第三章    电子和质子

当前，物理学可分为两个部分：一部分处理物质中或没有物质的区域中的能量传播，另一部分处理这些区域和物质之间的能量交换。人们发现，前者需要连续性，后者需要不连续性。但是，在思考这个明显的冲突以前，扼要地讨论体现在量子理论和原子结构中的物质和能量之不连续性特征，将是明智的。然而，为了哲学的目的，有必要只讨论现代理论的最一般方面，因为这门学科发展得太快了，而且任何陈述在交付发表以前都存在过期的危险。本章及下一章所思考的主题，已由海森堡在1925年所开创的理论以一种全新的方式加以处理了。然而，在思考这一理论之前，我将先考虑卢瑟福-玻尔原子以及与之相联系的量子理论。

物质和电似乎都专门是由被称为电子和质子的某些有限单元聚集而成的。氦核有可能是另一种独立的单元，但这似乎不太可信。^注6一个氦核所携的净正电荷是一个质子所携电荷的两倍，而且其质量略微小于质子质量的四倍。这些事实是可以得到解释的（包括质量的轻微缺乏），如果氦核是由四个质子和两个电子组成的话；要不然，它们似乎就是一种几乎难以置信的巧合。我们因此可以假定，电子和质子是物质的仅有的成份；假如结果表明氦核必须被补充进来，那对于物质（matter）的哲学分析也几乎不会产生什么影响。本书的任务就是对物质做哲学分析。

质子全都拥有同样质量和同样数量的正电。电子全都拥有相同的质量，即大约质子质量的1/1835。一个电子上的负电数量总是相同的，并且因而恰好抵消了质子所携的电，所以一个电子和一个质子共同构成了一个中性的电系统。一个原子，当不带电时，是由若干行星式电子所围绕的一个核所组成的：这些电子的数目就是相关元素的原子序数。核是由质子和电子组成的：前者的数目就是元素的原子量，后者的数目使得这个整体在电上成为中性的——也就是说，它是核中的质子的数目和行星式电子的数目之差。正常情况下，这个复杂结构中的每一项都应该进行某些运动；根据牛顿原理（由于相对论因素而被做了轻微的修改），这些运动产生于电子和质子间的吸引与质子和质子间及电子和电子间的排斥。由太阳系进行类推，所有这些运动都是可能的。但是人们认为，事实上只有极小一部分是可能的；这在我们以后将要考虑的一些方面依赖于量子理论。

根据牛顿原理，行星式电子的轨道的计算只在两种最简单的情形中才是可能的：由一个质子和一个电子所组成（当不带电时）的氢的情形，以及带正电且失去一个而非两个行星式电子的氦的情形。在这两种情形中，数学理论实际上是充分的。在所有实际发生的其它情形中，尽管所需的数学是人们自牛顿时代以来就加以研究的，但要获得精确的答案是不可能的，甚至不可能获得令人满意的近似答案。就原子核而言，情况更加不妙。氢核是一个单独的质子，但下一个元素氦的原子核被认为是由四个质子和两个电子组成的。此种结合一定异常稳定，这既是因为没有任何已知的过程可以瓦解氦核，也是因为所涉及的质量的丢失。（假如氦原子的质量被测定为4，那么氢原子的质量不是1，而是1.008。）这后一种论据依赖于同相对论相关的考虑，而且因此必须在后面加以讨论。关于氦核中质子和电子的排列方式，人们提出了各种各样的想法；但迄今为止，没有一种产生了必要的稳定性。因此，我们可以称之为核结构的东西仍然是未知的。也许，在有关的非常微小的距离上，力的定律并不是平方反比，尽管在数学能于其中发挥作用的两种情况下，人们发现这个定律在处理行星式电子的运动方面是极其令人满意的。然而，这只是一种推测。除了氢核（氢核中没有电子）的情况以外，我们不知道质子和电子在核内是如何排列的；当前，我们必须满足于这样的无知。

