海森堡科技哲学思想的主要内容

　　第 3 章 海森堡科学哲学思想的主要内容

　　3.1 自然观。

　　3.1.1 物质的主观依赖性。

　　辩证唯物主义的观点认为，物质的唯一特性是存在于意识之外的客观实在。微观粒子作为和树木、石头一样由具体事物概括的抽象概念，与宏观事物在哲学上的本质意义是一样的。而海森堡依据"不确定性原理",在研究微观粒子的特性时，否认微观粒子的存在，走向了唯心主义。在《物理学和哲学》中，海森堡指出："在事件中，观测有着决定性的作用，'实在'都是由于我们是否进行了观测而表现出不同";"在进行事件观测过程中，将使得'可能'转变成'现实'"…….海森堡认为，微观世界中任何物理事件的存在都是通过观测而实现的，人不能对微观世界进行直观的感知，人必须利用各种工具、方法、仪器对被观测系统进行观测，这些仪器、工具对微观客体的存在产生影响。研究微观粒子时，他认为微观粒子的特性是我们观测到的那些，观测到一种特性的同时，其他的特性消失，这就是"存在即被感知".在对微观客体的时间、空间进行观测过程中，将不能准确地观测它们的能量、动量；在对其粒子性进行观测过程中，将不能准确地观测它们的波动性。所以我们能够观测到的自然是通过探究问题的方式揭示的自然，并不是自然界本身。海森堡强调，经典物理学（机械唯物主义）中描述宏观事件的概念将不能对微观世界进行准确描述，它们只能用来对观测微观世界的实验仪器和实验结果进行描述。对于微观世界，人们只能通过观测和分析波动与粒子的图象，方可得到原子实验中所隐藏的实在印象；人们必须利用宏观仪器的能动干预以及对微观客体的变革，方可对微观世界进行认识。

　　同时，海森堡还指出，人们对于微观世界的认识还必须通过人的抽象思维而展开，而且遵循主客观不可分原则。在认识过程中，人们在观测之后推导出"几率函数",但所得出的"几率函数"并不是用以对现实时空中微观客体的实际情况进行描述，而是对微观客体在宏观仪器中所呈现各状况的可能性和几率进行描述。函数的推导过程其实就是人的主观思维过程，对可能性的描述就会对其产生一个决定性的影响，这是相对客观的，这样主客观联系起来。

　　在《物理学和哲学》一书中，海森堡对唯物主义进行了批判，他指出："原子物理学已促使现代科学偏离了其在 19 世纪时期所表现出来的唯物主义倾向。"微观世界中，空间、时间、物质再也不是 19世纪所倡导的那样"不依赖人的客观存在"了。他认为唯物主义中关于实在、物质的描述概念已经不能适应现代技术所产生的结果，唯物主义已过时了。在他看来，物质并不是客观存在的，是不真实的，真正真实的是各种"数学形式"、"数学结构"等精神主观世界，强调主观对客观的作用，这是典型的主观唯心主义。海森堡曾说："物质、时间和空间本身，不再像是十九世纪所教导的……那种不依赖于人的固定的实在了。""在量子论中用数学表述的自然规律不再涉及基本粒子本身，而只涉及我们对它们的知识。"由此可以看出，海森堡由反对十九世纪的机械唯物论滑向了否定一般的唯物论，更滑向了主观唯心论。海森堡这样的唯心论，我们是万万不能赞同的。首先，就算是海森堡自己有时也承认"'自然界是先于人类而存在的','自然界在某种程度上独立于人类而存在'."由此来说，海森堡有什么理由将组成宏观世界的围观客体看成是依赖于人的主观而存在，与人的主观不可分呢？其次，宏观层面的观测仪器虽然是由人力制造，并且按照人的需求进行使用，它的制造和目的是主观的，但是仪器一旦制造成功，和微观客体发生相互作用，其过程和结果依然是遵循客观的自然规律的，不以人的主观意志的变化而变化。因此，我们不能将人必须借助宏观仪器来观测微观客体说成是微观客体的存在是依赖于是由于人进行的观测。最后，量子力学中的几率函数和薛定谔方程是人们高度抽象化的科学理论，这些理论不像经典物理学中的决定论一样，可以直观的看出宏观物理量及其变化的过程。

