為什麼量子力學會引起我們的困惑？——兼談玻爾的「現象」概念及互補原理
（圖片來源於鳳凰科技）
作者田松（本號主編，北京師範大學哲學學院教授）
責編 劉小編
內容提要：
量子物理所描述的微觀世界（量子實在）與經典物理所描述的宏觀世界（經典實在）有著巨大的差異，讓人困惑，從而需要解釋。經典實在與人類的日常經驗是相協調的，可以用日常語言進行描述。物理學試圖將在這個實在進行擴展，但是在超宏觀的宇宙尺度上，以及微觀的亞原子尺度下都遇到了障礙。量子物理所描述的對象已經不是物理實體，而是物理「現象」。這些現象不可能構建成為經典實在中單一的可視模型，而必須採用兩種矛盾的模型，這就是玻爾的互補原理。?
關鍵詞：
解釋，現象，互補原理，實在（經典實在、量子實在），基本感官尺度，可視模型
玻爾曾說，如果一個人第一次聽到量子物理而不感到困惑，那他一定是沒有聽懂。量子物理給出的實在圖景與我們日常經驗有著根本上的差異，從而引發了一系列關於實在的困惑。關於薛定諤的貓、海森伯的測不準原理、德布羅意的波粒二相性、愛因斯坦提出的「月亮在沒有人看到它的時候是否存在」，以及惠勒提出的延遲選擇實驗1等，直到今天仍然吸引著科學哲學學者的關注。在物理學家給出的各種解釋中，玻爾的互補原理被認為具有很強哲學意味。本文首先對「解釋」本身進行了解釋，並利用玻爾的現象概念，以及完形心理學對於人類視覺認知的研究，對於互補原理以及量子力學解釋本身，提出一種可能的解釋。
一、解釋?物理學與實在
首先需要解釋的是「解釋」本身。什麼是解釋？為什麼有些事情需要解釋，有些事情不需要解釋？在這裡，我不打算對「解釋」進行哲學意味的定義，而是採用相對形象的方式對「解釋」進行「解釋」。?
一個解釋，必然涉及被解釋對象，涉及聽眾。一個沒有語境的、絕對的解釋是不存在的。所謂解釋，就是把一個聽眾不大熟悉不大理解的東西（被解釋對象），用聽眾熟悉的語言（作為聽眾預設配置[1]的背景知識），講一個能夠讓聽眾認可的故事（把被解釋對象鑲嵌在聽眾的是說，這種改造同樣是在這個背景知識框架內部進行的）。簡而言之，所謂解釋，就是講一個故事，講一個聽眾能夠聽懂並且認可的故事。
自人類有自我意識以來，人類就不斷對我們所生存的世界、對實在本身進行解釋。對於先民來說，神話不是文學，而是哲學、是歷史、是律法，是先民的形而上的解釋體系。每個民族都有自己的創世神話，這些神話是他們可以理解並且能夠接受的故事，也就成為他們對宇宙創生、人類起源的解釋。物理學（科學）也必須要講出能夠讓聽眾聽懂，並且能夠接受的故事。歷史地看，物理學，與能夠聽懂並接受物理學的聽眾，這兩者是互相建構的。隨著物理學本身的發展，聽眾（的背景知識）也在不斷地變化。物理學必須生產出自己的聽眾，才能使自身成為對實在的解釋。
在拉祜族的創世神話中有這樣的故事。天神造人時，人祖悶在一個葫蘆里出不來。小米雀聽到了人的聲音，跑過來啄葫蘆，但是沒有啄開；老鼠聽到了，也跑過來咬葫蘆，終於把葫蘆咬開了。於是人類從葫蘆中走出來。在人類誕生的過程中，小米雀和老鼠都作出了貢獻，人類應該有所回報。小米雀貢獻小，可以在大田裡吃糧食；老鼠貢獻大，可以住在糧倉里。對於拉祜人來說，小米雀和老鼠享用人類的勞動成果，是它們的天賦權利。這是一個拉祜人能夠聽懂，並且接受了的故事，於是，這個神話就構成了對小米雀、老鼠和人類關係的一種解釋。而對於不相信這個神話的其它民族，這個神話就只是一個故事，而無法構成解釋。
在我們尋找對於量子力學的解釋時，我們常常忽略了這樣的問題：是哪些人需要對量子力學進行解釋？在什麼意義上進行解釋？對於一個完全接受了量子力學，徹底熟悉量子事件的物理學家來說，測不準或者波粒二相之類的事情可能是不需要解釋的。他完全可以把這些事件作為理所當然的前提，只要能對這些現象進行計算，進行幾率意義上的預言，就夠了。對於蒲松齡筆下的嶗山道士來說，量子力學的隧道效應（低能量粒子有穿過高能勢壘的幾率）也不需要解釋，因為在他的預設配置里，一個人修鍊到了一定境界就可以穿牆而過。這沒有什麼可以奇怪的，也就不需要解釋。
那麼，當我們說要解釋量子現象的時候，我們要在哪一個知識框架里進行解釋呢？通則不痛，沒有困惑，就不需要解釋。量子力學之所以特別地需要解釋，是因為它引起了我們的困惑——確切地說，是引起了我們這些受過經典物理教育的人們的困惑；是因為量子世界的物理對象所表現出來的行為，與我們對於實在的預設配置，與經典物理學的實在觀不能協調。因而實際上，我們需要解釋的是實在本身。
