从“波粒二象性”看库恩范式与科学革命

摘要：“波粒二象性”是一种物质既具有波动性又具有微粒性的特殊性质，最早由爱因斯坦在光量子假说中提出，后由德布罗意推广到电子及其他微粒。库恩提出范式理论，指出范式形成后科学即进入常规科学阶段，这一阶段只关注解决难题;范式具有不相容性和不可通约性，当范式无法回答的问题增多则危机产生，新范式会取代旧范式，这一过程就是库恩所说的科学革命。光的波动说与微粒说经过长期的争论走向“波粒二象性”以及量子力学下“场”的解释，这一范式转换大体上符合库恩的科学革命模式，但其理论仍然存在过于绝对、有非理性嫌疑等问题。对于“不可通约性”是否过于绝对的质疑，库恩本人在后期论文中做了部分回应;而其非理性之嫌也可借助量变质变和“理性直觉”等理论予以辩护。

关键词：波粒二象性;库恩;范式;科学革命

中图分类号：N01文献标识码：A文章编号：2095-6916（2021）01-0149-03

美国科学史家、科学哲学家托马斯·库恩（1922—1996年，以下简称库恩），其哲学思想涉及科学史、科学哲学等方面，著有《科学革命的结构》（以下简称《结构》）《必要的张力》等作品，其中《结构》提出了以“范式”为核心的科学发展模式，开启了科学哲学的历史主义潮流，对学术界有较大影响。

一、库恩的范式、常规科学与科学革命

库恩的科学哲学理论很大程度上建立在对科学史的研究基础上。受到柯瓦雷等学者和对史学研究方法深入了解的影响，他认为科学发展的历史不是理论和方法的单纯堆栈，科学累积发展观将难以完成科学史的编纂任务。同时，他指出科学教科书的表述往往让人认为科学的发展是由科学家不断添加实验、理论、事件等内容而累积搭建而成的，从而会忽略每一种科学事实被发现的时代背景，这对于科学史研究有着负面影响。库恩从而主张科学史要关注每一个即使是已被淘汰的科学事实“在其盛行时代的历史整体性”也即其时代和科学发展特性。

受到这样的科学史观点影响，库恩提出了独特的范式理论，并在此基础上区分科学发展的常规时期和危机时期，对科学革命的本质进行了论证。

（一）范式的形成

根据库恩《结构》第二章内容，可以将其“范式”概念概括为能够吸引一批坚定拥护者并使其脱离其它竞争模式、同时为拥护者留下无限待解决问题的公认的模型。在日文版的后记中，库恩补充说明了范式的两种意义：一是某一特定共同体的成员共有的信念、价值、技术等的整体，二是这一整体的其中一种元素或对具体问题的解答。

在一个普遍范式形成之前，科学的某一领域内往往有许多位科学家秉持着对该领域基本概念和相关问题各不相同的解释，这时的信息搜集行为是随机而无目的的;范式并不先于科学研究，而是在科学研究的早期过程中形成——某一学派通过自身取得的、优于其他对手的成就获得一定规模的认可，从而形成一个公共范式指导下的“科学共同体”——并能够为这个“科学共同体”提供无需怀疑的基本理念和應当研究的问题，大大提高共同体科学研究的效率及有效性。

（二）常规科学

第一个范式的形成及其为“科学共同体”成员带来的对相同规则的认可是库恩所谓“常规科学”的先决条件。

库恩将常规科学定义为范式驱动下的“扫尾工作”，它包括寻找更加精确地揭示事物本质的方法、推动科学理论与事实的一致性的证明、阐明范式理论并使其更清楚明晰等事实问题和相对应的理论问题。库恩主张，常规科学阶段的目的不在于发现新事物、产生新理论，而在于解决范式提供的“谜”——即不一定有内在价值但一定有至少一个解的问题，拓展范式所能够应用的范围及精确度。

（三）范式的特性

1.不相容性

库恩借助牛顿理论和爱因斯坦理论的例子，论证范式间的不相容性：部分学者通过牛顿力学的成功应用，以及借助相对论对牛顿力学的结果证明可推出牛顿力学是相对论的一个特例等理由，说明牛顿理论依然能够得到支持，库恩对其观点一一进行了反驳——科学史上已被废弃的科学理论依然能够在许多现象的解释中得到成功应用，但对于理论未解释的现象，这种方式会限制其做出推断，那么科学研究再也不能开展了;而若用相对论的概念和理论推导出牛顿力学，则所推导出的理论依然属于相对论而非牛顿力学——因其所使用的依然是相对论中的概念、变量等等。由此，新旧两种范式“所描述的宇宙体系的基本构成要素”不同，范式间是不能够相容的，在接受新范式前必须承认旧范式的错误。

2.不可通约性

库恩所主张的范式的不可通约性主要表现在两方面：一是不同的尤其是相竞争的范式对于所需解决的问题有不同看法，例如牛顿主张不需回答万有引力问题，而拉瓦锡禁止询问金属相像的问题;二是新范式所继承的旧范式的语汇、概念等的内在意涵是不一致的，需要整个“概念网络”的完全转换。库恩进一步说明，新旧范式的支持者实际上存在于“不同的世界中”，由其自身立场出发所看到的东西是不同的。

