原子理论和描述自然所依据的基本原理
通过我们感官的媒介而体验到的那些自然现象，常常显得是极为多样化和极为不稳定的。为了解释这一点，从很早的时候就曾经假设：现象是由很多微小粒子即所谓原子的联合作用及相互作用所引起的，而这些微小粒子本身则是不变的和稳定的，但是，因为它们很小，所以它们是不能被直接感知的。在超出我们感官所及的领域中要求形象化的图景是否合理，这是一个根本性的问题；完全撇开这个问题不谈，原子理论在起先也必然带有假说的性质；而且，人们曾经相信，由于事物的本性如此，直接洞察原子世界将永远是不可能的；既然如此，人们就必须假设原子理论将永远保持上述性质了。然而，曾在很多其他领域中发生过的事情也在这儿发生了；由于观察技术的发展，可能观察的界限不断地被改动了。我们只要想想借助于望远镜和分光镜而得到的对宇宙结构的洞察，或是想想利用显微镜而得到的关于机体精细结构的知识也就够了。同样，实验物理学方法的非凡发展，已经使我们知道了很多的现象；这些现象用一种直接的方式对我们报道了原子的运动和原子的数目。我们甚至知道了一些现象，它们肯定地可以假设为起源于一个单独原子的作用甚至是起源于原子的一部分的作用。然而，就在关于原子实在性的每一怀疑都已经被排除而且我们甚至已经得到了有关原子内部结构的一种细致知识的同时，我们却已经受到很有教益的提示来想到我们知觉形式的自然界限了。我在这儿所要描绘的，正是这种独特的形势。
时间不允许我对这儿所谈的我们经验的非凡扩展进行详细的描述；这种扩展是用阴极射线、伦琴射线及放射性物质的发现来表征的。我只准备对大家提一提我们通过这些发现所得到的原子图景的主要特点。带有负电的粒于，所谓电子，因为受到一个重得多的带正电的原子核的吸引而被保持在原子中；这种电子是一切原子的公共组成。原子核的质量决定着元素的原子量，但在其他方面却对物质的属性影响很小；这些物质属性主要是依赖于原子核的电荷的，撇开正负号不谈，这一电荷永远等于电子电荷的整数倍。现在已经证实，确定着中性原子中到底有多少个电子的这一整数，恰恰就是确定着元素在所谓自然系（natura1system，按即周期系——译者）中的位置的那一原子序数；在自然系中，各元素的物理属性和化学属性方面的独特关系被如此适当地表示了出来。关于原子序数的这一诠释，可以说代表着解决下述问题的一个重要步骤；这一问题长期以来就是自然科学的最大胆的梦想之一：根据纯数的考虑来建立对于自然规律的理解。
上述的发展肯定已经在原子理论的基本概念中引起了某种变化。现在已经不再假设原子是不可改变的而却假设原子的各部分是永恒的了。特别说来，元素的巨大稳定性依赖于这样一件事实：原子核不会受到通常的物理影响及化学影响的作用，这些影响只能引起原子中电子的键合的变化。我们的一切经验都加强了关于电子永恒性的假设，但是我们知道，原子核的稳定性是有较大局限性的。事实上，从放射性元素发出的奇特辐射，给我们提供了原子核破裂的直接证据；在破裂过程中，电子或带正电的核粒子会以很大的能量被射出。就我们根据一切证据所能判断的来看，这种蜕变现象是在没有任何外因的情况下发生的。如果我们有一定数目的镭原子，则我们只能说，其中某一百分数的原子在下一秒中发生破裂的几率是确定的。我们以后还会回到这儿所遇到的因果描述方式的这种独特失败；这种失败是和我们对原子现象的描述的基本特点有着密切联系的。在这儿，我只想提到卢瑟福的重要发现；那就是，在某些情况下，可以由外界的影响引起原子核的破裂。我们大家都知道，卢瑟福成功地证明，某些在其他方面为稳定的元素，当它们的原子核被从放射性核中发出的粒子所击中时，它们的原子核就可能分裂开来。这种人工控制下的元素擅变的第一个实例，可以说标志了自然科学史中的一个阶段并打开了一个全新的物理学领域，即原子核内部的探索。然而，我并不准备详细叙述这一新领域所开辟的那些前景，而只准备讨论讨论一般的知识；这种知识是通过依据上述原子结构观念来说明元素的通常物理属性和通常化学属性的那些努力而得到的。