現代物理學是古希臘自然哲學的延續，它繼承了自然哲學對世界的思考，並在定量的層次上建立了巨大的理論體系。隨著牛頓物理學的傳播，這種物理學所代表的機械論、還原論、決定論的實在觀也得以傳播，成為現代人的主流意識形態和大眾話語的一部分。只有少數哲學家和科學家有能力看到物理學自身的問題。在20世紀，量子論和相對論的相繼出現使得實在問題更加深入地由哲學問題變成科學問題。量子困惑引發了玻爾和愛因斯坦長達幾十年的爭論，在爭論的最後，愛因斯坦發表了一篇重要文獻：《能認為量子力學對於實在的描述是完備的嗎？》，而玻爾則以同題論文予以回應。「實在」，這個哲學命題成為兩位物理學大師的討論核心。惠勒也說：「我無法阻止自己去琢磨存在（existence）之謎。從我們稱之為科學根本的計算和實驗，到這個最宏大的哲學問題，其間連接著一個不間斷的鏈條。在這個鏈條上不會存在這樣一個特殊的點，一個真正有好奇心的物理學家會說：『我就到這兒了，不再往前走了。」2
現在，我們把實在本身作為物理學的對象，「實在是什麼」這個問題就轉換成：我們怎樣獲得關於實在的知識，或者說，我們是怎樣觀測我們稱之為實在的那個東西的？毫無疑問，我們觀測實在的基本工具，就是我們的感官。3
世界是我們感知的世界；
我們感知的世界是我們能夠感知的世界；
我們能夠感知的世界首先是我們的感官所能夠感知的世界。
二、基本感官尺度的經典物理實在觀
我們的感官所能感覺到的世界是有限度的，柯林武德說：?
我們關於自然界的經驗知識依賴於我們通過實驗觀察對這些自然過程的了解，這種了解有一個時間和空間上的下限，因為我們無能力去觀察任何佔據比某種空間更小比某種時間間隔更短的過程；也有一個上限，那是因為我們不可能觀察任何空間上比人類視野還廣，時間上比人類記憶還久的過程，也因為觀察比如下時間更長的過程是極為不便的：即我們所能作到的專心致志地持續觀察它們的時間。我們的觀察在時空上的限度，上限和下限，已經被現代科學家的儀器大大地擴展了，但它們依然存在，而且因為我們作為動物身體的有限尺寸和生活的有限範圍，它們最終總要約束我們。比我們更大或更小的動物，它們的生活處在一個更快或更慢的節律中，它們將看到完全不同類型的過程，因而就自然界是什麼樣的問題，它們通過這些觀察達到一個與我們完全不同的觀念。4
感官的限度，已經先天地限定了我們所能夠觀察的實在。我們所理解的整體的實在，是根據我們有限的感知和觀察建構起來的。我把我們的感官所能直接感知的世界的時空範圍，定義為基本感官尺度。我們的日常語言，和基本的實在觀，都是建立在這個尺度之上的。按照柯林武德的說法，人類對於這個尺度的觀察是比較「方便」的。
感官並不必然地唯一地決定實在觀。現代人和原始民族擁有近乎相同的感官，但是我們感知的世界有著很大的差異。許多原始民族都能夠切實感覺到他們與神靈生活在一起，亞里斯多德的物理學中也充滿了目的論的內容，因為他們的所接受的關於實在的觀念（故事）與我們不同。惠勒說：「實在是由幾根觀察的鐵柱及其間的想像和理論的混合結構組成的。5」根據同樣的觀察的鐵柱，可能建構起不同的認知完形（實在觀、故事）；反過來，接受了不同的完形，也會觀察到不同的鐵柱，或者對同樣的鐵柱進行不同的解釋。[2]經典物理學不僅對我們的感官經驗進行了解釋，也反過來影響了我們的感官經驗，影響了我們的認知模式。
各傳統文明的解釋世界的形而上體系隨著地域、文化的不同，呈現出豐富的多樣性。但是在工業革命之後，隨著工業文明在全世界的擴張，作為其形而上體系的科學也隨之在全球蔓延，成為制度化教育中的主流意識形態。我們的實在觀，是由牛頓範式的機械論、還原論、決定論的經典物理學建構的。在康德的描述里，牛頓的經典物理學是一種先天綜合判斷，是具有絕對確定性的知識，是真理。E.伯特指出：
牛頓的權威絲毫不差地成為一種宇宙觀的後盾。這種宇宙觀認為人是一個龐大的數學體系的不相干的旁觀者，而這個體系的符合機械原理的有規則的運動，便成構成了這個自然界。……從前人們認為他們所處的世界，是一個富有色、聲、香，充滿了音樂、愛、美，到處表現出有目的的和諧與創造性的理想的世界，現在這個世界卻被逼到生物大腦的小小角落裡去了。而真正重要的外部世界則是一個冷、硬、無色、無聲的沉死世界，一個量的世界，一個服從機械規律性、可用數學計算的運動的世界。6
概而言之，經典物理學給出的機械論、還原論、絕對論的世界圖景大致有如下內容：
