引言

1990年人类要庆祝量子论诞生九十周年纪念，量子论是由普朗克在绝对黑体光谱的著名论文中奠基的。过去的几十年令人信服地显示了量子论蕴藏的巨大创造力。它彻底改变了我们的物理实在观念，导致形成一些原则上新的科研标准，推动了科技进步的急剧加速。作为量子论基础的量子假说为现代的量子场世界图景的形成奠定了基础，迄今为止整个物理学都是在这个图景的轨道上成功迆发展的。本文的目的是分析一下在量子场世界图景不同发展阶段参与该图景形成的一些基本哲学思想，追究该图景在全部物理学知识发展中的作用。我们也将讨论这样一个问题，即量子场世界图景自身已经解决了还是它在一定时期内还面临作为新物理学理论形成的基础呢？

量子场世界图景原理的建立

临近19世纪末，物理学中形成了两个世界图景——力学图景和电动力学图景。按照由伽利略和牛顿奠基的力学图景，物质是由不可分的在绝对空间和绝对时间中按力学定律运动的粒子所组成。在由法拉第和麦克斯韦构建的电动力学图景框架中，物质被解释为由电荷所建立的连续的电磁场，同样，电荷乃是场的力线的交点。同时，力学世界观的支持者把场的性质归结为假说的以太（以太是由分布在真空中的微粒组成的）的机械应力的各种企图并未成功。电动力学的世界图景的地位在20世纪初爱因斯坦的狭义相对论建立之后更加巩固了。

一方面许多物理学家喜欢力学的世界图景，但另一方面，在事实的压力下必须也接受电动力学的世界图景。这种状况动摇了唯物主义传统并促成了实证主义的特殊变种——马赫哲学的出现。按照马赫哲学，除了我们的感觉，不存在任何别的实在，结果对科学可以要求的唯一东西不是寻求某种客观的现象基础，而只是使我们的思维经济地适应我们在自然现象的实验研究过程中产生的感觉。

这一哲学的个别原理，尤其是在其基础上形成的可观察性原理，被断定为在量子场世界图景的形成与量子力学的建立中起了重要的作用。

量子场世界图景第一个也是最重要的原理是1900年提出的普朗克的《初步的工作假说》，按这个假说，电磁能的发射与吸收不是像电动力学的世界图景中所接受的那样连续地进行，而是分离地，以某种“一份一份”的被普朗克叫做量子的方式进行的。这种假说当时看来极为荒诞，无论从力学还是从电动力学观点来看都是完全不理解的。然而在物理学发展的客观进程中有关电磁能发射吸收的间断性的观念得有可能把世界的粒子观念及场的观念进行某种综合。客观上“量子作用”概念开创了物理学发展的新阶段，为第三种物理世界图景（在力学图景与电动力学图景之后）的形成奠定了基础，正如不久对此所确定的，这个图景的基础是波粒二象性，它表达了连续性与非连续性之辩证的统一。

过了5年，1905年爱因斯坦发展了普朗克的假说，假定辐射本身是由某种“一份一份”后来所谓光子的光量子所组成，同时，爱因斯坦由于是电动力学图景的坚定支持者，完全不拒绝辐射的波动图景，并断言今后需要光的粒子观念与波动观念的某种综合。

普朗克与爱因靳坦关于电磁辐射是以一定的“份”——量子被吸收和辐射的观念使玻尔得到他著名的原子模型（1913年），这个模型的基本原理得到了出色的实验证实。

正如德布罗意所指出，在把看来不相容的关于可观察的物理现象的粒子观念与波动观念结合方面的困难，在二十世纪最初十年间促成了在物理学家中传播实证主义观点，按这种观点，物理学理论只是实验事实的形式描述，于是对理论的客观等价物的寻求就是没有意义的了。德布罗意坚决不同意这种看来废除客躧实在概念的学说。其实，由于遵照类似的唯物主义观点，他在1923年得出了“关于必须假设不仅光子，而且电子和其他实物粒子也存在波粒二重性的思想” 。

因此就奠定了关于物质与运动的量子场观念的基础，即建立了新的量子场世界图景的最早方案。

量子场世界图景最早方案的形成使得有可能建立最早的量子场论即开创了量子现象理论研究的第二个阶段。

在形成量子场世界图景最早方案时最复杂的问题是根据波粒二象性原理制订电子与其他物质粒子的观念。如何把粒子与波结合为一种方式？众多的物理学家此时一般都怀疑这种综合的可能性，甚至于否认作为客观实在的物质微粒，例如海森堡就断言：“物质最小的单位其实并不是物理客体……它们是形状、结构或柏拉图意义上的思想，只可以用数学的语言来谈论。”

