唐先一 张志林:量子力学诠释综论

2017-05-11 10:59 来源:《自然辩证法通讯》 作者:唐先一 张志林

  Reviews on the Interpretations of Quantum Mechanics

  作者简介:唐先一(1977- ),男,上海人,匹兹堡大学物理系博士生候选人、中国科学院自然与社会交叉科学研究中心客座学者,研究方向为科学哲学、社会物理学等。E-mail:tangxianyi01@163.com。北京 100190;张志林(1957- ),男,重庆人,复旦大学教授、博士生导师,研究方向为科学哲学、语言哲学、形而上学等,E-mail:zhilinzh@fudan.edu.cn。上海 200433

  内容提要:量子测量问题悬而未决已近一个世纪。本文回顾了测量问题的实质,以及当前13种主流的量子诠释理论和它们各自尚存的问题,并依据四条确凿标准对它们予以评价。基于康韦和寇辰等的自由意志定理,本文提出合理的量子诠释应充分体现粒子的自由意志,并紧抓测量问题的关键,即观测者的知觉过程。

  关键词:量子力学诠释/测量问题/自由意志定理/观测者意识/观测者知觉/Interpretations of quantum mechanics/Measurement problem/Free will theorem/Observer's consciousness/Observer's perception

  原发信息:《自然辩证法通讯》第20166期  

  电子到底是粒子还是波?量子纠缠如何能跨越时空,即使在类空间隔中仍能协调两个粒子的行为?这些微观世界所展现出来的“量子荒谬性”就够令人费尽神思的了。然而更糟糕的是,我们还有测量问题。[1],[2]

  一、量子测量问题

  量子测量问题究竟是什么?在曹天元先生的《上帝掷骰子吗?——量子物理史话》中,[3]对之做了颇为精准的描述:

  波函数的演化与坍缩是两种迥然不同的过程,后者随机,不可逆,至今也不清楚内在的机制究竟是什么。是什么触动了波函数的坍缩?是“观测”吗?但是,我们这样讲的时候,用的语言是日常的,暧昧的,模棱两可的。我们一直理所当然地用使用“观测”这个词语,却没有给它下一个精确的定义。什么样的行为算是一次“观测”?而如果说人可以算是“观测者”,那么猫呢?一台计算机呢?一个盖革计数器又如何?……单单仪器与粒子的相互作用不能构成“观测”,因为这台仪器本身也有自己的波函数,如果我们不“观测”这台仪器本身,它的波函数便也陷入一种模糊的叠加态中……这整个链条的最后一台仪器总是处在不确定状态中,这叫做“无限后退(infinite regression)”……当我们的大脑接受到测量的信息后,gameover,波函数不再捣乱了。难道说,人类意识(consciousness)的参与才是波函数坍缩的原因?……难道“意识”,这种虚无飘渺的概念真的要占领神圣的物理领域,成为我们理论的一个核心吗?……究竟什么才是“意识”?这带来的问题比我们的波函数本身还要多得多……意识是独立于物质的吗?它服从物理定律吗?意识可以存在于低等动物身上吗?可以存在于机器中吗?

  近期引起了广泛关注与认可的施洛斯豪尔(M.Schlosshauer)的综述中仔细地探讨了量子测量问题,[4]并将之归纳为两点疑问:

  1)明确结果问题(problem of definite outcomes):为什么人类能测量得到仪器指针处于一个向上或向下的明确位置,而非其叠加态?要知道,从量子理论来看,两者并无本质差别,都是希尔伯特空间中的态矢。

  2)优先基矢问题(problem of the preferred basis):为什么测量结果总是对应于一组特殊的基矢表象,例如指针向上或向下,而非其他表象?要知道,从量子理论来看,各组表象之间并无本质差别。而且,实际的测量结果之表象往往是对应了仪器不同的空间位形分布。

  随着对量子力学诠释的各种理论流派不断地涌现,在不同的诠释框架之下,量子测量问题也呈现出不同的形式。例如,有的诠释中承认波包坍缩,那它就是一个必须面对的问题;[5],[6]而“多世界”等诠释中,[7],[8],[9]波包却从不坍缩,便没有该问题。这样一来,似乎要说清楚什么是量子测量问题本身也变困难了。

  现在,让笔者们先局限于最传统、正统的量子诠释——哥本哈根解释(Copenhagen Interpretation,standard Interpretation,orthodox Interpretation)的框架之下,[10],[11],[12],[13]来阐述和定义量子测量问题。哥本哈根解释承认测量过程的存在,其时波函数坍缩,观测者获得经典的测量结果。但如曹天元书中所述,[3]它对测量的定义模糊不清,似乎只能从人们自身的生活经验中自然地理解。该解释框架下,有测量问题如下:

  1)波函数在测量时发生塌缩,这是一个薛定谔方程不能描述的过程。作为一个力学体系,怎么会有物理过程不能为其方程描述?

