【科學史沙龍】〈威瑪文化、量子論、與科學社會學的興起〉&〈失樂園：一個對量子理論發展的歷史考察〉

〈威瑪文化、量子論、與科學社會學的興起〉

在科學史沙龍＜為什麼孔恩誤解了STS？＞的講次中，我們談到啟迪人們對科學中社會學面向重視的孔恩，認為因之而起的科技與社會研究 (SSK/STS) ，是個錯誤的歧途發展。本講次延續前次的脈絡，介紹孔恩最出名的學生之一佛曼 (Paul Forman) 發表的經典論文，如何鼓動起孔恩對其深有保留的新興學派與學門 SSK/STS 。

講師：傅大為｜陽明大學科技與社會研究所榮譽教授

佛曼在 1971 年發表的這篇長達上百頁的論文〈威瑪文化、因果性與量子理論 (1918-1927) 〉（簡稱 WCQ 論文），是 SSK 早期最著名的一篇論文，主要內容在探討科學家身處於對科學抱持敵意的威瑪文化，如何在意識型態上加以適應，並且拋棄了因果性。論文從一戰末期的 1918 年談起，當時的德國科學家充滿信心，認為科學應該與工業及軍事和諧互動，還想著戰勝後要爭取大筆的科研經費；豈料當年秋天德國突然戰敗，藝文界與哲學家開始對科技浮現諸多批評，針砭過度的理性、自我、以及物質主義，強調發揚非理性的層面。

這樣的批評以斯賓格勒的著作《西方的沒落》為代表，他把科學納為一種文化現象，因此科學也跟其他眾多的文化現象一樣，具有生老病死的生命循環，並非直線性的一路進步。科學家為了因應這樣的意識型態轉變，也逐漸從原先知識是為工業與技術發展服務的實證主義，轉換到純粹出於求知與好奇，去探究事物因果的人文精神。孔恩認為威瑪時代的科學家們，是出於危機感做出適應調整，但有另一種看法更進一步，認為他們的內心其實在「渴求危機」，希望能夠藉此突破框限已久的窠臼；這點可以從那幾年德國的許多科學論文，多以「危機」為題的潮流可見一斑。

無論是要適應抑或渴求危機，在 1919 年到 1925 年間，有一連串的物理學家改宗相信非因果性，佛曼在 WCQ 論文中將其稱為「物理學家的大覺醒」。任何變遷有「新黨」就有「舊黨」，當時自然也有一些不願放棄因果性的物理學家，就從愛因斯坦的廣義相對論以及波耳的原子論加以深化，試圖尋求建立一種超越性的因果論，但是沒有成功。在 1925 年，海森堡提出矩陣力學，正式公開要求放棄因果性；薛丁格則是在隔年提出波動力學，企圖挽回因果性。這場正面對決由波恩發展出對波動力學的統計詮釋，摧毀了因果性舊黨的最後據點作結，德國物理學家於是迅速地接受了非因果性。

WCQ 論文對威瑪文化的科學與社會，作出了社會學式的因果分析，激勵了當代的 STS 學者跨越「避免碰觸科學」的障礙，成為他們論述的典範；即使是對 STS 頗有保留的孔恩，對於這篇論文也有著高度評價。雖然後來也有學者認為，威瑪時代的物理學家原本就已經在思考非因果性，與 1918 年德國戰敗無甚關係，但這樣的質疑並無損於 WCQ 論文劃時代的價值。

〈失樂園：一個對量子理論發展的歷史考察〉

佛曼的 WCQ 論文認為威瑪共和時期的德國學術界，對於定命性描述的反感，在量子理論發展中扮演重要的角色，這樣的看法是否站得住腳？本講次回顧量子理論的歷史發展，從舊量子論過渡到量子力學的過程，以及兩種獨立的量子力學版本彼此的競爭，考察當年的物理學家是在什麼情境下，放棄古典物理的定命性數學描述。

講師：高崇文｜中原大學物理學系教授

自從牛頓出版巨著《自然哲學的數學原理》以來，物理學家一直都生活在「定命性描述」 (deterministic description) 的伊甸園中。所謂定命性描述，是指只要給定起始條件與邊界條件，物理學家透過代表物理定律的一組微分方程式，就能計算出任何時刻的物理狀態。如此美好的必然性樂園一直維持到 1900 年，普朗克為了克服古典理論難以解釋黑體輻射規律的問題，引入了量子力學的概念而開始動搖，因為量子力學不再能夠給出定命性描述，而是給出機率性的預測。

量子力學的濫觴雖然是始於普朗克，不過真正第一個挑戰可滿足定命性描述的電動力學的，卻是愛因斯坦。愛因斯坦在 1905 年提出的量子假設，起初處理的是巨觀系統的統計行為，物理學界還不覺得定命性描述的架構受到威脅；然而到了 1913 年，波耳的原子模型提出了角動量量子化以及量子跳躍兩大概念，這後來衍生成量子力學的基本假設，成為正式放棄定命性描述的開始。

有趣的是波耳自己不相信光子的概念，一直抗拒到最後，反倒是愛因斯坦一聽到波耳的原子模型，就大呼不可思議，直言他的理論一定是正確的。英國科學家莫斯里在隔年以實驗驗證了波耳模型，德國科學家法蘭克以及赫茲在同年所做的實驗，也可以被波耳模型完美地解釋。波耳在 1920 年創造了「對應原則」這個術語，主張在某種極限下，正確的量子理論必須要符合古典理論，並且與斯萊特 (John Slater) 以及克喇末 (Hendrik Kramers) 共同提出依據對應原則建構，俗稱 BKS 理論的論文，試圖調和量子理論與古典理論之間的矛盾。

BKS 理論後來被實驗結果推翻，但這對於海森堡並未造成任何影響，他完全拋開 BKS 理論以及對應原則，在 1925 年為量子理論建立嶄新的矩陣力學。但是幾乎就在同時，薛丁格也建立了另一個量子理論的版本
波動力學，在各方面都與矩陣力學針鋒相對。波動力學以微分方程式呈現，似乎又重拾了定命性描述，也因此佛曼在 WCQ 論文中認為，原本受到威瑪文化影響而放棄因果性的薛丁格，後來又「變節」轉回到因果性的陣營中。

由此我們可以看出，量子理論早在威瑪共和時代之前，就已經開始發展。波耳提出量子跳躍的概念，時間點同樣是在一戰之前，而且當時主要的爭論點在於光的本性，定命性描述並不是當時物理學家主要關切的焦點，不然他也不會提出「對應原則」，更甭論 BKS 論文的三位作者，與威瑪文化都沒有太大的關係。整個量子革命最戲劇性的一幕，當數薛丁格的波動力學異軍突起，與矩陣力學分庭抗禮；不過更進一步研究之後，就會發現這兩者等價，本質上都是給出機率的預測。威瑪文化對於量子力學的影響，並不是在於促成其發生，而是讓德語世界的物理學家，比其他地區的人更積極接受量子力學。如此充滿革命性的知識改造運動，不但是史無前例，未來恐怕也很罕見。