初看起来，解决所考虑的问题可能显得是十分简单的。我们所涉及的原子图景，是一个很小的力学体系的图景；在某些主要特点上，这种力学体系甚至是和我们自己的太阳系相像的；在太阳系的描述中，力学曾经得到了如此巨大的胜利，并给我们提供了一个满足通常物理学中的因果要求的主要例证，确实，根据有关各行星瞬时位置及瞬时运动的知识，我们可以在表观地不受限制的精确度下算出各行星在以后任一时刻的位置和运动。但是，当人们考虑原子结构问题时，在上述这种力学描述中可以选取任意初态这一事实却引起了巨大的困难。事实上，如果我们必须考虑无限多个连续变化的原子运动态，那么我们就会和原子具有确定属性这种实验知识发生明显的矛盾。人们或者会相信，元素的属性并不对我们直接报道个体原子的行为，而是相反，我们永远涉及的是适用于多个原子之平均情况的统计规律性。在热的机械理论中，我们就有一个众所周知的实例，表明着在原子理论中运用统计力学考虑的富有成果性；这种理论不但使我们能够说明热力学的基本定律，而且也使我们对于许多一般的物质属性有一个理解。然而，各种元素具有另外一些属性；这些属性使我们能够关于原子各组成部分的运动态得出更加直接的结论。最重要的是，我们必须假设，元素在某些情况下发出的并作为每一元素之特征的光，其品质是本质地取决于单个原子中所发生的过程的。正如无线电波能使我们理解广播电台装置中的电振动的性质一样，根据光的电磁理论我们就必须预期，元素特征光谱中各个谱线的频率，应该给我们提供有关原于中的电子运动的信息。然而，力学并没有给予我们诠释这种信息的充分基础；事实上，由于上述力学运动态连续变化的可能性，甚至连理解明锐光谱线的发生都是不可能的。
然而，普朗克关于所谓作用量子的发现，已经提供了我们描述自然所缺少的要素；为了说明原子的行为，这一要素显然是必要的。这一发现起源于普朗克关于黑体辐射的研究；这种黑体辐射，因为和所用物质的特定属性无关，所以给热的机械理论及辐射的电磁理论的适用范围提供了一种决定性的检验。正是这些理论在说明黑体辐射定律方面的无能为力，就引导普朗克认识了自然规律的一种一向不曾被人注意的普遍特色。这一特色在通常物理现象的描述中肯定是不明显的，但是，在我们对依赖于个体原子的那些效应所作的说明中，这一特色却引起了一种全面的革命。例如，不同于作为习见自然描述之特征的那种对于连续性的要求，作用量子的不可分性要求在原子现象的描述中有一个本质的不连续性要素。当把新知识和我们通常的物理概念方案结合起来时所遇到的困难，通过关于光的本性的讨论而变得特别明显了；虽然从一切较早的实验结果判断起来光的本性问题已经在电磁理论的构架中得到了完全满意的解决，但是，联系到他对光电效应的解释，爱因斯坦却又重新掀起了这一问题的讨论。我们在这儿所遇到的形势，是由这样一件事实来表征的：很明显，我们不得不在有关光传播的两种互相矛盾的观念之间进行抉择；一种是光波的概念，另一种是光量子理论的颗粒观点，每一种观念都表现着我们经验的一些基本方面。我们以后即将看到，这种表观上的两难推论，标志着我们知觉形式的一种和作用量子密切有关的独特局限性。比较仔细地分析一下基本物理概念在描述原子现象时的适用性，就能将这一局限性揭露出来。
确实，只有自觉地放弃我们对于形象化及因果性的通常要求，才能使普朗克的发现在依据我们关于原子各组成部分的知识来解释元素的属性时是富有成果的。将作用量子的不可分性看成一个出发点，作者曾经建议，原子态的每一改变都应该看成一种不能描述得更加细致的个体过程；通过这种过程，原子将从一个所谓的定态进入另一个定态。按照这种观点，元素光谱并不向我们提供和原子各部分的运动有关的信息，而是每一条谱线都和两个定态问的跃迁过程相联系，频率和作用量子的乘积就确定着过程中原子能量的改变。用这种办法，我们发现有可能得到光谱学普遍定律的简单解释，这些定律已由巴耳末、黎德伯和里兹成功地从实验数据中推得。这种关于光谱起源的观点，也得到弗朗克和赫兹关于原子和自由电子间的碰撞的那些众所周知的实验的支持。已经发现，在这种碰撞中可以进行交换的那些能量，是和根据光谱算出的两个定态之间的能量差确切符合的；其中一个就是原子在碰撞之前所处的定态，而另一个则是原子在碰撞之后所可能进入的定态。整个说来，这种观点提供了一种整理实验数据的合理方式，但是，很明显，只有放弃了得到关于个体跃迁过程的细致描述的一切企图，才能得到这种合理性。在这儿，我们离一种因果描述是如此遥远，以致可以说处于某一定态的一个原子在到达其他定态的各种可能跃迁之间是有一种自由选择的。根据事物的本性，我们只能应用几率考虑来预言个体过程的发生；正如爱因斯坦所强调指出的，这一事实和自发放射性转变所适应的条件是密切相似的。