  2)哥本哈根解释要求在“量子的世界”外,尚有一个“经典的世界”存在。那么描述这个“经典的世界”的力学方程又是什么?经典与量子的世界间的分界线,即海森堡分界(Heisenberg cut,见[14])又在哪里?

  3)测量过程到底是不是一个纯物质的过程?如果是,那么描述物质过程的方程必定不只薛定谔方程一个,其余方程是什么?如果不是,精神、或意识将不可避免地以一种非物质性的姿态进入物理学领域。怎么进入?它们服从什么规律吗?

  4)明确结果问题。

  5)优先基矢问题。

  由上可见,不论在哪种诠释框架之下,测量问题的核心并不曾改变,即:我们所体验到的“经典的世界”与薛定谔方程所描述的“量子的世界”如何协调统一?由朦胧的量子波所描绘的微观世界之上,是如何构建出我们所熟知的、明晰而确定的经典的世界?[1]

  在此问的基础之上,学界已进一步列举出了一系列核心问题,是任何一种量子诠释都必须去面对和回答的,它们是:[15]

  1)体系演化是决定论性的,还是非决定论的?

  2)量子波是真实的波,还是知识(或信息)?

  3)只有一个宇宙(历史)吗?

  4)是否存在隐参量?

  5)波函数是否发生坍缩?

  6)观测者的作用是不可或缺的吗?(指对产生出经典的测量结果)

  7)量子波是否符合定域性条件?

  8)彼此不对易的物理量能否同时具有确定的值?

  9)整个宇宙能被一个大而复杂的波函数所描述吗?

  在维基百科上,现有较为知名的13个量子诠释理论对以上九大问题的回答被总结于表1中[15]:

 

  二、现有的八大类量子诠释理论

  接着让我们来检查现有的这些诠释理论,看看它们各自尚面临哪些问题,令测量问题至今悬而未决。受篇幅所限,笔者将不逐一细数这些理论,而是按照通行的观点,将它们分为如下8大类诠释,来逐个讨论:[4],[16],[17]

  1)哥本哈根的解释

  2)退相干解释

  3)多世界解释(及相对态诠释)

  4)隐参量理论

  5)客观坍缩模型

  6)相容历史观解释

  7)模态解释

  8)语义重构类解释

  1.哥本哈根学派的解释

  传统的哥本哈根学派认为[12],[13],[15],量子波函数描述了体系状态,它的演化方式有二:1)不测量时,波函数依照薛定谔方程演化;2)测量时,波函数坍缩到若干种可能之一,即实测结果所对应的本征态波函数。且该过程不能为薛定谔方程所描述。然而,正统的哥本哈根学派对什么是测量过程,采取了一定程度的“保留意见”。这一点上,或许狄拉克的那句名言最能概括和反应:“shut up and calculate!”[10]

  尽管如此,毋庸置疑的是哥本哈根学派承认存在“量子世界”的同时存在“经典的世界”,且后者尚不能从前者导出;承认观测者不可或缺的作用;认为世界是非决定论的,粒子行为具有内禀的随机性;且认为宇宙是单一唯一的,否认平行世界和隐参量的存在。[15]

  正统的哥本哈根学派解释对人类文明的进步与发展功不可没,在该解释的支撑下,量子力学在各个领域取得了无数的辉煌成就。哥本哈根解释也至今被奉为对量子力学最正统的解读。然而,该解释自身的问题也十分明显——即留下了量子测量问题。因此被人诟病为逻辑上不能自圆其说,是一个不能自洽的解释。

  另外,冯诺伊曼-魏格纳诠释值得一提。[15]它是一种与哥本哈根非常接近的诠释。然而,冯诺依曼诠释更为大胆和激进。它采取了直面问题的态度,认为波包坍缩是一个非物质的过程,是观测者的意识使得量子波坍缩的。然而,这种超前的诠释却只是带来了更多的问题:意识是什么?它与量子波如何相互作用?而且,优先基矢问题仍无法解释,显然还需要引入其它更多的规则。就连尤金·魏格纳(E.Wigner)本人后来也宣称放弃了该诠释方案。

