科学发现的逻辑 作者:波珀-第32部分
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出任意小的域△x。我们精确地知道这些粒子中每一个的动量。所以我们精确地知道在每一个未来时刻这群粒子将在哪里。（显然仅仅存在这样一群粒子并不与量子论发生矛盾；只是它的孤立的存在，即在物理上选择它的可能性，才与这理论有矛盾。）我们能够进行同样性质的与其他空间坐标有联系的想象选择。经物理选择的单色束在y和z方向上一定非常宽（在一个理想的单色束情况下无限宽），因为在这些方向，动量应该是精确选择的，即应该等于0；因此在这些方向上位置必定是伸展得很宽的。虽然如此，我们再可以集中注意于一条十分狭窄的部分射线。我们将又一次不仅知道每条射线每一个粒子的位置，而且知道它们的动量。因此我们将能够预测这条狭窄射线（可以说我们是在想象中选择它的）的每一个粒子它将在哪一点上用多少动量，撞击在一块挡着它轨迹的摄影底片上，当然我们能用经验（用前面的实验）检验这一点。
类似从一种特定类型的“纯例”中进行选择一样，想象选择也能从其他类型的聚合物中进行。例如，我们取一单色束，借助非常小的缝△y，从中进行物理选择（因此把仅根据前面例子的想象选择进行的物理选择作为我们的物理起点）。我们不知道哪些粒子在通过缝以后将转向哪一个方向；但是如果我们考虑某个确定的方向，我们就能精确计算出所有转向这特定方向的粒子的动量分量。因此，通过缝后朝某个确定方向传播的那些粒子又形成一个想象选择。我们也能预测它们的位置和它们的动量，或简言之它们的轨迹；并且把一张摄影底片放在它们的轨迹上我们又能检验我们的预测。
这个情况原则上与我们考虑过的第一个例子的情况，即根据它们在传播方向上的位置选择粒子一样（即使经验检验有点更加困难）。如果我们根据这个情况作出物理选择，那么由于动量距的增加不同的粒子将以不同的速度传播。因此这群粒子随着它的前进在x方向上将伸展一个日趋增大的域（波包将变得更宽）。于是我们可算出这些粒子（想象中选择的）群部分的动量，这些粒子在一定时刻将在x方向上的一定位置上：动量越大，选择的那部分群越靠前面（反之亦然）。用这个方法作出的预测的经验检验可用一个活动的带状电影片代替摄影底片来进行。由于我们对带上的每一点能够知道它接触电子冲击的时间，我们也能够对带上每一点预测冲击会以多少动量发生。我们可以检验这些预测，例如在活动带前面，或者也许在Geiger计数器前面插进一个滤光器（如光线则是滤光器；如电子则对射线方向形成直角的电场），接着根据方向进行选择，只允许那些具有某一最小动量的粒子通过。于是我们可以确定这些粒子在预测的时间实际上是否到达。
与这些检验有关的测量的精密度不受测不准关系的限制。我们已看到测不准关系本意主要应用于那些用作推演预测而不是用作检验预测的那些测量。那就是说它们本意应用于“预测性测量”，而又是“非预测性测量”。在第73和76节中我考察了这种“非预测性”测量的三种情况，即（a）两次位置测量，（b）测量动量后测量位置或（c）测量位置后测量动量。上面讨论的借助放在电影片前面的滤光器或Geiger计数器前面的测量就是（b）的实例，即根据动量选择后测定位置。这大概恰好是按照Heisenberg（参阅第73节）所说的允许“计算电子的过去”那种情况。因为虽然在（a）和（c）时只有计算两次测量之间的时间才是可能的，在（b）时则有可能计算第一次测量以前的轨迹，假如这种测量是根据一定动量进行选择的话。我们知道，Heisenberg对这种测量的“物理实在性”提出了疑问，因为它使我们仅能根据粒子到达某个精确测定的位置和精确测定的时间计算它的动量：这种测定似乎缺乏预测内容，因为不能从它推导出任何可检验的结论。然而我将把我的想象实验（意图证明有可能精确预测一个确定的粒子的位置和动量）立足于这个特定的测量安排上，这种安排乍看起来显然是非预测性的。
由于我就要从这类精密的“非预测性”测量是可能的这个假定推导出这些具有深远意义的结果，讨论这个假定的可允许性似是适宜的。
下面我用想象实验直接向Bohr和Heisenberg的论证方法挑战，他们曾用这种方法证明把Heisenberg公式解释为对可达到的精密度的限制是正确的。因为他们试图通过证明不可能设计任何想象实验来产生更精确的预测性测量来证明这种解释。但是这种论证方法显然不能排除这种可能性，即终有一天可设计出一种想象实验，（利用已知的物理效应和定律）证明这些测量毕竟是可能的。任何这类实验与量子论的形式体系发生矛盾已被认为理所当然，并且似乎这种思想决定了探索这些实验的方向。然而我的分析——落实我的纲领（1）和（2）点——显然已经扫清了设计一种想象实验的道路，这种实验完全符合量子论，证明所说的精密测量是可能的。
为了落实这个实验，我将如前一样利用“想象选择”；但我将选定这样一种安排，使得如果用这种选择表征的一个粒子实际存在着，我们就将能够确定这个事实。
我的实验在某种程走上形成一种pton－Simon和Bothe－Geiger实验的理想化。由于我们希望获得单个预测，我们不能仅使用统计学假定。必须使用能量和动量守恒的非统计学定律。我们可以利用这一事实：这些定律使我们能够计算出当粒子相撞时发生了什么，假如我们已知描述碰撞的四个量值（即碰撞前的动量a1和b1，和碰撞后的动量a2和b2）以及第三个量值的一个分量。（这种计算方法已知为pton效应理论的一部分。）