（1）我們及我們所生存的世界是由物質構成的；物質世界是按照某種規律運行的；這種規律是可以被人所掌握的；這些規律是可以表達為數學方程的；這些數學方程是可以計算的。
（2）物質存在著構成它的基本單元；物質世界處於絕對空間和絕對時間之中；絕對空間是可以用歐式幾何進行描述的；
（3）世界是連續的。物體在任意給定的時刻，都在空間中佔據一個確定的位置。位置隨時間變化，在空間中留下一條軌跡。
這種實在觀與我們的日常語言、與我們的感官經驗是一種相互建構的關係。所以我們能夠得心應手地用我們的日常語言描述這種實在觀。反過來，當我們試圖用這種語言描述另外一種實在觀的時候，就會感到圓鑿方枘，力不從心。
三、基本感官尺度認知模式或經典實在觀的延伸
基本感官尺度的世界是我們的認知模式、日常語言以及經典物理學得以建立的基礎。當我們的感知對象的尺度向大小兩方面擴展時，我們自然而然地繼續以這樣的認知模式去面對擴展了的世界，或者說，將這種實在觀向外拓展。
在大尺度的方向上，光學望遠鏡使我們能夠看到肉眼看不到的距離。當然，我們可以比較容易地證實我們通過望遠鏡所看到的景象是「真實的」實在，而不是幻覺。那就是走到前面去，用肉眼看到，用手摸到適才在望遠鏡里看到的東西。於是我們可以利用望遠鏡將視覺在大尺度方向延伸。
同樣，在小尺度的範圍內，光學顯微鏡也使我們的視覺得到延伸，我們可以對微生物、細胞有直接的視覺感知。這個視覺感知甚至還可以有間接的觸覺確認。
這樣，可以把基本感官尺度的實在觀擴展到光學望遠鏡和光學顯微鏡的工作範圍。因此，我把光學望遠鏡和光學顯微鏡的工作範圍作為基本感官尺度的上限和下限。
世界是我們感知的世界，我們通過我們的感官感知我們的世界。對於經典物理學而言，最重要的感知元素是視覺元素。這部分地由於，經典物理學是以歐式幾何為模本的。所謂「眼見為實」，在我們的認知模式中，來自視覺的信息是最重要的部分。聽覺、觸覺和味覺常常只是作為對視覺的輔助和確證。因而，當我們試圖認識和描述基本感官尺度之外的世界時，當我們試圖拓展經典物理的實在觀時，我們會本能地試圖賦予新尺度的物理對象以可視模型。這個可視的模型，其實是把新尺度的物理對象縮小或者放大到基本感官尺度。
比如在太陽系的範圍內，我們設想出這樣的可視模型：各行星在各自的軌道上圍繞太陽運轉；衛星圍繞各自的行星運轉；行星自轉。這個模型並不是我們能夠直接看到的。甚至地球的圓形，在人類進入太空之前，也從未被人類直接用眼睛看到，只能通過某些視覺元素間接推斷。比如船在海上由遠及近，岸上的人們會首先看到桅杆，然後才逐漸看到整個船身，這大概是對地球球形的最直接的感知例證——但是，僅僅由這個感知例證而推斷地球本身是圓形，存在著巨大的邏輯跳躍。地球圍繞太陽的運行更不可能被直接看見，反倒是太陽像月亮一樣圍繞著地球運轉更容易想像。太陽系模型與我們在基本感知尺度建立起來的認知模式是完全吻合的，於是我們的經典實在觀就拓展到了太陽系的尺度。對於接受了現代教育的人們，太陽系的可視模型似乎成了其視覺經驗的一部分。
類似於太陽系這樣的視覺模型還可以延伸到銀河系乃至河外星系。然而，在超出了光學望遠鏡的尺度，進入到射電望遠鏡所「看到」的宇宙尺度之後，基本感官尺度的視覺圖景已不能適用。現代宇宙學所認定的有限無界的宇宙是歐氏幾何無法描述的，從而超出了基本感官尺度的認知模式。但是，人們在試圖理解這種宇宙理論的時候，仍然力圖建立視覺模型，比如用吹氣球來比喻宇宙的膨脹，試圖為非歐空間建構出一個基本感官尺度的可視圖景來。
在小尺度方向，類似的擴展也在進行著。在光學顯微鏡的工作範圍之外，人們進入到了原子的尺度。
原子說本是古希臘的一種哲學思辯，到了19世紀，被道爾頓發展為一種化學理論。原子被想像為構成物質的基石，它們之間靠作用力相互結合、分離，不同的組合表現為宏觀物質的不同性質。人們本能地賦予原子以可視模型，想像原子與原子之間的作用類似於鋼球與鋼球之間的作用。
進而，人們發現原子本身具有結構，具有更小的組分。人們又本能地為原子結構建立可視模型。先是湯姆遜建立了西瓜模型，認為原子中的負電荷就像西瓜籽一樣鑲嵌在帶正電的西瓜瓤上。盧瑟福以α粒子散射實驗否定了這個模型，並提出了軌道模型：帶負電的電子圍繞著帶正電的原子核旋轉，如同一個微型的太陽系。依據經典理論，這個模型是不穩定的。直到玻爾強行命令電子遵守量子化條件，才使之穩定下來。但是，經典物理學卻不適用了。基於基本感官尺度的經典實在觀的在微小方向的延伸，到此為止。