　　然则量子力学也是科学实验的结果，而且经过了科学实验和生产实践的检验。量子力学理论反映出了微观客体波粒二象性的本质属性和微观客体与观测仪器相互作用的统计定律。它不但是人对于微观客体的主观认识，更是一种符合规律的客观存在的真理。

　　3.1.2 由机械论向系统观的转变。

　　哲学上的自然观，指的是人们对于自然界以及人与自然关系的总看法，展现着人们对于自然界本来面目的深刻理解；自然观的类型与当时社会的科学技术发展水平和人类自身的社会实践能力是相对应的。在科学研究中，自然观是人的主观认识与所研究的客观对象之间的相互作用及其结果。历史发展的经验深刻的告诉我们：自然科学的发展，会影响新的自然观的建立与发展，而新的自然观又会反作用于科学研究， 推动科学技术的进步。海森堡的自然观经历了从机械自然观向系统自然观的转变。

　　总的来说，我们可以这样认为：物理学家本身对于自然界实在概念的信仰构成了他们的自然观。物理学家对于物理对象的探索、物理学家的科学理论的形成与发展都受他们所信仰的自然观的支配。海森堡的自然观对其在物理学领域特别是量子力学的研究有着深远影响。

　　"海森堡生活和科学研究的时代是机械论自然观和系统自然观相互交织的时代。

　　机械论自然观与牛顿经典力学的兴起和其在学术界的巨大影响力有着密不可分的关系。

　　它认为自然界的物质是静止不变且互不联系的，所谓的变化仅仅是量变和位置的变化，引起这种变化的动力来自于外部世界，不存在质变。机械论自然观主张从物质的原因来解释自然界本身，极力消除中世纪以来的自然观中的神秘主义的因素，力图将自然科学从宗教神学的藩篱中解放出来。因此机械论自然观主张以数学关系看待自然界，认为宇宙通过数学秩序来构建和运行",海森堡说："为了从数学上进行描述和解释，可以把单个自然过程从其前后联系中分离出来。"这表明，在海森堡科学研究的早期，他是相信机械论自然观的。在机械论自然观看来，物质确实是唯一存在的实体，这种实体的运动依赖于本身的规律，而实体的运动又是其自身与生俱来的性质等。这些主张确实都有其合理之处，但是这种自然观普遍认为原子已经不能再分了，因为它是物质的最低层面。从这个方面来讲，我们可以说古代的原子论自然观以近代的机械论自然观的面貌重新回归。自然时时刻刻刻都处在无休止的运动与变化之中，面对这样的情况，人们难免要问：为什么会产生运动呢？新生事物为什么又会出现？"为了解决这一问题，机械论自然观不得以只好把神从前门驱赶出去，又从后门偷偷请了进来。"对于这个问题的真正解决，一直要等待现代自然科学的大发展之后。自然科学在这一时期所取得的伟大成果，使得解决机械论自然观前后自相矛盾的难题有了新的、有效的途径和方式。随着现代自然科学的进展，海森堡的自然观也随之发生了变化。

