量子物理名詞的商榷

劉源俊

(東吳大學(xué)物理學(xué)系,臺灣臺北)

量子物理名詞的商榷

劉源俊

(東吳大學(xué)物理學(xué)系,臺灣臺北)

20世紀(jì)量子物理的大師們發(fā)現(xiàn),在描述原子物理時(shí),日常言語詞有所窮,道有所斷.但海森堡指出,當(dāng)我們要敘述自然界時(shí),還是得從算學(xué)語言回到日常語言來.物理本難懂,量子物理更難懂,使用名詞要特別講究,才不致誤人子弟——名不正則教不順,教不順則學(xué)難成.我們活在中文語境里,更應(yīng)嘗試用中文表達(dá)其精義.筆者講授量子物理三十多年,對量子物理的中文化有一些心得與體會.借此文略加整理,就教于物理學(xué)界.

量子物理;物理名詞

科學(xué)由概念構(gòu)成,是人的思考的產(chǎn)物;概念靠語言文字表達(dá)其意義.名詞是語言的基石,亦即概念的符號,代表概念的濃縮.要精確定義一個(gè)名詞,總需費(fèi)一番說辭;因而欲求顧名能思得其義,固有其困難.但好的名詞可以讓人“顧名思得八分義”,糟的名詞使人“顧名無從思其義”,最糟的名詞則教人“顧名思錯義”.孔子說:“必也正名乎!名不正則言不順.”王安石說:“蓋儒者所爭,猶在于名實(shí),名實(shí)既明,而天下之理得矣.”

18世紀(jì)化學(xué)家拉瓦錫在其重要著作《化學(xué)元素》[1]的序里有一段重要文字,發(fā)人深省:“……每一門物質(zhì)科學(xué)必須包括三樣?xùn)|西:作為科學(xué)對象的系列實(shí)事(facts),代表這些實(shí)事的觀念(ideas),與表達(dá)這些觀念的文辭(words).……文辭須產(chǎn)生觀念,觀念須是實(shí)事的圖像.而,既然觀念經(jīng)由文辭保存與傳播,因此任何科學(xué)語言的改進(jìn)必伴隨科學(xué)本身的改進(jìn);另一方面,則不改良其語言或命名法,也不可能改良科學(xué).不管任何科學(xué)的實(shí)事是如何確定,又不管我們對這些實(shí)事形成的觀念是如何恰當(dāng),若我們?nèi)狈线m表達(dá)的文辭,就只會傳播錯誤的印象給他人.”他在此清楚主張,科學(xué)名詞應(yīng)與科學(xué)俱進(jìn).

20世紀(jì)量子物理的大師們發(fā)現(xiàn),在描述原子物理時(shí),日常言語更是詞有所窮,道有所斷.舉最簡單的質(zhì)粒(mass particle)概念為例:古典物理說質(zhì)粒有確定的位置與速度,但海森堡的“不兩確原理”(uncertainty principle,詳下文)指出,一個(gè)東西的位置與速度不可能同時(shí)測準(zhǔn);那么,還能說質(zhì)粒么?可是,不說“質(zhì)?！庇秩绾沃v起?從古典物理到量子物理的過程好比是“渡”——?dú)v史發(fā)展如是,學(xué)習(xí)歷程亦如是.從舊大陸移民到新大陸,必須先用舊大陸的材料造船,乘船渡海到新大陸,然后才能開始新生活;同樣的,從古典物理世界渡到量子物理世界,也必須先用古典物理的語言描述,然后才改用量子物理的語言,否則渡不過去的.

海森堡在《物理與哲學(xué)——近代科學(xué)的革命》[2]第十章〈語言與近代物理的實(shí)在〉指出,量子物理學(xué)家的語言“不是可以使用正常邏輯的精密語言;是可在吾人頭腦里產(chǎn)生圖像的語言,但同時(shí)要有一觀念,就是這些圖像與實(shí)在間只有模糊的關(guān)聯(lián),它們只代表一種趨近實(shí)在的傾向.”他在另一本自敘體的名著《分與成——原子物理世界交談錄》[3]第十一章“關(guān)于語言的討論(1933)”里也提到:玻爾說:在原子物理里,一些原為我們最信任的概念(例如位置及速度),其應(yīng)用卻是明確受限的.理論物理學(xué)家描述自然界時(shí)所使用的算學(xué)公式盡管在邏輯上干凈、嚴(yán)格,但當(dāng)我們要敘述自然界時(shí),還是得從算學(xué)語言回到日常語言來.換言之,即便明知日常語言不夠精確,還是得用!因?yàn)槿粘ＵZ言——亦即古典物理的語言——是吾人所用以思考的語言.

