当代哲学问题探索学习与探索
量子力学的哲学问题研究量子力学的哲学基础
成
摘
素
哲学研究所
上海
科学技术研究中心太原要
只有明确了
量子力学的哲学前提蕴含在它的基本假设之中是对量子量子力学的哲学前提力学的原始概念和方程的物理解释
这些哲学前提主要包括实体
关键词
量子力学量子纠缠
统计因果性整体论中图分类号文章编号
量子力学是在整理与说明新的实验现象的这种在经验研究的血不仅提供了关于基统与困境中成长起来的理论元过程的唯一的逻辑一贯的形式体系和语言系带来了日新月异的技术变革而且极大地改变统了我们关于科学世界的图像颠覆了近代科学研究的哲学基础成为当代科学哲学家阐述各种哲验建构学立场的立论范弗拉森的论体实在论问题在这些科学哲学家基于同样的量子力学的形式于体系与理论假设
这在科学哲学界关于量子力学的哲学基础远说明没有形成统一的认识非常有必要进行深入研究
收稿日期基金项目上海市哲学社会科学规划一般项目纠缠引发的哲学问题研究才计划项目
上海市领军人才作者简介
成素梅
女山西交城人教授博士生导师揭示量子力学的哲学基础不是根据量子力而是探索量学的新特征为某种哲学观作出辩护因此在首先明确物理学家目前公认的量阐述问题之前量子力学的形式体系最初是依据两条截然不同的研究思路和运用两种不同的数学手段及概念
丹基于普朗克的量子假设
沿着量子化方向立足运用当时高深的矩阵代数方法从旧于不连续性
量子论中脱胎而来的矩阵力学另一条是由薛定沿着波动方向立谔基于德布罗意的物质波假设足于连续性运用物理学家中惯用的微分分析方经过对力学与几何光学之间的形式比较后引法入假想的波函数概念所创立的波动力年在激烈的争论中处于弱势地位的薛定谔惊喜地发现量子力学的这两种不同表述形式不同冯诺率意曼在著名的万方数据
先运用希尔伯特空间的数学结构或数学模型把量子力学表述成希尔伯特空间中的一种算符运算证明了矩阵力学和波动力学分别只是这种运算的特殊表象从而彻底澄清了两种力学形式之这在物理学史上是前所未有的大创然而自
诞生以来关于量性的争论就成为掺杂着不同哲学立场的论题凸现出来并延续至今而且人们直到现在仍然热衷于引用量子力学创始人的作品来论证自己的立但尽管如此相对于从事具体研究工作的物理学家来说我们还是能够把目前物理学家都一致公认的非相对论性量子力学中的基本假设总结为四个方
面
数
尔伯特空间系统的每一个动力学变量都用这个空间中的一个自伴算符描写数
的状态时
对用算符
所
得到的平均值
等于
内积
以
自身的内积
即
遵从薛定谔方程
时在这四个假设中假设的态空间为希尔伯特空间在这个空间里描写量子态的数学量是希尔伯特空间中的矢量相差一个复数因子的两个矢量描写同一个态描写微观在这里
为原始概念来使用假设定谔方程
反映了描述微观粒子的状态随时间变化的规律它在量子力学中的地位相当于牛顿定律在经典力学中的地位是量子力学的出发点与前提假设它是通过具体的推导和论证能够证明从平均值公设可以推导出可能的测量值谱以及在这种谱上实现换句话说平均值公设里已经包含了玻恩的态函数的概念诠释
体系统中同种粒子的量子力学的整个理论体系是在这四个基本假设的基础上建立起来的或者说这四个假设是量子力学最起码的基本假设也是我们揭示量子力首先希尔伯特空间是一个抽象的数学空间在日常生活中没有相对应的形式只能从概念上加以理解与把万方数据
其次在算符作用下由薛定谔方程所提供的波函数的演化不再是对物理量的直接描写也不
在这个方程中波函数本身没有明确的物理意义有物理意义的是波函数的模方绝对值的平方或者说薛定谔方程只能解出波函数随时间的演化其模方代表了微观粒子位于某个量子态的可能性有多大除此之外用玻恩的话来说力学对于碰撞效应的问题给出了十分确定的答案但是这里没有任对于是什么这个问题我们没有得到答案我们只能问
到一个特定结果的可能性如何于量子力学波函数的统计解释是由散射实验中被散射粒子的角分布的统计计数
来证实