海森堡遵照这种思想，不把物理学理论看作客观实在的反映，而是看作具有唯象特征的抽象理论，不引入除同实验资料直接相关以外的任何量。在这里实证主义学说对海森堡的影响表现得很明显。海森堡从类似的观念出发，在1925年用形式化的图表建立了第一个有条理性的量子理论，在这图表中，取代原子内电子坐标及速度而引入与可观察的光谱线频率及强度相关的特殊矩阵。1927年海森堡在这个理论的范围内得到了自己著名的“测不准关系式”，它反映了量子粒子在观察过程中同仪器的相互作用特点。实际上玻尔也同时表述了互补原理。

薛定谔从德布罗意引入到量子场世界图景中来的原理即微观粒子具有波动性的原理出发，在1926年制定了量子理论的又一个方案——波动力学。同海森堡相对立，薛定谔是从承认在实验可行性范围之外波动方式的客观实在出发的。按他的理论，物理世界最基本的实在是波，而粒子是派生的由波形成的。波适合于量子化的目的这一点也是重要的，因为波是以振动理论的已知方式同整数相联系的t，不过，对于有相互作用的粒子组成的系统来说，不得不在位形空间中引入多维波。所以薛定谔在表征这种波时指出“它们只是为了计算在一定条件下找到粒子几率的数学构造。”

由上述很清楚、量子场世界图景和最早的量子论的创立者们是从不同的、有时正相反的心理定向和哲学思想出发的。而如果说（由薛定谔所继续的）德布罗意的路线明显倾向于唯物主义，那么有着巨大成就的海森堡却利用的是个别的实证主义定向。不久就证明了海森堡的量子力学同薛定谔的波动力学是完全等价的，而建立理论的出发前提则牢固地进入了量子场世界图景的原理。从而再次证实了那初看起来有悖于常理的事实：被单独引用的哲学思想的成效与其说可以取决于被采用的思想所属的整个哲学体系，倒不如说取决于对当时最为迫切的客观存在与认识的各方面做恰当的剪裁（哪怕是以过分夸大的形式）。

玻恩在1926年给出的波函数的几率诠释也成了量子场世界图景在其发展第一阶段最重要的原理。在这个诠释的框架内得以认清薛定谔波的强度的涵义乃是在一定位置找到粒子的几率的量度并得以形成量子场世界图景固有的因果性与规律性新观念。

就这样，在作为建立量子力学的基础的量子场世界图景的第一种方案中，从波粒二象性方面形成了同力学图景和电动力学图景不同的物质客体及其联系的观念。但同时本着物理学家所习惯的旧观念特别是力学观念的精神，还保留了某些观念。例如，还保留了力学的时空观念，尽管提出电动力学时空观念的相对论已经建立。可以说，在量子力学形成过程中科学家自发地遵照了新的量子场世界图景。他们简单地否认某些旧观念，提出新观念，遵照自己的猜测或援引随便什么哲学思想，同时懂得：一些思想有助于发展我们的知识，而另一些则起妨碍作用。

量子场世界图景发展的第二阶段和量子电动力学的建立

从二十世纪20年代末到30年代初开始了量子场世界图景发展的第二个阶段，在这个阶段大大地扩展了这图景所固有的物质与运动观念，同时引入量子场图景的还有电动力学图景早些时制订的时空观念。

在这方面决定性的一步是狄拉克迈出的，他在1928年提出了著名的方程，这个方程不同于薛定谔方程，有相对论性的不变性。狄拉克的量子电动力学的最新组成部分就是预言反粒子的存在（不久为实验上发现正电子所证实），它极大地扩大了量子场的物质观念。从那时起在量子场世界图景框架内每个粒子都有相应的反粒子相并列。

1932年量子的物质观念随着不稳定粒子一一中子（它在核衰变时可以转变为电子质子对）的发现而得到进一步的发展。因而量子场图景为基本粒子相互转化的思想所补充。同时，与描述具有可变粒子数的系统的必要性相关联，制订了二次量子化形式系统并建立了量子场论的数学图。不过将其应用于实际过程时在大多数场合得到了没有直接物理意义的无限大的结果。在量子理论中首次产生了发散性问题。