在經典實在觀向微觀尺度的延伸過程中，人們本能地認為，微觀世界應該具有與基本感官尺度中類似的物體的結構。在模型的建立者看來，這些模型不僅僅是一種描述方式，而且對應著原子及亞原子世界的實體。人們相信，如果原子具有某種結構，必然可以用可視模型表示出來。物質無限可分的還原論，就是希望建立一個無窮遞進的可視模型系列。但是，這種拓展在亞原子尺度完全失效了。
思考一個對象的可視模型就是對這個對象進行對象化。一個事物被看見，必定是這個物體擺在看者的面前，且與看者存在一個適度的距離。看者審視被看者，被看者在看者的審視下成為看者的對象。在我們思考一個對象的可視模型時，我們必須使自己與被看者分開，才能使被看者成為我們的對象。經典物理學所描述的觀察者和被觀察者，就是這種看與被看的關係。
經典實在的所有特性我們都可以做視覺上的想像。一個物體是一個客觀存在，在任何一個給定的時間裡，這個物體必然在空間中具有一個確定的位置，佔據一定的體積。不同時間的位置連接起來是一條唯一的軌跡。物體的存在與否與觀測無關。月亮在沒有人看到它的時候依然存在，並且沿著我們計算出來的路線和速度運行。比如有一個封閉的屋子，屋子裡有兩個房間，兩個房間是連通的。我們把一隻貓放進去，知道確實有一隻貓在屋子裡，然後我們離開一段時間，再回到屋子，並找到這隻貓，確認這隻貓仍然在屋子裡。在我們離開而沒有人看到這隻貓的這段時間裡，按照經典物理，貓都是存在的，而且在任何時刻都存在於兩個房間中的一個，非此即彼。而且，如果我們能知道貓的運動方程，貓就會像月亮一樣，即使在沒有人看到它的時候也會有確定的位置和軌跡。
同樣，如果有一個封閉的盒子，盒子被有孔的隔板分成左右兩個部分，在盒子里有一個電子，可以兩邊自由來往。會怎麼樣呢？人們本能地會把基本感官尺度下貓的行為推廣到電子之上——當我們試圖做出這樣的想像的時候，就已經開始了這個推廣。這是海森堡討論過的例子。他指出：按照經典邏輯，電子或者在左邊的箱里，或者在右邊的箱里，沒有第三種可能。但是，在量子邏輯中，卻有第三種可能，這就是前兩者的混合態。7這個第三態，在經典邏輯下是無法想像的，所以量子力學會引起人們的困惑。與此類似，在著名的薛定諤貓的理想實驗中，直到盒子被打開之前，薛定諤貓一直處於死和活的混合態。在延遲選擇實驗中，光子除了走上面和走下面之外，也存在第三種可能：同時走兩邊。
在我們進行這樣的表述時，我們是在進行這樣的努力：用基於基本感官尺度的日常話語，講一個量子世界的故事，並試圖讓這個故事，在經典實在的框架下，可以被聽眾聽懂，並且接受。
然而，基本感官尺度的經典圖景完全不能描述原子尺度之下的物理對象的行為。就盒中電子的案例而言，按照量子力學，在我們觀察之前，我們不能說電子以什麼樣的狀態存在，也不能設想電子在不同隔間中穿梭來往的軌道——它完全可能像一團氣一樣，彌散在每一個房間之中。然而，在我這樣設想的時候，仍然是在試圖賦予它一個基本感官尺度的可視圖景。這是我們的語言本身所必然導致的困境。
圖1：隧道效應的滑雪圖
當我們看到左面這幅滑雪圖1[3]的時候，我們本能地感到困惑，首先這幅二維的漫畫會引起我們三維的想像，使我們產生這樣一種聯想，左邊那位滑雪者的左腳經過了樹的左邊，與此同時，右腳經過了樹的右邊，他就這樣滑過去了。在我們基本感官尺度的經典實在中，這當然是不可能的。所以我們會和右面的畫中人一樣感到困惑，他是怎麼過去的？
當我們試圖把量子世界的現象用日常話語進行描述的時候，我們就會遇到這樣的困惑。量子世界中物體的行為與經典世界截然不同，類似於圖中的景象在量子世界中是時時發生的。
四、量子理論對經典實在的顛覆
經典物理的實在觀在漫長的科學史中不斷得以加強和完善，直到20世紀，量子力學和相對論所描述的世界超出了感官所能延伸的範圍，尤其是量子力學，對經典實在觀造成了革命性的衝擊。將基本感官世界的實在觀加以改造，可以延伸到相對論的世界，卻無法延伸到量子世界。所以惠勒強調：「量子力學要求一種新的實在觀。」8
1900年，普朗克拼湊出一個能夠很好描述黑體輻射實驗曲線的公式。為了從已有理論導出這個公式，就必須假定，輻射能量不是連續的，而是一份一份的。在經典的物理世界裡，時間、空間、物質、能量都是連續的，正如數軸是連續的。我們所行走的道路，是連續的柏油路，而不是中間有空隙的梅花樁。量子論與經典物理的衝突如此巨大，以至於普朗克當時就已經意識到，「或許只有牛頓的發現才能和它相比。」9普朗克自己並不喜歡這個發現，他曾努力完全用經典物理來解釋量子現象，最終歸於失敗。?
