上海科学技术文献出版社即将出版的《电子学前沿》（朱世的编著），介绍了近代电子学在理论与应用方面的最新进展。它以10个趣味问题——电子多大；特征何在；“超距”作用；运动方式；漫游时空；碰撞瞬间；绿叶中；人体内；数学语言与哲学思辨为纲要。其内容涉及量子力学、粒子物理学、光电子学、生物电子学等学科，并附有“展望21世纪电子学”的后记，力求向读者提供更多的电子学前沿的信息。在此选登该书的第十章“哲学思辨”。由于篇幅所限，刊登时作了部分删减。
——编者
“电子是不可穷尽的”这个格言是列宁在本世纪初提出的。一个世纪即将过去，至今，大概不会有一位物理学家会站出来宣布：他已经彻底把电子问题搞清楚了。在本书的第一章“电子多大？”中，我们提到对电子直径的探索，自50年代至80年代，平均每10年缩小一个数量级，看来，就电子大小这个问题距离穷尽尚十分遥远，哲学具有永久的魅力！
英国科学哲学家K · 威尔克斯认为：在一门科学处于一种哲学上令人神往的混乱状态时，科学家和科学哲学家之间的对话、讨论以至协作，将会是有益的。现代物理学（包括电子学）诱人而迷惘的前景，大概是需要哲学相助的。
10. 1 骰 子
爱因斯坦在他逝世前的2年，即1953年写了一篇文章——《“不掷骰子的上帝”及其他》再次表述，他绝不相信上帝会在掷骰子。这里，“上帝”是泛指主宰宇宙演变的规律，而用掷骰子（一种游戏或赌博的用具）比喻结果的随机性，客观世界中物质的运动或状态究竟是决定性的还是非决定性的（几率的、随机的）？这个带有根本性的科学哲学问题之争，在爱因斯坦和量子物理学家之间持续了20年之久。
牛顿力学及其世界观的基本特征就是它的决定性——“宇宙大钟”从时间的开头到结束都已决定了。任何事物与运动，只要已知它的初始条件（位置、初速等），就可以知道它在任何时刻的状态。因此，炮弹的飞行、火箭的轨迹及地球的自转等，都可精确计算并测定的，但是，一个人出生后何时何地死亡？这类问题经典经物理将束手无策。本节末尾我们还将举例说明经典力学中也存在不确定性。因此，经典物理从开始建立便是不完备的。
当我们进入量子世界（微观世界）之中，便会发现不少怪异现象——量子怪异。这些怪异可归纳成三个方面：无客观性、非决定性及观察者创造的实在。这里，仅就电子问题列举几个例子说明之：
——电子的位置是不能精确确定的，而且如果测量它的动量越精确，那么位置就越测不准；
——电子可以穿过“坚硬的墙壁”——势垒，称为隧穿现象。电子可以出现在牛顿定律不允许出现的场合；
——在β衰变过程中，什么时候会发出一个电子，即使全能的“上帝”也不会知道；
——如果一个人想看清一个电子在接近小孔（干涉孔）时发生了什么并打算弄清真相，那么他就陷进了死胡同（费曼语）。因为在你看着那个电子的时刻，它是一个粒子；但你一不看着它，它又像波一样表现。
在一定意义上，非决定论意味着世界上存在不可确切知道或不可被精确预告的物理事件。但是，它在数学上自洽而且与实验结果吻合很好。因此，科学家们“被迫”去选择它接受它，而且要牺牲一些追根问源的爱好。费曼甚至这样说过：“没有一个人懂得量子力学，我想这样说并不冒风险。要是你有可能避免的话，就不要老是问自己：怎么会是那样的呢”社会经济学家对掷骰子深表赞同，他们相信真正的随机性是打不败的，股票和保险公司全都使用它！
但是，“什么是随机性呢？”某个诘难者提问。这个问题可以使当代世界的任何一个人张口结舌。因为至今还没有找到随机性的定义，以致有人认为“随机性”是不可定义的，尽管如此，随机性并不意味着不可捉摸，如果我们把两个随机系列（例如随机数字系列）适当地作比较的话，那么非随机的模式就显现了（例如两者相减系列的数字却固定不变）。于是，数学家会说：两个序列的交叉关联不为零；情报学家会说：情报就是在交叉关联之中；生理学家会说：脑子对大量的随机信息求出了交叉关联。