的第三在微观世界中所有的同种粒子都是相同的没有衰老无法标记显然不论从纯技术观点来看还是从其内容的哲学意义来看这些假设都对物理学家过去普遍接受的对科学的基本看法和哲学观念提出了极大的挑战也给坚守某种哲学观的人留下了想象但当我们回过头来重新清理与量子力学相关的哲学争论时最基本和最重要的是区分哪些是物理学问题哪些是哲学问题甚至哪些是心理信念问题哪些是作为出发点的东西哪些是作只有明确了这些问题才能在面对高深莫测的量子力学哲学争论时辩明是非不而要做到这一点又需要我们先澄清量子力学为什么会带来哲学困惑带来了哪在科学史上还没有任何一个理论比量子力学带来的哲学困惑更基本也没有任何一个理论能像量子力学那样从其诞生之日起一直到有了惊人成功应用前景的今天还伴随着激烈的哲学争论的动因既有物理学和哲学的也有心相对于人类而言朴素实在论是与人的日常生活相符合的很自然的态度就像动物的本能一样蜜蜂凭借花的颜色或香味来认识花并不需要小孩在学习说话时是根据词语与对象之间的直接相关性来理解词语的意义也不需要哲学用今天的话来说是对象语言只要人们把自己的观念锁定在这样的日常经验中
客观性但是在科学中的情在科学中科学家通常是与超出日
常生活范围之外的现象打交道并用抽象的概念这时问题就会变得人们需要借助于特定的理论才能达如果没有理论那么不论是在小的原子领域内还是在大的恒星领域内在这里是理论拯救了现象这样客观性问题就变得复杂起来现象背后是否存在一个不依赖于观察者的客观世界就成为一在量子力学诞生之前所有的自然科学家都有两个共同的基本信念一是相信自然现象的发生都是有原因的有规律可循的或者更具体地说相同的实验条件必定能得到相同的实验结果这就是所谓的决定论的因果性观念二是相信科学理论都是对现象背后的客观世界的规律的揭示科学的目标正在于掌握规律然而量子力学一开始就从根本意义上对这种两种正如玻恩在量子力学的完备性赋予波函数以概率解释的那篇具有划时代意义的论文中所指出的那样我们的量子力学的观点来看在任何一个个别的情形里都没有一个量能够用来因果地确定碰撞的结果不过迄今为止我们在实验上也没有理由相信原子会具有某种内部特性能够要求碰撞有或许我们可以期望将来会发展这种特性
并且或许我们应该相信在不可能给出因果发展的条件这一点上理论与实验的一致正是不存在这种条件的一个必然但是这是一个哲学问题只靠物理学的论证是不
其实放弃决定论的因果性和科学实在论既不是一个单纯的物理学问题不能只靠物理学的论证来决定也不是一个单纯的哲学问题不能通过哲学争论来决定而是一个关乎人类行为的心爱因斯坦以子的最直接地表达了他的信仰在当代物理学家中诺贝尔奖获得者温伯格也持有他认为驱使我们从事科学工作的动力正在于我们感觉到存在着有待发现的真理真理一旦被发现将会永久地成为人类知识的一个组成部分在这方面我们只能把物理学的规如果我们理论的核心部分在范围和精确性方面不断增加
但却没
有不断地接近真理这种观点是没有意义的这说明在物理学家的心目中放弃决定论的因果
万方数据
因此是否接受和如何理解波函数的概率解释把物理学家分成为了不同如果物理学家完全接受波函数的概率解释那么就会意味着降低了科学的预言能力意味着科学家不能再对世界作出肯定的断言不能再是时代的先知者只能说一些模棱两可的话从而使科学变成追求不确定性科学家会因此而感到失落无疑是
很不情愿的
另一方面如果我们认为量子力学真实地描述了现象背后的世界那么如果我们认为量子力学没有描述现象背后的世界那么就极大地颠覆了科学家长期以来信奉的这正是许多人努力寻找量子力学的因果决性解释的重要动因之一也是量子力学也许是由于这些困惑玻恩早在赋予波函数的概率解释但却在我们知道任何测量的最终目标都是把被测系统的信息变成人的感官能够直接感知到的宏观信息比如能被听到的计数器的响声在经典物理学中物理学家把所有的物理量都看成是客观物理现象本身的固有特征把所有的物理学定律都看成是这些客观物理量之间的客观规律而且在经典的测量过程中主观与客观是泾渭分明的主体量子力学则完全薛定谔方程不是客观物理量之间的客观规律而是关于我们可能得到的测量结果的概率的测量结果的概率不是一个物理量而是一个数学量是主体与客体通过测量相互作用的一
因此
量子力学是关于研究主体与在量子测量中量子力学不再是完全客观的物理学家泡利甚至在他的名著原理子力学的建立是以放弃对于物理现象的客观处理
亦即放弃我们唯一地区分观测者与被观测者的能力作为代价的
冯
诺意曼最早借用
但问题是
在量子测量系统中粒子从叠加态到本征态的转变是在整个测量链条的哪为什为什么系统之间的相互作用可以用薛定谔方程来描
