《对玻恩及其学派的系列研究》连载⑭——哪位物理学家首先提出了可观察性原则？

厚宇德

（河北大学 宋史研究中心，河北 保定 071002）

《对玻恩及其学派的系列研究》连载⑭——哪位物理学家首先提出了可观察性原则？

厚宇德

（河北大学 宋史研究中心，河北 保定 071002）

物理学家和科学史家都认为，可观察性原则对于量子力学的建立非常重要．1925年海森伯的“一人文章”发表后，很多与量子力学史相关的著述都认为，可观察性原则由海森伯提出．事实上他不是第一个提出可观察性原则的物理学家．马克斯·玻恩在1920年出版的著作中对这一思想即有描述，1919至1920年间在法兰克福大学任教授时，他还曾多次向朗德表述这一思想．很多文献证据表明，海森伯是在哥廷根，直接从玻恩这里了解到可观察性原则的．

海森伯；马克斯·玻恩；托马斯·库恩；可观察性

物理学家和科学史家都认为，可观察性原则是建立量子力学的指导性思想．阅读海森伯著名的“一人文章”可以发现，这种看法是正确的．该文开门见山指出：“这篇文章力图只基于满足可观察性原则的物理量之间的联系，为理论量子力学建立一个基础．”［1］在文章的结尾，海森伯又说：“本文倡议限于可观察量之间的关系确定量子论数据，这种方法是否令人满意，或者说尽管现在表述还过于粗糙，这种方法是否就是建立理论量子力学的门径？现在一个很显然的相关问题，可借助这一方法更加透彻的数学研究来解决，而本文只是做了很浅显的尝试．”［1］

1925年海森伯的“一人文章”发表之后，多数与量子力学史相关的著述都指出，可观察性原则源自海森伯．著名物理学家洪德曾说：“海森伯因此尝试只使用可观察量建立量子力学．”［2］马克斯·雅默说，对应原理思想是海森伯建立量子力学的一个选择，“在他有历史意义的‘一人文章’中，他做的另一个选择引导他建立了矩阵力学这一现代量子力学的最早构想，即彻底抛弃玻尔对（微观电子）运动的经典物理描述，代之以海森伯称为可观察量的描述．”［3］

也有人不认为可观察性原则是海森伯全新的思想．如南希·格林斯潘曾在书中写到：“可观察性不是一个新思想．泡利已经谈论几年，玻恩也是，而海森伯和克喇摩斯关于色散的论文中只包括可观察量，但玻恩和约当重新强调了这一思想．”［4］格林斯潘所说半对半错：诚然，这一思想不是海森伯提出的新思想，但是它也不是泡利提出的新思想．而且她也没有告诉读者，究竟谁第一个提出了这一思想．

在20世纪60年代，库恩和他领导的团队做了一件精彩的工作，建立了《量子物理历史文献》（AHQP）．这一工作的主要目的是“搜集手稿策划口述文献，为研究量子物理的发展史准备充分的史料．”［5］在工作过程中，积累了决定性的能够明确可观察性原则优先权问题的证据．托马斯·库恩成为当时唯一清楚知道，谁是第一个提出可观察性原则的人．我们可以从他与玻恩、海森伯、约当和朗德等物理学家的对话中看出这一点．在他访问这些物理学家时，他提出的问题具有明显的暗示性．但是他做得最多的是尽力从相关人那里得到更多证据，留给后来的研究者．从AHQP中的相关文献中，我们可以清晰描绘这一原则的提出过程，也能得到谁是提出者的结论．相关的主要文献及其日期如下：