只要一个原子依然处在一种稳定运动的状态中，那就无法向外部世界证明其存在。一个物质系统是通过辐射或吸收能量而非通过别的方式向外人展示其存在的，而且除非在经历量子理论所思考的那种突然的重大的变化时，一个原子是不会吸收或辐射能量的。从我们的观点看，这是重要的，因为它表明，对于在原子和周围媒介间的能量交换方面产生相同结果的两种原子理论，任何经验证据都不能用来在它们之间进行抉择。也许，全部卢瑟福-玻尔理论太具体、太形象化了；与其本质上的表现相比，从太阳系所做的类推是极不准确的。一种解释了所有已知事实的理论并不因此就被表明是真的：这需要证明没有任何其它理论可以做到这一点。这样的证明几乎是不可能的；确实，就原子结构而言，它是不可能的。可被当作明确根据的东西是理论中用数字表示的部分。某些量以及某些整数是明显要被涉及到的；但是，如果说对这些量和整数做如此这般的解释是唯一的可能，那就草率了。在研究中借助于一种形象化的理论，既是恰当的，也是正确的；但是，可以算作确定的知识的东西是某种相当抽象的事物；而且极有可能的是，真理并不让自身接受形象化的陈述，而只接受数学公式化的表达。我们将会看到，这就是我们所谓的海森堡理论所采取的观点。

在我们关于原子的实际知识的性质这个问题上逗留一会儿，也许是值得的。在最后的分析中，我们关于物质的一切知识都起源于知觉；而知觉本身因果地依赖于物质在我们的身体上所产生的效果。例如，就视觉而言，我们依赖于冲击眼睛的光波。有了波，我们就将有视知觉——假定眼睛是没有缺陷的。因此，在视知觉中，任何东西都不能单独使我们对在达到人眼的光波方面产生相同结果的两种理论做出区分。如已陈述的那样，这似乎引进了心理学的考虑。但是，我们可以通过某种使其物理学意义更清晰的方式来表述这个问题。考虑一个椭圆形表面，该表面易于产生连续的运动及形态上的变化，但会在时间中持续，并且让我们假定从未有人待在这表面内侧过。比如，我们可以用一个围绕着太阳的球体为例，或者用一个围绕着某个电子且绝未构成人体之一部分的小盒子为例。能量将穿越这个表面，有时向内穿越，有时向外穿越。在穿越边界的能量流方面产生相同后果的两种观点，在经验上是不可区分的，因为我们独立于物理理论而知道的一切事物都在该表面之外。我们可以扩大这个椭圆形表面，直到其“内侧”是由相关物理学家——即我们自己——的身体以外的一切东西组成的。我们所听到的以及我们在书上所看到的，全都是通过穿越我们身体边界的能量流到达我们的。可以有充分的理由认为，我们的直接知识少于该陈述所蕴涵的东西，但相对而言，它当然是不太重要的。在穿越A的身体边界的能量流方面给出相同结果的两个宇宙，对A来说总体上将是不可区分的。

在提出这些考虑时，我的目标部分地在于为关于唯我论的论证提供一种新的形式。唯我论通常被认为是一种形式的唯心论；它认为在我的心灵和我的精神事件之外无物存在。然而我认为，说在我的身体之外无物存在，或者说在包住我的身体的某个封闭表面之外无物存在，是同样理性或同样不理性的。两者都不是通常的论证形式；通常的形式是前文首先给出的那一种：给定任何不包含我自己的区域，在整个区域范围内给出同样边界条件的两种物理学理论从经验上说是不可区分的。尤其是，电子和质子只是通过它们在别的地方所产生的效果而被人知道的，而且只要这些效果没有改变，我们就尽可以随兴改变我们关于电子和质子的观点而不会对可以证实的事物造成影响。关于对我们之外的事物的推论之有效性问题，逻辑上完全不同于世界的材料是精神的、物质的还是中性的这一问题。我可能是一个唯我论者，并且同时认为我是我的身体；我也可能相反地承认对不同于我自己的事物所做的推论，但又认为这些事物是心灵或精神事件。在物理学中，这个问题并不是唯我论的问题，而是一个非常明确的问题：给定某个体积的界面上的物理条件，并且对其内部没有任何直接的知识，我们能在多大程度上正当地推论其内部所发生的事情？有充分的根据认为我们所能推论的东西和物理学家通常所假定的东西一样多吗？或者，我们所能推论的东西也许比人们通常所假定的东西少得多吗？我还没有打算回答这个问题；我现在将其提出来，是为了在我们关于原子结构的知识之完全性问题上表明一种怀疑。