这种处理原子结构问题的方式有一个独特的特色，那就是广泛地使用了整数，而整数在光谱学的经验定律中也是起着重要作用的。例如，定态的分类除了依赖于原子序数以外还依赖于所谓的量子数；关于这种量子数的系统分类，索未菲曾经有过非常大的贡献。整个说来，所考虑的观点已经使我们能够依据我们关于原子结构的普遍观念来在相当大的程度上说明元素的属性及关系了。考虑到对于我们习见物理概念的巨大违背，人们也许会对这种说明的成为可能感到惊奇，因为，归根结底，我们关于原子组成部分的全部知识是以上述那种习见物理概念为基础的。确实，质量和电荷之类的概念的任何应用，显然是和力学定律及电动力学定律的运用相等价的。然而，在下述要求中已经发现了一种方法，可以在经典理论不再成立的其他领域中使这样一些概念成为有用；人们要求，在作用量子可以忽略不计的那种边缘区域中，量子力学的描述要和习见的描述直接汇合起来。在量子理论中应用经过再诠释的每一经典概念的那种努力，在所谓对应原理中得到了表现；这种再诠释应该满足上述要求，而并不和作用量子不可分性的公设发生分歧。然而，在实际地完成以对应原理为依据的完备描述之前，还有很多困难要克服，而且，表述一种首尾一致的量子力学只有在最近几年才成为可能；这种量子力学可以看成经典力学的自然推广，而且，在这种量子力学中，连续的因果描述被换成了基本上是统计性的描述方式。
走向这一目的的一个决定性的步骤，是由年轻的德国物理学家威尔纳·海森伯作出的；他曾证明，普通的运动概念可以在无矛盾的方式下换成经典运动定律的形式化的应用，而作用量子则只出现于某些运算法则中，这些法则适用于代替了力学量的那些符号。然而，对于量子理论问题的这一巧妙处理，却对我们的抽象能力提出了巨大的要求，因此，在量子力学的发展和澄清中，一些新技巧的发现就曾经是具有深远意义的了；这些技巧虽然具有形式化的性质，但却更加满足形象化的要求。我所指的是由路易·德布洛意所引入的物质波的概念；这种概念在薛丁谔的手中已被证实为如此地富有成果，尤其是当联系到定态的概念时——各个定态的量子数，被诠释为代表着各该定态的驻波的节面数。德布洛意的出发点，就是存在于支配着光传播的那些定律和适用于物质客体运动的那些定律之间的相似性；这种相似性在经典力学的发展中已经是如此重要的了。事实上，波动力学形成上述爱因斯坦光量子理论的一个自然的对立面。正如在光量子理论中一样，在波动力学中我们也并不是处理的一种自足的思维方案，而是正如玻恩所特别强调的那样，处理的是表述支配着原子现象的那些统计规律的一种权宜之计。诚然，从它的方式来看，电子被金属晶体反射的实验对物质波概念所提供的证实，是和关于光传播的波动观念的实验证据同样带有决定性的。然而，我们必须记得，物质波的应用只限于那样一些现象，在各该现象的描述中必须将作用量子考虑在内，从而这些现象也就是位于某一领域之外的；在那一领域中，有可能完成一种和我们的习见知觉方式相适应的因果描述，而且，在那一领域中，我们可以赋予“物质的本性”和“光的本性”这一类的说法以通常理解下的含义。
借助于量子力学，我们掌握了一个广阔的经验范围。特别是，我们能够说明关于元素的物理属性及化学属性的很多细节。最近以来，甚至已经能够得到关于放射性转变的一种诠释；在这种诠释中，适用于这些过程的经验几率定律，表现为量子理论所特有的那种独特统计描述方式的一个直接推论。这种诠释为波动观念的富有成果性和它的形式化本性提供了一个卓越的例证。一方面，我们在这里和习见的运动概念有一种直接的联系，因为，由于原子核所放出的那些碎片能量很大，从而这些粒子的路径是可以直接观察的。另一方面，通常的力学概念完全不能给我们提供有关蜕变过程之历程的描述，因为，按照这种概念，原子核周围的力场将阻止各粒子从原子核中逸出。然而，根据量子力学，事态却是颇为不同的。虽然力场仍然是一种障碍，会使大部分的物质波折回，但是，它却允许一小部分物质波透出。在某一段时间内这样透出的一部分波，就给我们提供了原子核在该段时间内发生破裂的几率的一种量度。不加上述条件而谈论“物质的本性”，其困难几乎不可能显示得再突出一些了。
在光量子概念的情况，在我们的观念图景和可观察光效应之发生几率的计算之间，也存在类似的关系。但是，按照经典的电磁学概念，我们并不能赋予光以任何严格意义下的物质性，因为光现象的观察永远依赖于对物质粒子的一种能量传递和动量传递。光量子概念的可理解的内容，倒不如说限于使我们能够考究能量和动量的守恒的那种说明。归根结底，下述事实毕竟是量子力学的最独特的特色之一：尽管经典力学概念及经典电磁学概念有其局限性，但是，保持能量守恒定律和动量守恒定律却是可能的，在某些方面，这些定律形成作为量子理论基础的物质粒子永恒性假设的一种完美无缺的对立面；这一假设在量子理论中严格地得到保持，尽管一些关于运动的观念是被放弃了的。
