從“波粒二象性”看庫恩范式與科學革命

摘要：“波粒二象性”是一種物質既具有波動性又具有微粒性的特殊性質，最早由愛因斯坦在光量子假說中提出，后由德布羅意推廣到電子及其他微粒。庫恩提出范式理論，指出范式形成后科學即進入常規科學階段，這一階段只關注解決難題;范式具有不相容性和不可通約性，當范式無法回答的問題增多則危機產生，新范式會取代舊范式，這一過程就是庫恩所說的科學革命。光的波動說與微粒說經過長期的爭論走向“波粒二象性”以及量子力學下“場”的解釋，這一范式轉換大體上符合庫恩的科學革命模式，但其理論仍然存在過于絕對、有非理性嫌疑等問題。對于“不可通約性”是否過于絕對的質疑，庫恩本人在后期論文中做了部分回應;而其非理性之嫌也可借助量變質變和“理性直覺”等理論予以辯護。

關鍵詞：波粒二象性;庫恩;范式;科學革命

中圖分類號：N01文獻標識碼：A文章編號：2095-6916（2021）01-0149-03

美國科學史家、科學哲學家托馬斯·庫恩（1922—1996年，以下簡稱庫恩），其哲學思想涉及科學史、科學哲學等方面，著有《科學革命的結構》（以下簡稱《結構》）《必要的張力》等作品，其中《結構》提出了以“范式”為核心的科學發展模式，開啟了科學哲學的歷史主義潮流，對學術界有較大影響。

一、庫恩的范式、常規科學與科學革命

庫恩的科學哲學理論很大程度上建立在對科學史的研究基礎上。受到柯瓦雷等學者和對史學研究方法深入了解的影響，他認為科學發展的歷史不是理論和方法的單純堆棧，科學累積發展觀將難以完成科學史的編纂任務。同時，他指出科學教科書的表述往往讓人認為科學的發展是由科學家不斷添加實驗、理論、事件等內容而累積搭建而成的，從而會忽略每一種科學事實被發現的時代背景，這對于科學史研究有著負面影響。庫恩從而主張科學史要關注每一個即使是已被淘汰的科學事實“在其盛行時代的歷史整體性”也即其時代和科學發展特性。

受到這樣的科學史觀點影響，庫恩提出了獨特的范式理論，并在此基礎上區分科學發展的常規時期和危機時期，對科學革命的本質進行了論證。

（一）范式的形成

根據庫恩《結構》第二章內容，可以將其“范式”概念概括為能夠吸引一批堅定擁護者并使其脫離其它競爭模式、同時為擁護者留下無限待解決問題的公認的模型。在日文版的后記中，庫恩補充說明了范式的兩種意義：一是某一特定共同體的成員共有的信念、價值、技術等的整體，二是這一整體的其中一種元素或對具體問題的解答。

在一個普遍范式形成之前，科學的某一領域內往往有許多位科學家秉持著對該領域基本概念和相關問題各不相同的解釋，這時的信息搜集行為是隨機而無目的的;范式并不先于科學研究，而是在科學研究的早期過程中形成——某一學派通過自身取得的、優于其他對手的成就獲得一定規模的認可，從而形成一個公共范式指導下的“科學共同體”——并能夠為這個“科學共同體”提供無需懷疑的基本理念和應當研究的問題，大大提高共同體科學研究的效率及有效性。

（二）常規科學

第一個范式的形成及其為“科學共同體”成員帶來的對相同規則的認可是庫恩所謂“常規科學”的先決條件。

庫恩將常規科學定義為范式驅動下的“掃尾工作”，它包括尋找更加精確地揭示事物本質的方法、推動科學理論與事實的一致性的證明、闡明范式理論并使其更清楚明晰等事實問題和相對應的理論問題。庫恩主張，常規科學階段的目的不在于發現新事物、產生新理論，而在于解決范式提供的“謎”——即不一定有內在價值但一定有至少一個解的問題，拓展范式所能夠應用的范圍及精確度。

