论量子实在观

第一代量子物理学家之间的争论,演绎了如何摆脱传统概念思维,来接受量子力学的艰难过程,新一代物理学家则完全相反,他们要求用量子力学语言描述整个宇宙。根据量子力学思维方式,微观粒子被看成抽象空间中的算符,算符在人类熟知的空间坐标中用波函数的形式表达出来。量子现象被看成算符在四维空间的投影,量子实在被看成对微观世界的整体性模拟,具有复制性和建构性。量子实在观是作为自在实在的微观粒子、作为对象性实在的量子现象和理论实在的统一。这是一种最低限度的非定域实在观。如果基于这种观点来回答当代科学哲学面临的问题,必然会得出新的结论。

[关键词]量子力学;实在论;量子实在观

[中图分类号]B02[文献标识码]A[文章编号]1004-518X(2010)07-0018-05

成素梅(1962—),女,上海市社会科学院哲学研究所科学哲学研究室主任、教授,山西大学科学技术哲学研究中心教授,博士生导师,主要研究方向为科学哲学。(上海200235)

本文是上海市哲学社会科学规划一般项目“量子纠缠引发的哲学问题研究”和上海市浦江人才计划项目“量子实在论与反实在论研究”的阶段性成果。

自量子力学诞生以来,“科学理论是对世界的正确描述”这种朴素的实在观受到了最大挑战。量子物理学家一开始就不得不卷入关于量子理论的完备性和实在性、量子现象的整体性和非定域性等问题的讨论中,因而产生了不同形式的量子实在观。时过境迁,关于量子实在观的研究并没有随着第一代量子物理学家相继离世而停止,相反,他们的许多理解被延伸外推到科学哲学领域,成为当代科学哲学家论证其哲学立场的依据。问题是,科学哲学家卡尔纳普、普特南、哈金、法因等人根据相同的量子力学形式体系,却衍生出截然不同的哲学立场。这种情况至少表明:就像牛顿力学的思想体系影响了近代哲学的发展一样,量子力学的形式体系不仅影响了20世纪以来的科学哲学,而且对一些基本的哲学问题提供了新的视角。本文主要考察量子实在观问题。

一、问题的内外根源

到目前为止,量子力学是当代科学发展中最成功、也是最神秘的理论之一。其成功之处在于:它以独特的形式体系与算法规则,对原子物理学、化学、固体物理学、生物学甚至神经科学等学科中的许多物理效应和物理现象作出了说明与预言,已经成为科学家认识与讨论微观现象的一种普遍有效的概念与语言工具,更是日新月异的信息技术革命的理论基础。其神秘之处在于:与应用形式体系的普遍有效性相反,量子物理学家在表述、传播和交流他们对量子物理的基本概念的意义的理解时,曾经历了最激烈的世纪之争。他们之间的分歧不是关于量子理论的算法规则本身的分歧,也不是关于亚原子粒子是否存在的分歧,而是能否仍然像以牛顿力学为核心的经典物理学那样,把量子理论理解成是对客观存在的原子世界的正确描述之间的分歧。

这些分歧的形式与内容随着量子力学的发展也随之发生变化。从方法论意义来看,量子力学最初是在解决当时物理学实验与经典理论间的矛盾过程中,由许多物理学家沿着两条相平行的、独立的研究思路建立起来的。一条是沿着量子化方向,立足于不连续性,运用当时很少有人理解的矩阵代数方法,从旧量子论中脱胎而出的矩阵力学;一条是沿着波动的方向,立足于连续性,运用物理学中惯用的微分分析方法,经过对力学与几何光学的比较后,引入假想的波函数概念所创立的波动力学。1926年,两种数学体系之间的等价性证明,直接引发了量子物理学家围绕物理学基础问题的一系列争论。

