<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。

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