  2.退相干解释

  在1985年瞿斯(E.Joos)和泽赫(H.D.Zeh)发表的论文中[18],作者们宣称介由退相干过程,可以解决测量问题。

  该解释的主要思想是,在与环境的相互作用下,体系原先具有量子相干性的波函数的不同分量,其之间的量子相位联系会逐渐失去,转而各自同环境建立量子纠缠。这样,原来相干的波函数不同分量间将变得彼此不再相干,于是体系波函数的行为将从满足量子概率统计的规律转变为满足经典概率规律。此即退相干过程。(例如电子双缝干涉实验中,若用光子去照射,电子的干涉性就会消失,转而服从经典的概率叠加。)

  而瞿斯等提出的另一重要思想为:任何体系拥有的经典性质,势必都对应着经典的可观测量(或它们的函数),即,都可以用宏观的测量仪器加以测量和记录。[19]而体系的明晰确定的微观性质(例如一个电子的自旋方向),也必定满足其可被宏观测量,即,体系的一系列可能的微观状态会和宏观仪器的一系列不同的宏观状态建立一一对应的关联。而且这种关联必须稳定可靠,不能被打乱和破坏,即使在环境的各种复杂干扰之下。这样就对体系所有的经典性质(或明晰、唯一确定的性质)提出了一个前提要求:该性质为不同值时所对应的各个不同微观状态,必须能与宏观仪器的不同状态建立稳定的一一对应的关联,该关联不能被环境作用所破坏。该要求被称作稳定性判据(robustness criterion,或stability criterion)。[20],[21]

  与环境相互作用,就会发生“退相干过程”。该过程中,体系内部的、体系与测量仪器间的许多量子关联将迅速地失去,而那些能在该过程中仍然存活下来的体系与仪器间的关联性,就对应了体系的“经典性质”。这种淘汰与存活,“经典性质”必须“适者生存”的观点与生物学中达尔文进化论相似,也被称为量子达尔文主义。[19],[22]综上所述,瞿斯和泽赫认为,介由退相干过程和稳定性判据,经典性质(以及经典的世界)就被从量子世界中构建了出来。

  不可否认,退相干理论有其极具价值的地方,该理论也在不断地被完善和发展着,取得许多了不起的成就。[23],[24],[25]毋庸置疑地,退相干理论对于解决量子测量问题具有重大的意义。[4]然而,现在的学界也逐渐达成了一致共识:单凭退相干理论不足以解决测量问题。[26]以至于量子诠释的维基百科页面上,[15]也已不包含退相干解释。

  原因主要有二。其一,退相干理论完全居于量子力学的框架之内,故而并无法描述或解释波函数坍缩的问题;其二,明确结果问题也仍无法解决——在退相干理论下,体系与环境仍然处在一个更庞大的纯态波函数状态下。虽然体系的各个可能性之间的量子干涉消失了,服从经典的概率统计规律,但是这些可能性仍然是叠加在一起的——薛定谔的猫仍旧处于死猫与活猫的叠加态之中。

  现今的大量实验实践中,退相干现象已经被证实普遍存在,其理论计算也得到了反复验证,堪称根基扎实。而退相干理论被认为是解决测量问题中关键的一环。许多其他的量子力学诠释,都借用了退相干的方案和结果。例如,对于哥本哈根诠释,它可以提供解决优先基矢问题的进路、[4]及大致计算海森堡分界何在;[14]对于相对态诠释,它可以计算宇宙发生分裂的条件及方式;[27]对于模态诠释,它可以帮助计算“值态”如何随时间演化;[28],[29]对于相容历史观,它可以选出较佳的用以区分不同历史轨迹的历史投影算子等。[30]

  3.多世界解释(及相对态诠释)

  既然薛定谔方程告诉我们,猫处于死猫和活猫的叠加之中,但我们为什么从来观察不到这个现象呢?如果波函数从没有坍缩,那会不会是我们其实也处于叠加之中——一个我们观察到了活猫、另一个测得死猫?基于这种思想,1954年,休·埃弗莱特(H.Everett)提出了量子力学的多世界诠释。[8]该诠释下,每次测量时,世界即发生分页,即“分裂”成若干个世界。所有的测量结果其实全都发生——各自在不同的“分页世界”里(这样波函数也不必坍缩到某个特殊的本征态了)。故而在每一个分页世界里,测量结果都是唯一明确的,“经典的世界”于是凭借着“世界分页”出现了。