此後，1905年，愛因斯坦用量子論來解釋光電效應；1913年，玻爾用量子論來解釋氫原子光譜；1924年德布羅意提出波粒二象性；1925年海森堡提出矩陣力學；1926年薛定諤提出波動力學。這兩種量子力學在形態上截然不同，但是對同一個物理事件能給出相同的結果。這表明，理論與實在之間，並不一定具有一一對應的關係。這兩種形態很快被薛定諤證明在數學上是等價的。量子力學與經驗觀測符合得非常好，但是在波動力學提出之初，方程中的變數波函數竟然還沒有物理意義。一段時間之後才由波恩給出波函數的幾率詮釋，把波函數解釋為一種幾率波。在玻爾的領導下，量子物理在物理意義朦朧不清的情況下迅速發展成為龐大的理論體系。
在量子理論發展的每一步，都給出了經典物理所難以解釋的物理現象。在解釋這些現象的過程中，不斷對經典實在觀進行衝擊。量子力學描述了一幅截然不同於經典物理的實在圖景。它大致有以下幾個特徵10：
1. 量子論——實在由連續的變成了分立的。空間、時間、能量、物質，一切都是量子化的，都有最小的基本單元；?
2. 物體不再有確定的、唯一的形態
按照波粒二象性，量子系統的對象既是粒子又是波，或者既不是粒子又不是波。在經典物理的語言框架中，粒子是物質，波是能量。而在量子系統中，粒子的有無都是不定的。粒子可以按照愛因斯坦的質能關係轉換成能量，能量也可以憑空轉換成一對正負粒子。甚至在沒有能量的情況下，也可以產生和湮滅虛擬的正反粒子對。這在普朗克長度的尺度下變得尤為突出。
3. 實在與觀察者之間的關聯
在量子理論中，實在並不是外在於觀察者就「在哪兒」的東西，而是與觀測相關的。惠勒反覆強調玻爾的這句話：「在一個基本量子現象被觀測到之前，沒有一個現象是現象。」物理對象由物質實體被玻爾用現象來代替。這個關聯被惠勒推到了極端，就是他所提出的「參與的宇宙」。
觀察者被引入到物理學中來：在經典物理中，人是一個旁觀者，觀察這個世界，在量子力學中，人是參與者，參與了量子的行為。獨立於人之外的客觀世界不復存在。
4. 整體論11
量子理論的整體論原則主要有兩個層面的意義，其一是量子系統與測量儀器乃至觀察者是不可分的整體；其二是波函數所描述的量子系統是一個整體，不能簡單還原為各個部分，因為其各個部分具有作為整體的關聯，這種關聯甚至在系統分離之後依然存在，就是所謂EPR長程關聯。原則上，我們也可以把包括人在內的整個宇宙作為一個系統，用一個波函數來描述。這樣，整個宇宙都是一個不可分的整體。
5. 物質的逐層還原不再成立
物質由分子構成；分子由原子構成；原子由原子核與電子構成；原子核由質子和中子構成；中子和質子由夸克構成；這樣一個逐層還原的套盒結構在夸克那裡到了終點。在核子及以下層次，粒子之間是互相構成的，不存在更基本的粒子。
6，某些物理概念失去定義：經典物理的很多概念失去了原來的物理意義，在亞原子的世界裡，空間的左右，時間的先後，都失去了意義。在未被觀測的時候，粒子並不一定佔據某一個確定的空間，也不一定在空間中有一個軌道。甚至時間和空間的概念，在普朗克長度的尺度下，都失去了意義。
7. 因果性
因果性是實在本身的屬性還是人安排實在的一種方式。這個問題在經典物理學那裡，答案毫無疑問是前者。而在量子理論中，答案傾向於後者。
8. 或然論
經典理論給出的結論是決定性的。量子理論只能給出幾率性的預言。
量子實在與經典實在之間的巨大差異讓人困惑，從而需要我們對量子力學進行解釋。
所謂解釋，就是講一個故事，講一個能夠為聽眾聽懂並認可的故事。量子力學的解釋同樣與聽眾有關，早期的量子力學闡釋就是要努力將量子世界的奇怪行為，歸結到基本感官實在的認知模式中去。然而，早期的種種努力都失敗了。
五、互補原理，現象與完形轉換
在量子力學闡釋的過程中，玻爾於1927年提出的互補原理（Complementary
principle）是一個重要環節[4]。惠勒甚至認為，互補原理是量子思想的核心。這個原理有時被認為是測不準關係的推廣，但據戈革先生考證，「玻爾甚至在1927年海森堡提出測不準原理以前就已經具備了類似的而且是更本質的認識。」12乃至可以追溯到玻爾的大學時期。?