1）1962年10月17-18日，采访玻恩；

2）1962年3月5-8日，采访朗德；

3）1962年11月30日，1963年2月7、11、13、15、19、22、25、27、28日，1963年 7月 5、12日，采访海森伯；

4）1963年6月17、18、19日，采访约当．

1 海森伯和库恩谈论可观察性原则

海森伯撰写他著名的“一人文章”时，他是玻恩的助手．1963年11月30日，他和托马斯·库恩对话时，他说：“我必须说，我从来没有很认真读过恩斯特·马赫的著述．我后来读过一点，但是那已经很晚了．一定意义上，马赫从来没给我留下过很深的印象．爱因斯坦的思考方法给我的印象颇深．但是马赫不然．”［6］根据海森伯所说，我们可以得出第一个结论：

1）海森伯的可观察性原则思想不是来自于马赫的影响，而是来自爱因斯坦．

库恩继续发问：

库恩：现在我非常有兴趣想知道这个思想是怎么发展起来的，以及它源自何处．它是在哥廷根首先被明确表达出来的．它是哥廷根的思想，还是哥本哈根的思想，或者是每个人的思想？

海森伯：我想说在哥廷根这个思想与对相对论的兴趣紧密相关．闵可夫斯基在这里，你知道闵可夫斯基对狭义相对论很有兴趣．当有人说起相对论时，人们总会说，“噢，那有爱因斯坦的一个很著名的观点，只谈论能被观察到的事物．”［7］

基于海森伯的这段话，我们可以进一步得出结论：

2）影响海森伯得到可观察性原则的不是哥本哈根；

3）不是爱因斯坦直接影响海森伯得到可观察性原则，而是哥廷根的闵可夫斯基．

因此海森伯自己的话否定了基于他此前的话得出的结论1）．然而事实上海森伯在哥廷根从来没有见到过闵可夫斯基．他1922年到哥廷根，而闵可夫斯基1909年1月就去世了．由此，我们得到新结论：

4）海森伯在哥廷根得到了可观察性原则，但他不可能直接得之于闵可夫斯基．

闵可夫斯基去世后，在20世纪20年代的哥廷根，马克斯·玻恩是唯一精通爱因斯坦相对论的教授．由于他对于相对论的研究而被闵可夫斯基聘为助手；闵可夫斯基去世后，他因为在相对论方面的研究获得讲师资格；他1909年成为哥廷根大学的物理学讲师后，继续研究和讲授相对论．1921年他被聘回哥廷根做教授，之后他讲授包括相对论在内的几乎全部理论物理课程．海森伯在哥廷根了解到相对论，只能是从玻恩这里．他抛开讲授相对论的玻恩，而提他根本没见到的闵可夫斯基的做法很令人奇怪．基于前面的结论3）、4）以及刚刚提到的事实，我们可以给出结论：

5）直接帮助和影响海森伯了解到可观察性原则的，只能是马克斯·玻恩．

2 约当与库恩谈论可观察性原则

约当告诉库恩，当他在哥廷根给玻恩做助手时，他们经常在一起讨论问题．1963年，当库恩采访约当时，约当用的是德文．他们关于可观察性原则的第6个问题的对话［8］，由清华大学天体物理学家楼宇庆教授的英译文本转译为中文．

约当：这个思想可能很难准确说是谁最先提出的．海森伯很强调这思想．玻恩也很强调它．对我而言很显然是因为我支持马赫，马赫的思想……让每个人信服．但是我不能肯定谁最早以清晰的方式表达了这一思想．

可以这样理解约当的说法：当他成为玻恩建立量子力学小组成员时，可观察性原则已经是玻恩和海森伯的共识性观点．约当不知道这一思想最早出自于二人中的哪一个．至于他自己，由于他对哲学有兴趣，他知道马赫实证主义哲学中有类似的思想．针对约当的反应，库恩明确肯定玻恩比海森伯更早提出了这一思想．

库恩：我想，肯定是玻恩比海森伯更早提出了可观察性原则．至少在玻恩1924年的《量子力学》一书中已经很清晰地表述了这一原则．在玻恩与你合作的关于非周期过程的文章中也清晰表述了这一思想．……你说说，是不是在玻恩的讨论课上，大家认为这是理所当然的？这是哥廷根的一个普遍认识吗？

