汀香水榭

【读书笔记】广义互补性原理

“设想我们做一个关于交通安全的调查，目的是研究汽车在开出收费站时的加速情况。我们需要知道每辆车的精确位置和速度。

现在假设我们安装了一台自动照相机来拍摄每辆车，然后根据这个观察结果（即照片）确定车的位置和速度。确定车的精确位置可能会有点问题，因为照相机拍摄运动的车辆时图像会比较模糊。因此，我们把快门速度调到最快，目的是“停止运动”，以得到漂亮而清晰的照片，从而精确地确定车的位置。

但我们怎样根据静止的照片来确定速度呢？可以观察天线上的狐狸尾巴伸得有多长，但是并非所有车上都有那样潇洒的附件。最可靠的方法是从照片的模糊程度来判断，因为车速越快，照片就会越模糊。

实际上测量重影的长度，然后将其除以曝光时间，就得到了速度，即在某个特定时间间隔内车辆行驶的距离。不过请注意这种方法的互补性本质。为了精确测量速度，我们希望模糊的重影越长越好，但同时，为了精确地测量位置，又要求重影尽可能短。因此，无论怎样选择快门速度，结果都是一种折中方案，不同的观察者会设置不同的快门速度，从而看到不同的（或者说互补的）照片。

……

这个问题已在物理学领域中争论了50多年，但直到现在才在其他领域中引起人们的注意。物理学中的原则依赖于不可分的能量量子。如果能量的分割有一个下限，那么用我们的术语来说，超过这个下限，对观察的分解（或简化）就是不可能的。对物理学家来说，所有观察都伴随着从被观察者到观察者的能量传递。因此：

‘……只要当测量工具和目标之间的相互作用构成了现象中不可分割的部分，互补性的概念就说明了这种探究所能给出的答案。’”——《系统化思维导论》第4章：观察的解释

把上述例子中的“车”换成微观粒子，其实就是在讨论量子力学中的“测不准原理”（现在译作：不确定性原理），在更普适的哲学意义上，就是波尔提出的“互补性原理”，将其推而广之，在生物学、社会学等学科中也适用这种原理。

“玻尔的互补原理首先来自对波粒二象性的看法。

波和粒子在同一时刻是互斥的，但它们在更高层次上统一。

光和粒子都有波粒二象性，而波动性与粒子性又不会在同一次测量中出现，那么，二者在描述微观粒子时就是互斥的；另一方面，二者不同时出现就说明二者不会在实验中直接冲突。同时二者在描述微观现象，解释实验时又是缺一不可的。因此二者是“互补的”，或者“并协的”。

玻尔的原话是：“一些经典概念的应用不可避免的排除另一些经典概念的应用，而这‘另一些经典概念’在另一条件下又是描述现象不可或缺的；必须而且只需将所有这些既互斥又互补的概念汇集在一起，才能而且定能形成对现象的详尽无遗的描述”。

如果说海森伯的不确定关系从数学上表达了物质的波粒二象性。那么互补原理则从哲学高度概括了波粒二象性。互补原理与不确定关系是量子力学哥本哈根解释的两大支柱。”——百度百科词条：互补原理

这里，波动性与粒子性的关系就好像前例中的“位置”与“速度”，每一条性质对于描述现象、解释实验都是不可或缺的（互补的），但是性质之间又是相互排斥的（互斥的）。本书作者发现：

• 1.互补性思想的要点：两个互补的观点是两个不完全独立（可以从一个推导出另一个的某些结果），但又相互不可归约的观点。

• 2.物理学家只考虑严格的互补性，也就是必须满足“测量仪器和被测物体之间的交互”，且形成“现象中不可分割的部分”这些限制条件。

• 3.为了取得理想的观察结果，物理学家会想方设法改进观察方法（如果存在避免互补性的观察方法，物理学家一定会选择），除非面对“不可分割的物理交互”这样的“自然法则”。

• 4.物理学家面对的互补性可以称为“绝对互补性”，这种互补性基于的思想是没有其他可选方案，只有接受观察中根本的、不可分割的限制。

• 5.一般系统观点基于更简单的假设，因此更通用。如果由于某种原因，观察者没有对观察进行无休止的改进，那么任何两种观点之间都会存在互补性；几乎所有情况下，总有某种理由让我们停止无休止的地改进观察方法。于是，去掉条件可以得到一般互补定律。

（广义互补性原理）一般互补定律：任何两种观点都是互补的。

原书这一段内容我反复看了很久，总感觉有些绕神，如果不是翻译的原因，作者的推理逻辑就颇为特殊，直到我将其拆解为上述五点，似乎才读懂一些端倪：互补性的观点具有相互不完全独立和不可归约的特点，这是适用于所有互补性观点的。物理学家追求严谨和进步，总是试图改进方法以达到改进观察结果的目的，除非受到“自然法则”的限制。对于一般的观察者，任何两种观点都是互补的，如果发现某两种观点没有互补，一定是和我们的观察方法有关（这里根据对原文的理解，是因为我们的观察方法过于先进？或者说采用了避开互补性的方法？）。

回到开头的例子，根据我们日常的经验：在一个确定的时间点上，物体的位置是确定的（如果物体的位置不确定，也可以认为是时间点不够精确），而速度本就是物体在单位时间内通过的路程。于是，位置是时间点的函数，而速度是时间段的函数，时间是同时测量这两个量的关键。如果将测量的时间看作时间点，位置是精确的，速度就必然是近似的；如果将测量的时间看作时间段，速度是精确的，位置就必然是近似的。这样看来，位置与速度天生就是两个矛盾的参数。

有意思的是，互补性原理竟然是在现代微观物理学领域被发现的，这是不是说明人类在日常生活中太粗心了呢？另一个异想天开的问题是：互补性针对的仅仅是两个观点吗？对于三个观点，除了两两互补以外，会不会存在三者互补呢（三种观点合起来拼成一块拼图）？对于四个或者更多观点呢？