三十年代在量子场图景中在物质与运动的观念方面新的原理一个接一个出现了。泡利提出了存在中微子的假说，汤川秀树从理论上预言了介子的存在。以后提出了存在具有不寻常全新性质和关系的越来越新的粒子的假说。

根据这种广义的物质与运动观念，开始有可能描述较为复杂的量子场现象，特别是对于由N个粒子组成的系统。同时，按粒子的自旋，依赖全部粒子坐标的波函数可以是对称的或反对称的，在前一场合粒子叫做玻色子，它们服从玻色 - 爱因斯坦统计，在后一场合粒子叫做费米子，它们服从费米 - 狄拉克统计。

40年代末确定：在具有很高能量的粒子碰撞时可以出现新的质量超过互撞粒子的静止质量的粒子。因此物理学家开始谈论能量向物质的转化。同时粒子的“分割”概念失去了自己的涵义。被认为是“简单的”基本粒子可以经历相互转化，尤其是具有大能量的“较小的”粒子可以转化为“较大的”粒子。

况且量子性粒子的观念同波函数的统计诠释相关而更加复杂化了。特别是应该认为时空坐标概念不属于粒子本身，而属于“粒子加上（用来测量坐标的）经典仪器”这一系统。与此有关，海森堡声称：现代物理学的粒子不是物质客体，而是“对称群观念……粒子类似于柏拉图学说的对称物体”。

在五十年代初完成的费因曼与施温格的量子电动力学中，粒子的运动可以通过大量的轨道来描述，每一个轨道都由一定的几率振幅来表征。得到：粒子以某种令人费解的方式同时按所有可能的轨道运动。如果仍然认为粒子是按某一个轨道运动的话，那么这个轨道原则上是不可观察的。

只是在量子场世界图景中引入更广泛的相互联系与相互作用观念之后，才开始有可能根据量子场论来建立电磁现象的彻底的量子理论。按新的观念，任何相互作用是通过发射与吸收中间粒子（所谓虚粒子）来实现的，中间粒子的能量与寿命彼此间是以海森堡的测不准关系相联系的。并且，虽然这些粒子不能在实验中被观察到，但借助它们得以建立简单而主要是直观的模型，它揭示一个量子客体对另一个量子客体作用的内部机制。

并非不重要的还有在量子场图景中物质观念的一种扩大，它同无粒子状态的量子场（获得了物理真空的名称）概念相联系。同时真空开始不是被看作绝对虚空，而是看作能够产生任何实在粒子的虚粒子的海洋，尽管电磁场在真空中的平均值等于零，但真空还是具有物理实在最基本形式的地位，这种形式隐含着所有可能的实在的物质客体。量子性粒子彼此间的相互作用可以排除，例如在把这些粒子移开到彼此相隔很远的距离之后。但粒子同真空的相互作用是不可能隔断的。与此相关，量子电动力学的创立者们首次意识到在同任何东西都毫无相互作用的“裸”粒子（三十年代的初等量子场论所涉及的）及参与相互作用的所谓“穿服装的”粒子之间有着深刻的区别。在量子场世界图景中引入这一区别便能表述重正化的程序，即减去了早些时候在计算各种不同过程几率时所得到的无限大。如此扩展量子场世界图景便有可能完成建立第一个彻底的量子场论——量子电动力学的工作，这个理论后来在实验上以极高的精确性得到了证实。

量子场世界图景发展的第三阶段和统一的规范理论的建立

临近二十世纪中期已发现几十种基本粒子及其之间的四种基本相互作用：强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。量子电动力学创建以后，全世界的物理学家立即顽强地试图根据同量？电动力学的类比并在同样的概念基础上，建立弱相互作用与强相互作用的理论。不过所有这些企图好长时间都是以不成功告终，因为以这种方式所得到的理论包含了用标准方法不可消除的无限大，即原来是不可重正化的。量子场世界图景的内容显然还缺少某个重要环节，没有这个环节，最好的理论家的最精明的努力也是徒劳，而他们所致力的问题本身则得到了不可解的名声。

在建立弱相互作用与强相互作用的量子场论方面一连串失败给了许多权威作者以理由断言：量子场世界图景本身到头了，进一步发展理论只可能根据某种原则上新的“疯狂的”思想这种一般都认为是死胡同的方面，诸如公理体系、散射矩阵解析性质的研究、靴襻理论等等开始得到积极的发展。几十种模型唯象论和半经验的方法呈现百花盛开的局面。不过抛弃量子场图景为时尚早，它取得新胜利的时期快到了。