（四）科学革命

当一个范式在研究过程中所面临的无法回答的问题越来越多，共同体成员为解决这些问题而对原有理论作出的变形越来越多，范式的危机即产生。范式对危机的应对有以下三种可能：常规科学解决了引发危机的问题、问题被搁置、新的能够解决问题的范式候补者终结了危机（即替代了原有范式）。危机常常会导致现有范式的竞争范式同样激增，而当更加有效、精确、简洁的竞争范式成熟并为人接受，竞争范式即取代原有范式。科学家面对危机不会单纯拒斥所在共同体的原有范式，而总是伴随着对新范式的接受。

新范式取代旧范式的过程就是科学革命。库恩将科学革命的本质解读为一种新范式取代旧范式的非累积性事件，只有当事研究者对这个事件拥有“革命”的感觉。新范式为人所接受必须满足以下条件：有解决大部分已被回答问题的能力且可以解决导致旧范式陷入危机的问题，能够预言旧范式不曾预料到的现象，以及部分出于美学的考虑。革命的结果必然是科学的进步。

二、“波粒二象性”及其范式视角

“波粒二象性”是指一种物质既具有波动性又具有微粒性的特殊性质，最早由爱因斯坦在光量子假说中提出，后由德布罗意推广到电子及其它微粒。

（一）从波或粒子到二象性

1.微粒说与波动说

在光学发展史中，光的微粒说和波动说的争论经久不息。

牛顿认为光是一束通过空间高速前进的粒子流而坚决反对波动说，他为了解释将凸透镜放在平板玻璃上所形成的“牛顿环”，提出了复杂的“阵发的长度”等解释——而这实际上可以借助波动说做出简洁的说明;牛顿由于其自身权威胜过了更具有优势的惠更斯的波动说，并使光的本质问题被搁置了近一个世纪。

惠更斯吸收胡克“光是一种振动”的思想，结合罗迈对木星卫星蚀观测中得到光速有限的结论，提出光是发光体中微粒的振动在以太中传播的过程，是以球面波形式传播的，但他的理论不能解释光的偏振、干涉和衍射现象。托马斯·杨通过著名的“双缝干涉实验”——使一个光源通过两条相互平行的狭缝，其投射在屏幕上产生了相间的亮纹和暗纹——说明通过狭缝后的两个光源发生了相消干涉，成功解释了干涉现象。菲涅尔继承托马斯·杨后期提出的横波观念，成功解释了光的偏振和衍射现象。麦克斯韦整合电磁现象为单一理论，由其理论预测出的电磁波传递速率与当时已测得的光速相等，他预言光也是一种电磁波，并于之后由赫兹的实验得到证实。光的波动说逐渐占据上风。

普朗克将电磁辐射能量量子化，爱因斯坦对将光束照射在金属表面使其发射出电子的光电效应作出解释，而麦克斯韦方程组无法解释这两个理论。光的微粒说不得不被同样接纳，物理学者被迫接受了光的“波粒二象性”。

2.范式下的“波粒二象性”

光的微粒说与波动说的争论从宏观角度来看实质上是在同一个物理学范式——经典力学统摄下对同一个问题的不同回答，而从光学的不同范式角度来看，则是两个竞争范式的长期斗争：两种学说的拥护者在各自范式信念、概念的指引下寻求光的属性问题的回答。当其中一个范式能够更好地回答需要解决的问题、所获得的研究成就被更多人接受——例如菲涅尔对光偏振现象和衍射现象的优秀解释令多数物理学者接受后——则该范式所指导下的科学共同体进入常规科学阶段，对“光是一种波动”的信念毫不怀疑地坚持而去研究进一步的问题;但当光的波动说无法回答的问题越来越多——包括普朗克提出的黑体辐射量子化和爱因斯坦发现的光电效应等——而其竞争范式能够对这些问题作出更好的解释并获得更多人的接受，则范式的更替发生。同时，“波粒二象性”范式与先前的波动说、微粒说范式具有显著的库恩所言的不可通约性：它们所使用的波动性、粒子性等概念是从经典物理学即宏观物理中借用的，这些概念在微观世界中的意涵与在宏观世界中有本质差异。

但库恩的不可通约性在光学范式向“波粒二象性”的更替中有过于绝对之嫌：首先，虽然概念意涵有本质不同，但微观世界中的概念既然借用于宏观世界中，则对这些概念的定义是必然参考了宏观世界解释的——否则何来借用概念的必要呢？科学家完全可以创造新的概念语汇。其次，这种更替并不具有库恩所描述的科学革命普遍性的特点——并不是光的微粒说直接取代波动说，而是二者相结合，以一种“各取其半”的畸形姿态共同组成了新的光学范式即“波粒二象性”范式。而从这一角度来看，也可说光学范式的这一次更替是具有累积性的——即在原有的波动说理论基础上补充加入部分微粒说理论，是理论按照发现顺序进行积累的行为。并且，“波粒二象性”对旧范式概念的借用和研究方法的继承并不符合范式间不相容性的特点。