正如经典力学一样，量子力学也宣称要对它的适用范围内的一切现象作出详尽无遗的说明。确实，比较仔细地考察一下我们通过原子现象的直接测量所能得到的信息以及在这方面我们对基本物理概念的应用所能赋予的含义，就可以得出对原子现象应用根本上是统计性的描述方式的必然性。一方面，我们必须记得，这些基本物理概念的含义是完全和习见的物理想法联系在一起的。例如，基本粒子的永恒性形成任何关于时空关系的说法的前提，正如能量守恒定律和动量守恒定律形成能量概念和动量概念的任何应用的基础一样。另一方面，作用量子的不可分性这一公设，就代表着完全超出经典观念之外的一个要素；在测量的情况下，这一要素不但要求客体和测量仪器之间的一种有限的相互作用，而且甚至要求在我们对这种相互作用所作的说明中有一种确定的活动范围。由于有这种情况，以在空间和时间中排比基本粒子为目的的任何测量，都要求我们放弃对于粒子和用来作为参照系的测量尺杆及时钟之间的能量交换及动量交换进行严格的说明。同样，粒子能量和粒子动量的任何测定，都要求我们放弃粒子在时间和空间中的精确标示。在这两种情况下，测量的本性所要求的经典概念的应用，预先就是和严格因果描述的放弃相等同的。这样的考虑直接导致反比式的测不准关系式；这种关系式是海森伯建立起来的，他曾利用这种关系式作为彻底考察量子力学逻辑无矛盾性的基础。正如作者所证明的，我们在这儿所遇到的这种根本的不确定性，可以认为直接地表示着形象化概念在原子现象之描述中的适用性的绝对界限；这种界限出现于一种表现上的两难推论中，该推论出现于光的本性和物质的本性这一问题中。
就这样，我们不得不在原子现象的描述中对于形象化和因果性有所放弃；这种放弃很可能被认为是形成原子观念出发点的那些愿望的一种挫折。但是，从原子理论的目前观点看来，我们必须认为这种放弃本身就是我们理解力的重大进步。确实，在我们有理由期望科学的普遍基本原理可以适用的那种领域中，是不存在这些原理的失效问题的。事实上，作用量子的发现，不但向我们指示了经典物理学的自然界限，而且，由于刷新了不以我们的观察为转移的现象的客观存在这一古老哲学问题，这一发现也使我们面临着自然科学中一种前所未见的形势。正如我们已经看到的，任何观察都需要和现象的进程发生一种干扰；这种干扰具有这样一种性质：它会使我们失去因果描述方式所依据的基础。就这样，自然本身就对我们谈论客观存在的现象的可能性加上了限制；就我们所能判断的看来，这种限制恰恰是在量子力学的表述中得到表达的。然而，这并不能看成进一步前进的障碍；我们只应该对一种必要性有所准备，那就是，必须越来越广泛地脱离我们对于直接形象化的自然描述的习见要求。最重要的是，我们可以在量子理论和相对论相遇的领域中期待新的惊人事件，在这一领域中，一些悬而未决的困难仍然存在，它们阻碍着我们知识广度的全面熔合，以及这两种理论给予我们的说明自然现象的不同权宜方式之间的全面熔合。
即使是在这一演讲的结尾，我也很愿意有一个机会，来强调爱因斯坦的相对论在物理学的最近发展中在使我们解脱对于形象化的要求方面的巨大意义。我们已经从相对论中学习到，我们的感官所要求的空间和时间的截然划分，其适宜性只不过依赖于这样一件事实：通常出现的速度是比光速小得多的。同样，我们可以说，普朗克的发现已经引导我们认识到，用因果要求来表征的我们整个的习见态度，其适宜性完全依赖于这样一件事实：和我们在通常的现象中所涉及的作用量比较起来，作用量子是非常小的。相对论提醒我们想到一切物理现象的主观性，这是一种本质地依赖于观察者运动状态的性质；同样，量子理论所阐明的原子现象及其观察的结合，也强迫我们在应用我们的表达方式时要保持一种慎重性；这种慎重性和心理学问题中所需要的那种慎重性相类似：在心理学问题中，我们不断地遇到区划客观内容的困难。我希望我不致被误解为企图引入一种和自然科学精神不相容的神秘主义；为了免除这种误解，我或许可以在这方面请大家想到两种讨论之间的独特平行性：一种是重新掀起的关于因果原理之正确性的讨论，另一种是自从很早的时代就己持续进行的关于自由意志的讨论。正如意志自由是我们的心理生活的经验范畴一样，因果性可以认为是我们用来将我们的感官印象加以条理化的一种知觉形式。但是，与此同时，我们在这两种情况中都涉及一些理想化，它们的自然界限是有待探讨的，而且它们在下述意义上是彼此依存的：在主体和客体之间的关系中，意志感和因果要求是同样不可缺少的两种要素，而这种关系则形成知识问题的核心。
