象被坚硬的枷锁套住了，使人丧失了一切创造性，也妨碍了一切革新。而这是与人类追求自由，向往改革，进行创造的精神相违背的，是与人类的目标和本性相违背的。
二、统计物理学与决定论
19世纪，由于物理学家把统计方法引进物理学领域而使决定论思想受到第一次冲击。
1857年，德国物理学家克劳修斯，在研究热现象时，采用了统计方法。他认为，热是由于大量分子的无规运动。在这里，要考虑所有分子的因果联系是不可能的，也没有必要。系统的宏观性质涉及的是大量分子的平均效应。克劳修斯用统计方法研究气体分子的运动，得到了理想气体的压强公式，解释了气体分子缓慢扩散的事实。
1860年，英国物理学家麦克斯韦采用更彻底的统计方法，来研究气体分子的运动。他认为，气体分子的频繁碰撞并不会使分子的速度趋于一致，而是出现不同速度的一个分布。他用严格的统计方法得到了气体分子的速度分布律。
1877年奥地利物理学家玻耳兹曼用统计方法解释了热力学第二定律的不可逆性。他指出，熵自发减小的过程不是绝对不可能，只是概率非常非常小。这样，玻耳兹曼就揭示了热力学第二定律的统计本质，表明这个定律是一个统计规律。
统计方法在物理学中的应用，出现了一种新的规律——统计规律。统计规律在物理学领域的出现产生了重大的后果。首先，它打破了力学规律，也即严格决定论独霸天下的局面。
随着牛顿力学在18世纪一次又一次的胜利，竟在不同程度上决定了后来物理学的研究方法和实验方向。按照牛顿的看法，自然界的一切现象和问题最终都可以用力学方法来解释。20世纪以前的物理学也的确是沿着牛顿指出的方向发展的。声学最早被纳入力学的框架，人们把声音看作是在弹性媒质中传播的机械运动。热学在18世纪以热质为基础。在光学方面，牛顿把光看作是具有惯性的微粒。后来光的波动说取代了光的微粒说，但坚持波动说的物理学家把以太看成传播光的媒质。在电磁学中，库仑定律是比照着万有引力定律得出的；法拉第的力线和场仍与力学有密切的联系。德国物理学家赫姆霍兹说：“我们最终发现，所有涉及到的物理问题都能归纳为不变的引力和斥力，……整个自然科学的最终目的溶化在力学之中。”英国物理学家开尔文说：“我的目的就是要证明，如何建造一个力学模型，这个模型在我们所思考无论什么物理现象中，都将满足所要求的条件。在我们没有给一种事物建立起一个力学模型之前，我是不会满足的。”可见，在19世纪末以前，物理学家普遍认为，力学是整个物理学的基础，因而把力学解释看成是物理学解释的最终标准。
然而，统计规律的出现使这一切发生了变化。当物理学家把统计方法引进物理学领域，就发现了事物的一些新的性质，新的规律。这是与力学规律完全不同的规律。从科学本体论来说，这表明严格决定论并不是描述自然现象的唯一有效的方法。
统计规律的出现导致的另一个严重后果是，它剥夺了规律的严格性。《中国大百科全书•哲学》关于规律的解释是：“规律亦称法则。客观事物发展过程中的本质联系，具有普遍性的形式。规律和本质是同等程度的概念，都是指事物本身所固有的、深藏于现象背后并决定或支配现象的方面。然而本质是指事物的内部联系，由事物的内部矛盾所构成，而规律则是就事物的发展过程而言，指同一现象的本质关系或本质之间的稳定联系，它是千变万化的现象世界的相对静止的内容。规律是反复起作用的，只要具备必要的条件，合符规律的现象就必然重复出现。”这就是哲学家所理解的规律。
统计规律正是要否定对规律这种死板的解释。统计规律的实质是概率性的，涉及自然界的随机现象。由于分子数目很大，没有必要去求解每个分子的轨迹，而只能运用统计方法，求运动着的大量分子各种平均值。趋于平衡状态的过程有极高的概率；然而，相反的过程也不是绝对不可能，只是概率非常小。玻耳兹曼正是这样来解释热力学第二定律的。由于相反方向的过程概率极低，对不可逆性规律作统计解释的实践意义虽然不大，但它的理论意义却极大。人们发现，除了严格的必然性规律之外，还有另一种规律——统计规律。由于这一结果，因果性理论进入一个新的阶段。
