世界现代后期科技史-第6章
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力学把微观世界建立在这种朦胧的不确定的关系上，使人们包括量子理论的
创始者都觉得难以接受。
玻尔试图对“测不准关系”以及“波粒二重性”作出更普遍、更透彻的
分析，经过反复的思索、探讨后，于1927年9月在意大利科摩召开的国际
物理学会议上，第一次公开提出了“互补性原理”。
玻尔认为，在描写微观领域的现象时，使用一些经典概念时，将会排斥
另一些经典概念，而被排斥的这些概念在另一种情况下却又是描述现象所不
可缺少的，因此，经典概念之间互斥又互补。微观粒子现象的任何观察，都
将涉及一种微观客体同宏观仪器之间的“不可控制的相互作用”，因此，不
可能既赋予现象又赋予观察仪器以一种通常物理意义下的独立实在性，这将
不可避免地导致互补关系和因果关系的几率形式，决定了量子力学规律的统
计性。
当我们要观测作为粒子的电子时，我们必须使用不能检测到波的实验设
备；而当我们为了观测电子的波的一面时，我们使用的仪器就不应该能检测
到作为粒子的电子。这两种实验不能同时并存意味着，波和粒子的概念在描
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述微观现象方面是“互斥”的，然而，为了完整地描述一个微观粒子，又不
得不使用波和粒子这两种相互排斥的经典概念，缺一不可，因此，它们又是
互补的。玻尔把波和粒子这两种图象视为同一个实在的两个互补的描述，两
个描述中的任何一个都只能是部分正确的。他认为，量子物理应当在哲学基
础上抛弃因果论和决定论，而代之以互补原理。
（6）哥本哈根学派同爱因斯坦的论争
玻尔的互补原理得到了海森堡、玻恩、狄拉克、泡利等人的支持，他们
相互交流、协作，对量子力学的一系列问题持有共同的物理见解和哲学见
解，形成了当时世界上力量雄厚的物理学派，并被称为量子力学的正统学
派，也被与他们持相反观点的科学家称为哥本哈根学派，是因玻尔创建并领
导的丹麦哥本哈根理论物理研究所而得名。
围绕着量子力学理论的物理诠释，以玻尔为首的哥本哈根学派和爱因斯
坦为主的对立面展开了一场激烈的、旷日持久的论争。
1927年10月，在布鲁塞尔第五届索尔维物理会议上，哥本哈根学派对
量子力学的解释为多数物理学家所接受，但也受到批评，特别是来自爱因斯
坦的强烈批评。爱因斯坦始终反对把量子力学的几率解释作为最终解释的倾
向，认为量子力学不可能推翻严格的因果律，“上帝不是在掷骰子！”。爱
因斯坦认为，量子力学并不描述单个体系的行为，而描述许多相同的单个粒
子所组成的系统的集体行为，因此，量子力学理论是不完备的。哥本哈根学
派则认为，量子力学能描写单个体系的状态，是完备的理论。
在会上，爱因斯坦设计了多个理想实验，例如“单缝衍射理想实验”、
“多缝衍射理想实验”等，试图证明可以同时准确地测定粒子的位置和动
量，以驳倒测不准关系。但是，这次的论争是以玻尔成功地捍卫了测不准关
系和互补原理而结束，但爱因斯坦并没有服输。
1930年10月，在布鲁塞尔召开的第六届索尔维会议上，爱因斯坦精心
设计了一个被称为“光子箱”的著名理想实验，向测不准关系发出了严峻挑
战。如果不能驳倒这个理想实验，测不准关系将被推翻。爱因斯坦在黑板上
画了一个“光子箱”的草图：一个由弹簧悬挂起的盒子内有一个电池驱动的
光源，盒右壁上有一个由快门控制的孔，快门与盒内时钟保持着一种联系，
固定在盒上的指针在盒外竖直标尺上的示数可反映出盒子质量的变化。由快
门控制的小孔可以在任意时刻打开放出光子，光子跑出的时间可以由盒内时
钟精确地测出来。放出光子的时间间隔为△t，光子跑出前后箱子的质量差
2
△m也可从指针示数上读出，再根据相对论的质能关系式△E=△mC，可以精
确求得任意时刻辐射出去的能量。由此，爱因斯坦得出，光子的能量△E可
由箱子的质量的变化精确地测出，释放光子的时间间隔△t可由时钟精确给
出，因此，他认为能量和时间两个量能同时测准，不存在什么相互作用，测
不准关系△E·△t≥h不成立了，自然，互补原理也立不住了。
“光子箱理想实验”刚一提出，确实也把玻尔等人给难住了。玻尔和他
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的支持者们紧张地思索分析了一个通宵，最后，玻尔终于想到用爱因斯坦广
义相对论的引力场时钟延缓效应来驳倒爱因斯坦。他指出，当粒子跑出时，