导致争论的内在根源归结于量子理论的形式体系本身的“奇异”特征。“量子”一词代表能量的最小单位。量子理论的形式体系向我们描绘了由中子、质子、电子、光子等亚原子粒子构成的一个虚幻迷离的世界。从常识角度来看,量子理论讲述的故事,听起来纯属无稽之谈。然而,经过80多年的发展,由数学工具揭示出来的这些奇异的故事情节,却成为已经证明了的实验事实,甚至成为当代新技术开发的一种资源。人们对量子力学的接受,经历了由观念之争,到实验事实,再到成功应用的发展之路。量子力学的重要特征大致结为下述四方面。

首先,量子力学形式体系中的作用量子是一个不变的常数,微观粒子的能量只能是它的整数倍。这个常数揭示了微观领域内的不连续性。这种不连续性观念的产生,在量子世界引发了一系列根本性问题。其一,在语言与概念意义上,一旦物理学家所使用的每一个概念,不再像经典物理学中那样以连续性观念为基础,它们就会成为意义不明确的概念。[1](P169)另外还意味着,不连续性必然使物理学家对量子测量现象的描述,总是与一定实验设置联系在一起,从而要求把微观对象的“行为表现”看成一个整体。其二,作用量子把物理学中分别用来描述粒子运动的能量与动量和描述波传播的波长和频率这两对互不相关的概念联系起来①,把不连续的粒子图像与连续的波图像统一在同一微观对象上,从而使量子力学的本体论图像变得难以想象,并引发能否用经典语言描述量子测量现象的争论。有人认为,玻尔发明的互补性原理不是先验地对经典概念的批判分析的一种概念发现,而是缺乏要求同时使用特定的经典概念的事实条件的发现。[2](P137)这个事实条件的发现,起到了类似于相对论中光速不变性原理的作用。在相对论中,光速不变的事实,要求在相关参照系中修改“同时性”、“时间”、“空间”、“质量”和“能量”等经典概念的理解与用法,经典概念的互斥互补性,要求修改“测量”、“现象”等经典概念的理解与用法。在量子力学初期,量子物理学家对这些概念的不同理解,把他们分成不同的阵营。

其次,量子力学形式体系中波函数的概率解释不是内在于形式体系,而是通过波恩规则附加的。在经典物理学中,物理系统的状态演化,是通过物理量之间满足的数学方程式来描述的,每个物理量都有明确的物理意义,并描述了系统物理状态演化的一个方面。物理量之间的数学关系,确保了系统状态的演化总是遵守确定的因果律。虽然在热力学与统计力学中,引入了概率描述,但是,这里的概率不过是弥补人类无知的权宜之计。然而,量子力学的产生颠覆了这一切。薛定谔方程中的波函数不是作为一个明确定义的物理量引入的,而是运用类比方法,作为一个假想的波函数引入的,它本身没有明确的物理意义。在算符作用下,波函数的变化不再直接描写物理量或物理量之间的关系随时间的变化,求解方程只能给出力学变量取值的概率,即,观察值出现的一种统计分布,而不再是物理量的值。对这种概率性质的理解,同样,把量子物理学分成对立的不同群体。

第三,薛定谔方程的解的形式具有叠加性,处于叠加态的一个亚原子粒子(比如一个电子或光子)可以同时处于两种或两种以上的态,可以“既在这里,也在那里”,而不能说“在这里或那里”,或者说,一个微观粒子在同一时刻可以处于好几个不同的位置。这是根据常识很难理解的事实。不仅如此,在多粒子系统中,两个曾经相互作用过的粒子,在分开之后,不管相距多远,都彼此神秘地联系在一起,其中,一方发生任何情况,都会同时引发另一方发生相应的变化,这是已经得到证明的物理学事实。特别是,1997年,维也纳小组和罗马小组分别根据这种不受空间限制的量子纠缠现象成功地完成了隐形传输单粒子量子态②的实验,使得只存在于科幻小说中的隐形传输,在量子世界里由梦想变成了现实。更令人振奋的是,美国物理家在2009年实验证明,在肉眼能够看到的两个超导体之间也存在着纠缠现象。[3]这个实验不仅把量子力学的边界从微观扩展到宏观,而且强化了在量子力学与支配宏观现象的经典物理学之间很难划出界线的观点。这些量子魔术的实现,究竟意味着什么?