所以,量子物理的名詞不可能精確.但愈是如此,吾人就愈有需要努力盡量使名詞達(dá)意,趨近精確;否則,更不知所云了!前述還是在西方語境下的考量;我們?nèi)粘Ｊ怯弥形乃伎?又應(yīng)如何考量呢?約30年前在臺灣有人認(rèn)為中文不適合表達(dá)科學(xué)概念,還曾引起辯論[4];但觀乎中國大陸60年來主要是用中文發(fā)展科學(xué)與技術(shù),已經(jīng)證明可行,這個(gè)年代已經(jīng)過去了!因此,量子物理雖然遠(yuǎn)離吾人經(jīng)驗(yàn),我們還是應(yīng)嘗試用中文表達(dá)其精義.就此而言,馬上庚提倡“科學(xué)中文化”,將 bosons譯為“合群粒子”、fermions譯為“不合群粒子”兩類,堪稱范例[5].

“科學(xué)中文化”有3層意義:(1)翻譯出恰當(dāng)?shù)闹形拿~;(2)改正錯誤的洋文名詞;(3)創(chuàng)造優(yōu)良的中文名詞.筆者認(rèn)為:有些不恰當(dāng)或不正確的舊名詞即使因大家習(xí)用已久已難更改,不得已必須沿用,教師也應(yīng)在課堂上講清楚其真正的涵義與更恰當(dāng)或更正確的用法,以期學(xué)生正確認(rèn)識.筆者講授量子物理三十多年,對量子物理的中文化有一些心得與體會.現(xiàn)借此文略加整理,就教于物理學(xué)界.

首先,“量子物理”這一名詞本身就值得商榷.

不知始于何時(shí),凡西文字尾是-om,-on的名詞都被譯為“X子”,quantum就也比照被譯為“量子”.其實(shí)atom本系指物質(zhì)的基本單元,electron指電荷的基本單元,photon指輻射能量(及動量)的基本單元,phonon指晶格振動能量(及動量)的基本單元,magneton指磁偶極矩的基本單元.

atom與electron這些東西皆有質(zhì)量,稱“子”尚可;proton、neutron、meson等等物皆是某一種東西的單元,有特定質(zhì)量,比照稱“子”亦可.但photon是定不下來的東西,位置概念不適用,稱“光子”會使人誤解為像一顆顆的東西,極為不當(dāng),筆者譯為“光元”.同理,phonon譯為“振元”.magneton則根本不是“東西”,筆者譯為“磁矩元”[6].也許有人認(rèn)為譯成“子”,詮釋為“單元”即可;但要知道,人對“子”的顆?？贪逵∠蠛茈y消除,須一開始就講得十分明白才行.

quantum的原意指(有些)物理量的基本單元[7],宜譯為“量元”,不要叫“量子”,以免會錯意.準(zhǔn)此,quantum of action應(yīng)譯“作用量量元”,普朗克常數(shù)應(yīng)稱量元常數(shù),quantum physics應(yīng)作“量元物理”.“quantum mechanics”一詞更有大問題——其中以“機(jī)運(yùn)”掛帥,明顯不是命定的(mechanistic)mechanics!又,根本不談“力”,何能稱“力學(xué)”?有人清楚認(rèn)識這一問題,乃將quantum與 mechanics兩字取頭接尾新造quantics一詞,并以做書名[8],頗有可取;中文作“量元學(xué)”即可.

此外,有各種各樣的“量元”,如“電闕”(hole)、“激元”(exciton)、“磁振元”(magnon)、“電離體元”(plasmon)、“旋元”(roton)、“極化元”(polaron)、“起伏元”(fluctuon)等,都需要從新檢討譯名.