非决定论没有否定微观世界中电子、光子等量子的存在，仅仅是指它们的某些性质，例如它们在空间某点的位置，纯属偶然性。量子是什么？是“实在市场”。玩骰子的上帝的房子有许多房间（可能是无穷多个），每次我们只能住在一个房间里，而整个房子才是实在。科学向我们表明，支持感觉经验世界的，有一个不可更易的宇宙规律——宇宙密码，它现在正安排着我们发嵌的程序，而我们可以用实验来发现它——即使不能发现它的全部，并使它为人类思想所掌握。
让我们来听一段关于非决定论的两个中学生的有趣对话吧。
甲，我在图书馆借了几本物理书，多半是国外编写的，思路似乎要开拓些。其中提到在原因与结果之间存在着非决定论，就是说原因不能完全决定结果，甚至有人说，这可算是本世界科学思想最伟大的成就之一。
乙：你说的是量子论中的非决定论吧。我想不大通，因此也就不太相信。还因为这在哲学观点上似乎不符合唯物辩证法的认识论，它会使我们陷入不可知论的死胡同中。
甲：那么，让我先提两个问题：（1）某人从家里出门时能否预测他是否会遇到车祸？如果他每次能事先列出各种原因并精确分析之，那么他就能使自己避免死于非命；（2）一个人的瞬时思维能知道吗？如果未来一旦人类的技术发达到能精确测量大脑中每个分子、原子及电子的位置与状态，这就算是原因吧，那么人们应该能够得出反映思想的全部结构状态，也就测出了“思想”这个结果。
乙：我想先谈谈因果问题，或许对非决定论的理解有所启示，所谓原因是指引起一定现象的现象，所谓结果是指由于原因作用而产生的现象。例如：摩擦生电，前者为因后者为果，原因在先结果在后，因此，凡有因果关系的事物一定有时间上的顺序性，就是说时间上先后相随是因果的特征。
甲：那么，因果论是不是决定论呢？
乙：我看过一些哲学书好像是这样说的，承认一切事物和现象都是有规律的，都有其因果制约性的，这在哲学上就叫做决定论；而否认事物现象的规律及因果制约性的观点，称之谓非决定论。
甲：关于原因和结果在时间上的先后，我认为无论在经验上或理论上讲都是通的，如果把这点作为因果论，我也承认因果论，但是，关于决定论就不那么简单，因为它必须承认将来所发生的情况完全依赖于过去发生的情况。但是往往事与愿违。我举两个例子：量子力学中单个系统的全部过程并不以绝对方式决定其未来，而仅仅决定未来可能状态的分布；又如放射性蜕变，人们不可能预测某个特定的原子核蜕变的时刻，而只能知道，在半衰期内将有50%的核会蜕变。尽管爱因斯坦十分不满意这个“投掷骰子的上帝”，但这却是为实验所证实的理论。
乙：你举的例子，是不是因为现代技术条件还不够完备，测量手段还不高明或者说是因素太多（所谓多因一果），因此很难预测结果所造成的呢？
甲：我看了不少书，科学家明确告示，非决定论不涉及技术不完善问题，也许“上帝”本身就不是一个决定论者，我们所处宇宙的规律是受非决定论支配的。决定论只会使现代科学陷入不能自拔的困境……。