第四,量子力学的形式体系给不出任何一个物理量的精确测量值。冯•诺意曼在1932年用“投影假设”来说明在测量过程中量子态从叠加态到值态的变化。但是,却产生了无法解决的“量子测量难题”。正如贝尔所言,关于量子测量理论的持久争论,不是对简单的数学处理有所分歧的那些人间的争论,也不是对测量复杂的可观察量持有不同观点的那些人间的争论,而是关于下列事实持有不同看法的那些人间的争论:只要“波包塌缩”是一个基本事实,只要我们不能准确地知道,在薛定谔方程演化中,何时和如何发生波包塌缩,那么我们就不能对最基本的物理学理论作出精确阐述。[4]在后来提出的量子力学的各种替代解释中,如何理解测量过程中从叠加态到值态的变化成为一个核心问题。

外在根源主要归结为量子物理学家的哲学观。大致可分为三类:一是接受量子力学,修正传统哲学观念;二是坚守传统哲学观念,改造量子力学;三是接受量子力学的形式体系,提供新的测量理论。玻尔等人虽然适当地保留了经典概念,但基本上属于第一类;爱因斯坦属于第二类;波姆在晚年提出的因果性量子论(波姆在前期称之为隐变量量子论)属于第三类[5];以埃弗雷特为代表的相对态解释[6],以及受相对态解释启示发展出来的“多世界解释”、“多心解释”、“多历史解释”,还有消相干解释[7](P93-122)等,也属于第三类。因果性量子论的目标是通过在量子力学体系中增加一个假定新变量——量子势,来阐述一种非定域的因果性实在观;相对态等解释是只接受量子力学的形式体系,通过抛弃“投影假设”,假定多元世界或多心或多历史等,来恢复经典实在观。

二、基本问题与论域空间

“实在论”一词由英语单词“realism”翻译而来。“real”这个词来自拉丁文“res”,意指实际意义和理论意义上的事物。“reality”指所有真实事物的全体。“realism”是关于这些全部事物的某种哲学学说。在20世纪的科学哲学研究中,关于科学实在论的学说大致可区分为下列六种不同的类型:本体论的实在论、认识论的实在论、语义实在论、价值论的实在论、方法论的实在论和道德实在论。本体论研究实在的存在问题;认识论研究人类认知的可能、来源、本质和范围等问题;语义学研究语言与实在之间的关系问题;方法论研究获得知识的最好或最有效的手段问题;价值论的主题中包括了科学研究的目的问题;道德关心的是评价人类行为的标准问题。

如果借用哲学上的这种区分,并从量子力学的实际情况出发,可以区分出六种不同类型的实在论问题:

本体论的实在论问题是,微观粒子是独立于它的认知者而存在的吗?认识论的实在论问题是,量子测量获得的结果是微观粒子的固有特性呢?还是依赖于测量设置的一种共生现象呢?借用更形象的流行术语来说:“月亮在无人看时,还存在吗?”语义实在论的问题是,量子理论是对世界的真理性描述吗?还是一种现象学的理论?方法论的实在论问题是,人类能够拥有获得知识的最好方法吗?价值论的实在论问题是,量子力学的目标是求真吗?道德论的实在论问题是,存在着用来判断的普遍价值标准吗?这些问题都可彼此独立地回答,不同答案组合成不同的观点。从常识的理解来看,两种极端形式是,对所有问题持肯定态度的人是量子实在论者,持否定态度的人是量子反实在论者。