在结束以前，在这样一次自然科学家的联合会议上接触到一个问题或许是很自然的；问题就是：我在这儿所描述的我们关于原子现象的知识的最近发展，可以给关于生命机体的问题带来什么样的光明？虽然现在还不可能对这一问题提出一种详尽无遗的回答，但是，我们或许已经可以窥见生命机体问题和量子理论思想之间的某种联系了。这方面的第一个暗示，我们是在下述情况中找到的：在机体和感官印象所依赖的外在世界之间，相互作用可以小到和作用量子相接近的地步，无论如何在某些情况下是如此的。正如人们常常提到的，少数几个光量子就足以造成一种视觉印象。因此，我们看到，机体的独立性和灵敏度方面的要求，在这儿是在自然规律所允许的最大限度内得到满足的；而且，在对于表述生物学问题具有决定性意义的其他论点上，我们对于遇到类似情况也必须有所准备。然而，如果生理现象显示出一种发展到上述极限的精致性，那么，这就确实意味着，我们同时也接近了借助于我们通常的形象化观念来对这些现象进行单义描述的极限。这一点绝不和下述事实相矛盾：生命机体相当广泛地给我们提出一些问题，这些问题属于我们的形象化知觉形式范围之内，并且曾经形成了物理观点和化学观点的一个有成果的适用领域。而且我们也看不到这些观点的适用性的任何直接的极限。正如我们在原则上不需要区分水管中的水流和血管中的血流一样，我们同样也不应该在神经中感官印象的传播和金属导线中电的传导之间预先期待任何深入的根本性的差别。诚然，对于所有这些现象来说，一种细致的说明就会把我们带到原子物理学的领域中；确实，单就电传导而言，我们在非常晚近的几年中才刚刚得知，只有那种作为量子理论之特征的关于我们的形象化运动概念的界限，才使我们能够理解电子在导线的金属原子之间如何可以前进。然而，在这些现象的事例中，对于说明那些首先需要我们加以考虑的效应来说，描述方式的这样一种改进是并非必要的。但是，在更加深奥的生物学问题中，我们所关心的是机体反应外界刺激时的自由和适应能力，而对于这种问题来说，我们就必须期待发现这样一件事实：更大范围的联系的认知，将要求我们把一些条件考虑在内，这些条件和在原子现象的情况下确定着因果描述方式的界限的那些条件相同。此外，就我们所知，意识是和生命不可分割地联系着的，而这一事实就应该使我们准备发现这样一种情况：生和死之间的区别问题，本身就是不能用言词的通常意义来概括的。一个物理学家竟然接触到这样一些问题，这或许可以用一个理由来进行辩护，那就是，物理学中的新形势，曾经如此有力地提醒我们想到一条古老的真理：在伟大的存在戏剧（dramaof existence）中，我们既是观众又是演员。
第二卷 原子物理学和人类知识（1932-1957年）
原序
这一文集是最近25年内在各种场合下写成的，它是以前一些文章的继续；以前那些文章曾由剑桥大学出版社编集出版（1934），题名“原子理论和对自然的描述”。各文的主题，是原子物理学之近代发展所带给我们的认识论上的教益，以及与此有关的许多人类知识领域中的分析与综合。该集中的文章，是在那样一个时期写成的，当时量子力学数学方法的建立已经为原子现象的彻底处理创造了坚实的基础，而且，在这种体系中，对经验作无歧义说明的条件是用互补性（complementarity）概念来表征的。在本册所收的论文中，这种处理方式在逻辑表述上得到了进一步的发展，而且得到了更广泛的应用。当然，很多重复是不可避免的，但是我们希望这可以表明我们的论证（尤其是简约的术语）正在逐步明晰起来。
在发展本集所述的种种观点的过程中，我同哥本哈根大学理论物理研究所过去和现在的同事们所进行的讨论对我极有稗益。对于本集各文给予的帮助，我特别感谢现在斯德哥尔摩大学和曼彻斯特大学的奥斯卡·克来恩和雷昂·罗森菲耳德，同样我也感谢哥本哈根研究所的斯忒藩·罗森塔耳和奥格·皮特森。在这些文章的准备和付印方面，S．海耳曼夫人曾经给予最得力的帮助，我也在此谨致谢忱。
尼耳斯·玻尔
1957年8月于哥本哈根
引言
对于一般哲学思维的发展来说，物理科学的重要性，不但在于它对我们与日俱增的有关自然界——我们自己也是自然界的一部分一的知识有所贡献，而且在于它时常提供一些检验和精化我们的观念工具（conceptualtoo1s）的机会。在本世纪中，关于物质的原子构造的研究，曾经给经典物理概念的范围揭示了一种出人意料的界限，而且曾经刷新了结合在传统哲学中的那种对于科学解释的要求。本来，理解原子现象需要一些基本概念，现在，无歧义地应用这些概念的基础受到了修正；那么，这种修正的影响也就远远超出了物理科学这一特殊领域。
如所周知，原子物理学的发展给我们带来的教益，主要就在于认识了原子过程中的一种整体性特色，这种特色是通过作用量子的发现而显示出来的。以下的文章将介绍量子物理学现状的主要方面，同时也将强调指出，这种现状和我们在其他知识领域中的地位有些什么相似之点；那些所谓其他的知识领域，是指机械自然观范围以外的一些领域。我们不是在这儿处理那些多少有点模糊的类似性，而是要考查正确运用我们表达事物的思维手段的条件。这些考虑不但旨在使我们熟悉物理科学的新颖现状，而且，由于原子问题有着比较简单的特点，这也可能有助于弄清楚在一些更广阔的领域中进行客观描述的条件。