  随着其后一些类似的诠释理论被提出,这些理论被归入一大类量子力学诠释理论:相对态诠释(relative-state Interpretations)。[31]其中主要包含多世界、[8]多心理论等。[32]这类理论的共同点是:

  1)波函数并不坍缩,而宇宙存在多个“真实”——宇宙被分支(分页)了;

  2)量子波的演化是真实的,且始终按照薛定谔方程的描述;

  3)测量过程(可能还有其他过程)对应了宇宙的分页;

  4)我们只能感受到一个“真实”,即,我们只活在一个分页之中。

  相对态诠释也受到许多质疑和反对:[33]

  1)其理论不具有简洁性。为解决测量问题,引入如此多人们并感受不到的平行宇宙是否必要?(也有学者认为其符合简洁性,见[34]。)

  2)不能回答优先基矢问题。提出者们对于该问题或回避,或认为可以利用空间定域,即位置坐标来回答。[7]不过有了退相干理论作为补充的话,这个问题其实不大。如上文所述,可以利用退相干过程和稳定性判据来挑选基矢。[4],[27]

  3)与人类正常的伦理和行为模式可能存在冲突(量子轮盘赌问题)。[35]研究发现,一个笃信多世界理论的人,其行为可能与常人有异,会热衷于用性命做赌注,高风险高赔率的量子轮盘赌——因为在不同分页世界中,要么生命终止,要么极其富有,反正结果该人自己的体验肯定是大富大贵了(因为只有那个分页中他还能体验世界)。而普通的人们,尽管可能对量子力学一无所知,却似乎都是自然而然地依照着正统的“波包坍缩”理论行事的。为了避免这个困局,支持者们又提出了“概率假设(probability postulate)”,[36]及需要遵守的“行为原则”(behavior principle,即对测量后所有分页世界中的自己负责),[33]来确保笃信多世界者的行为与普通人一致。但这样,简洁性看来是注定失去了。

  4)也有学者认为,多世界理论其实是将波函数置于最根本之地位。而这点上有问题,波函数不可能能描述宇宙中的所有一切。[37]

  4.隐参量类理论

  量子力学描述下的粒子具有内禀的不确定性,这令不少习惯了牛顿力学的决定论性质的学者心存疑虑。就如爱因斯坦所说:“上帝不掷骰子。”这种决定论倾向催生了一类量子诠释理论:隐参量理论(Hidden Variable Theory)。[38]这类理论的共同点是:认为量子力学是不完整的,量子力学的不确定性是由于缺乏足够的信息和理解造成的,而当我们拥有了足够的信息(即隐参量),就能准确预测粒子行为。这样将回到一个决定论性的理论。其中最早可追溯至德布罗意于1927年第五届索尔维物理学会议上提出的“领波”理论。[39]其后他本人放弃了这个诠释,而玻姆将之延续并发展,成为了现称的“德布罗意-玻姆隐参量理论”。[40],[41],[42]该诠释理论中,粒子始终是粒子,具有一个清晰确定的位置(这样也就回答了明确结果问题和优先基矢问题),同时伴有一个“导波”,引导着粒子的运动行为。而“导波”从不发生坍缩。例如,在电子双缝干涉实验中,电子作为一个粒子,其实只穿过了一条狭缝,而它的“导波”在双缝上发生了干涉,因而最终造成了电子的干涉纹样。

  玻姆隐参量理论其实是将量子力学直接还原成了经典的图景。量子波也变成了经典波,是整个物理图景中的一部分。这样,体系其实永远是经典的、确定的,测量只是揭示了该经典状态。薛定谔方程和“量子的世界”都被抛弃了。

  由上可见,隐参量类的理论其实反映了一种对经典图景和决定论的固执,其问题也是很多:

  1)该类理论具有非定域性。约翰·斯图尔特·贝尔提出的著名的“贝尔不等式”[43]及其于1981年的实验证否,[44]宣告了所有定域性的隐参量理论被否定。这样,隐参量理论必须具有非定域性,即存在超光速的作用。这显然与相对论的精神矛盾。另外,这也将意味着严格因果时序性的破坏,即未来发生的事情可以对现在发生影响。而这至少对所有的博彩业将造成灾难性的后果和影响。

  2)该类理论不具有简洁性。2011年科尔贝克(R.Colbeck)等人,基于测量基矢的可自由选择,从数学上证明了:不可能存在量子力学以外的理论,能在统计意义上对粒子行为做出更加精准的刻画和预测。[45]这样,在对实验结果的预测上,隐参量的引入必然是冗余的。

