並協原理

並協原理，又稱互補原理，是量子力學基本原理之一。丹麥物理學家尼爾斯·玻爾在1928年提出：原子現象不能用經典力學所要求的完備性來描述。在構成完備的經典描述的某些互相補充的元素，在這裡實際上是相互排除的，這些互補的元素對描述原子現象的不同面貌都是需要的。他稱這個原理為並協原理。

基本介紹

• 中文名：並協原理
• 外文名：Complementation principle
• 提出者：尼爾斯·玻爾
• 提出時間：1928年
• 又稱：互補原理
• 套用學科：物理學

概述

丹麥物理學家尼爾斯·玻爾提出了著名的並協原理，他還認為中國的太極圖很能象徵他的並協理論，並把太極圖放入了其家族的族徽中。

玻爾的族徽

關於量子力學基本原理的一種闡釋，又稱互補原理。它是由丹麥物理學家N.H.D.玻爾於1927年提出的。該原理認為，在量子力學框架內用經典物理學概念描述原子現象，不可能具有象經典物理學所要求的那種完全性，因而必須使用相互排斥又相互補充的經典物理學概念，才能對現象的各個方面提供一個完全的描述。

並協原理的提出

與海森伯提出不確定關係同時，丹麥諾貝爾獎獲得者尼爾斯·亨利克·大衛·玻爾（1885.10.07～1962.11.18) 於1927年提出互補原理。

玻爾的互補原理首先來自對波粒二象性的看法。

波和粒子在同一時刻是互斥的，但它們在更高層次上統一。

光和粒子都有波粒二象性，而波動性與粒子性又不會在同一次測量中出現，那么，二者在描述微觀粒子時就是互斥的；另一方面，二者不同時出現就說明二者不會在實驗中直接衝突。同時二者在描述微觀現象，解釋實驗時又是缺一不可的。因此二者是“互補的”，或者“並協的”。

玻爾的原話是：“一些經典概念的套用不可避免的排除另一些經典概念的套用，而這‘另一些經典概念’在另一條件下又是描述現象不可或缺的；必須而且只需將所有這些既互斥又互補的概念匯集在一起，才能而且定能形成對現象的詳盡無遺的描述”。

如果說海森伯的不確定關係從數學上表達了物質的波粒二象性。那么互補原理則從哲學高度概括了波粒二象性。互補原理與不確定關係是量子力學哥本哈根解釋的兩大支柱。

量子力學建立初期，物理學家們對量子力學的物理解釋，特別是對波－粒二象性的理解有過激烈的爭論。在爭論的過程中，玻爾提出了他的互補描述思想。他先後有過幾種表述，基本思想是：一種經典概念的套用排斥了另一種經典概念的同時套用，而後者在不同的聯繫上對闡明現象是同樣必需的。按照這種思想，對微觀體系採用粒子圖象的描述和採用波動圖象的描述是並協的。由於波動解釋滿足因果性原則，即波動遵從一個微分方程──薛丁格方程，因而不再容許對物理體系作時空描述；微粒解釋滿足時空要求，但卻違反因果性原則。所以，玻爾認為時空描述和因果描述相互排斥又相互補充。並協原理還對W.K.海森伯提出的測不準原理的含義作出了進一步的闡釋。它要求不犧牲現象的任何方面，在經驗提示的範圍內保留經典描述的每個要素。因此，測不準原理所表達的概念間的不確定關係是限制經典物理學概念描述原子現象有效性的特殊形式。

並協概念為量子力學提供了一種經典概念得以一貫套用的邏輯框架，它在限制經典概念套用的互補要求下，解決了量子納入物理學概念框架所引起的困難。其方法論意義在於：區分了巨觀客體的經典物理學規律和微觀客體的量子物理學規律，說明微觀過程的觀測現象必須用經典物理學語言解釋，從而在描述微觀過程的觀測效應中體現了對經典物理學概念的辯證套用。

產生的科學背景

並協原理與辯證法

辯證法與“並協原理”都涉及矛盾，但兩者所涉及的矛盾的類型與處理矛盾方式是完全不同的。自從1900年普朗克提出量子化假說以來，人們就開始探索這個與經典理論格格不入的新思想，然而在此過程中，卻遇到了許多難以解釋的事情。光波的粒子性：1905年愛因斯坦用量子的概念，把光看成一個一個的光子，成功解釋了光電效應，在一定程度上復活了光的微粒學說；但是光在實驗中表象出的衍射、干涉卻表明光是一種波。光的本質是波還是粒子，讓人一時難以捉摸。