互補原理一直遭到各種各樣的誤解，但玻爾卻從未對互補原理給出一個定義性的敘述，他總是通過各種例證進行說明。戈革先生對互補原理有非常精當的闡釋：
我們的概念、圖像等等，常常分成兩類。設用A和B代表兩個概念、圖像、現象、描述方式、單詞的含意或兩種不同的人類文化等等，那麼，說A和B是「互補的」，就意味著A和B滿足下列條件：
（1）A和B具有某些互相反對的性質或行為（例如分別滿足疊加原理和守恆原理，分別具有連續性和分立性，分別是分布開來的和集中成一點的，等等）；
（2）A和B不能按照人們以前所知的任何邏輯法則而被結合成一個統一的、唯一的、無矛盾的圖像或體系；
（3）但是，為了得到所研究對象的完備描述，A和B都是同樣地不可缺少的；我們只能按照適當的條件（或自由選擇條件）來分別地應用A或應用B，而不能一勞永逸地徹底拋掉A或B。13
根據互補原理，經典物理的日常用語對於描述微觀世界是不夠充分的，或者說不夠方便的。但是如果我們要描述它，解釋它，又只能採用日常話語，所以，就要採取一種折中的手段。即交替採用兩種不同的圖景，兩套不同的概念，而這兩套圖景或者概念，還不僅僅是不同，在某種意義上可能是對立的，衝突的，比如波和粒子。當我們用波來描述光的時，光就表現為光波；當我們用粒子來描述光時，光就表現為光子；我們必須交替採用波和粒子來描述光，而無法取消其中一種，或者把其中一種納入到另外一種之中。
互補原理後來被發展成一種普遍的哲學原理，所應用的範圍遠遠超出了物理學。戈革先生指出：「用同樣的方法，玻爾處理了人種學、人類學、語言學、人類文化以及一般的科學認識問題。他到處都揭示了某種形式的互補關係，揭示了和量子物理學中的局勢有點類似的局勢。這樣一來，在他的心目中，互補原理就成了一條十分普遍的原理，而他的那一套觀點也就形成了一種獨特的互補哲學。」14原理的獨特性為戈革先生所再三強調：「意義較寬的互補性概念，有時也許可以在中外各家的學說中找到它的『影子』，而嚴格意義下的互補性則代表了人類未之前聞的一種全新的邏輯關係；正如他的對應原理一樣，玻爾的互補原理也是『獨一無二的，我們在以往的物理學、哲學、心理學、宗教或任何別的東西中都找不到任何和它相像的東西。」15
然而，互補原理同樣是難以解釋的。初看起來，互補原理的解釋方式比較牽強，彷彿不是一個解釋，而只是一個規定。就像玻爾在其早期原子核模型中對原子能級所做的規定一樣。進一步，這種互補到底是什麼意思，微觀世界為什麼會表現出這種互補，都讓人心存疑慮。在某種意義上，互補原理似乎並未對量子力學構成解釋，它本身反而也成了需要解釋的對象。
1938年，玻爾又引入了「現象」一詞，用「現象」取代經典物理中的物體、或者某種客觀實體，作為量子理論的研究對象。我發現，使用「現象」一詞，結合完形心理學的某些概念，可以對量子力學進行某種「解釋」。這種解釋不是演繹性的，而是類比性的，說明性的。
玻爾指出：「現象一詞僅僅代表在包括整個實驗裝置的敘述在內的指定條件下得出的觀察結果。在這樣的術語下，觀察問題不會再有什麼特殊的複雜性，因為在實際的實驗中一切觀察結果都是用無歧義的敘述來表達的。」16力學符號體系的結構及詮釋更加協調得多，也和基本的認識論原理更加協調得多的作法，顯然是把『現象』一詞保留下來，用以表示在給定的實驗條件下觀察到的各效應的綜合。」17現象一詞，玻爾表達了與馬赫相一致的思想：把物理學建立在感知元素的基礎上。現象一詞所代表的便是觀察者所能感知到的包括儀器讀數在內的各種感知實在元素的集合。
所謂「無歧義的敘述」，就是把所觀察到的「現象」用日常話語表述出來。在一個實驗過程中，實驗儀器的設置、實驗操作的過程、各種儀錶的讀數、雲霧室的痕迹、照相底片上的感光，所有這些，都是可以觀察到的「現象」，都可以做「無歧義的敘述」。而「中子」、「電子」、「光子」，這些在經典物理中應該作為基本物理對象的「基本粒子」，則可以看作為了解釋「現象」所構造出來的概念。但是，在日常話語下，這些概念自然而然地被理解為與基本感官尺度的「粒子」相似的東西。然而，問題在於，相似的儀器設置、相似的實驗過程、相似的儀錶讀數等，所產生的相似的「現象」，在另外的實驗中，用類似粒子的概念則無法對之構成解釋，而只能用「波」來解釋。