70年代末期在世界范围兴起的浑沌学研究揭示了牛顿力学本身的非决定性或不确定性，令科学界为之一累。不确定性首先出现在经典力学中，而不再如传统的偏见那样认为它只适应于量子力学。早在1955年玻恩（M. Born）发表了题为“经典力学真的是确定性的吗”？的论文，他提出经典力学带有非决定性的理由有三个，即牛顿力学不足以解释原子物理的事实；牛顿力学对宏观领域的分析从宇宙发展史的时间尺度看是“短命”的；动力学不稳定性使得小偏差可以产生意想不到的大偏差。1964年布里渊（Brillouin）在《科学的不确定性与信息》这本书中，从信息理论的角度出发，天才地指明了数学与物理学之间的重要区别。数学家对距离取多小从不限制，还有无穷小概念，但物理学家要想测量10-52m的距离就没有可能性，有数字为证：测量10-52 m距离唯一可用的尺子是与此相当的某种光波或德布罗意波（X=10-52 m），估计一下此时单个量子的能量为E=hv=hc/λ=2×1027 J，这个能量大得足以将实验室炸得粉碎，利用质能关系公式M=E/C2=200万吨，这或是瞬间要湮灭掉的质量，简直是不可思议。数学家可以在定理中叙述：假定条件A，B被满足，而物理学感到迷惑的是，我们怎样知道A、B被确切满足？在物理学家看来，任何初始条件都没有“给定”，运动规律也不确切知道。物理学不可能研究单个数学轨道的性质，物理学家只知道轨道丛。
10. 2 巧 思
我们知道，哲学是以其理论思维——世界观、认识论和方法论擅长的。恩格斯在100多年前说过：“一个民族想要站在科学的高峰就一刻也不能没有理论思维”。他还说：“不管自然科学家采取什么样的态度，他们还是受哲学支配。”杰出的科学家们，他们的哲学思想常常十分丰富并充满生机。在他们的经典著作中，闪烁着哲学思想的火花。《费曼物理学》3卷第二章波动观点和粒子观点的关系，其最后一节的标题便是4个字：“哲学含义”。我们不妨从中摘录两段精彩妙语：
“认为我们只利用那些直接受到实验制约的概念就能完全从事科学工作的这种看法是不正确的”。
“蚂蚁是否有意识，或者树木是否有意识，这一切我们都不知道。”
思考的哲理无疑会使物理学家更加聪明，而在哲理引导下探索未知，至少可以提高成功的概率。
让我们回顾一下历史上伟大科学家若干绝妙的思维方法：
· 简化原则——从复杂性中提炼不变性。牛顿的伟大贡献是，他从概念上将世界的实际状态（它可能是很复杂的）与理想状态（它可以是很简单的）分开。世界上的复杂系统对了解不变性并不是主要的。不变性——物理定律，才能给出世界如何变化的详细描述，牛顿发现万有引力是个例子，他发现他母亲花园里苹果落下来和月亮绕地球公转运动所服从的是同一规律。
· 假设原则——从假设、经验到直觉飞跃，如图10. 1所示是爱因斯坦建议采用的方法。
图10. 1从假设到直觉飞跃
· 分层推导 有条基本的哲学原则，就是上一层次的物质特性都是由下一层次的物质特性推导而来的。钱学森曾建议，自然科学所探索的自然界可以分为5个结构层次，即胀观、宇观、宏观、微观和渺观。而电子大概是属于渺观范畴的。现代物理发现，宇宙学与粒子物理学最终是合拢的，就是说两者有共同规律。这似乎给渺观至胀观之间增添了一条“大自然的反馈线”。
· 可观察原理 马赫哲学认为，除了我们的感觉，不存在任何别的实在。结果对科学可以要求的唯一东西不是寻求某种客观的现象基础，而只是我们的思维经济地适应我们在自然现象的实验过程中产生的感觉，这个原理在量子力学建立中起了重要作用。
· 建立平衡 J · 汤姆逊用电场与磁场平衡测定电子荷质比，密立根用荷电油滴在电场和重力场中的平衡发现e值，均可堪称科学与艺术结晶之最！
· 等效 引力效应等效于非匀速运动，爱因斯坦抓住这一点创立广义相对论。
· 反问 可逆性是否成立。法拉第的名言：“电能变成磁，磁何以不能变成电”？
· 回采 在一个物质层次的效应长期不能发现时，人类的智力会发生大规模“回采”，即回到采掘过的物质层次上再采掘。群论是古老的数学工具。现代物质结构的深入探索，提出规范理论，深入讨论对称性原理，把群论推向自然奥秘的更高层次。