这儿所收的七篇文章，虽然是如此紧密地相互联系着的，但是它们却形成分离的三组，各组依次写于1932-1938年、1949年和1949-1957年。头三篇论文是和上集的文章直接有关的；文中针对生命机体及人类文化所显示的整体性特点讨论了生物学问题及人类学问题。当然，我们根本不曾企图对这些课题提出一种囊括无遗的处理；我们仅仅企图指出，这些问题是怎样在原子物理学一般教益的背景上突现出来的。
第四篇文章处理了物理学家们对量子物理学引起的认识论问题所进行的讨论。由于课题的性质，多少涉及一些数学工具是不可避免的，但是，要理解这些辩论并不需要什么专门知识。争辩的结果使我们明确了观察问题的新方面；这种新方面受到下述情况的蕴涵：原子客体和测量仪器之间的相互作用，构成量子现象中一个不可分割的部分。因此，用不同实验装置得到的证据，并不能按照惯常的路线来加以概括，而且，考虑到获致经验时种种条件的必要性，就直接要求我们使用互补性的描述方式。
最后一组文章是和第一组文章密切有关的；但是，在介绍量子物理学的现状时应用的木语已作改善，我们希望这样的术语可以使一般的论证更为易懂。当把这种术语应用于范围更广的问题时，我们特别强调了无歧义地应用那些用来说明经验的概念时的先决条件。论证的要点是：为了得到客观的描述和谐调的概括，几乎在每一个知识领域中都必须注意获致证据时所处的情况。
光和生命
（1932年8月在哥本哈根国际光疗学会议开幕式上的演讲，刊于 Nature，131，421（1933）。）
作为一个只限于研究无生物体的属性的物理学家，我在接受盛情的邀请来在这样一个科学家的集会上发表演说时是不无踌躇的。今天，诸位科学家会聚一堂，为的是推进我们关于光在治疗疾病上的有益效果的知识。对于这一门美好的、对人类福利如此重要的科学，我实在不能有所贡献。我最多只能谈谈纯无机的光现象；这种现象多少年来特别吸引了物理学家们的注意，其最大原因就在于光是我们的主要观察工具这一事实。然而，我曾经想到，借此机会通过这样一次谈话来接触一个问题也许是有兴趣的，那就是：在较狭窄的物理学领域中得到的结果，可以在多大程度上影响我们对于生物在自然科学大厦中所占地位的看法：尽管生命之谜有着很微妙的性质，这一问题却在科学的每一发展阶段中都出现过；科学解释的本义，就在于将比较复杂的现象分析为比较简单的现象。在目前，使得老问题又获得了新兴趣的，是对自然现象进行力学描述的根本局限性；这种局限性是由原子理论的最近发展揭示出来的。这一发展恰恰就起源于光和物体之间的相互作用的较深入的研究；这种相互作用表现了一些特色，它们不满足一向认为一种物理解释所必须满足的要求。正如我将尽力阐明的，物理学家们为了掌握这一情况而作的努力，在某些方面颇像生物学家们向来就多多少少直觉地对生命特征所抱的态度。但是，我愿意同时强调一下，只有在这种形式的方面，光和生命才显现一种类似性。光，这或许是一切物理现象中最不复杂的一种；生命，它却表现着一种科学分析所难以捉摸的多样性。
按照物理学的观点，光可以定义为在隔着一个距离的物体间进行的能量传递。如所周知，这种效应在电磁理论中得到了一种简单解释，而电磁理论则可以看成为了缓和超距作用与近距作用之间的矛盾而对经典力学作出的一种合理的引申。按照这种理论，光被描述为耦合着的电振荡和磁振荡，它和通常的无线电波之间的区别，只在于振荡频率较高和波长较短而已。光的传播，在实际上可说是直线的；当用肉眼或适当仪器来确定物体位置时，就是以这种直线传播为根据的。而事实上，光的直线传播完全依赖于光的波长远小于所涉及的物体线度及仪器线度这一事实。同时，光传播中的波动特点，不但是我们说明色现象的基础，而且它对于光学现象的任何精密分析来说也是不可缺少的——在光谱学中，色现象曾经提供了有关物质结构的十分重要的报道。作为上述这种光学现象的一个典型例子，我只要举出干涉图样就可以了；当光可以从光源沿着两条不同的路程传播到一个屏上时，这种干涉图样就会出现。这里我们发现：在屏上，在两个波列的周相一致的那些点上，也就是说，在两个光束中的电振荡、磁振荡具有相同方向的那些点上，两个光束所将分别引起的那些效果是加强的；在这种振荡具有相反方向而两个波列又被称为具有异周相的那些点上，二光束的效果减弱甚至可以消失。这种干涉图样给光传播的波动图景提供了如此彻底的验证，以致这种图景不能看成通常意义下的假说，而应该看成所观察现象的恰当解释。