量元物理通常都從黑體輻射開始講.“黑體”指的卻明明不是“體”,是“面”.何來“黑體”?只有“黑面”!稱“黑面輻射”就對了.又,“黑面輻射”指的是黑面在溫平衡時(shí)的輻射,當(dāng)稱為“溫輻射”.區(qū)分溫度與熱兩種概念,是熱學(xué)史上最重要的發(fā)展;所以應(yīng)該溫是溫,熱是熱,不容混淆.筆者發(fā)現(xiàn):將thermal或thermo-一律譯作溫,heat譯作熱,通常都恰當(dāng).古書里是有 heat radiation(德文W?rmestrahlung)這一名詞的,現(xiàn)已不合時(shí)宜.

量元物理是牽涉量元常數(shù) h的物理.能量是量元物理里最重要物理量;能量是 Hamiltonian operator的本征值,這怎么翻譯好?

首先講operator:物理界沿用算學(xué)界所譯的“算符”,筆者以為不能達(dá)意.算學(xué)本是研究算的學(xué)問,有各種運(yùn)算符號,“算符”的名稱太普通了,不足表現(xiàn)其特質(zhì).筆者建議譯為“算機(jī)”,取其像機(jī)器的特性——有輸入,有輸出.量元物理里的算機(jī)是在希伯特宇(態(tài)宇)里操作,有“位置算機(jī)”(position operator)、“動量算機(jī)”(momentum operator)、“能量算機(jī)”(Hamiltonian operator)等等.

輸入算機(jī)的,是代表系統(tǒng)狀態(tài)的“態(tài)矢”(state vector),態(tài)矢的諸分量是“態(tài)幅”(可以用位置表象、動量表象、能量表象或其他表象來表示).過去薛定諤訛稱作wave function(波函數(shù))的,玻恩詮釋為“或然率幅”或“運(yùn)幅”(probability amplitude),費(fèi)曼則稱為“態(tài)幅”(state amplitude).筆者主張:現(xiàn)今應(yīng)一律依費(fèi)曼稱“態(tài)幅”.

量元物理理論與測量的關(guān)系如下:物理系統(tǒng)對應(yīng)于一“態(tài)宇”;測量儀器(所設(shè)計(jì)測量的物理量)對應(yīng)于一自伴的(hermitian)“算機(jī)”(其本征軸互相正交);測量的作為對應(yīng)于“態(tài)矢”往算機(jī)的某一本征軸的“投影”(projection);測量得某本征值的或然率則對應(yīng)于該投影值(亦即態(tài)幅)的絕對值平方.微小世界里,測量造成干擾的奧秘就在于此“投影”,也就是“wave packet reduction”的緣由 ,這一過程可描述為“遇斷”(contingent non-causality).

任意態(tài)矢可表為不同位置本征態(tài)的線性組合——是為“兼處態(tài)”;因而一質(zhì)粒可“兼處”多地[9];同理,也可“兼攝”不同動量,“兼攝”多種能量.這里用“處”,有“潛在”意味(海森堡的用語是“potentia”——“勢在”)[10].“越地性”(non-locality)或“不可分隔性”(non-separability)不過是量元物理里“兼處”現(xiàn)象的特例.于是,孿生系統(tǒng)的越地糾葛(entanglement)就不足為奇了.

A與B兩本征軸架構(gòu)不一,則對A的投影繼之以對B的投影不等于對B的投影繼之以對A的投影.由于位置算符與動量算符不相對易,可推論位置與動量不能同時(shí)測準(zhǔn),于是有“不兩確原理”.海森堡稱之為“Unbestimmtheit Prinzip”,英譯“Indeterminacy Principle,”“Uncertainty Principle”或“Unknowability Principle”;一般譯為“測不準(zhǔn)原理”或“不確知原理”均易引人誤解.

量元物理的描述有所謂Schr?dinger picture,Heisenberg picture與interaction picture之別.Schr?dinger picture可稱為“態(tài)演繪景”或“運(yùn)演繪景”——算機(jī)不改而態(tài)矢隨時(shí)間演變;Heisenberg picture可稱為“機(jī)演繪景”——態(tài)不改而算機(jī)隨時(shí)間演變;薛定諤與狄拉克于1926年證明兩種繪景殊途而同歸,狄拉克更提出interaction picture,可譯為“涉演繪景”.量元物理在“運(yùn)演繪景”描述下的詭異在于:一方面有平?！懊ǖ摹?deterministic)演變,另一方面又有“測量”時(shí)“偶遇的”(probabilistic)突變.至于費(fèi)曼后來發(fā)展出的“pathintegral approach”,可稱“諸徑俱攝繪景”,又是另一種門道,另一層次的詭異.