述而从微观态到宏观态的转变却不遵守薛定谔
量子力学的形式体系本身对此没有作出任薛定谔用验进一步生动地揭示了用子测量过程所存在的困惑
他把量子测量过程中主体与客体的分界线划分在客体与观察者的意识之间因为只有观察者的意识不能被包括在客体系统之内根据这种理解是主体的识系统的态发生了转
总而言之量子力学带来的哲学困惑是方方围绕这些困惑展开的哲学争论也形式多至心理问题深深地交织在一起衍生出各种别开为了有助于对这些哲学立场作出判别我们需要进一步明确量子力学的哲学前量子力学的哲学前提是量子力学的基本假设中所规定对量子力学的原始概念和方程的物理解正是这种物理解释提供了物理学理论的数学因此量子力学的哲学前提是理论的一部分或者说是内在于理论的而对量子力学理论体系的解释则不属于理论本身或者说是外在于理论的通常被划入量子力学的哲学前提是量子力学的基本假设中所蕴含的哲学基础主要涉及两个方面一是本体论基础二是认在本体论意义上
根据量子力学的基本假设像光子和电子之类的微观粒子或理论实体是真实这是能否捍卫科学实在论立场的关键在量子力学之前物理学家在本体论上坚他们认为粒子和场都是真实存在的只不过存在的形式截然不同粒子是一种定域性存在粒子的运动变化由动力学变量来描述场的运动变化由波动方程来描述波动方程中的波函数是一个物理量但量子力学假定根据算符语言微观粒子本身有无数种方式来表现自己
人类只能通过粒子在四维时空
空间加
这就决定了不同的测量设置致使粒子呈现出不同的属性比如因此对于微观粒子而言粒子性与波动性只是它在特定条件下的行为表现这
万方数据
也许是量子力学的哥本哈根解释不断招致批评的从这种观点来看如果现在仍然从波粒二象性出发来教授量子力学则是不可相对于人类而言微观粒子只是一种实在只有当我们观察它时它才在那里当不观
察它时
它是希尔伯特特空间中的一个算符所以我们不能根据观察到的状态来推断粒子在观察之前的状态这就像当我们把一个四面体投影到一个平面上看到一个四边形时我们不能由此断定这种推断充其量只是日常经验的一种想象与狂妄强调微观粒子存在的抽象性并不是否认它的本体性而是表明微观粒子的真这时数学符号和物理手段就成为能够深入到现象背后的自在实在里帮助我们思考这种自在实在的一种必不可少这里的在实在有点类似于康德的但与康德认为作为客观知识基础的不可知的观点所不同我们能够借助于抽象的数学空间并根据全同性原理因此在微观世界中体现了三个不同层次的实在的统一即一也体现了微观粒子的实体
正是这种统一的模型能够被看成是对现象这是从量子力学的假设
在认识论意义上力学的数学表述并不复杂然而要将数学表述同物理世界的直观描
述联系却十分困难
因为量子力学的基本假设除了只提供描述微观粒子随时间演化的薛定谔方程和函数的概率解释之外没有对这种联系正是这种有悖于常理的联系规则然而这一令许多人不愿
意接受的概率特征经过从
论
等式的提出到量子力学所能产生的结论只能是概率性的根本不存在能够降低这种不确定性所隐藏的任何量也不能回答一个粒子在某个瞬间在哪里这个问题而是能回答一个粒子在某个瞬间位于某
个地方的概率有多大这样
的问
关于这个问题的详细论述参见成素梅微观之间量子测量的解释语境与实在论中山大学出版社
题
因此量子力学中的概率是根本性的是研究问题的出发点是前提与基础是所有的量子力学在量子世界里恢复决定论描述的任何企图要么是基于某种心理信念的哲学追求例如隐变量量子论和多世界解释要么是基于逻辑上的推理例如各种模态解释但这些努力都超出了量子力学基本假设的范围或者说都是为量子力学附加了某种哲学假另一方面由于这种概率性是通过波函数的振幅的平方来表示的而波函数本身又遵守薛定谔方程演化所以这种概率性预言的变化也是一种因果性的变化与决定论的因果性不同的是这这是量子力学的第二个哲学除了统计因果性之外从薛定谔方程推论出的量子力学的另一个重要特性是量子态叠加原这是因为薛定谔方程是一个线性方程根据线性方程的性质
方程的所有解的相加之和也是这一点表示一个微观粒子电子态一例如在单光子的双缝干涉实验中一个光子在达到屏幕之前会同时穿过两个缝产生干涉光子既在这里也在那里这种思想瓦解了一个粒子在同一时刻不在含有两个或两个以上的量子系统中态叠加原理引发了纠缠所谓量子纠缠简单说来是指在多粒子的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薛定谔最早在动力学时就已经意识到假如几个粒子或者光子是在某个物理过程中共同产生的那么它们之间就会发生纠缠但他第一次正式提出并使用缠个术语是在年讨论文的时候