但是，大家知道，由于在能量传递的机构中发现了原子性的基本特色，而且从电磁理论的观点看来这种原子性十分难以理解，因此，近年以来，光的本性问题又重新被人们讨论起来。事实上，任何的光能传递过程都可以追溯到一些个体过程；在每一个这样的个体过程中，有一个所谓的光量子被交换；光量子的能量，等于电磁振荡频率和普适作用量子（或称普朗克恒量——planck'scon-stant）的乘积。在光效应的原子性和电磁理论中能量传递的连续性之间，存在着明显的矛盾；这种矛盾给我们提出了一个两难推论，它是物理学中从未遇到过的。例如，尽管光传播的波动图景显然不够完备，但却绝不存在把它换成某种以普通力学概念为基础的其他图景的问题。特别是，必须强调，光量子不能被看成可以具有通常力学意义下的确定轨道的一种粒子。如果我们用一个不透明的物体把其中一个光束挡住，以保证光能只经过光源和屏之间的二路程之一来进行传播，那么干涉图样就会完全消失；与此同样，在必须重视光的波动结构的任何现象中，要想追寻个别光量子的路径而不致严重地扰乱所研究的现象，也是不可能的。事实上，我们的光传播图景的空间连续性和光效应的原子性，乃是两个互补的方面；这种说法的含意是，它们说明着光现象的同等重要的两个特点，这两个特点绝不能被置于直接矛盾的情况下，因为在力学上对它们进一步加以分析时就要使用互相排斥的实验装置。同时，正是这种情况迫使我们放弃光现象的完全的、因果性的说明，并迫使我们只好满足于几率规律；这些规律所根据的事实是：能量传递的电磁描述，在统计意义上仍旧是正确的。这就形成所谓对应论证的一·种典型应用；所谓对应论证，就是表示要在最大程度上力求应用经典力学理论及经典电磁理论中的概念，尽管这些玛论和作用量子是矛盾的。
在起初，这种情况可能显得令人很不舒服；但是，正如科学上常常发生的情况那样，当新的发现使我们认识到一向认为不可缺少的那些概念也有其本质的局限性时，我们就获得了这样的报酬：我们得到更全面的看法和更高的能力，可以把过去甚至可能显得互相矛盾的那些现象联系起来。确实，作用量子所表示的经典力学的界限，曾经给我们提供了理解原子内在稳定性的一个线索；自然现象的力学描述，就是以这种稳定性为其根本依据的。当然，原子的不可分性无法用力学术语来理解，这从来就是原子理论的基本特征；甚至在原子的不可分性被组成原子及分子的基本带电粒子（电子和质子）的不可分性所代替以后，这种情况实际上也未改变。我所要涉及的，不是这些基本粒子的内在稳定性问题，而是由它们组成的原子结构的内在稳定性问题。如果我们从力学观点或电磁理论观点来处理这一问题，我们就找不到充分根据来说明各元素的特殊属性，甚至找不到充分根据来说明刚体的存在——我们用来在时间和空间中整理各种现象的一切测量，归根结底是依赖于刚体的存在的。这些困难，现在被一种认识所克服了；人们认识到，一个原子的任何一次确定的变化，都是一个单独的过程，代表着原子从它的一个所谓定态到另一个所谓定态的完整跃迁。而且，既然在原子发射光或吸收光的跃迁过程中恰恰有一个光量子被发射或被吸收，那么，通过光谱学的观察，我们就能直接测定每一个定态的能量。通过研究原子碰撞中及化学反应中的能量交换，这样得出的知识也曾经很有教益地得到了证实。
近年以来，沿着对应论证的路线，原子力学曾经得到了显著的发展；这种发展给我们提供了计算原子定态能量及计算跃迁过程几率的适当方法，于是就使我们对原子属性所作的说明，变得像利用牛顿力学来对天文经验所作的标示一样可以理解了。尽管原子力学的一般问题比较复杂，但是，对于上述发展来说，我们在分析较简单的光学现象时所得到的教益，却曾经是最为重要的。例如，在定态概念的无歧义应用和原子内在运动的力学分析之间，存在着一种互补关系，就如同光量子和辐射的电磁理论之间的互补关系一样。事实上，追索跃迁过程之细致历程的任何企图，都将涉及原子和测量仪器之间的一种不可控制的能量交换，这种能量交换将完全打乱我们所要研究的能量平衡。只有在所涉及的作用量远远大于一个作用量子、从而可以把现象划分得更细的情况下，才能够对经验进行因果性的力学描述。如果这个条件并不满足，那么测量仪器对所研究客体的作用就不能被忽视，而这种作用就会在作通常形式的完备力学描述时所需的各种报道之间引起互斥性。这种原子现象的力学分析所具有的表观不完备性；归根结底是起源于忽视了任何测量过程中都固有的客体对测量仪器的反作用。正如相对性这一普遍概念表明任何现象都和用来在时间。空间中标示它的参照系有着本质联系一样，互补性这一概念也可以用来表示原子物理学中所遇到的根本界限：现象的客观存在和观察它们的方法有关。