施特恩與格拉赫于1921年發(fā)現(xiàn)銀原子束在不均勻磁場中分為兩道.泡利為解釋原子光譜的多重態(tài),于1924年提出電子的“兩值性”(two-valuedness).后來古茲米特與烏侖貝克提議電子有spin(一般直譯為“自旋”),即刻被埃倫費(fèi)斯特與泡利指出:不可能!因?yàn)槿魪碾娮拥拇排紭O矩估計(jì),自轉(zhuǎn)的速度會違背相對論.泡利是對的,因?yàn)楹髞淼依?928年發(fā)現(xiàn),電子的這一性質(zhì)來自相對論與量元物理的結(jié)合,與自轉(zhuǎn)根本無關(guān).筆者因此主張不可以訛譯訛——不能說電子有自旋.那要如何說呢?說電子有“兩儀性”[11]——它在外加磁場中表現(xiàn)“上儀”或“下儀”.為描述這一性質(zhì),我們定電子的“儀數(shù)”為1/2.

這一說法可以推廣:質(zhì)子與中子的儀數(shù)也是1/2,光元的儀數(shù)是1,介子的儀數(shù)是0,等等.泡利復(fù)于1940年從量元場論(quantum field theory)證明:儀數(shù)為整數(shù)的粒子都是合群粒子,儀數(shù)為半整數(shù)的粒子都是不合群粒子.一群相同質(zhì)粒(identical particles)在溫平衡下的分布依其合群或不合群的群性(statistics)而不同.1933年,海森堡更提議質(zhì)子與中子是同一種粒子的不同狀態(tài),另有“同種儀”(isospin)的性質(zhì),它們的“同種儀數(shù)”為1/2.

最后做一總結(jié).物理本難懂,量元物理更難懂,使用名詞要特別講究,才不致誤人子弟.名不正則教不順,教不順則學(xué)難成.

編者注本文作者劉源俊在臺灣擔(dān)任物理教授39年,曾任東吳大學(xué)校長.本文為2010年7月31日在“2010年兩岸三地高等學(xué)校物理教育學(xué)術(shù)研討會”(北京)上作者所做的大會邀請報(bào)告全文.

注

[1] A.Lavoisier.Elements of Chemistry.1789

[2] W.Heisenberg.Physics and Philosophy—The Evolution in Modern Physics.1958

[3] 該書德文版書名為 Der Teil unddas Ganze—Gespr?che im Umkreis der Atomphysik 出版于 1969年,書名主標(biāo)題意思是“部分與整體”,此處譯“分與成”,系采自《莊子 ·齊物論》“其分也,成也.”一語.該書英譯版書名改為 Physics and Beyond—Encounters and Conversations(《物理里外——際遇與交談回憶錄》),出版于1971年.

[4] 胡秋原.科學(xué)甲乙丙.中華雜志,1976年,3月號

[5] 馬上庚出版《統(tǒng)計(jì)力學(xué)》時(shí)在1982年.參見劉源俊:〈物理教育從名詞談起〉,《物理》雙月刊,2005年8月,臺北·臺灣物理學(xué)會.轉(zhuǎn)載于《物理》月刊,2010年5月,北京·中國物理學(xué)會.

[6] 關(guān)于此,陸谷孫的《英漢大辭典》在“-on”詞條下出錯.

[7] Ox f ord Dictionary定義quantum為“a minimum amount of a physical quantity which can exist and by multiplets of which changes in the quantity occur.”.Planck 最早用于“elementarquantum der Electrit?t”,是 Einstein開始用“energiequantum”的(1905).

[8] Quantics—Rudiments of Quantum Physics,by J-M Lévy-Leblond&F.Balibar,North-Holland 1990

[10] “處”有隱藏之意,與“出”是對立的;例如“處士”即“隱士”.又,“攝”有“吸引”、“兼有”之意.關(guān)于Heisenberg用“potentia”一詞,見注 2所引 Physics and Philosophy.

[11] 取自《易經(jīng)》:太極生兩儀,兩儀生四象,四象生八卦.

2011-04-19)