　　"康德-拉普拉斯的星云假说、赖尔的渐变论地质学、达尔文的生物进化论、能量的转化与守恒定律等向人们展示了一个处于不断的变化发展和相互联系的自然界。19世纪末 20世纪初，随着 X射线、电子的发现等物理学的新成就证明了原子也不是不变的，它是可分的，这就促使了自然观中的形而上学观点进一步退出历史舞台，取而代之的是主张联系和发展的辩证法思想，这就使得机械论自然观慢慢进化到了系统自然观的层面。"海森堡以科学家和哲学家的直觉敏锐地感受到了这种趋势所带来的变化，他说："原子物理学的基础发生了一些根本性的变化，使我们不得不抛弃古代原子哲学的世界观。"在系统论自然观潜移默化的影响下，具有辩证整体特征的简单性与复杂性、随机性与确定性、线性与非线性相结合的自然演变观点被海森堡所接受。海森堡将自然的复杂性作为研究思考的重点，比如他很重视原子的非线性关系的研究。海森堡在研究中已经自觉地将自然看作是一个整体，而不再将自然的某一具体事物或现象从其所固有的、前后相继的联系中分隔开来进行研究。他说"将世界分为主体和客体、内部世界和外部世界、心灵与肉体的普通划分已不再适用。"海森堡不仅对于宏观世界持有这样的观点，而且对于微观世界也抱有同样的观点。在海森堡看来，量子力学世界中的微观粒子是一种量子态，而不是波状态，同样也不是粒子状态，并且它还是一种无时无刻不在变化的实在。量子力学的研究对象是物理实在，物理实在与其本身所在的环境是互相依存、互相影响而又不可分割的整体。这样的描述反映出海森堡在微观世界的观点同样是符合系统论自然观的。不久，科学家们关于远隔粒子关联实验所得出的结论，也证明了量子态具有不可分离性的观点是可信的。海森堡说："系统中不同概念之间的联系是如此密切。以致人们一般不能改变任何一个概念而不破坏整个系统".伴随着系统论自然观的发展与完善、自然科学的突飞猛进，海森堡将人类对于自然的探索也囊括进自然观的内容，自然观研究的对象也不再局限于自然界本身。

　　更进一步地，海森堡认为，对于自然的探索已经升华到抽象思维的层次，已经超越了只对现实自然进行描述的层面。由此，海森堡指出："新的数学公式所描述的不再是自然界本身而是我们关于自然界的知识。"在系统论自然观的指导下，海森堡不但把自然当作一个整体来研究，而且注重自己系统思维方式的培养，将学科之间的关联性加入到科学研究之中，把研究自然的学科也看作一个整体。"如果在不同的概念集之中出现了同样的概念和词，但它们在它们联系和数学表示方却有不同的定义，那么，这些概念是在什么意义上代表实在的呢？"这就说明，把不同学科联系起来最为整体来研究，是为了解决狭义相对论出现后，不同概念集中出现相同概念的问题。为了解决这样的问题，经过细致研究，海森堡把物理学在近几个世纪的不同发展阶段总结成为四个概念集。"第一个是牛顿力学的概念集，第二个是十九世纪伴随热学发展形成的概念集。第三个是起源于电和磁的概念集，第四个就是量子论概念集。"这四个概念集有以下关系：第三个和第四个都可以囊括第一个的内容，第四个包括第三个的一部分内容，第二个与另外三个都可以产生联系。

　　这四个概念集具有的共同点就是它们都有用数学语言进行表达的可能性，而这种可能性又是四个概念集发生相互联系的最重要基础。因此，海森堡受到启发，认为可以发挥数学的桥梁作用把不同的物理学学科联系起来当作一个整体进行研究。不仅是物理学之内的学科可以相联系，物理学之外的学科在一定条件下也可以与物理学相联系，比如凭借量子理论关系可以将物理学与化学完全融合起来。现阶段，"生物学的发展趋势就是根据物理学和化学的定律去阐释生物学现象。"把相关的不同学科当作一个整体联系起来，为科学研究提供了新的发展沃土，更为研究对象的进一步拓展带来了可能性。这不仅对自然科学有着巨大的促进作用，而且也带来了系统论自然观与科学之间良性循环。

　　3.2 认识论。

　　3.2.1 "不确定性原理"中的实践观点。

　　1927 年，海森堡提出了奠定量子力学基础的重要理论--"不确定性原理".国内有很多学者也称之为"测不准原理",这个词的英语对应词为"UncertaintyPrinciple",译为"不确定性原理"似乎更为合适。

　　经典物理学的决定论观念认为，在任何时刻和任何原则下，我们都可以精确测出微观粒子的位置和动量。但是根据海森堡提出的不确定性原理，在微观世界中，粒子的很多物理量往往是成对出现的，譬如位置与动量、能量与时间等，对于这些成对的物理量，我们无法同时确定其数值。譬如，一个微观粒子的位置和速度不可能被同时都准确地测定，其中一个量测定的越精确，那么我们对另一个量的测量误差就会越大。