约当：是的，是这样．在我们3个人的讨论中，这个想法经常成为焦点．我不能确定更多的细节．……可以肯定在我们这个圈子之外，这个思想没人做过细节讨论．有可能在一个研讨课上提到过，但是我忘记了．（在其他场合）这一思想没有做过更细节的讨论，但是我们3个人确实相信它并多次对它有过深入讨论．

约当的说法可以总结成第6个结论：

6）在量子力学建立的过程中，除了玻恩的研究团队，没有其他人深入讨论可观察性原则．

基于约当的回忆得到的这个结论6）与基于海森伯回忆而得出的结论2）、3）和4）相一致．但是约当的回忆并未对于结论5）提供直接的支持．不过有更多的其他文献证据支持结论5）．

3 朗德对库恩所说以及玻恩在1920年的书中所写

1909年在哥廷根玻恩开设第一门课时，朗德是听课者之一．后来玻恩推荐朗德做希尔伯特的物理学助手．1919年玻恩到法兰克福去做教授，朗德也在法兰克福，并在大学兼课．玻恩晚年在一次写给朗德的信中曾说：“我在法兰克福做教授，你出现在了我的面前．有一段时间你就在我安静而不大的系里，完成你那关于多重谱线以及塞曼效应的惊人工作．如果我的记忆准确的话，有几周你就坐在我的办公桌前，正对着我，深深专注于你的计算中……”［9］在法兰克福期间，玻恩与朗德保持着紧密接触．1962年库恩问朗德从哪里了解到可观察性原则，朗德回答：

朗德：我是听玻恩以及很多其他人说的．……马克斯·玻恩是持这一种观点的代表人物，这个观点是：“我们必须抛弃我们的物理图象中多余的不必要的元素，而用尽可能简单的概念描述自然．”我确切记得在法兰克福期间玻恩已经阐述过这一思想．

根据朗德的回忆我们可以做出第7个结论：

7）从1919年到1921年前几个月，玻恩在法兰克福大学做教授期间就已经清晰表达可观察性原则．

不仅如此，本文作者发现，玻恩 1919年撰写1920年出版的《爱因斯坦的相对论理论》一书中，有这样的话：“因为绝对的‘同时性’不能被确定，不得不把这个概念从我们的理论系统中清除．”这句话反映的正是可观察性原则的思想方法．这样约当不清楚玻恩与海森伯谁更早明确提出可观察性原则的困惑可由此彻底解决．

现在我们将若干结论列入一个表格，见表1．

表1

续表

4 玻恩对库恩所说及玻恩在文中所写

1962年库恩问玻恩是否知道他自己是最早提出可观察性原则的人时，玻恩的回答令人难以相信．

库恩：在《量子力学》这本原子力学书中，也在第一篇你和约当合作的关于非周期过程的文章中，你多次强调的一个思想，后来在海森伯的论文中而广为人知．这个思想认为，新的量子力学将只处理可观察量，而当时我们经常假定的像电子轨道等概念是错误的．

玻恩：我一直认为这主要是海森伯的思想．

库恩：可能是，但是从出版和发表的著述上看显然你的肯定最早．

玻恩：我将只使用可观察量这一思想归功于海森伯，但是他给我看这里这篇我的论文，确实清楚地叙述了这一思想．我从不引用我自己写过的东西，即使我知道我的东西比他人早也是这样．因此我总在引用这一思想时说来自海森伯．

库恩提到的玻恩和约当合作的论文，发表于1925年．期刊收到论文时间为1925年6月11日，而海森伯的“一人文章”的收到日期为1925年7月29日．在玻恩和约当的论文中有对可观察性原则的正确描述，强调只有可观察和测量的量才允许进入真实的自然定律之中．［13］