微觀粒子的波動性

1924年德布羅意提出物質波，認為一切實物粒子均具有波動性，並提出相應物質波波長與頻率的計算公式。電子的波動性在1927～1928年被電子衍射實驗所驗證，後來質子，中子，原子的波動性都得到實驗證實。物質究竟是波還是粒子，也成為一個問題。

理論的矛盾與統一

1925年海森堡從對應原理提出矩陣力學，1926年薛丁格從波動性導出波動力學，這兩種理論雖然出發點大不相同，但在解釋量子現象是卻得出同樣的結果，1926年狄拉克證明了這兩種力學在數學上是等價的。這說明，不論從粒子性還是從波動性進行理論分析都會得到相同的結果。 以上事實都既表明了微觀粒子的波動性，又表明了其具有粒子性，這兩種互相排斥的屬性同時存在於一切量子現象中，這讓量子力學的本質變得撲朔迷離。於是，在1927年9月16日，在義大利科摩召開的“紀念伏打逝世一百周年”的大會上，玻爾在其題為《量子公設和原子理論的晚近發展》的演講中，第一次提出互補原理，認為量子現象無法用一種統一的物理圖景來展現，而必須套用互補的方式才能完整的描述。

並協原理的科學解釋：並協原理起因於實驗儀器與被觀測物體的相互影響。經典物理學中，儀器與物體的相互作用可以通過對實驗條件的改進而減少，或者通過更細緻的理論分析後被補償掉，在理論上這種相互作用如此微小因而完全可以被忽略掉。因此，我們可以用同一個儀器去測量物體的不同性質，在此過程中不會對物體產生影響，我們把這些性質加起來就可以得到關於物體完整而統一的描述。 但是在微觀領域裡，儀器與物體的相互作用在原則上是不可避免、不可控制、也不可被忽略的。在理論上我們也無法區分出測量結果中儀器與物體相互作用的部分，我們在測量物體一個性質的時候，就會無法避免的對物體產生不可逆轉的影響，因此不能用同一個實驗去測量物體所有的性質，不同的實驗也就可能得出互相矛盾的結果，這些結果無法放到一個統一的物理圖景中，只有用互補原理這個更寬廣的思維框架將這些互相矛盾的性質結合起來，才能去完整描述微觀現象。

並協原理的推廣

玻爾認為，並協原理是作為一個更加寬廣的思維框架，是一個普遍適用的哲學原理，因此他試圖用並協原理去解決生物學、心理學、數學、化學、人類學、語言學、民族文化等方面的問題，並試圖揭示其他形式的互補關係。

生物學

生物學既包括分子層次的理化性質，又包括細胞、組織、器官層次的生命特徵。在研究生物的分子特性時，就不會涉及到生命的部分，在對生物的生命特性進行研究時，就會的忽視其分子層面的理化特性。同時，在用儀器對生命體進行研究的過程中，就會不可避免的對細胞、組織造成損害，甚至殺死整個生命體。因此，生物學研究的這兩個方面既是互補，有時互斥的。

心理學

在心理學研究中，人本身與作為研究對象的心理更加密不可分。當要描述自己的情感時，就必須將邏輯放到一邊，當要描述自己的邏輯思維時，就必須忽視自己的情感，而人的心理是諸多方面組成的，在研究過程中它們常常互相排斥，因此必須用互補的思想去研究心理學。

語言學

語言中的每一個詞都是從不同角度、不同層次去表述的，人們不能在同一條件下使用不同的概念，否則就會因此混淆，但是每個詞語都是必須的，不同角度、不同層次的詞語加起來才能更完整的表述，因此，這些詞語之間是既互斥又互補的關係。

文學藝術

每一個民族有著自己特定的文化，這些文化各有各的特點，不同民族的審美觀也有著差異，因此，這些文化在表現形式上甚至理論上都有互相矛盾的地方，但是他們都是人類文化的一部分，必須用互補的方式去看待這些不同的文化。

哲學

互補原理的提出，使我們的認識論有了進一步的推廣，指出了經典認識論只是在一定條件下才適用。 在經典認識論中，我們認為：客體的屬性、規律與主體無關，與主體所採取的觀測方法也無關，主體可以在客體之外去認識客體，同時不對客體產生影響，主客體之間不存在不可分離的聯繫。 由互補原理引出的認識論指出：單獨說客體的屬性、規律是沒有意義的，必須同時說明主體的情況與其採取的觀測方式，主體對客體的認識必須通過對客體施加影響來實現，因此，主客體之間存在著不可分離的聯繫。但是在一定條件下主體對客體的影響可以忽略，這時經典認識論就是適用的。