　　所以，在确定运动粒子的位置和速度的过程中，一定的误差就不可避免。霍金在其新著《果壳中的宇宙》中这样表述这个原理："在位置被测定的一瞬，即当光子正被电子偏转时，电子的动量发生一个不连续的变化，因此，在确知电子的位置的瞬间，关于它的动量我们就只能知道相应于其不连续变化的大小的程度。于是，位置测定得越准确，动量的测定就越不准确，反之亦然。"不确定性原理是海森堡基于反复试验后而提出的，其可靠性我们不容置疑。由于人们不能在同一时刻测出原子的位置和速度两个参数，因而不确定性原理在一定程度上揭示了科学测量过程中存在的无可规避的局限性。更重要的是，不管科学发展到何种程度，这些误差仍然不可避免。不确定性原理在实践中被越来越多的科学家所接受，并用来指导其科学研究，这也说明该原理本身具有强烈的实践性。不确定性原理彻底改变了牛顿时代传承下来的科学研究中的决定论思想。

　　"不确定性原理"对微观世界做出的界定就是一种人与微观世界之间的不确定的关系，而这种所谓的不确定关系来源于的一个事实，就是玻尔和海森堡经常强调的，原子客体和测量仪器之间的作用是不可避免的，这种作用构成了量子现象研究中重要组成部分。这也正和实践的观点不谋而合。实践就是主观见之于客观的活动，是人类能动地探索和改造现实世界的客观物质性活动。实践活动包括主体、客体和中介。在微观认知领域，使用测量仪器的人是认识的主体，被观测的微观粒子是客体，观察和测量的仪器是主体用来与客体发生关系的中介。微观粒子作为认知对象是不依赖于人的主观映像的客观实在，作为主体的认知者通过仪器与微观粒子发生作用的过程便构成了微观领域的实践活动。在这个实践过程中，主体可以而且必须通过外力或仪器对微观粒子进行干扰，以便使微观粒子的某些特性得以彰显而被仪器所捕捉，主体也随之能够得到关于微观粒子的相关信息，以期获得对微观离子的认识。外力或者仪器对于微观粒子的干扰作用是主体认识微观世界的前提和基础。

　　原子客体和测量仪器的相互作用是主体在微观世界的认知实践中必然要发生的现象，这种必然性表明了人类认识微观世界的实践性质和基础。这样一种实践观与马克思主义的实践观有一些区别，但并未完全背离马克思主义的实践观。客体与观测仪器之间的相互作用存在于微观过程中，科学家在观察微观粒子的过程中，必须施加一些外力干扰微观粒子的运动状态，或者创造一些条件来改变微观粒子原有的一些特性，从而达到预定的观测结果。这也是一种实践形式，只是这种实践与经典物理学里人们从宏观世界中的实践有所区别，它更多地体现了主体的能动性和创造性。尽管微观粒子受到主体在观测过程中施加的外力干扰，但它并没有改变其客观实在性。一方面是观测工具的客观性没有改变，工具与微观粒子之间的相互作用的客观性没有改变，尊重了客观的自然规律；另一方面微观客体的特征在外力的作用下发生的改变，只是由一种物质状态转变为另一种物质状态，其本质并未发生根本性的变化。比如光在不同条件下呈现的波状态和粒子状态。正是这种客观性的存在决定了在微观世界的认知实践过程中，仪器或工具与微观粒子是可以发生相互作用的。实际上，"不确定性原理"的提出并不是为了要限制微观世界的客观实在性，不确定也并不是说不存在和不真实，只是说明了观测和认知的复杂性，这是符合科学规律的。海森堡指出："因为无论如何不能说自然界中的事件是依赖于我们对它们的观察的。这只是说，科学处于人和自然之间。"这也说明了科学是人与自然之间的中介，科学研究就是人探究自然认识的实践活动，这是符合马克思主义实践活动的范畴的。