我們必須意識到，「中子」、「電子」這些我們一度視為物理實體的東西，是我們從來沒有直接觀察過的。在以往的描述框架中，可以這樣表述：我們觀察到的是它們表現出來的現象。然而，這個表示仍然假定了其實體的存在。事實上，我們更可以做這樣的表述：我們觀察到了某些現象，然後，我們假設了一些叫做「中子」、「電子」之類的物理實體，用來解釋這些現象。
這樣一來，我們就可以用「現象」，來解釋為什麼量子力學會引起我們的困惑，並解釋互補原理。
在《所見即所能見》18通過惠勒的實在觀與完形心理學之間的關聯，我討論了科學與認知模式之間的對應關係。這裡繼續利用這種對應進行討論。
現代派畫家瑪格利特有一副著名的作品，畫面上畫著一隻煙斗，下面題字是「這不是煙斗」。在林林種種的理論分析中，有一種解釋是：這不是煙斗，這是一幅畫。的確，畫布上並沒有一隻煙斗，只有油彩構成的色塊和線條——這些是觀察者所看到的「現象」。但是，觀察者的視覺認知機制，會自動地把這些「現象」構建成一隻煙斗，於是我們「看」到了一隻煙斗——這是一個在人類的基本感官尺度可以理解並接受的視覺形象。西方古典的油畫作品都用油彩描繪某種具體的形象，比如人物或者風景；成功的作品也的確能讓觀察者直接「看」到畫家所要呈現的那些形象，而不會首先意識到，那些形象是由油彩的「現象」建構起來的。在這種情況下，畫布上的油彩，只能夠建構出一種「完形」，或者說，用一種單一的「完形」，已經可以對畫布上的「現象」進行解釋。
圖 2 鴨兔圖
但是，對於圖2，我們的視覺機制在處理上就發生了困惑。你可以把他看作一隻低頭的兔子，也可以把它看作一隻仰面向天的鴨子。在你把這些線條看成鴨子的時候，就不能把它看成兔子；反過來，當你把它看成兔子的時候，也不能把它看成鴨子。這裡，鴨子和兔子的形象就是互補的。這幅圖形常常被完形心理學作為解釋完形認知機制的一個例子。同樣的線條，在兔子完形和鴨子完形中，具有完全不同的解釋。我們也可以說，不是我們看到了鴨子或者兔子，而是我們把這些線條解釋成了鴨子或者兔子。
圖 3 埃舍爾魔帶立方體，石板畫
艾舍爾的《魔帶立方體》（圖3）更加突出地表達了人類的視覺機制所遇到的困惑。在這幅版畫中，有一個在三維空間中不可能存在的立方體；在這個立方體上，纏繞著兩根魔帶。當你盯著魔帶上的半圓球，沿著魔帶依次看過來，你就會產生困惑。因為上面的半圓球，一會被你看成是凸起的，一會被你看成是凹下的。
這幅畫與互補原理構成了非常好的對稱。畫面所提供的現象，不能構建成單一的完形。為了解釋現象，我們的視覺機制必須構建出兩套完形，交替使用。當你看到它凸起的時候，它就沒有凹下；當你看到它凹下時，它就沒有凸起。凸起和凹下，就構成了一對共軛量。
對於經典物理而言，我們可以把「物體」當作基本對象，而「現象」則是物體在不同場合下的種種表現。但是在量子尺度，我們的感官直接觀察到的只是「現象」。人類的認知模式本能地會期望不同層面的實在具有一致性。因而，我們自然而言地將基本感官尺度的實在觀延伸到量子尺度，並試圖用日常話語賦予原子世界以一個基本感官實在的可視模型——仍然把「物體」視為基本對象，把「現象」視為「物體」的表現形式。但是這一次，基本感官尺度的實在觀向量子尺度的延伸遭到了失敗。按照惠勒的說法，我們遇到了實在的邊界。
在原子尺度以下，人們已經無法再設計出既具有可用日常語言描述的可視形象，又能符合所有可觀測量的一致性模型。比如玻爾的原子模型只能在部分情況下使用，另一些時候則需要用電子云來代替電子軌道。至於原子核的內部景象，任何可視模型都失去了意義。
實際上，對於宏觀世界，也可以認為，「現象」是基本的，而「物體」是為了解釋現象所建構出來的。但是，這種敘述方式在宏觀世界會造成很多麻煩，因為在宏觀世界，「物體」是可以被感官直接觀察的。
通過現象一詞，我們在互補原理和完形心理學給出的人類認知模式之間找到了對應。
六、結語
為什麼量子實在總是引起我們的困惑？我們把困惑的「過程」重新闡述一下，就比較清楚了。在量子世界中，類似於圖1的滑雪圖景是經常的，每日每時每秒都在發生著的，當我們試圖用基本感官尺度的日常話語對這樣的圖景進行描述的時候，困惑自然發生。?