在这方面迈出决定性一步的是海森堡。他从五十年代中期开始顽强地发展物理真空的新观念，其基础就是假设物理真空对于自然界中各种破缺的对称性是没有不变性的。在哲学史上类似的观念起源于古代中国和印度的许多思想家。在科尔曼和戈德斯通的工作之后，海森堡的思想得到了严格的科学证明。在量子场图景中产生了真空凝聚器的概念，即具有不同于零的量子场平均值的真空态。真空同时还在更大程度上具有复杂物质系统的性质，尤其是其（可观察的）能量密度变得不同于零。对真空概念如此急进的丰富实际上意味着物质观念在量子场图景中新的扩大，并为建立新的量子场论创造了必要的基础。

第一个这样的理论是1967年建立的温伯格 - 格拉肖 - 萨拉姆的弱电相互作用统一理论。这个理论在统一的定标基础上描述弱相互作用与电磁相互作用，在这个理论框架内，真空平均值和零的差别是同位旋量子场的一个分量。通过这个平均来表达中间矢量玻色子和费米子的质量，中间矢量坡色子乃是（类似电动力学中的光子）相互作用的媒介。同时，理论的可重正化性恰恰得到由下的保证：粒子的质量不是从外部给出，而是取决于真空状态的特殊性质（在该场合取决于非零同位旋的存在）。

临近七十年代末在类似的基础上建立了强相互作用的规范理论——量子色动力学，在该理论框架内强相互作用的粒子（强子）被假定为由彼此间被无质量的矢性粒子——胶子联系的色夸克所组成。对我们来说，最?要的是指出：理论的可重正化性在这里是依靠在真空态中夸克 - 反夸克冷凝液的存在来达到的。所以，若没有量子场图景中真空观念的预先扩大，诸如物理实在的最基本形式，建立量子色动力学就未必是可能的。

认七十年代中期起开始积极地企图建立弱电与强相互作用的统一的规范理论。被取名为大统一的这种理论的若干方案已经提出而对量子场世界图景并没有本质上新的扩充。不过，由于某些未解决的理论问题，以及同质子寿命的实验资料相矛盾，这些方案中到目前为止一个也未能被承认为完全令人满意。

量子场世界图景：以后究竟会怎样？

在八十年代重又观察到物理学理论的发展有一定的减慢。尽管有了十多年的努力，迄今为止仍没有完全可以接受的大统一纲要，未能建立引力场的彻底的量子理论。发表了几千篇关于超对称（即把各种自旋的粒子彼此联系起来的新型的对称）理论的科学论文。对定域超对称（起名为超引力）予以了非常的注意，与此相关的是寄希望于超统一，即所有四种基本相互作用的统一的量子场论。不过，这些理论的预言同实验很少有共同之处。

对科学的哲学方法论分析不应只局限于确认事情的现状或对以前发展的全部细微差别加以分类。并非不重要的是它的预测功能，显示对未来的可能抉择，制订启发式的想法，这些对于实际从事科学的专家可以说是有益的。

本着这种关系可以对量子场世界图景的未来说些什么呢？它自身已到头了吗？或者我们就处在它发展的新的第四阶段的门口吗？如果后一假设真是对的话，那么这个新阶段会是个什么样的阶段呢？什么样的哲学思想可以加速它的到来呢？

在量子场的物质与运动，因果性与规律性观念的同时，保留着从以前的物理世界图景借用来的相对论的时空观念。据我们看，在建立总结性的能解决现代物理学基本问题的量子场论方面的基本困难就在于此。

沿着上而指出的方向已迈出了几步。在超引力中基本粒子的时空自由度与内部自由议在有着复杂几何性质的统一的多维流形内是相互联系的。卡鲁察 - 克莱因型的超对称场论设想：时空的真实维数大于四维，并且“多余的”维数“自然紧致”，即形成具有普朗克尺度级大小的封闭流形。更为急进的假设是在超弦理论中提出的，在低能情况下这个理论就转变为时空维数等于10的超引力理论。

这些理论图式中不论是什么样的，是否表达了同其他可能性的竞争而且是否将成为一个总结性的量子场论以结束根据量子场世界图景来发展科学的漫长时期呢？对这个问题，只有一个涵义的回答目前还没有。不管怎样，时空形式与关系的多样性原理不断扩充着现代的量子场世界图景，已经在理论物理学家的工作室里起作用，而只有科学未来的发展才会表明这个原理将带来怎样的成果。