　　当然，海森堡的"不确定性原理"提出后，受到了不少科学家包括爱因斯坦的质疑。其中最为典型的观点是，根据"不确定性原理",微观世界的客观实在性消失了，或者说微观粒子世界消失了，我们所认识的并不是微观世界本身，而是经过认知实践主体改造过的世界。因为对微观粒子领域的性质的观测依赖于作为认知主体的人类所提供的观测工具和手段，而这种观测手段和工具又不可避免地改变了微观粒子的原有面貌。为了应对此类批评之声，海森堡认为有必要减少作为实践主体的科学家对测量结果的干扰和影响，尽量得到关于微观世界自身的相关信息，于是他提出了类似于操作主义的微观世界研究的方法论。

　　3.2.2 微观粒子的"互补"性与"矛盾"性。

　　几乎与海森堡提出不确定性原理的同时，波尔提出了互补原理。在海森堡的《物理学及其他》一书中，他指出："玻尔关于波粒二重性观念的中心思想是互补性概念，当时他刚引进这个概念，就用于描写一种场合，在其中可以用两种截然不同的方式解释同一种事件，这两种方式是互相排斥的，但是彼此也相互补充，并且正是在这两者的并列下，现象的知觉内容才完全被揭示出来",也就是说，玻尔认为，在描述微观世界时，必须用到一些经典概念，但在描述同一个微观事物时，某些经典概念之间是相互排斥的，在不同条件下，这些概念又都是必须的，因此为了完整描述一个微观客体，必须将这些互斥又互补的方面结合起来。同样身为哥本哈根学派的海森堡赞同这种观点。海森堡依据"不确定性原理"指出，在微观世界中，各微观客体并不同于辨证唯物主义意义上的波概念，也与辩证唯物主义意义上的粒子概念不同，如果用辩证唯物主义层面上的波概念与粒子概念去描述微观世界，则必然会遇到"不确定性"的难题。在对其粒子性进行观测过程中，将不能准确地观测它们的波动性；当然，在对其波的性质进行观测时，也不能准确地观测其粒子性。波和粒子两种图象都是通过独立的实验所得出的，通过"摆弄波、粒两种图象，从波图象转到粒图象，又从粒图象转回到波图象，最终让我们得出隐藏实验观测背后的实在的印象".

　　这是海森堡对波尔"互补"原理的生动描述，他指出，"敢于承认微观客体具有波粒二重性，它们不同于经典物理学中的粒子，也不同干经典物理学中的波，应用经典的波或粒子图象来描述微观客体时，必须受到不确定性原理的限制".

　　海森堡将互补进行了推广，他认为在对微观客体的时间、空间进行观测过程中，将不能准确地观测它们的能量、动量；在对微观客体的能量、动量等数学关系进行观测时，则不能准确地观测到它们的时间和空间。也就是说，如果要用时空对物理现象进行准确的描述，那么就必须以不确定性原理为前提条件；如果要用准确的数学形式表达因果性，那么这带来的后果就是不能实现用时空来描述物理现象的需要。波图像和粒子图像在形式上是相互矛盾的，然而两者在用到适合自己的特定场合时又都是正确的，因此这两者的图像又可以说是相互补充的关系。两种图像之间的互补关系可以用来避开二者之间的逻辑矛盾正是因为不确定性原理能够体现与每一种图像都相关的不确定性。这就显示了海森堡认为微观客体的"互补性"是可能的这一说法的合理性。

　　与此同时，对于辩证唯物主义中所提出的"矛盾"理论，海森堡并没有规避，他认为在微观世界中，任何微观客体都不是单纯的几何点，它们不是单纯的粒子，也不是单纯的波，粒子与波是对立的，但在一定条件下它们是粒子同时也是波，是粒子和波的对立统一体。微观客体中既存在"互补"特性，也存在"互斥"现象。他指出在实际情况中，任何问题、事件在不同的实验条件下都有着客观的矛盾性。在同一种'辐射'条件下，它会在波的影响下，在一种实验过程中出现干涉图像，而又会在粒子的影响下在另一个实验过程中出现光电效应。"两个实验--散射光干涉实验和散射光频率变化实验--看起来两者之间彼此矛盾，不存在任何的调和性。"可见，他明确的了解到微观客体中所存在"矛盾性",他也认为"这些明显的矛盾应当归入原子物理学（辩证唯物主义）的内在的结构".