爱因斯坦站在定域实在论的立场上认为:不仅微观粒子是独立存在的,而且,粒子的行为表现代表了粒子的固有特性,现在的量子力学只是一种现象学的理论,是不完备的。他在1948年撰写的“量子力学与实在”一文中明确地阐述了自己的观点。他认为,如果不假定彼此远离的客体存在的独立性,那么,惯常意义上的物理思维也就不可能了,也很难看出有什么办法可以建立和检验物理定律。因此,量子力学是不完备的,它“很可能成为以后一种理论的一部分,就像几何光学现在合并在波动光学里面一样:相互关系仍然保持着,但其基础将被一个包罗得更广泛的基础所加深或代替”[8](P446)。

玻尔站在整体实在论的立场上认为:在量子测量中,客体与测量仪器之间的相互作用,将会在根本意义上影响现象本身。首先,我们必须意识到,这种相互作用不可能被明确地从未受干扰的粒子行为中分离出来,因为用经典概念描述测量结果和测量仪器的操作,意味着不考虑量子效应,特别是放弃了与测不准关系相一致的粒子对仪器的反作用的更精确的控制。[9](P100)因此,所观察的量子系统的行为,失去了经典观察对象所具有的自主性特征,量子测量结果既属于量子系统,同时也属于实验设置,如果不参照“实验的设置”,用来描述微观粒子的术语(例如,“位置”和“动量”等)将是无意义的。或者说,观察条件成为有意义地运用经典概念的一个必要条件。这是一种半经典半量子的整体论的实在观。

波姆与爱因斯坦不同,他不是通过设计思想实验或推导逻辑悖论来证明量子力学是不完备的,而是通过为薛定谔方程增加量子势,来重新提供一个具有清晰本体论图像的量子论体系。波姆也与玻尔不同,他不是试图把量子力学塞进经典的语言框架当中,而是试图提供一种恰当的语境。在这个语境中,物理学家能够运用相同的语言来讨论经典力学和量子力学;而不是希望把一种理论还原为另一种理论,更不意味着把量子力学发展为经典概念的延伸,而是需要形成一种新的物理学直觉。波姆在与海利合著的《不可分的宇宙:量子论的一种本体论解释》中认为,量子测量的过程不再像经典测量那样,是对被研究对象的客观特性的一种揭示,而是依赖于整个测量语境的量子现象的呈现过程。这种现象呈现的过程,就像生长中的植物与其种子间的关系一样,植物的好坏,既与种子的质量有关,也与生长环境有关。同样,在微观层次上,微观粒子的某些特性的呈现也是与测量语境相关的一种共生现象。相比之下,经典测量是在忽略不计量子效应(即量子势的作用)的前提下,在大尺度系统中所进行的测量。这是一种非定域实在观。

量子力学的相对态解释的创始人埃弗雷特(H. Ev-erett)在完全接受现有量子力学的形式体系并排除任何附加假设的前提下,提出了一种适合于整个宇宙的量子力学阐述。他认为:在量子测量中,“从我们的观点来看,测量仪器与其它物理系统之间不再存在着基本的区别。因此,对于我们而言,测量是物理系统之间发生相互作用的一种特殊情况”[10](P53)。测量结束之后,叠加态不连续地“跳跃”到一个本征态,是相对于特定的观察者而言的。量子测量系统中不同子系统之间的态的相对性,类似于相对论中物体运动坐标的相对性。就像在相对论中,物体的位置坐标只有相对于它的参考系才有意义一样,在量子力学中,本征态也是一个全新的概念,它相对于观察者(包括测量仪器)才有意义。在相对论中,允许有许多坐标系,同样,在量子理论中,允许有许多观察者的“框架”。这是一种多元本体论的实在观。

我们从这些形式多样、观点各异的实在观中不难看出,量子物理学家关于量子实在的论域空间是动态的、变化的,开放的、多方面的。如果说,以爱因斯坦与玻尔为代表的第一代物理学家对量子实在问题的讨论,演绎了如何摆脱经典物理学的思维方式,来接受量子力学的艰难过程,那么,新一代物理学家已经习惯于完全运用量子力学思考问题。波姆晚年由经典实在观到非定域实在观的转变,埃弗雷特阐述的多元本体论的实在观,都是这方面的尝试。但是,这些尝试要么为量子力学增加新的变量,要么抛弃量子力学假设,因而,都不是对量子力学蕴含的实在观的真正揭示。