  而笔者们认为,隐参量类的诠释理论最大的问题还是在于:这是一个决定论的量子诠释,从而抹杀了自由意志的可能。详见后文关于自由意志的讨论。

  另外,近年隐参量类解释中出现了一名新成员:隐测量解释。[46]其核心假设是:测量时,体系与测量仪器间发生相互作用,而这个相互作用总是不可避免地带有不可控的细微波动或变化,每次测量时都不尽相同,而且只在每次测量时才具体发生(actualized)。故此,测量之前,只能对各种可能的结果做一个概率分布的预测。与传统隐参量理论不同的是,隐测量解释认为,不确定的隐参量不包含在体系之中,而是包含于测量过程之中。但其实质仍然是一个隐参量理论,具有该类理论共有的问题和困难。

  5.客观坍缩模型

  客观坍缩模型类的量子诠释采取了完全直面问题的态度——认为量子波的演化就是有两种方式:薛定谔方程式的和随机坍缩的。因此,在该类诠释中,薛定谔方程被修改了,添入了随机坍缩项。此类尝试最早由珀尔(P.Pearle)于1976年提出。[47]发展至今,最负盛名的是由吉拉尔迪(G.C.Ghirardi)、里米尼(A.Rimini)和韦伯(T.Weber)提出的GRW模型,[6]和由彭罗斯(R.Penrose)提出的彭罗斯诠释。[48],[49],[50]GRW模型的方法是在薛定谔方程中引入类白噪声的随机项,使得波函数各个分量前的量子系数逐渐改变。最终会有一个量子态的系数变成1,其余基本归零(因尾巴问题,不能彻底归零,见下文)。于是体系自发、随机地完成了波函数坍缩。此过程称为随机动态坍缩(stochastic dynamical reduction)。[51]为了解决优先基矢问题,吉拉尔迪、里米尼和韦伯进一步修改薛定谔方程,使波函数会最终坍缩至空间特定区域中(这样优先基矢就是空间位置),此即自发局域化模型(spontaneous localization model)。[6]GRW模型中,波函数的坍缩行为称为“hits”。与退相干理论不同,hits的发生不需要环境的作用,乃是体系的一种随机、自发行为。

  除GRW模型外,也有一些客观坍缩模型是修改薛定谔方程使波函数最终坍缩至能量表象的。[52],[53]

  彭罗斯是一位物理学家、数学家及思想家。彭罗斯诠释认为是引力引起的时空弯曲使量子叠加态失稳而发生坍缩,与观测者的测量无关。[48],[49],[50],[54]综上所述,在这类坍缩模型中,量子波即真实。伴随其随机的坍缩,量子的世界逐渐自发演变出经典的世界。该类诠释的主要问题有:

  1)违背薛定谔方程。至今为止,无数的实践已经证明了薛定谔方程的正确性,然而该类理论却否定之。从这个意义上说,客观坍缩模型并非一种诠释,而是一种新的物理学理论[15]。,

  2)不为实验事实所支持。如果按照客观坍缩模型,波函数早在测量之前便已经坍缩,并失去了量子相干性。然而,现在的所有实验却一边倒地支持量子力学,只要不与环境发生退相干,量子波始终保有相干性,不会自发消失。不仅微观体系,介观体系、宏观体系亦是如此。[55],[56],[57],[58]随着实验技术的不断提升,体系尺度和自由度越来越大,但结果均证明量子力学仍然正确。故此,实验事实倾向于否定客观坍缩理论。(尽管通过修改模型参数,总可以让客观坍缩模型在实验精度范围内与实验结果保持一致。)

  3)尾巴问题(tail problem)。由于测不准原理的限制,波函数向位置坐标坍缩时,不可能无限局域化,否则能量会发散。因此,所有坍缩都必须是不彻底的,波函数在空间各处都会留下“尾巴”(即仍有少量弥散在空间)。而这些尾巴的物理意义不明。且这样一来,体系其实仍在量子叠加态中[59],[60],[61]。

  4)GRW模型中的hits,即波包自发坍缩,作为一种特殊的物理过程,其发生的原因、条件没有任何解释。

  5)不能很好地回答优先基矢问题。由上可见,优先基矢是人为选定的,并据此修改薛定谔方程,理论人为痕迹明显。且选位置或是能量皆有,缺乏统一标准。而如施洛斯豪尔指出,[4]若仅仅为了优先基矢,修改薛定谔方程毫无必要,退相干理论就已经做得很好,比客观坍缩模型更好。