　　3.3 方法论。

　　3.3.1 "统计定律"的方法论。

　　统计定律是研究随机现象规律的数学理论，在一定程度上揭示了随机现象的必然性特征，但不是因果联系的必然性。哥本哈根学派的科学家虽然对量子力学的解释有不同的理解和侧重点，但几乎都认为量子力学的本质特征是统计性。海森堡说"微观物理学定律的统计本性是不能避免的".在《物理学和哲学》中，海森堡在论述"量子"理论时，对纯粹决定论（即机械决定论，或拉普拉斯决定论）和严格因果律进行了批判，并将"统计定律"作为认识和研究量子理论的重要方法论。他指出："量子论实际上迫使我们把这些规律完全表述为统计定律，并与决定论彻底分道扬镳……随着量子论定律的数学形式体系的出现，纯决定论不得不被放弃了。""因果律在量子论中不再适用",也就是说，在与宏观世界不同的微观世界中，在宏观世界中的拉普拉斯决定论中成立的因果律在微观世界中是不能成立的。统计定律的提出有两个方面的原因：一是主客体之间存在着不可分割、不可控制的相互作用；二是原子客体具有宏观客体不具有的特殊性质，并且这种性质不能被根据经典物理理论制造出来的仪器所感知。

　　海森堡所提出的量子理论主要集中在"薛定谔方程"上，此方程不同于麦克斯韦所提出的电磁方程和牛顿提出的力学方程，它不能对微观客体的时空特性进行决定性判断，而仅仅对几率函数进行决定性判断，即对微观世界与观测仪器彼此作用而产生的现象的可能性进行判断，所以它实际上是一个统计方程。微观世界中，所有的现象都存在着偶然性，对其只能给出一定几率性的描述和判断，而不能采取经典物理学中的纯粹决定论和严格因果律对其进行判断。微观客体的波粒二重性质也就主要体现在这一"统计定律"上。当客体显示出粒子特性时，她的波特性并没有消失，而是隐藏起来，也是有可能显示出来的；反之，亦然。因而，海森堡指出："只有能在数学形式系统中表示出来的实验状况才能在自然中发生",他说："现今，物理学家企图发现一个物质的基本运动律，使得所有的基本拉子和它们的性质都能用数学方法从这个定律推导出来",将那些不能通过统计定律进行解释的问题全部归结为不存在。除此之外，统计定律的方法论还体现在海森堡对于决定论的因果律的批判上。首先，海森堡提出了"因果关系在原子物理科学中是成立的吗"的疑问，然后海森堡在《物理学和哲学》中对于上述疑问作出了如下明确的描述："对这个问题可以作出两个可能的答案。

　　一个是：根据经验，我们确信量子论的定律是正确的，如果是这样的话，我们知道，作为发射在一个给定时间发生的原因的居先事件是无法找到的。另一个答案是：我们知道居先事件，但并不十分准确。我们知道，引起α粒子发射的是原子核中的力。但是，这种知识中包含了原子核与世界的其余部分之间的相互作用所带来的不确定性。"海森堡认为，如果我们想要知道α粒子为什么会在某个特定的时间发射出来，那么我们就一定要知道整个世界所具有的微观结构，当然我们本身也包含在内，然而，达到这一目的又是不可能的。所以，海森堡作出了康德等人有关因果律先天性的论述是不能再成立的结论。