量子世界超出了我們的基本感官尺度，在我們的基本感官尺度之外。量子世界，是我們通過儀器的讀數、雲霧室的軌跡、光電探測器的計數、乳膠上的印痕建構出來的。我們要通過這些觀測資料建構出一個縮小了的基本感官尺度下的可視圖景。然而，我們發現，我們不得不同時建構出兩套圖景，交替使用，才能對相關「現象」進行完整的解釋，這就是互補原理。
為什麼量子實在就是互補的？當我們問這個問題的時候，隱含著一個前提，即實在或者自然界，在不同尺度上的圖景是統一的，一致的。然而，這個前提是一個假設，一個信念，它從來也沒有得到過證明。而當我們放棄這個前提，接受互補原理作為基本的公理，則互補原理就不需要進一步的解釋了。它可以作為量子實在的邏輯起點。
為什麼我們總是對量子實在感到困惑，因為我們總是想要把我們在基本感官尺度形成的認知模式推廣到這個尺度之外。實際上，這種推廣不僅在量子尺度不能成功，而且在宏觀的宇宙尺度，同樣沒有成功。因為按照廣義相對論，宇宙尺度的實在已經不能用三維歐氏幾何進行描述了。日常語言在宇宙尺度同樣失效了。
注釋
*基金項目：國家社會科學基金一般項目「量子現象的非實在論整體觀研究」（10BZX002）
【收稿日期】2009年12月30日
[1]原為計算機術語，指計算機出廠時的一些基本設置。北京大學劉華傑教授以此來比喻我們大多數人頭腦里所視為當然的基本的思想觀念，這些觀點基本上是中小學教育階段被建構出來的。
[2]關於惠勒之實在圖示的具體描述，亦請參考拙文《所見即所能見》。?
[3]這是惠勒用過的一幅漫畫，用來說明量子實在的困惑。?
[4]互補原理，另譯為並協原理。戈革先生取前者。但是他並不排斥後者。他認為二者各有缺陷，都不能完整地表達願意。並協一詞有生造之嫌，而互補容易被誤解，容易被庸俗化。本文從戈革先生譯法。
參考文獻
[1] 實驗的具體描述見：田松，延遲選擇實驗及其引發的實在問題，自然辯證法研究，2004年第5期。
[2] ohn A. Wheeler and Kenneth Ford, 1998, Geons, Black Holes and Quantum Foam, New York: W. W. Norton & Company. p.263
[3] 於實在與感官這一部分，我在另一篇文章中有相關的討論，參見：田松，所見即所能見——從惠勒的實在圖示看科學與認知模式的同構，哲學研究，2004年第2期。
[4] 林武德. 自然的觀念. 吳國盛，柯映紅譯. 北京：華夏出版社，1999. 25.
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[6] E. A. Burtt, The Metaphysical Foundations of Modern Science, New York, 1925, p.236. 轉引自丹皮爾.科學史：及其與哲學和宗教的關係.北京:商務印書館,1994.249.
[7] 森堡. 物理學與哲學. 范岱年譯. 北京：商務印書館，1999. 120-121.
[8] ohn A. Wheeler, At Home in the Universe, Springer, 1996. p.295.
[9]海森堡. 物理學和哲學. 范岱年譯. 北京：商務印書館，1999. 4.
[10]胡新和對經典實在與量子實在的差異有過很好的歸納，參見：胡新和. 現代物理學視野中的自然觀念. 自然哲學（第1輯）. 吳國盛主編. 北京：中國社會科學出版社，1994. 228-239.
[11] 吾倫教授在《生成哲學》中，對量子理論所引發的各種整體論見解做了詳盡的分析。參見金吾倫. 生成哲學. 保定：河北大學出版社，2000. 66-85.
[12] 戈革. 尼耳斯?玻爾和他的互補原理. 史情室文帚. 北京：中國工人出版社，1999. 463. 黑體為原文所有。
[13]戈革. 尼耳斯?玻爾和他的互補原理. 史情室文帚. 北京：中國工人出版社，1999. 470-471.
[14] 戈革. 尼耳斯?玻爾和他的互補原理. 史情室文帚. 北京：中國工人出版社，1999. 469. 黑體為原文所有。
[15] 參見：戈革. 尼耳斯?玻爾和他的互補原理. 史情室文帚. 北京：中國工人出版社，1999. 472. 黑體為原文所有。句中所引文字為D. Favrholdt語。
[16] 玻爾. 尼耳斯?玻爾集（第七卷）. 戈革譯. 北京：科學出版社，1998. 206.
[17] 玻爾. 尼耳斯?玻爾集（第七卷）. 戈革譯. 北京：科學出版社，1998. 204.
[18]田松.所見即所能見.哲學研究.2004(2).
誰來回答這麼個宏大的問題科學觀的起承轉合薩加德與認知科學面臨的七大挑戰我腦海中冒的好多「泡泡」希臘科學是值得效仿的成功典範嗎？
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