  6)不具普适性。大多数客观坍缩模型直接将空间位置坐标作为优先基矢,例如GRW模型和彭罗斯诠释。这样虽回答了优先基矢问题,但该答案显然不具有普适性质。在2000年的超导量子干涉器(SQUID)实验中,实现了首次宏观意义上的量子叠加态。[58]在一个比发丝直径稍大的超导环中,实现了顺时针和逆时针电流的叠加态。即,一个电子同时在进行顺时针和逆时针方向的运动。如此一来,电子的波函数是不可能局域化的(否则不能同时在两个方向运动),因而自发坍缩往空间位置表象的客观坍缩模型是注定无效的。研究表明,SQUID中的优先基矢应为能量表象。[58]

  笔者们认为,解决测量问题,需要的是诠释,而不是对现有量子理论的否定。修改薛定谔方程的进路不可取。

  6.相容历史诠释

  相容历史诠释可说是一个非常缺乏野心的诠释。因为其整个理论中,似乎没有任何试图回答明确结果问题的尝试,[62],[63]故此无法全面地回答量子测量问题。该诠释最早是由格韦思(R.B.Griffiths)提出,[9]初衷是为了寻找一个量子宇宙学研究中,将整个宇宙作为孤立系看待(即缺乏外部观测者)时,量子描述能够自洽的诠释方法。

  其诠释的主要理论框架为:认为宇宙存在多个“历史”。每个历史可由一系列描述(proposition)构成。描述可以是任何一个问题及其答案,例如:粒子的位置在某个空间区域内吗?这样,在量子力学理论框架内,每个描述可对应于一个投影算子。对于每一个历史,将其所有描述的投影算子按照时间顺序连乘,即得该历史的类算符(classoperator)。

  于是有相容历史观点的核心判据——相容性判据:若两个不同的历史之间,其类算符左右夹乘体系初态密度矩阵后,求秩为零,则此二历史相容(homogeneous histories)。[62],[63],[64]最终,人们可以找到这样一组完备而相容的历史,它们彼此皆相容,而且对于每一个描述所对应之问题,它们包含所有可能的答案。它们彼此的类算符夹乘密度矩阵后的秩为零;而若以任意一个历史自己的类算符左右夹乘密度矩阵,秩将等于该历史的概率。而这样一组历史的概率之和为1。相容历史观点认为:只有这样一组相容历史中的任意一个,才是对我们这个世界的可能的、有意义的、经典的描述,才可能对应了真实。

  综上所述,经由相容性判据,(各种可能的)经典世界就从量子世界中被构建出来。

  相容历史诠释理论也是问题多多:

  1)该理论中完全不谈测量。对于什么是测量,怎么定义、解释测量过程,该诠释采取了几乎完全回避之态度。[15]

  2)对于明确结果问题不予回答。

  3)相容性判据失效。该理论的初衷之一,应该是由相容性判据来构建经典性,从量子的迷雾之中。然而,后续的理论计算发现,很多情况下,经由相容判据所挑选出的历史都是非经典的![30],[65],[66]

  4)相容性判据冗余。如果说,相容性判据仅仅是为了从量子迷雾中挑选出各种可能的经典世界的话,其实该判据毫无必要。因为环境退相干理论已经做到了,而且做得比它好。[4]并且,退相干理论是完全居于量子力学现有理论框架之内的,并不需要额外提出什么判据条件。

  5)相容性判据过严。理论计算发现,测量自旋方向的仪器的“指针表象”居然都不能完全满足相容性判据。而该表象应该是可以接受的经典表象。[67]

  笔者们认为,相容历史解释还有一个问题,即承认“多个历史”,这就是承认存在多个“真实”。这点上也值得商榷。

  7.模态解释

  量子力学的模态诠释最早由弗拉森(V.Fraassen)于上世纪七十年代提出。[68]其主要思想是经由现实化规则(actualization rule,详见[69])自各物理量中挑出优先变量(privileged observables,也即优先基矢),来构筑经典世界。限于篇幅,关于模态诠释笔者们将另行著文专论。

  8.语义重构类诠释

  与上述诸类量子诠释不同,有一类诠释,既不增添任何新的判据条件,也不修改薛定谔方程,而是通过重新阐述与解读,来试图将测量问题消解于无形。它们主要包括:关系量子力学诠释、量子力学的系综诠释、量子逻辑等。本文中统称之为语义重构类诠释。