（二）范式转换：场的激发

1.量子力学下的光

若以极其微弱的光和极短的曝光时间进行场的双缝实验，屏幕上所得到的将是没有干涉痕迹而只有若干小撞击点的图像。近代量子力学对这种现象提出了比“光的波粒二象性”更加简洁而令人信服的解释：光既不是粒子也不是波，穿过两条狭缝的实际上是一个“量子化的电磁场”，场的一部分在穿过狭缝后与屏幕相遇，并将一个能量量子交给屏幕——也可以说是穿过狭缝的延展的场坍缩为一个点。

2.范式下的电磁场

由光具有波动性或微粒性到光是电磁场的解释转变，既是细分领域内光学范式的更替，也展示着物理学整体范式的转换——由经典物理学到近代量子力学的转换。这样的转换无疑是一场科学革命。

库恩认为，新范式的产生“都是一下子突现出来的”，往往由受到传统规则束缚较少的年轻人建立，并将新范式的发明说成是“云翳顿开”“灵光闪现”，将科学家接受新范式说成是如同信仰“改宗”一般严酷而痛苦的行为，从而大大削减了科学研究的理性光芒。而其所主张的不可通约性，也为科学家舍弃旧范式选择新范式的行为增添了非理性成分——既然范式间不可通约，则没有一种更高层级的标准用于比较两种范式孰优孰劣，那么科学家为何选择新范式？库恩认为是出于对前景的展望或说对新范式的信心——这种信心似乎并没有足够的理性思辨基础，更多的是一种情感投射。

三、对质疑的可能辩护

（一）库恩本人的辩护

对于上面从光的波动性、微粒性向“波粒二象性”的范式转换的质疑，能够从《结构》文中找到可能的辩护：库恩虽然作出“物理光学的这些范式转变（指由牛顿的微粒说到托马斯·杨、菲涅尔的波动说再到兼具波动性和微粒性的量子力学实体说），就是科学革命”的论断，但在再次论及时，库恩将光“被认为‘有时是波而有时是粒子”的时期归为光学的危机时期，而直到证明光是非波也非粒子的“自我一致的實体”后危机才结束——即量子力学新范式带来新的常规科学阶段。若采取后一种说法，则范式的转换仅仅指宏观层面的物理学范式转换而不指称细分领域的学派更替，如此则针对这一“范式转换”的质疑均可被辩护。

此外，库恩在《结构》一书出版后以论文形式对该书受到的责难进行辩护，同时增补原内容，其辩护中占较大比重的一点即是对“不可通约性”的详细说明。他在《可通约性、可比较性、可交流性》中再次明确，“不可通约性”是指一个理论的科学术语不能完全由另一理论的术语来定义，其意义往往随理论改变;他进一步点明，试图将原有科学理论的语言翻译成现代语言的行动一定会失败——这是因为“翻译”和“解释”是两个不同的阶段，单纯的翻译并不能把例如十八世纪化学中“燃素”“原志”等术语转变为现代术语，因为现代化学证明这些物质并不存在，而即使是在十八世纪和二十世纪化学术语中均包含的“元素”一词，其意义也是不一致的;要解决通约性问题，必须进行第二步即“解释”，从而点明它们的意义和用法。

（二）对库恩非理性主张的可能辩护

库恩科学革命突然发生的观点，可以受到量变与质变理论的合理辩护：科学研究量的积累是非表面、不明显的，而只有当其积累到一定的程度，才会产生质的飞跃;而如果只关注科学革命的表现即质变的部分，则科学革命确实看似是“突现出来的”，连续的量变和断续的质变的发展模式同样是符合理性的。

对新范式产生的直觉论和科学家选择新范式的信心论，我们同样能够提出辩护：直觉并不一定与理性对立，“理性直觉”是直觉哲学上的分类之一，指主体对思维对象的观念统摄或者对其本质与规律的整体把握;直觉在科学研究中往往表现为创造性，斯宾诺莎甚至认为直觉是理性能力的最高表现，而爱因斯坦认为科学发展中“以经验为基础的直觉”能够起到重要的作用。库恩所说科学家对新范式（不参考已获成果）的信心与此相似也绝非是未经理性思考的结果，而更偏向于是结合自身的研究经验所做出的直觉判断。

参考文献：

[1]托马斯·库恩.科学革命的结构[M].金吾伦，胡新和，译.北京：北京大学出版社，2003.

[2]库恩.结构之后的路[M].邱慧，译.北京：北京大学出版社，2012.

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[4]乔治·伽莫夫.物理学发展史[M].高士圻，译.北京：商务印书馆，1981.

[5]方玉田，邢永忠.试论波粒二象性[J].宝鸡文理学院学报（自然科学版），1995（3）.

作者简介：明风飞扬（1999—），女，汉族，山西夏县人，单位为北京师范大学哲学学院，研究方向为科学哲学。

（责任编辑：马双）