　　在批判机械决定论和因果律的过程中，海森堡提出了"统计定量",利用"统计定量"来替代决定论和因果律。他想建立统一的方程式来解释整个微观世界。而这种观点正符合其主观唯心主义特征，也符合恩格斯对"必然性和偶然性"的论述："形而上学所陷人的另一种对立，是偶然性和必然性的对立。……必然的东西被说成是唯一在科学上值得注意的东西，而偶然的东西被说成是对科学无足轻重的东西。"这句话意思就是说，可以用规律解释的东西，就是我们所已经所了解的事情，这些一般都是我们没有注意到的事情；而不能用规律解释的东西，就是我们所不了解的事情，这些无足轻重的东西我们是可以完全忽视的。如果我们真的那么做了，那么我们的所有科学就完结了，因为那些我们不了解的东西才是科学探索的重要对象。换句话说来讲，必然性的东西是那些可以用普遍规律解释的东西，否而，就是偶然的东西。如果必然性不能发挥有效的作用时，那么偶然性必然大行其道，科学也会完全总结。自然科学家将统计定律称之为偶然性规律，描述微观粒子运动规律的量子理论规律就是一种统计定律。统计定律以偶然性为基础，是偶然性转化成必然性的结果。海森堡认为，物理学引入统计定律有着十分重要的意义，它可以帮助人们认识自然界包括微观世界的的种种现象，获取知识。量子力学中的统计定律从可能性层面扩大了传统意义上的偶然性统计定律，与决定规律并不完全冲突，前者是对后者的一种补充。微观世界的结构决定了偶然性就是规律的特性，此时，偶然性与必然性就没有很明显的差异。统计定律就可以用来描述整个微观世界。

　　3.3.2 类似于"操作主义"的实验方法。

　　操作主义是美国实验物理学家 P.W.布里奇曼创立的，它产生于 20 世纪 20 年代，30 年代传入欧洲，50 年代流行于西方。相对论和量子力学的创立为操作主义的产生提供了良好的条件。实证主义是操作主义深刻的理论来源，海森堡本人及其哥本哈根学派同样深受实证主义的深刻影响。海森堡的思想和操作主义学派的核心主张有共同之处，其思想闪烁着操作主义思想的火花。

　　布里其曼的操作主义除了受实证主义的影响外，还受到爱因斯坦狭义相对论中对同时性概念的分析的影响。爱因斯坦对同时性进行了"操作主义"的分析。他应用了下面的例证进行说明。在空间 A 处发生的事件 1 和在空间 B 处发生的事件 2,如何检验他们是否是同时发生呢？首先，在 A 和 B 之间放置一个直线的刚硬物体，然后在 A,B两点间的中点处 M 进行观测。如果在 M 同时看到了事件 1 和事件 2 的发生，则认为事件 1、2 是同时发生的。这就是用同一位置的同时性来验证不同位置的同时性；而同一位置的同时性被看做是自明的，无需论证。受这种"操作主义"的影响，海森堡在用矩阵力学来表达量子力学时，也用了类似的方法。在研究玻尔模型的过程中，海森堡认为，在原子中，电子的轨道和频率等是不容易被观察的，相对的，在实验过程中，光谱线的频率、强度等确实容易观察的。因此，海森堡认为观察了光的频率和强度等就等于知道了电子在原子中的轨道模型。以线性谐振子为出发点，海森堡提出了用数集来表示满足原子光谱组合原则的理论。