箱子质量减少而发生移动，并影响了时钟的读数，因此，若用此装置来精确
测量光子的能量，就不能精确地控制光不跑出的时间，于是，测不准关系又
胜利了。爱因斯坦终于不得不承认了测不准关系。但是，爱因斯坦仍然希望
用决定论去解释量子力学，并把他的批评重点放在了量子力学的不完备性
上。
1932年，著名数学家、后来成为电子计算机缔造者之一的冯·诺依曼将
哥本哈根学派的解释用严格的数学形式予以完整化和系统化，形成了量子力
学的完备性定理和测量定理。但是，关于量子力学诠释问题的争论并未因此
而结束。
1935年5月，爱因斯坦与波多尔斯基和罗森共同发表了一篇题为《能认
为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？》的文章，提出了取自他们三人
姓氏首字母的EPR悖论。这是论争以来最深刻、最有代表性的一个问题。文
章认为，波函数所提供的关于实在的描述是不完备的，不认为量子力学可以
推翻严格的因果律，也不承认物理学理论在对完全确定的实验结果的明确描
述方面存在局限性。围绕EPR悖论的论战，从基本观点来说，并没有解决谁
说服谁的问题。玻尔和爱因斯坦的论战因为第二次世界大战曾一度中断，
1949年，又重开战局，一直延续到爱因斯坦逝世，而且，论争并未就此终止。
1952年，在EPR悖论和爱因斯坦思想启发下，美国物理学家玻姆提出了
隐变量理论。这一最著名的非正统量子力学理论，引起了人们广泛的注意。
玻姆认为，世界是客观的、实在的，粒子和波都具有客观实在性，因此，几
率波不足以穷尽物质的波动性；薛定谔方程的ψ函数，不只是用来计算几率
的数学符号，它和电磁场、引力场一样，也是一个实在的物理场；物质波就
是这种新型的ψ场的振动；ψ场与物体之间有相互作用，场对物体施加一个
“量子力”，把物体拖向ψ最大的地方；物体的无规则运动，与次量子力学
级中的某种隐变量有关。他认定，如果能找到决定微观粒子的隐变量，就能
对单个粒子做出决定性的描述，定域隐变量理论能够说明量子力学的本质特
征。为了证明隐变量的存在，玻姆在EPR基础上，提出了更简便的理想实验，
推动人们向实验验证的方向努力。对玻姆隐变量理论的详细叙述以及之后的
实验验证已超出本书的范围，而且，时至今日，玻尔和爱因斯坦的论争，孰
是孰非，尚无定论。
在科学史上，曾经发生过多次重大的学术论战。爱因斯坦和以玻尔为首
的哥本哈根学派的论战是最著名也是最深入、最富有成效的。他们的分歧不
在于量子力学的物理结果，而在于对量子力学的物理解释。对量子力学的重
要价值，爱因斯坦是充分肯定的，他只是深信量子力学的统计性最终可以从
决定论的和定域实在论的更基本规律中得到理解。
这场论争引导着量子力学的发展，引导人们来共同探索量子力学的基本
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意义，并由对物理学问题的理解发展到对哲学问题的看法，其意义已远远超
出了量子力学本身，直接涉及到认识论的一些基本问题。而且，论争中涉及
的问题，至今仍使人兴味盎然，仍促使物理学家、哲学家去探索，去思索。
爱因斯坦和玻尔等的论争还为后人树立了科学争鸣的良好范例。他们始
终是针对观点，激烈地互陈己见，从未攻击对方，相反，在辩论台下，他们
始终保持友好、相互尊重的关系。
量子力学的诞生，推动了20世纪物理学许多分支学科的产生和发展，
本文其他章节中还将述及。
量子理论的创立还导致其他学科领域出现了一些新的分支学科，如量子
化学、量子生物学等。
化学是和物理学关系最为密切的学科之一。1913年，玻尔提出了原子结
构的量子化轨道理论后，德国和美国的化学家于 1916年便将此新的理论用
于共价键和离子键的研究；1926年，薛定谔刚刚完成波动力学的创立，次年，
这两国的化学家又率先利用薛定谔的波动力学方程来研究氢分子，建立起了
崭新的价键理论。从此，量子化学逐渐形成，并给20世纪的化学带来了巨
大的变革。
30年代末出现了“量子生物学”的名词，提出：变异是一种量子过程。
玻尔很关心量子力学与生物学的结合，先后作了《论光和生命》和《再论光
与生命》两次讲演；薛定谔于1944年写了《生命是什么？》一文，用热力
学和量子力学理论来解释生命的本质。50年代后，量子生物学有了迅速的发
展。
总之，量子力学和相对论一起，成为现代物理学和其他现代科学的两大
支柱。
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三、第一台电子计算机的诞生