（三）范式的特性

1.不相容性

庫恩借助牛頓理論和愛因斯坦理論的例子，論證范式間的不相容性：部分學者通過牛頓力學的成功應用，以及借助相對論對牛頓力學的結果證明可推出牛頓力學是相對論的一個特例等理由，說明牛頓理論依然能夠得到支持，庫恩對其觀點一一進行了反駁——科學史上已被廢棄的科學理論依然能夠在許多現象的解釋中得到成功應用，但對于理論未解釋的現象，這種方式會限制其做出推斷，那么科學研究再也不能開展了;而若用相對論的概念和理論推導出牛頓力學，則所推導出的理論依然屬于相對論而非牛頓力學——因其所使用的依然是相對論中的概念、變量等等。由此，新舊兩種范式“所描述的宇宙體系的基本構成要素”不同，范式間是不能夠相容的，在接受新范式前必須承認舊范式的錯誤。

2.不可通約性

庫恩所主張的范式的不可通約性主要表現在兩方面：一是不同的尤其是相競爭的范式對于所需解決的問題有不同看法，例如牛頓主張不需回答萬有引力問題，而拉瓦錫禁止詢問金屬相像的問題;二是新范式所繼承的舊范式的語匯、概念等的內在意涵是不一致的，需要整個“概念網絡”的完全轉換。庫恩進一步說明，新舊范式的支持者實際上存在于“不同的世界中”，由其自身立場出發所看到的東西是不同的。

（四）科學革命

當一個范式在研究過程中所面臨的無法回答的問題越來越多，共同體成員為解決這些問題而對原有理論作出的變形越來越多，范式的危機即產生。范式對危機的應對有以下三種可能：常規科學解決了引發危機的問題、問題被擱置、新的能夠解決問題的范式候補者終結了危機（即替代了原有范式）。危機常常會導致現有范式的競爭范式同樣激增，而當更加有效、精確、簡潔的競爭范式成熟并為人接受，競爭范式即取代原有范式?？茖W家面對危機不會單純拒斥所在共同體的原有范式，而總是伴隨著對新范式的接受。

新范式取代舊范式的過程就是科學革命。庫恩將科學革命的本質解讀為一種新范式取代舊范式的非累積性事件，只有當事研究者對這個事件擁有“革命”的感覺。新范式為人所接受必須滿足以下條件：有解決大部分已被回答問題的能力且可以解決導致舊范式陷入危機的問題，能夠預言舊范式不曾預料到的現象，以及部分出于美學的考慮。革命的結果必然是科學的進步。

二、“波粒二象性”及其范式視角

“波粒二象性”是指一種物質既具有波動性又具有微粒性的特殊性質，最早由愛因斯坦在光量子假說中提出，后由德布羅意推廣到電子及其它微粒。

（一）從波或粒子到二象性

1.微粒說與波動說

在光學發展史中，光的微粒說和波動說的爭論經久不息。

牛頓認為光是一束通過空間高速前進的粒子流而堅決反對波動說，他為了解釋將凸透鏡放在平板玻璃上所形成的“牛頓環”，提出了復雜的“陣發的長度”等解釋——而這實際上可以借助波動說做出簡潔的說明;牛頓由于其自身權威勝過了更具有優勢的惠更斯的波動說，并使光的本質問題被擱置了近一個世紀。

惠更斯吸收胡克“光是一種振動”的思想，結合羅邁對木星衛星蝕觀測中得到光速有限的結論，提出光是發光體中微粒的振動在以太中傳播的過程，是以球面波形式傳播的，但他的理論不能解釋光的偏振、干涉和衍射現象。托馬斯·楊通過著名的“雙縫干涉實驗”——使一個光源通過兩條相互平行的狹縫，其投射在屏幕上產生了相間的亮紋和暗紋——說明通過狹縫后的兩個光源發生了相消干涉，成功解釋了干涉現象。菲涅爾繼承托馬斯·楊后期提出的橫波觀念，成功解釋了光的偏振和衍射現象。麥克斯韋整合電磁現象為單一理論，由其理論預測出的電磁波傳遞速率與當時已測得的光速相等，他預言光也是一種電磁波，并于之后由赫茲的實驗得到證實。光的波動說逐漸占據上風。