　　操作主义所谓的操作最初主要指的是实验室操作，包括工具（或量度）的操作。

　　这种操作是具体的、确定的。实验操作的具体性和确定性有利于确定和澄清科学中的概念。布里奇曼的操作主义认为所有的概念要求是可以操作的， 即可以在实验室实现。

　　凡是与操作无关，不能在实验室实现的概念都是没有意义的。由此可见，操作主义非常注重实验事实，他们希望能够通过将科学中的概念和实验上的操作联系起来，达到消除具有不确定性的科学概念和术语的目的。实验事实是他们所努力的方向，正如布里奇曼所说的："实验事实永远是一种近乎虔诚的谦卑。"操作主义重视实验事实，力图克服不确定性的特征，正是海森堡应付人们对于"不确定性原理"的质疑的批判所需要的。因此，海森堡接受了操作主义的理论主张并付诸实践。为了尽可能地减少认知主体在观测中对微观粒子本来面目的影响，他在注重理论的同时 ,也非常注重实验的重要性。他说："不可否认，每次观测对被观测的现象都有某种影响，但是一般假设，通过小心谨慎地做实验，可使这种影响任意地缩小。这实际上似乎是被当作全部自然科学的基础的客观性理想的必要条件。"受操作主义实验观的影响，海森堡的量子论的很多基本概念都经过了实验的洗礼，得到实验的验证。这些实验包括著名的威尔逊云室照相、物质射线的衍射、电磁辐射的衍射、康普顿· 西蒙实验、夫兰克 - 赫兹碰撞实验等。从这种意义上我们甚至可以说，海森堡是一个实证论者，他的理论以实验事实为根据。当然我们也知道，海森堡的实证论其实是基于消除或者减少认知主体通过仪器或工具对微观粒子施加外力而使粒子的状态和形态产生改变的目的而不得以采取的一种方法论，是与布里奇曼创始的操作主义很相似的一种方法论。波普尔曾经在其自传中提到，海森堡将量子力学奠基于操作主义纳之上并获得了成功，海森堡的尝试与成功引导当代许多的理论物理学家转而信仰实证主义和操作主义的观点。

　　随着量子力学的发展，现代科学尤其是物理学的概念越来越远离实验操作，具有越来越明显的抽象性。对这些概念进行实验室操作就愈加困难了。于是，操作主义者提出了第二种操作--精神操作。这种操作可以分为纸和笔的操作与言语操作。操作主义者认为通过精神操作来定义概念，这样的概念具有严格性和准确性，不会造成混淆。"归结为实际情况下实际执行的操作，这不会使我们陷入不一致和矛盾，因为在实际的物理情形中，不一致和矛盾是不出现的。"通过这样一种操作我们就可以保证概念的准确性。并且随着精神操作手段的不断进步，概念的内涵可以不断扩展，这已成为现代科学拓展边界和不断进步的一种方式。海森堡十分重视概念的准确性与严格性，认为精神操作是一种非常重要的研究方法，我们需要运用这种工具来有效地拓展现代科学的概念。而且，通过运用这种工具，我们能够增强科学概念的确定性。他说："自然科学中普遍规律的概念必须以完全的准确性规定下来",面对科学概念日益增强的抽象性，唯有通过精神操作的途径才能实现其确定性，实现新旧概念的更替和科学的进步。他认为，"实验已经表明，旧的概念不能到处适用".

　　所以，精神操作的工具是必不可少的，已成为现代科学发展的独特方法。

　　操作主义者很重视语言的作用，操作主义原则被看作是一种科学语言学的规则。

　　也正因为如此，这种原则才具有可操作性。量子力学中不确定的量要想为普通人所理解，就必须用宏观的语言来表示。布里奇曼认为， 我们倾向于较简洁的陈述去说明某一现象，用更为本真的实验事实来说明现象，如果科学体系确定了概念间的操作式定义后，就必须描述这些概念所代表的变量之间的函数关系（可以说是形式化的数学语言）。海森堡对此深表认同，他说，"人们能够谈论原子本身吗？这是一个物理学问题，同时也是一个语言学问题，因此，关于一般语言，特别是科学语言，作若干评论。"为了使自己的科学概念具有确定性而被科学家共同体乃至普通民众所了解和接受，一个物理学家不仅需要一种数学语言来解释自己的实验，他还必须要思考怎么样用平常的语言向非物理学家解释。也就是说，为了保证概念的确定性，物理学家不仅需要形式化的语言，还需要考虑平实的普通民众能理解的语言。不仅如此，物理学家还需要逻辑，逻辑的确定性和严谨性是确保物理学原理在传播过程中不被误解的重要保障。

　　所以海森堡认为，语言是传达科学消息的唯一方法，而且在传达的过程中，逻辑形式也要起到自己的作用。因为语言在逻辑上分为不同的层次。在量子力学的发展过程中，玻尔将互补概念引入科学语言，形成模糊性的语言，以适应不确定原理。海森堡非常赞成，认为这种模糊性语言对量子力学的发展和传播都产生了非常好的效果。

　　虽然海森堡不是一位真正意义上的操作主义者，但是他在研究微观世界时的许多思想和做法与操作主义的理论主张有着高度重合性。