统计规律的出现直接冲击了因果决定论。既然统计规律使得由前一种状态产生的结果不是完全确定的，那么那种单值的因果链条就不存在了。德国科学哲学家依赖欣巴哈说：“我们没有理由假设分子是由严格规律所控制的；一个分子从同一个出发情况开始，后来可以进入各种不同的未来情况，即使拉普拉斯的超人也不能预言分子的路径。”
三、量子力学与决定论
1926年初，奥地利物理学家薛定谔给出了微观粒子的运动方程，建立了波动力学。在这个方程中，波函数是中心概念。1926年6月，德国物理学家波恩，给出波函数的统计解释。薛定谔发现的量子规律经过玻恩的解释，就变成了统计规律。这时，对一个电子的出现，我们不能预言它一定会在什么地方出现，而只能预言它出现在某个位置的概率。量子力学不具有牛顿力学那样的确定性。
1927年，德国物理学家海森伯提出测不准原理：不能同时准确地测定运动粒子的位置和速度。这是量子力学中一个非常重要的原理。
人们当然知道，任何物理量都不能测得很精确。不过，人们又相信随着技术水平的提高，物理量的测定会越来越精确。然而，根据海森伯的这个原理来看，在量子力学中，实际上并不是这样，可达到的精确性是有一定限度的：对位置测量得越精确，会使得对速度的测量越不精确，反之亦然。海森伯认为，这是由于我们的研究进入微观世界的结果。在宏观世界中，当我们用仪器观测一个物体时，观测仪器也会对物体产生影响，但这种影响很小，是可以忽略的。比如用光线照射一个天体，光子打在天体上，对天体不起作用。而在微观世界里，光线照射在一个粒子上，光子对粒子的影响就是不能忽视的。观测仪器与观测对象之间有着不可避免的相互作用，这使得我们无法观测到一个绝对孤立存在的物理现象。
在牛顿力学中，由于我们能同时精确地测定质点的位置和速度，以轨道为根据，就能由质点的现在状态推断其过去和未来的状态，因此牛顿力学是决定论的。在微观世界，由于测不准原理，我们就不能象描述行星的运行轨道那样来描述电子的轨道。我们从粒子的初始状态只能计算出粒子以某一速度在某一地点出现的概率。这样，量子力学就把一切都归结为令人迷惑的概率了。量子力学中包含着基本的统计要素，这个要素不是自然本身的性质，它是由于物理学家的干预产生的。
由于测不准原理使得量子力学的规律成为统计性的，也就成为对因果决定论的挑战和冲击。在经典物理学中，由于能同时准确测定运动质点的位置和速度，我们就能由初始状态准确地推知系统的过去和未来，就能在所有现象之间建立稳定、严密、必然的因果联系。然而，测不准原理表明，我们不能同时准确地测定粒子的位置和速度，得不到一个准确的初始状态，也就排除了对未来状态作准确预言的可能。
量子力学的统计性质不同于统计物理学的统计性质。统计物理学的统计性质，是由于大量运动粒子的相互作用和对它们的初始条件了解得不完备造成的。如果有一台理想的计算机或物理学家称为的万能先知者，我们就能测定大量粒子的初始状态和每个粒子的力学性质，那么在理论上就可以不使用统计方法，而知道每个粒子的过去、现在和未来。但是量子力学的统计性质不是由于我们理论的不完备性，而是由于微观粒子的量子效应。因此，量子力学的统计性质是本质的、不可避免的。因而它对决定论的冲击就更有力。美国物理学家温伯格说：“20世纪20年代中叶，量子力学的发现，是17世纪现代物理学诞生以来最深刻的革命。”
20世纪，量子力学的出现的确是对牛顿以来形成的因果决定论的冲击。在许多科学家的心中，因果决定论已经不再是自己科学研究的指导原则。正象罗素说的那样，它已经成为“一种历史遗物”。
最后，我用波恩的话来结束这篇短文。他说：“我确信，象绝对的必然性、绝对精确、最终真理等等观念都是应当从科学中排除出去的幽灵。人们可以根据关于一个体系目前的有限知识，依靠一种理论，推演出用概率表示的关于未来情况的推测和期望。从所使用的理论的观点看来，每个概率的陈述或者是正确的或者是错误的。在我看来，这种思维规则的放松，是现代科学给我们带来的最大福音。因为我觉得，相信只有一种真理而且自己掌握着这个真理，这是世界上一切罪恶的最深刻的根源。”
因果规律是一种历史翳