普朗克將電磁輻射能量量子化，愛因斯坦對將光束照射在金屬表面使其發射出電子的光電效應作出解釋，而麥克斯韋方程組無法解釋這兩個理論。光的微粒說不得不被同樣接納，物理學者被迫接受了光的“波粒二象性”。

2.范式下的“波粒二象性”

光的微粒說與波動說的爭論從宏觀角度來看實質上是在同一個物理學范式——經典力學統攝下對同一個問題的不同回答，而從光學的不同范式角度來看，則是兩個競爭范式的長期斗爭：兩種學說的擁護者在各自范式信念、概念的指引下尋求光的屬性問題的回答。當其中一個范式能夠更好地回答需要解決的問題、所獲得的研究成就被更多人接受——例如菲涅爾對光偏振現象和衍射現象的優秀解釋令多數物理學者接受后——則該范式所指導下的科學共同體進入常規科學階段，對“光是一種波動”的信念毫不懷疑地堅持而去研究進一步的問題;但當光的波動說無法回答的問題越來越多——包括普朗克提出的黑體輻射量子化和愛因斯坦發現的光電效應等——而其競爭范式能夠對這些問題作出更好的解釋并獲得更多人的接受，則范式的更替發生。同時，“波粒二象性”范式與先前的波動說、微粒說范式具有顯著的庫恩所言的不可通約性：它們所使用的波動性、粒子性等概念是從經典物理學即宏觀物理中借用的，這些概念在微觀世界中的意涵與在宏觀世界中有本質差異。

但庫恩的不可通約性在光學范式向“波粒二象性”的更替中有過于絕對之嫌：首先，雖然概念意涵有本質不同，但微觀世界中的概念既然借用于宏觀世界中，則對這些概念的定義是必然參考了宏觀世界解釋的——否則何來借用概念的必要呢？科學家完全可以創造新的概念語匯。其次，這種更替并不具有庫恩所描述的科學革命普遍性的特點——并不是光的微粒說直接取代波動說，而是二者相結合，以一種“各取其半”的畸形姿態共同組成了新的光學范式即“波粒二象性”范式。而從這一角度來看，也可說光學范式的這一次更替是具有累積性的——即在原有的波動說理論基礎上補充加入部分微粒說理論，是理論按照發現順序進行積累的行為。并且，“波粒二象性”對舊范式概念的借用和研究方法的繼承并不符合范式間不相容性的特點。

（二）范式轉換：場的激發

1.量子力學下的光

若以極其微弱的光和極短的曝光時間進行場的雙縫實驗，屏幕上所得到的將是沒有干涉痕跡而只有若干小撞擊點的圖像。近代量子力學對這種現象提出了比“光的波粒二象性”更加簡潔而令人信服的解釋：光既不是粒子也不是波，穿過兩條狹縫的實際上是一個“量子化的電磁場”，場的一部分在穿過狹縫后與屏幕相遇，并將一個能量量子交給屏幕——也可以說是穿過狹縫的延展的場坍縮為一個點。

2.范式下的電磁場

由光具有波動性或微粒性到光是電磁場的解釋轉變，既是細分領域內光學范式的更替，也展示著物理學整體范式的轉換——由經典物理學到近代量子力學的轉換。這樣的轉換無疑是一場科學革命。

庫恩認為，新范式的產生“都是一下子突現出來的”，往往由受到傳統規則束縛較少的年輕人建立，并將新范式的發明說成是“云翳頓開”“靈光閃現”，將科學家接受新范式說成是如同信仰“改宗”一般嚴酷而痛苦的行為，從而大大削減了科學研究的理性光芒。而其所主張的不可通約性，也為科學家舍棄舊范式選擇新范式的行為增添了非理性成分——既然范式間不可通約，則沒有一種更高層級的標準用于比較兩種范式孰優孰劣，那么科學家為何選擇新范式？庫恩認為是出于對前景的展望或說對新范式的信心——這種信心似乎并沒有足夠的理性思辨基礎，更多的是一種情感投射。