一次通过
然而这个重大的突破直到
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的实验使得只存在于科幻小说中的隐形传输
更令人惊讶的是美国物理家在在肉眼能够
看到的两个超导
体之间也存在着纠缠现象这个实验既打消了不能把量子力学描述应用于宏观系统的顾虑也把量子力学的边界从微观扩展
万方数据
到宏观强化了在量子力学与支配宏观现象的经如今量子纠缠现象的存在已经是被证明了的物理事实而不再是爱因斯坦等人在表的由于量子纠缠是由态叠加原理导致的而态叠加原理又是薛定谔方程的解的性质所决定的所以它是从量子力学的基本假设中延伸出来的结在经典物理学中粒子在时空中的存在遵守爱因斯坦的定域性原则即发生在某个特定地方的现象不可能即时地影响到另外一个相距甚远的地方的现象非定域的量子纠缠现象使这种常识性的思想土崩瓦解了要求把在同一个物理过程中生成的两个相关粒子永远作为一个整体来对待不能分解成两个其中一个粒子发生任何变化另一个粒子必定同时发生相应的变化无论它们相距多远纠缠现象都不会随着距离的增加而消这就使得我们通常所说的量子系统的存在形式的整体性和量子测量中被测量系统与测量仪器之间的整体性
玻尔当时在应对子力学的完备性的质疑时正是直觉地抓住了量子测量的这种整体性特征爱因斯坦把这种整体性称之为是的远距离作用以表达他对这种现象的无奈态量子力学的隐变量解释的倡导者玻姆在晚年把他的隐变量解释进一步扩展为本体论解释或语境隐变量理论时也不得不在他的方程中增加了一个代表量子系统与环境相互作用的量
来把微观粒子间
的这种非定域性关系考虑进来虽然后来的实验没有支持玻姆的努力但是这种情况至少表明量子系统的这种整体性是任何一种量子力学解释不可忽这是量子力学的第三个哲学结语
总之量子力学是一个独立的理论不是对经它不仅有独立的假设这些哲学前提确实颠覆了我们从日常经验中所得到的然而传统的世界观是如此的根深蒂固甚至连最伟大的物理学家爱因斯坦也无法摆脱其影响使他既是量子力学的最早贡献者也是量子力学的坚量子力学告诉我们
仅凭日常生活经验是无法理解我们根本不能直接体验到的微观世量子世界在本质上是随机性的也是整体
性的微观粒子是抽象空间中的存在它的演化遵这是量子力学的基本在量子力学的发展史上量子系统的纠缠性先是通过数学计算发现然后这无疑让我们感觉到但是对量子纠缠究竟是什么
量子世界为什么是概率
在量子测量过程中波函数的塌缩机制是什
根据我们的常识思维无法想象的诸如此类的问题量子力学没有作出回答仍然是值得研究的而对这些物理学课题的研究必然要融入深层次的哲学思考也许正是在这种意义上物理学家玻恩指出确
信理论物理学是真正的哲学
我们可以说
没有哲学的理论物理学是盲目的没有理论物参考文献
万方数据
雅默量子力学的哲学秦克诚
译北京商务
印书馆
关洪一代神话
哥本哈根学派武汉武汉出
版社
关洪科学名著赏析物理卷
太原山西科学
技术出版社
成素梅如何理解微观粒子的实在性问题访问斯
坦福大学的赵午教授
艾克塞尔纠缠态物理世界第一谜
庄星来译上海上海科学技术文献出版社玻恩我的一生和我的观点李宝恒译北
京商务印书馆
高云涌常绍荣
量子力学的哲学基础
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
成素梅， CHENG Su-mei
上海社会科学院,哲学研究所,上海,200020;山西大学,科学技术研究中心,太原,030006学习与探索
STUDY & EXPLORATION2010(6)
参考文献(14条)
1.FRAASSEN The Scientific Image 1980
2.FINE The Shaky Game Einstein Realism and the Quantum Theory 1986
