决定论与非决定论的物理学基础以及逻辑刻画方

自然科学的发展必然会使得人类对世界的认识有所改变。也正因如此，很多自然科学门类都分别成为了哲学领域中不同哲学问题的科学基础。本文所要讨论的就是决定论与非决定论的物理学基础问题，说明物理学，准确地说是力学中的不同分支是如何成为决定论或者非决定论的自然科学基础的。在此基础上，文本还将进一步使用逻辑学中的方法说明决定论与非决定论的简单刻画方法。

一、经典力学与决定论

经典力学作为力学中的一个分支，以宏观世界中物体的低速运动为其研究对象。而当代的经典力学则建立在牛顿的如下三条运动定律的基础上：（1）如果物体处于静止状态或者匀速直线运动状态的话，那么在没有外力作用的条件下，该物体将保持静止状态或者匀速直线运动状态；（2）物体的加速度与其所受的外力成正比，与其质量成反比；（3）任意两个物体的（处于同一直线上的）相互作用力总是大小相等、方向相反的，且这种相互作用力同时出现或者消失。牛顿在《自然哲学的数学原理》中不但阐述了如上的三条运动定律，还提出了惯性定律、加速度定律以及作用与反作用定律。应用这些基本定律就能通过数学的方法准确计算以及预测物体的运动轨迹。因此，人们开始相信在充分收集、分析已有数据以及对经典力学有足够了解的基础上，任何事物的任何变动都是可被预见的，因为这种变动本就是被现有数据和经典力学中的各种结论所决定的。这种认识必然会导致哲学上的决定论思想，决定论的适用范围也不断从物体位置的变化扩展到人类的认知、行动等其他领域。因此，决定论者得出如下结论，即无论是我们所处的客观世界还是人类自身都完全是由经典力学所支配的。

在逻辑学上，这种决定论观点可以用线性时间逻辑来刻画。如图1中，使用由时间点所构成的线性序表示确定的世界，使用严格偏序关系“＜”表示不同时间点之间的时间先后关系，这种机械决定论观点可被简单刻画如下：对任意的时间点m、n，如果令m＜n表示m早于n，m=n表示m与n为同一时间点，那么m＜n或者n＜m或者m=n。

通过如上所述的这两个线性时间逻辑中的简单性质，我们可以看到，如果将世界中的事件抽象化为时间点的话，那么线性时间逻辑所刻画的世界不承认不确定性，其将客观世界刻画为一条直线，任意事件或者物体的未来都只有一种方向，不会存在其他的可能性。

二、量子力学与非决定论

在19世纪末，由于经典力学在现实生活中的巨大实用性使得人们普遍认为经典物理学已基本形成。但是如下的两个问题却不能利用经典力学得到令人满意的答案：（1）如何解释或者预测微观量子运动的问题；（2）如何解释或者预测宇观世界中物体运动的问题。[1]正因经典力学无法准确解释如上的两个问题，所以人们才由此开始逐渐认识到，经典力学在其适用范围上是有局限性的。而微观世界或者宇观世界中的物体运动问题，则分别被量子力学以及相对论理论所刻画。作为力学理论的一个分支，量子力学以电子、原子等微观粒子的运动为其研究对象。该理论的出现和发展则是源自于对光本质的争论。对光本质的研究开始于17世纪，17世纪末惠更斯提出了光的波动学说，而以牛顿为代表的另一学派则认为光是由极小的微粒，即光子所构成的。在经典力学的范畴内，这两种理论之间存在如下的问题：（1）两种理论的结论是相悖的；（2）两种理论的结论都可被某一些物理实验所证实。这两个问题在普朗克于1900年发表的关于黑体辐射的论文中被解决，这篇论文提出了量子的假设并以此为基础说明无论光的波动性理论还是光的粒子性理论都不能单独地解释光的本质问题。可以说，普朗克在这篇论文中摆脱了经典力学的束缚，在构建量子力学理论的基础上说明了光的波粒二象性。在量子力学初步建立的基础上，1925年海森堡又进一步提出了有关微观粒子的（海森堡）测不准原理，指出量子系统中任一粒子的位置和动量不可被同时测定。这是因为微观粒子并不是观察者直观可见的物体，所以对微观粒子位置的测量或者观察必然要借助于某种设备来进行，而这种测量则会扰乱微观粒子的动量；与此相似，对微观粒子动量的测量同样也会影响其位置。而且这种观察者在观察微观粒子过程中所施加的影响作用又是不可避免的，因此观察者无法确定预知任一微观粒子下一刻所处的位置或者动量，即使能够得到某种观察数据，该数据也是不准确的。[2]海森堡测不准原理的出现，使得人们开始不断反思决定论的观点，并重新审视非决定论理论。因为对力学理论的了解和物体相关数据的掌握并不能帮助我们确定该物体下一刻的位置以及动量。

文章来源：《力学季刊》 网址: http://www.lxjkzz.cn/qikandaodu/2021/0506/540.html