  关系量子力学诠释最早由罗韦利(C.Rovelli)于1994年提出,[70]后被斯莫林(L.Smolin)和克兰(L.Crane)等进一步应用于量子宇宙学。[71]该诠释认为:量子波描述的并不是体系,而是体系与观测者之间的某种关系;而测量过程只是一个普通的物理过程,会改变体系与观测者间的关系与联系,故而会改变量子波。“体系”与“观测者”的角色是可以互换的,二者并无本质区别,都可以是任意的物体,甚至“the observer can be a table lamp”。

  系综诠释最早由玻恩提出于上世纪50年代,[72]认为量子波描述的对象必须是由大量粒子(及大量实验测量)构成的系综;而单个粒子、单个测量则都是经典的。这样薛定谔的猫就很好解释了:单个实验中的猫总是或死亡或存活的,只有大量猫构成的系综才处于死猫与活猫的叠加态之中。但是该理论却对诸如为什么一个光子能且只能与它自己发生干涉的问题无能为力。

  量子逻辑诠释最早由伯克霍夫(G.Birkhoff)和冯·诺伊曼(J.von Neumann)于1936年提出。[73]其进路是:既然正统的哥本哈根诠释被认为逻辑上不能自洽,那会不会是逻辑错了?如果根据量子诠释的需要重新构建逻辑,使得正统诠释在新的逻辑体系下自洽,问题自然迎刃而解。

  综上所述,这一类量子诠释的共同之处在于:认为量子力学及其正统诠释,其实没有什么本质上的问题。之所以会出现测量问题,是我们没有理解好。只要我们重新解读,就能令之消弭。这样一来,该类诠释并不给出什么新的判据、或本质性的新内容,故而也当然地无法回答明确结果、优先基矢等问题,也无法自量子世界上构建出经典世界。相反地,该类诠释似乎认为这些均是不需要回答的问题,或是不应由量子诠释理论来予以回答。

  笔者们认为,究其实质这类诠释在试图回避测量问题。

  三、依若干确凿标准来纵览诸诠释理论

  在依次讨论了8大类诠释之后,我们来纵览表一中所罗列的13种较为著名的量子诠释,并尝试以一些确凿的标准来予以评价。

  标准一:反事实确定性(counterfactual definiteness)不成立。那些彼此不对易的物理量(例如位置和动量)能同时具有明晰、唯一确定的值吗?如果认为可以,该诠释理论就是反事实确定性的。然而,根据寇辰-史拜克(Kochen-Specker)佯谬,一个自旋1粒子在33个方向上的自旋值,是绝对不可以同时具有唯一确定值的。[74]故而,至少在这个特例中,反事实确定性失效。因此采信标准一。于是,表中理论3、12被否定。

  标准二:优先基矢不能简单地取为空间位置。因为如上文所述,SQUID实验已经清晰地将之否定了。[58]因此,理论3、8、11被否定。(理论11中,GRW模型和彭罗斯的引力坍缩解释,都使波函数空间局域化,见[6],[54]。)

  标准三:不应包含隐参量。否则要么被贝尔不等式证否,[43]要么非定域、破坏时序因果。据此,理论3、7、8被否定。

  标准四:不应为决定论性诠释。因为康韦(J.H.Conway)和寇辰(S.Kochen)的自由意志定理告诉我们,[75],[76]认为粒子行为符合决定论即等同于否定我们人类之自由意志,这无疑是反科学、反伦理的,是荒谬的(详见下节)。据此,理论3、6、7、9被否定。

  这样一来,表中还剩下理论1、2、4、5、10、13。除了一个既不谈测量,也根本不回答明确结果问题的相容历史诠释外,居然只剩下了哥本哈根类诠释和语义重构类诠释!然而,相容历史观点回答不了测量问题,语义重构则更多地是在回避问题。最后,又只剩下了那始终屹立不倒的哥本哈根诠释和测量问题!

  四、自由意志定理、知觉与诠释进路

  如果我们将哥本哈根视作正统,并观察表一中“观测者作用(observer role)”这一列,就会发现表中大多数的理论都够离经叛道的!哥本哈根诠释认为,正是观测者的测量导致了波函数的坍缩。而纵览表一中各诠释,承认观测者之地位不可或缺的,除了哥本哈根类诠释之外,仅有量子力学的关系诠释一个。(却也称“the observer can be a table lamp”,完全否认观测者意识之作用。)