三、基本内涵与哲学价值

从1935年的EPR论证,到1952年波姆的隐变量理论,1962年的贝尔定理,1982年的阿斯派克特(Alain As-pect)实验,1997年隐形传态实验的成功,再到2009年宏观纠缠现象的发现,经历了74年之久。这条历史探索之路为量子力学的形式体系的正确性提供了有力证据。正如贝尔所言:“原来,我们只信赖旁证。量子力学从来没有错过。但现在我们知道了,即使在这些非常苛刻的条件下,它也不会错。”[1](P42)贝尔于1964年发表的关于贝尔定理的那篇文章,也因此成为20世纪哲学界引用率最高的文章,成为“意义最深远的科学发现”。

按照量子力学,在微观世界中,微观粒子的基本属性并不总是先验地存在着,而与测量设置相关,是测量语境中的一种共生现象,而不是对象内在特性的独立呈现。双缝实验、延迟选择实验、斯忒恩—盖拉赫实验已证明了这一点。因此,根据量子力学的基本观点,“月亮在无人看时,是不存在的”,或者说,微观粒子的状态呈现具有语境敏感性。这个结论不仅挑战了传统的“科学观”和“测量观”,而且颠覆了狭隘的、常识性的“实在观”。那么,在如此神奇的量子世界中,“实在”究竟是什么?

在完全接受量子力学思维方式氛围中成长起来的当代物理学家认为[11]:在物理系统中,宏观与微观的划分实际上并不符合物理学原则,物理学研究希望达到的是用同一个框架来说明和解释所有的物理现象,与物体大小无关。我们在看待物理对象时,不应人为地在微观粒子与宏观粒子间作出区分,把能看到的大的物体看成宏观的,因而用经典力学描述,把无法看到的小的物体看成微观的,因而用量子力学描述。至少从当前理论物理学发展状况来看,不管是微观粒子,还是宏观粒子,都可以用量子语言来描述,经典力学语言是错误的。只是对宏观粒子而言,经典力学虽然是错误的,人们仍然能够把它当成好的近似来使用,因而,还有其存在的价值,对微观粒子来说,经典力学连近似的资格都没有了。

冯•诺意曼于1932用希尔伯特空间的数学结构对量子力学的形式体系的重新表述,波姆晚年阐述的因果性解释和埃弗雷特提出的相对态解释,都把量子力学当作描述整个世界的理论。只是他们在如何理解这个理论的问题上,选择了不同的进路,提出了不同的观点。在量子力学的概念体系中,最本质的要素是,接受算符语言和波函数的概率解释。前面陈述的那些“诡异”特征都是它们的推论。从算符语言系统来看,像电子之类的微观粒子只是作为抽象的、多维的希尔伯特空间中的一个算符而存在。算符在我们熟知的空间坐标中用波函数的形式表达出来。所有的物理量实际上都是算符的事实,是非相对论量子物理学中的一个基本概念,在经典物理学中完全没有这种特性。在这个多维的抽象空间中,微观粒子本身有无数种方式来表现自身,我们对它的认识,只能是算符投影到我们能够观察到的非常有限的特殊时空(即四维时空)中的一种映像(image)。

这种观点蕴含了两个层次的实在——自在实在与对象性实在。作为自在实在的微观粒子,是抽象空间中的一个抽象算符(这里的“抽象”是相对于有限的人类而言的)。作为对象性实在的测量现象,是我们运用特定测量方法观察到的微观粒子的一个侧面或一个投影。如果有朝一日我们能超出四维时空的限制进行观察,那么,将有可能会揭示出新的侧面。这两种类型的实在都是真实的,所不同是,在量子力学的概念思维中,自在实在只是存在于我们人类认为是极其抽象的数学空间中,对象性实在存在于人类可运用的四维空间中。因此它们是既相互关联,又有所区别的两个层次的实在。