现在让我们设想下列的实验安排（见图3）：我们使两条粒子束交叉（其中一条至多是一条光线，而一条至多是电荷非中性），这两条粒子束在下列意义上都是纯例，即A束是单色的，即根据动量a1作的选择，而B束通过狭缝SL，从而接受根据位置作的物理选择。可设B粒子具有（绝对）动量b1。这两束的一些粒子相撞。我们现在设想两条窄的部分射线［A」和［B」，他们在P处相交。［A」的动量是已知的；它是a1。部分射线（B）的动量是可计算出来的，只要我们已经判明它某个确定的方向；设它为b1。现在我们选定方向PX。注意到碰撞后在PX方向传播的部分射线（A）的粒子，我们就能计算出它们的动量a2以及b2，即在它们与之碰撞的那些粒子碰撞后的动量。与以动量a2在P沿X方向偏转的［A］的每一个粒子相应必定有「B」的第二个粒子在P以动量b2沿可计算的方向PY偏转。我们现在置一仪器于X上——例如一架Geiger计数器或一卷活动的电影片——以记录粒子从P到达任意限制的区域X的冲击力。于是我们可以说：由于我们注意到关于一个粒子的这种记录，我们同时知道第二个粒子必定以动量b2从P向Y传播。并且我们根据纪录也知道这第二个粒子在一定时刻在什么地方；因为我们从第一个粒子冲击X的时间及从它的已知的速度，可计算出它在P点碰撞的动量。通过在Y处使用另一架Geiger计数器（或活动电影片），我们能够检验我们对第二个粒子的预测。
这些预测的精密度以及用来检验它们的测量的精密度，就位置坐标和在PY方向动量的分量来说，原则上不受测不准原理所致的任何限制。因为我的想象实验把对在P偏转的B粒子作出预测的精密度问题归结为在X测量时可达到的精密度问题。首先这些测量似是相应的第一个粒子「A」的时间、位置和动量的非预测性测量。这个粒子在PX方向的动量，以及它冲击X，即它在PS方向上位置的时间可以任何所需的精密度测量，如果我们在测量位置前设置一个电场或滤器在Geiger计数器前面进行动量选择的话。但是由于这样做的缘故，我们就能够以任何精密度作出关于在PY方向传播的B粒子的预测。
这种想象实验使我们有可能不仅看到能够作出精确的单个预测，而且看到在什么条件下能够出这种预测，或更确切地说，在什么条件下它们与量子论可以相容。仅当我们能够获得关于粒子状态（不能任意创造这种状态）的知识时，就能作出这些预测。因此可以说我们实际上是在事件之后获得我们的知识的，因为在我们获得知识时，粒子已经采取了它的运动状态。然而我们仍然能够利用这种知识从中演绎出可检验的预测。（例如如果所说的B粒子是，光子，我们能计算出它达到天狼星的时间。）到达X的粒子的冲击将在不规则的时间间隔内接连发生；这就是说，我们对之作出预测的部分射线B的粒子也将在不规则的时间间隔后接连发生。如果我们能通过例如使这些时间间隔成为均等来改变事情的这种状态，它就与量子论发生矛盾。因此可以说，我们能够瞄准和预先测定子弹的力量；我们也能（在子弹打中靶Y以前）计算出在P开枪的确切时间。然而我们不能自由选定开枪时刻，而不得不等待开枪。我们也不能防止（从P的领域）射向我们的靶的不受控制的射击。
很清楚，我们的实验和Heisenberg的解释是不相容的。但是由于进行这种实验的可能性可从量子物理学的统计学解释（加上能量和动量定律）中演绎出来，看来与这个实验矛盾的Heisenberg解释也必然同量子论的统计学解释发生矛盾。鉴于pton－Simon和Bothe－Geiger实验，看来进行我们的实验是可能的。可以把它看作为在Heisenberg的概念和量子论的前后一致的统计学解释之间判决的一种判决性实验。
78．非决定论的形而上学
自然科学家的任务是探索使他能够演绎出预测的定律。这个任务可分为两部分。一方面，他必须努力发现将使他能够演绎出单个预测的那些定律（“因果性”或“决定论”定律或“精确陈述”）。另一方面他必须努力提出关于概率的假说，即断言概率的定律，以演绎出频率预测。在这两项任务中没有任何东西使它们互不相容。显然情况并不是这样：只要我们作出精确陈述，我们就不会作出频率假说；因为我们已经看见，某些精确陈述是可以从频率假定中推导出来的宏观定律。情况也不是那样；只要在某一特定的领域内，频率陈述得到充分的确证，我们就要作出结论说，在这个领域内不可能作出精确陈述。这种情况是十分明显的。然而我们刚摈弃的两个结论中的第二个却一再得出。我们也一再遇到这样的信仰：在运气占支配地位的地方就排除规律性。我已在第69节批判地检查了这种信仰。
从科学发展的现状来判断，宏观和微观定律的二元论——我的意思是指我们都利用这两种定律这一事实——是不容易克服的。然而，逻辑上有可能的是把一切已知的精确陈述——通过把它们解释为宏观定律——还原为频率陈述。逆向还原是不可能的。我们在第70节已经看到，决不能从精确陈述中演绎出频率陈述。频率陈述需要自己的假定，这些假定必须是统计学的。概率只能从�
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