5 哥廷根大学20世纪20年代的一种特殊学术氛围

今天的人们难以理解或想象马克斯·玻恩能够彻底忘记他反复强调多年，并首先在自己的著作和论文最先表述的一个重要思想．但是在20世纪20年代的哥廷根，这类事情却不奇怪．哥廷根大学很早就有集体讨论科学问题的良好习惯和氛围．但是这种氛围也形成了一些特有的文化现象．著名数学家库朗和玻恩在哥廷根时是好友，他的传记中有这样的描写：“哥廷根人有一个共同的毛病：对于思想属于谁不太在意，包括希尔伯特在内的几乎所有人都这样．……他们在这些事情上不在乎．……哥廷根人诙谐地把别人的思想变成自己的思想的过程叫做‘为我所有’．这种过程有不同的类型：‘有意识的为我所有’、‘无意识的为我所有’，甚至‘自我的为我所有’．最后一种的含义是，一个人忽然产生一个好想法，但是后来发现在他自己以前的工作中早已发表过．”［14］

希尔伯特是玻恩在哥廷根最敬佩的教授，也是对玻恩影响最大的教授．库朗曾称玻恩为哥廷根精神的典型继承人，他的物理学派也沿袭着与数学学派相似的自由学术氛围，也存在“为我所有”现象．玻恩不在意原初思想属于谁的意识，可以从他与库恩的对话中感受到．不过他这种意识与他出于不恰当的因谦逊而更愿意引用别人的观点的特征结合在了一起．在这样的学术背景下看，由玻恩现提出的可观察性原则被归功于海森伯名下，就毫不奇怪了．

毫无疑问玻恩是可观察性原则的最早提出者，但是正如玻恩自己所说，海森伯的作用不可低估：“问题是究竟哪些量是多余的，这只有海森伯这样的天才所具有的直觉力才能清楚．”［15］也就是说，海森伯在其“一人文章”中，创造性地应用了可观察性原则．

6 结语

玻恩后期对于可观察性原则的态度也蛮有趣味．在20世纪40年代的一次演讲中，他说：“有人经常说是一条形而上学的思想引导海森伯走向建立矩阵力学，这种说法是那些纯粹理性力量信仰者热衷的一个范例．…… 海森伯觉得与实验没有直接联系的量应该被淘汰．…… 但是，如果将其理解为必须将不能观察到的量全部从理论中删除，那就走向了荒谬与无知．”［17］可观察性原则在建立量子力学过程中起到了重要的作用，这已经是无人质疑的历史事实．但是在玻恩（爱因斯坦也持同样观点）看来，完全受可观察性原则的限制，就不能建立起物理学全部的理论体系．

物理学家研究工作的目标是新的发现．一种新的发现如伽利略研究落体现象那样，从发现一个历史错误开始，然后基于自己的研究去纠正它．这种事情如果成功发生在一位历史学家身上，那是一个幸运．因为不是所有的历史问题都能得以澄清．既然可观察性原则曾经对量子力学的建立起过至关重要的作用，而今天能纠正过去的错误认识，揭示其被提出的可靠历史过程，那就是一个有意义的历史研究．但它也可以成为物理学家的有趣读物与谈资．本文作者曾在《大学物理》发表过关于同一话题的一篇文章［17］，在搜集更多决定性文献资料后撰写的本文，虽然结论与前篇不冲突，但是本文所依据的文献足以终结对于这一话题的再讨论．

致谢：杨振宁先生对于此文的草稿提出了若干修改建议，谨此致谢．

［1］ Van Der Waerden B L．Sources of Quantum Mechanics［M］．Amsterdam：North-Holland Publising Company，1967，261．

［2］ Friedich Hund．The History of Quantum Theory［M］．London：George G．Harrap＆Co．Ltd，1974，133．

［3］ Max Jammer．The Conceptual Development of Quantum Mechanics［M］．New York：Mcgraw-hill book company，1966：197．