三、對質疑的可能辯護

（一）庫恩本人的辯護

對于上面從光的波動性、微粒性向“波粒二象性”的范式轉換的質疑，能夠從《結構》文中找到可能的辯護：庫恩雖然作出“物理光學的這些范式轉變（指由牛頓的微粒說到托馬斯·楊、菲涅爾的波動說再到兼具波動性和微粒性的量子力學實體說），就是科學革命”的論斷，但在再次論及時，庫恩將光“被認為‘有時是波而有時是粒子”的時期歸為光學的危機時期，而直到證明光是非波也非粒子的“自我一致的實體”后危機才結束——即量子力學新范式帶來新的常規科學階段。若采取后一種說法，則范式的轉換僅僅指宏觀層面的物理學范式轉換而不指稱細分領域的學派更替，如此則針對這一“范式轉換”的質疑均可被辯護。

此外，庫恩在《結構》一書出版后以論文形式對該書受到的責難進行辯護，同時增補原內容，其辯護中占較大比重的一點即是對“不可通約性”的詳細說明。他在《可通約性、可比較性、可交流性》中再次明確，“不可通約性”是指一個理論的科學術語不能完全由另一理論的術語來定義，其意義往往隨理論改變;他進一步點明，試圖將原有科學理論的語言翻譯成現代語言的行動一定會失敗——這是因為“翻譯”和“解釋”是兩個不同的階段，單純的翻譯并不能把例如十八世紀化學中“燃素”“原志”等術語轉變為現代術語，因為現代化學證明這些物質并不存在，而即使是在十八世紀和二十世紀化學術語中均包含的“元素”一詞，其意義也是不一致的;要解決通約性問題，必須進行第二步即“解釋”，從而點明它們的意義和用法。

（二）對庫恩非理性主張的可能辯護

庫恩科學革命突然發生的觀點，可以受到量變與質變理論的合理辯護：科學研究量的積累是非表面、不明顯的，而只有當其積累到一定的程度，才會產生質的飛躍;而如果只關注科學革命的表現即質變的部分，則科學革命確實看似是“突現出來的”，連續的量變和斷續的質變的發展模式同樣是符合理性的。

對新范式產生的直覺論和科學家選擇新范式的信心論，我們同樣能夠提出辯護：直覺并不一定與理性對立，“理性直覺”是直覺哲學上的分類之一，指主體對思維對象的觀念統攝或者對其本質與規律的整體把握;直覺在科學研究中往往表現為創造性，斯賓諾莎甚至認為直覺是理性能力的最高表現，而愛因斯坦認為科學發展中“以經驗為基礎的直覺”能夠起到重要的作用。庫恩所說科學家對新范式（不參考已獲成果）的信心與此相似也絕非是未經理性思考的結果，而更偏向于是結合自身的研究經驗所做出的直覺判斷。

參考文獻：

[1]托馬斯·庫恩.科學革命的結構[M].金吾倫，胡新和，譯.北京：北京大學出版社，2003.

[2]庫恩.結構之后的路[M].邱慧，譯.北京：北京大學出版社，2012.

[3]霍布森.物理學的概念與文化素養[M].第四版翻譯版.秦克誠，劉培森，周國榮，譯.北京：高等教育出版社，2008.

[4]喬治·伽莫夫.物理學發展史[M].高士圻，譯.北京：商務印書館，1981.

[5]方玉田，邢永忠.試論波粒二象性[J].寶雞文理學院學報（自然科學版），1995（3）.

作者簡介：明風飛揚（1999—），女，漢族，山西夏縣人，單位為北京師范大學哲學學院，研究方向為科學哲學。

（責任編輯：馬雙）