1945年，世界上第一台电子计算机ENIAC，在美国宾夕法尼亚大学莫尔
学院的实验室诞生。这是20世纪人类的一项最伟大的发明，是人类迈进一
个全新时代的标志。电子计算机的诞生对科学和技术的发展所产生的作用，
给人类社会，给人类的生活、生产和工作的各个方面带来的巨大、广泛和长
远的影响，是当时人们所未曾预见到的，也是任何一项发明所不可比拟的。
ENIAC是一批杰出的科学家、工程技术人员于40年代共同缔造的，然而
她也是社会和科学进步的必然，是人类长期以来共同孕育的一朵智慧之花。
计算工具的不断革新改进，计算方法的不断进步和电子技术等科学技术领域
的发展为她的诞生打下了基础，不断增长的信息处理量和第二次世界大战期
间军事技术的需要则促成了她的降生。
1．计算工具的历史发展
人类很早就开始了对数的认识，并产生了对数进行运算的数学。随着社
会的进步和发展，计算变得越来越重要，人类用于计算的工具也因此不断更
新发展。
（1）人工计算工具的发展
人的双手可能是第一个天然的计算工具。中国古代有“掐指一算”，还
有现代汉语中保留的成语“屈指可数”，大概都是中国人的祖先们用手指计
算的写照。各国的小朋友学习计数，也几乎都是从扳着手指头开始的。也许
因为人类有十个手指头，所以世界上的各民族几乎都使用十进制。石块、树
枝、绳结等都曾经是人类祖先的天然计算工具。
随着社会和经济的发展，天然的计算工具已不能满足计算的需要了。公
元前3世纪至前2世纪，中国人的祖先已普遍在使用一种人工计算工具——
算筹。算筹是利用长六寸 （合13。8厘米），直径一分（合0。23厘米）的小
圆棍按不同的方式进行排列，以表示不同大小的数。根据圆形小棍的材料的
不同又分木筹、竹筹、骨筹等。在数学发展史上，算筹发挥过巨大的作用，
数学家祖冲之 （429—500）利用它计算出在当时是最精确的圆周率的值；我
国唐朝天文学家李淳风（602—670）利用它准确地预报了日食。后来传到朝
鲜、日本变成“算术”。
中国祖先在计算工具方面的另一杰出发明——穿珠算盘，其起源的准确
年代尚无定论，但公元1371年《魁本对相四言杂字》中已有确凿记载。珠
算盘携带方便，计算速度和操作的灵活性都是算筹所无法与之相比的。这种
富有生命力的计算工具，至今仍沿用不衰。
古希腊曾发明了也称作“算盘”的算板，是欧洲中世纪重要的计算工具。
17世纪初，有两种计算工具流行于欧洲，一种是伽利略（1564—1642）发明
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的比例规；一种是苏格兰数学家、对数创始人纳皮尔（1550—1617）发明的
纳皮尔筹。
伽利略比例规是根据三角形对应边成比例的原理和比例规上标好的刻
度来进行乘除、开方等运算的。1620年，英国人甘特发明了一种可以把乘除
运算化为加减运算的计算尺。1632年，英国人奥特瑞发明了有滑尺的计算
尺，同时造出了圆形计算尺。17世纪中叶，出现了带有游标与滑尺的现代型
计算尺。18世纪以后，人们制造了适应各种需要的普通计算尺和专用计算
尺。各种计算尺均利用了简单的物理量——长度的变化来进行计算，可以看
成是早期的模拟计算工具。
（2）帕斯卡和第一台机械计算机
16世纪中叶，哥白尼（1473—1543）创立了日心说，天文学的发展进入
了一个新的时期。丹麦天文学家第谷·布拉赫（1546—1601）通过长期的观
测，积累了极为丰富的天体运行资料。去世前，他把这些宝贵资料留给了他
的助手开普勒（1571—1630）。人们常用“天文数字”来形容数字的庞大，
因此可以想见，要对第谷·布拉赫的一大箱资料进行计算、分析，并与自己
关于天体运行的设想方案进行比较，并不断地修正自己的方案，再比较，并
最终找出行星运动的三大定律，开普勒必须进行多么繁重的计算和处理工
作。可以说，没有数学，没有数学计算，就没有天文学。天文学的发展，天
文学家们所面对的大量、繁重的计算，在呼唤着新型计算工具的诞生。
当时钟表业的发展，启发人们考虑利用与钟表类似的齿轮传动装置，来
设计一种新的计算工具。1623年，正当开普勒在为大量天文数字的计算耗费
精力时，收到发明家什卡尔特的来信。信中，什卡尔特详细介绍了他发明的
一种由加法器、乘法器和记录中间结果的装置三部分构成的计算机，这种机
器不仅能进行数据计算，还能存储数据，当时已经设计完毕，正在制造模型。
从技术上看，这台机器是计算工具的一次大突破，但是十分可惜，什卡尔特