［4］ Nancy Thorndike Greenspan．The End of the Certain World［M］．London：John Wiley＆Sons，Ltd．，2005：124．

［5］ Thomas S．Kuhn，John L．Heilbron，Paul Forman，et al．SourcesfortheHistoryofQuantumPhysics．Philadelphia：The American Philosophical Society Independence Square，1967．E1，Reel 8．

［6］ Thomas S．Kuhn，John L．Heilbron，Paul Forman，et al．SourcesfortheHistoryofQuantumPhysics．Philadelphia：The American Philosophical Society Independence Square，1967．E1，Reel 2．Interview with Heisenberg，30 November 1962．

［7］ Thomas S．Kuhn，John L．Heilbron，Paul Forman，et al．SourcesfortheHistoryofQuantumPhysics．Philadelphia：The American Philosophical Society Independence Square，1967．E1，Reel 2．Interview with Heisenberg，15 February 1963．

［8］ Thomas S．Kuhn，John L．Heilbron，Paul Forman，et al．ArchivesfortheHistoryofQuantumPhysics．Philadelphia：The American Philosophical Society Independence Square，1967．E1，Reel 3．Interview with Jordan，18 June 1963．

［9］ Wolfgang Yourgrau edited．Perspectives in Quantum Theory——Essays in Honor of Alfred Landé［M］．Massachusetts：The MIT Press，1971：2-3．

［10］ Thomas S．Kuhn，John L．Heilbron，Paul Forman，et al．Archives for the History of Quantum Physics．Philadelphia：The American Philosophical Society Independence Square，1967．E1 Reel 3．Interview with Landé，3July 1962．

［11］ Max Born．Translated by Henry L．Brose．Einstein’s TheoryofRelativity ［M］． NewYork：Dove Publications，Inc．1962：217．

［12］ Thomas S．Kuhn，John L．Heilbron，Paul Forman，et al Allen．Archives for the History of Quantum Physics．Philadelphia：The American Philosophical Society Independence Square，1967．E1，Reel 1．Interview with Max Born，17 October 1962．

［13］ Born M，Jordan P．Zur Quantentheorie Aperiodischer Vorgänge［J］．Zeitschrift für Physik，1925（33）：479-505．

［14］ Constance Reid．Courant［M］．New York：Springer-Verlag New York，Inc．，1996：120．

［15］ Max Born．My Life［M］．London：Taylor＆Francis Ltd，1978：217．

［16］ Max Born．Experiment and Theory in Physics［M］．Dover publications，INC，1956：18．

［17］ 厚宇德，杨丫男．可观察性原则起源考［J］．大学物理，2013（5）：38-43．

注：文献［5］、［6］、［7］、［8］、［10］和［12］，是收藏于伦敦科学博物馆图书馆的一套微型胶卷．

Which physicist first presented the observable principle？

HOU Yu-de
（The Center for Studies of Song History，Hebei University，Baoding，Hebei 071002，China）

Physicists and historians of science all consider that the observable principle was very important for creating quantum mechanics．Following the publication of Heisenberg’s“one person paper”in 1925，most of the books and papers related to the history of quantum mechanics have indicated that the observable principle was a great contribution from Heisenberg．In fact Heisenberg was not the physicist who first presented observablity．Max Born had already clear described the idea in his book published in 1920，and he also repeated it frequently to Landé when he was the professor in Frankfurt，from 1919 to earlier 1921．A lot of evidence could prove that Heisenberg learned the observable principle from Göttingen，directly from professor Max Born．

Heisenberg；Max Born；Thomas Kuhn；observability

O 4-09

A

1000-0712（2016）10-0061-05

2016-02-21；

2016-06-30

国家自然科学基金面上项目（11375050）资助

厚宇德（1963—），黑龙江明水人，科学技术史博士，河北大学科学技术史教授、博导，中国科学技术史学会理事、中国工程史学会理事，主要研究方向为物理学史与物理文化．