此外,在量子力学的概念体系中,量子系统的许多诡异特性首先是通过数学方法揭示出来的,而不是由实验归纳而来。在这里,以希尔伯特空间、抽象代数以及概率论为核心的数学工具成了物理学家的研究向导,或者说,量子物理学家不是依靠经验来感知亚原子粒子的运动情况,而是依靠数学来预言实验结果或现象。然而,这些预言所达到的准确程度,充分体现了数学工具的卓越能力,证明了物理学家依靠思维推理得到的理论,是对自在实在的某种程度的正确描述的实在论观点。其实,在物理学史上,从非相对论量子力学到量子场论(含有二次量子化和重整化),从麦克斯韦方程到规范场,从规范不变性到纤维丛理论的发展中,理论物理学家对物理世界的认识越来越依赖于抽象的数学描述。由这种抽象理论描绘出来的实在,构成了第三种实在—理论实在。就其存在形式而言,理论实在不同于自在实在和对象性实在,它是建构出来的,是发明的,而不是发现的,但就其内容而言,并非是凭空想象的,而是对世界机理的整体性模拟。正是这种模拟性,才使得它的预言与推理结果有了可证实的经验价值。

这三种实在分别对应于本体论意义上的实在、认识论意义上的实在和价值论意义上的实在。在物理学家的实在观中,爱因斯坦的定域实在观由于不接受量子力学的新特征,因而不可取;玻尔的整体论的实在观虽然是一种半经典半量子的实在观,但它强调了量子测量的整体性;波姆的非定域实在观虽然被批评为只不过是一种语言更换,但它强调了微观粒子存在形式的整体性;埃弗雷特的多元本体论的实在观虽然被批评为是非科学,但它强调了理论实在的整体性。这三个层面的整体性体现了,在量子力学的概念思维方式中,微观粒子(即自在实在)作为抽象的数学空间里的存在者,相当于康德的“物自体”,只是作为感知世界的基础而存在,而不是作为直接的认知对象而存在;量子现象(即对象性实在)作为一种共生的测量结果,等同于经验实在,是多维空间中的存在物向四维空间的投影,它既包括有微观粒子的信息,也包括投影过程中生成的信息;量子实在(即理论实在)作为理论发明的结果,是在超越对象性实在的过程中,对世界内容与结构的整体性模拟。

这种把自在实在、对象性实在和理论实在有机地统一起来的量子实在观,是一种最低限度的非定域实在观。根据这种实在观,整个宇宙在最基本意义上是一个抽象空间,人类生存的空间只是这个抽象空间的一个投影。抽象空间中的存在物,并不是由我们能直觉感到的东西组成的,而是我们的常识思维无法想象的一种抽象存在。包括人类在内这样一个世界,是一个随机的、错综复杂的、互相关联的世界。目前,人类对这个世界的认识,极其有限。人类认识世界的过程,是不断地超越自身阈限的过程。如果基于这种观点来回答当代科学哲学面临的问题,那么,必然会得出新的结论。

注释:

①玻尔正是根据这一点提出了他的互补原理。他认为,微观对象既能体现出粒子性,又能体现出波动性,同时运用这两类概念来描述同一微观对象时,其描述的精确性要受到一定限制。在这种受到限制的范围内,允许人们在经典话语领域内谈论量子测量现象,同时,作用量子对经典概念的精确使用和现象与对象间的关系建立了相互制约;对于完备地反映一个微观物理实体的特性而言,描述现象所使用的两种经典语言是相互补充的,其使用的精确度受了海森堡的不确定关系的限制。

②所谓量子隐形传态是指,把第一个粒子的所有信息复制到另一个粒子上,并保持第一个粒子状态不变。

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【责任编辑:彭勃】

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