  诸诠释为何皆否定观测者的地位和作用?因为不能提。提了,就会卷入一个叫作“意识”的大麻烦,陷入类似冯诺伊曼-魏格纳诠释的困境。

  然而,“观测者”可能是一个绕不过去的命题。所有的回避,可能都不能得到令人满意的诠释。原因有二。一方面,根据退相干理论,宏观测量仪器没有必要是经典的,完全可以是大量服从量子力学的微观粒子组合构成。当测量仪器与体系作用,发生退相干,体系波函数若干分量间的量子相干性消失。按照这一模式,任何后续的物质相互作用只会导致量子干涉性的消失,但体系和后续仪器的整体仍然处于各种可能性的叠加之中。此即冯诺依曼链条(von Neumann chain)。[77]而最终达成经典的、唯一确定的真实情况,则似乎必须要有观测者的意识参与。

  另一方面,测量问题之根源,就在于我们人类本身的体验,就是在于我们的体验与量子力学所描述的世界不符!若没有我们之体验则根本无从测量问题。其次才是我们的一类特殊的体验——测量过程中面临的波包坍缩问题。如此看来,测量问题其实非常类似哲学上通常所谓“两个世界”的问题,一个是科学的世界,另一个是可感的、拥有情感、意志、道德、友谊的生活的世界。两者虽然“越来越被实践(Praxis)连接着”,却又“为一条深渊所隔断”。而测量问题之核心,其实也反映了这样“一条深渊”,一边是量子科学和薛定谔方程的世界,另一边是人类可感的世界。

  但其实,我们为什么要回避谈论人类的知觉和体验?我们的神经生物学已然如此发达,对神经活动的了解已达分子水平。同时,我们对人类心理、行为、解剖学的研究也已积累颇丰。若将这些积淀纳入量子诠释,可能离解决量子测量问题便已近在咫尺。

  与这些回避“观测者意识”的量子诠释之进路形成鲜明对比的是,2006年,普林斯顿大学的康韦和寇辰教授提出了自由意志定理,[75],[76]利用三条公理SPIN(自旋1粒子的自旋量子化规律)、TWIN(两个粒子的总自旋量子化规律)和MIN(信息不能以超光速传播),清晰地证明了:若人类具有自由意志,则基本粒子也同样拥有。如此看来,量子力学的内禀不确定性,正是反映了基本粒子之自由意志。

  关于测量问题,曾有一个为人熟知的说法:量子力学的秘密位于经典和量子世界的边界上。而笔者们认为:量子力学的秘密,就在自由意志之中。

  自由意志,将在量子诠释中起到至关重要的作用;而自由意志最好的居所,就是波包坍缩时的各种可能所对应的自由。粒子们的自由意志和力学演化方程的铁律,共同决定着宇宙的未来。

  笔者们坚定地认为:在寻找一个合理的量子力学诠释时,必须体现自由意志、体现整个宇宙未来的不确定性。量子力学计算出了粒子各种行为的发生几率,而粒子的自由意志最终决定了粒子到底选择哪种(经典的)行为。这就好像,波函数依照薛定谔方程,演化出重重的量子迷雾;而粒子们的自由意志选择了宇宙发展的轨迹,在迷雾中踏出一条蜿蜒前行的经典的小径,通往时间的前方。

  按照自由意志定理,即便观测者能掌握整个宇宙之前的历史,粒子的行为却不能以任何函数形式来准确预测。这表明,粒子的行为体现出一种非理性。而另一方面,量子力学的薛定谔方程代表了一种极致的理性。当我们人类,试图用纯粹的理性来预测非理性时,最好的结果就是得到在各种可能上的概率分布。而这一点上,量子力学(及波包坍缩诠释)恰恰完美地做到了。

  因此,我们应该坚定地以这样一种视角来诠释量子力学,即薛定谔方程和量子波演化给出的是所有的可能(因其作为纯理性不具备给出真实的能力);而要想知道具体发生的真实情况如何,必须观测者自己亲自去观测。亲身观测所得,方为真实。

  测量过程之关键,乃在于“亲身观测”四字。观测过程,是观测者以自己的感觉,去感知外界的过程。这其中有一个不容回避的概念,即感知,或“知觉”。然而,“知觉”这一要素仍然自现今的科学范畴、诸量子诠释理论中缺失。这正是测量问题至今悬而未决的根本原因。

  继康韦和寇辰揭示出粒子的自由意志之后,[75]本文作者们进一步指出:粒子兼具知觉能力和自由意志,而人类(及量子观测者)的知觉正是由粒子的知觉能力构建而来。本文作者们将给出一种新颖的科学哲学理论,将“知觉”与“自由意志”纳入量子力学诠释的框架之中,揭示基本粒子们知觉与意志的权利与范围,以及观测者知觉的方式与方法,并最终解决量子测量的疑难。

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