· 摆脱 注意不要为传统知识结构贻误重要的新发现。深奥寓于平凡，切忌常见不怪。200年前，人们就开始接触大量材料，从未注意其中存在大量电子；即使当今，电子已家喻户晓，但是谁又见过电子呢？
· 审美 麦克斯韦方程是典型的对称美。科学的发展和美的发现并进。科学理论的合理性要在它的审美估价中去找，科学达不到艺术的程度就是作为科学不完备的程度。海森伯说：“美是各部分相互之间以及与整体之间的真正的协调一致”。科学美之源是客观世界的和谐。爱因斯坦说：应当造就更多的“科学的艺术家”。
· 有机联系 从基本理论到发现新现象之间的有机联系见图10. 2，其中包括与预言、模型、实验、技术、生产等部分的相互关系。
图10. 2从理论到人现的联系
10. 3 终 极？
追根寻源是人类的本性，也是科学家终生奋斗的动力。自然科学、物理学、电子学有没有终极呢？所谓终极，通常有两种理解：一种是能建立一个统一理论，对自然界的4种基本力能够容纳，能解释和计算电子等的一切行为与特性：另一种是没有一个统一理论，只有一无穷“系列”的理论。选取系列中的一个或数个理论就能对某一类观测结果作出准确的预测。
就电子学而言，所谓终极，至少应弄清下列各种带有根本性的问题：
电子的尺寸究竟比现在的测量值上限10-17 m小多少？电子有没有内部结构，难道只有数学的“点结构”含义吗？电子电荷e是怎样携带在电子上面的，是均匀分布还是表面分布？e的最小单位是多少，是(1/3)e吗？库仑力的平方反比律的范围，例如当距离小于10-14 m时的偏差？e是怎样从中性物质中产生，又怎样可以在转化成中性物质时消失（电子与光子相互转化）？电子质量me在电子中如何分布？在电子、正电子湮没时质量又如何消失？me与暗物质之关系如何？各个电子的可分辨性究竟有哪些？正负电子在自然界中为什么如此平衡？电子的“身世”（过去与未来）究竟怎样，它如何在宇宙暴胀中产生，未来的归宿在哪里？对称性破缺与电子质量的关系如何？电子的寿命是无限的吗？电子在基因中的地位与控制作用？电子是不可再分割的“基本”粒子吗？……
向终极攀登的道路是铺满荆棘和鲜花的崎岖之路。让我们向前看看在一个世纪时间内已经走在前而的几个人，他们创立了相对论、量子力学，发现了电子……
年轻的爱因斯坦桀骜不驯，一个叛逆者，他把自己列入人类思想的顶尖儿人物之林。1905年，年仅26岁的爱因斯坦在德国《物理年鉴》上发表了3篇文章，改变了科学的进程。爱因斯坦第一次向自己提问：如果我能赶上一束光，那会发生什么事情？
科学史学家是这样描述哥本哈根学派的：“这是一个很快建树新科学的天才社团。这些学生是能干、高傲，而又穷得叮当的一帮。他们相信自己是在发动者一场科学革命，它将改变人们对客观实在的认识”。
汤姆逊父子对电子学的贡献是具有继承性的典型。J · 汤姆逊于1895年发现电子，而他的儿子G · 汤姆逊于1922年通过观察电子在晶体中绕射，发现运动的电子具有波动性，他们都获得了诺贝尔物理学奖。
在向“终极”的挑战中，大胆的新思想和新发现常遭冷遇，又会引起激烈的论战。科学家应该怎样来待人处事呢？美国H · R · 佩格斯在所著的“宇宙密码”一书中有这样一段动人的话：
“爱因斯坦最喜欢莫扎特音乐。这两个人在其一生中都曾遭责难和攻击，但从未失去轻松和万事置之一笑的情感。从这些人身上我们可以学到的是，明知道我们的创造最终要毁灭也要庆祝它的存在”。
向“终极”的进军，毫无疑问是人类最伟大而壮观的冒险！