力学基础的这一修正，一直扩展到物理解释这一概念本身；这一修正，不但对于充分理解原子理论的现状来说是必不可少的，而且它也提供了一种按照和物理学的关系来讨论生命问题的新背景。这绝不是说，我们在原子现象中会遇到一些比普通的物理效应更和生物属性相近的特点。初看起来，原子力学的本质上的统计性，甚至是和出奇精致的生物器官相矛盾的。然而，我们必须记得，正是这种互补性的描述方式为原子过程中的规律性留下了余地；这种规律性是力学中所没有的，但在我们说明生命机体的行为和无机物质的特性时都是同等重要的。例如，在植物的碳素同化过程中——动物的营养也大量依赖于这个过程——我们遇到的是这样一种现象；在理解该现象时，光化学过程的特殊性显然是不可缺少的。同样，原子结构的非力学的稳定性也惹人注意地表现在叶绿素或血红蛋白这一类高度复杂化合物的特性中，而叶绿素及血红蛋白在植物的同化及动物的呼吸中是起着根本作用的。但是，比起认为生物和钟表之类的纯机械装置相类似的那种看法来，从一般化学经验得来的类似性（例如古代人们把生命和火相比拟的作法），并不能提出有关生命机体的更加令人满意的解释。事实上，生物的主要特征必须到一种奇特的有机体中去找；在这种有机体中，可以用普通力学来加以分析的一些特点和典型的原子论的特点交织在一起，其交织程度是无生命物质中的交织程度所无法比拟的。
关于这种有机体的发展程度，眼的构造和机能提供了一个有教育意义的例证；在探讨眼的构造和机能方面，光现象的简单性又曾经是最有帮助的。我不准备在这儿涉及细节问题，我只想提醒大家，眼科学如何对我们揭示了作为一种光学仪器的人眼的理想属性。确实，不可避免的干涉效应对成像所加的限制，实际上是和一些网膜分区的大小相一致的，这些网膜分区各自有其独立的神经和脑部相联。不但如此，既然每一网膜分区吸收单独一个光量子就能造成视觉印象，那么，眼的灵敏度就可以说已经达到了光过程的原子性所规定的极限了。在这两个方面，眼的效率实际上和在下述装置中所得到的效率相同；这种装置就是，把一个良好的望远镜或显微镜和一个适当的放大器联接起来，使得每一个单独过程都可以被观察到。诚然，利用这样的仪器可以大大地增强我们的观察能力，但是，由于受到光现象的基本性质的限制，比眼更有效地适应其本身目的的仪器是不可设想的。现在，通过物理学的最近发展而认识到的这种眼的理想精密性就使我们想到：其他的器官，不论是用来从环境接收信息的还是用来对感觉发生反应的，也都会对其本身目的显示同样的适应性，而且，在这些器官中，用作用量子来表示的那种个体性的特点，也会在和某种放大机构的关系方面显示出具有决定意义的重要性。在眼中追索这种极限是可能的，而在任何其他器官中则迄今为止是不可能的；其所以如此，不过是由于以上曾经谈到的光现象的极端简单性而已。
然而，认识到原子论特色在生命机体的机构中的根本重要性，还绝不足以得到有关生物学现象的概括解释。因此，当前的问题是，在我们根据物理经验而对生命有所理解之前，是不是在自然现象的分析中还缺少某些基本的要素呢？尽管千变万化的生物学现象实际上可以说是不可穷尽的，但是，如果不对“物理解释”所应有的含义进行比作用量子这一发现所要求的更为深入的检验，那么上述问题的答案就是无法得出的。一方面，在生理学研究中经常出现的那些和无机物质的特色如此不同的奇妙特色，曾经把生物学家引向一个信念，认为不可能按照纯物理的概念来正确理解生命的重要特点。另一方面，设想有一种奇怪的、物理学所不知道的“生命力”控制着有机生命，也很难使所谓活力论（vitalism）的观点得到清晰的表达。事实上，我想我们大家都同意牛顿的看法：科学的终极基础，就是关于大自然将在相同条件下显示相同效应的预期。因此，如果我们竟然能把关于生命机体的机构的分析推进到原子现象的分析的地步，那么，我们就不应该期望找到无机物质所没有的任何特点。然而，在这个两难推论中必须记住，生物学研究的条件和物理学研究的条件是不能直接相比的，因为保持研究对象的活命的必要对前一种研究加了一种限制，这种限制在物理学中找不到它的对应。例如，如果我们企图研究一个动物的各种器官，直到能够说出单个原子在生命机能中起什么作用的地步，那么我们就无疑地要杀死这个动物。在有关生命机体的每一实验中，必然要在各机体所处的物理条件方面留下某种不确定性；而这种想法也就提示说，我们所必须留给机体的最小自由，将刚好大到足以使该机体对我们“保守其最后秘密”的地步。按照这种观点，生命的存在，恰恰就应该被认为是生物学中的一种基本事实，就如同作用量子的存在应该被认为是原子物理学中不能从通常的机械物理学推出的基本事实一样。事实上，原子稳定性在本质上不能用力学来加以分析，作为生命之特征的那些奇特机能也不能用物理学或化学来加以解释，而在这种不可分析性和不可解释性之间是存在着一种切近的类似性的。