3.HACKING Representing and Intervening:Introductory Topics in the Philosophy of Natural Science 19874.TIAN YU CAO Conceptual Developments of 20th Century Field Theories 19975.雅默;秦克诚 量子力学的哲学 19896.关洪 一代神话:哥本哈根学派 20027.关洪 科学名著赏析:物理卷 20068.WEINBERG Physics and History 2001
9.DINGER The Present Situation in Quantum Mechanics 1983
10.成素梅 如何理解微观粒子的实在性问题:访问斯坦福大学的赵午教授[期刊论文]-哲学动态 2009(02)11.艾克塞尔;庄星来 纠缠态:物理世界第一谜 200812.玻恩;李宝恒 我的一生和我的观点 1979
13.SANDERS Entanglement in the Macroworld:" Spooky Action at a Distance" Oserved in Supercondectors 2009(24)14.BOHM;HILEY The Unidivded Universe:An Ontological Interpretation of Quantum Theory 1993
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1. 郭贵春.王凯宁 量子力学中的隐喻思维[期刊论文]-科学技术与辩证法2008,25(3)2. 贺天平.HE Tian-ping 量子力学诠释的哲学观照[期刊论文]-学习与探索2010(6)
3. 王智勇.熊彩东.Wang Zhi-Yong.Xiong Cai-Dong 量子力学中的时间[期刊论文]-物理学报2007,56(6)4. 张高明.黄桂芳.刘利辉 解读量子力学的基本假定[期刊论文]-湖南大学学报（自然科学版）2004,31(6)5. 吴国林.WU Guo-lin 基于量子力学对现象学基本概念的反思[期刊论文]-东北大学学报(社会科学版)2010,12(4)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_xxyts201006001.aspx
当代哲学问题探索学习与探索
量子力学的哲学问题研究量子力学的哲学基础
成
摘
素
哲学研究所
上海
科学技术研究中心太原要
只有明确了
量子力学的哲学前提蕴含在它的基本假设之中是对量子量子力学的哲学前提力学的原始概念和方程的物理解释
这些哲学前提主要包括实体
关键词
量子力学量子纠缠
统计因果性整体论中图分类号文章编号
量子力学是在整理与说明新的实验现象的这种在经验研究的血不仅提供了关于基统与困境中成长起来的理论元过程的唯一的逻辑一贯的形式体系和语言系带来了日新月异的技术变革而且极大地改变统了我们关于科学世界的图像颠覆了近代科学研究的哲学基础成为当代科学哲学家阐述各种哲验建构学立场的立论范弗拉森的论体实在论问题在这些科学哲学家基于同样的量子力学的形式于体系与理论假设
这在科学哲学界关于量子力学的哲学基础远说明没有形成统一的认识非常有必要进行深入研究
收稿日期基金项目上海市哲学社会科学规划一般项目纠缠引发的哲学问题研究才计划项目
上海市领军人才作者简介
成素梅
女山西交城人教授博士生导师揭示量子力学的哲学基础不是根据量子力而是探索量学的新特征为某种哲学观作出辩护因此在首先明确物理学家目前公认的量阐述问题之前量子力学的形式体系最初是依据两条截然不同的研究思路和运用两种不同的数学手段及概念
丹基于普朗克的量子假设
沿着量子化方向立足运用当时高深的矩阵代数方法从旧于不连续性
量子论中脱胎而来的矩阵力学另一条是由薛定沿着波动方向立谔基于德布罗意的物质波假设足于连续性运用物理学家中惯用的微分分析方经过对力学与几何光学之间的形式比较后引法入假想的波函数概念所创立的波动力年在激烈的争论中处于弱势地位的薛定谔惊喜地发现量子力学的这两种不同表述形式不同冯诺率意曼在著名的万方数据
先运用希尔伯特空间的数学结构或数学模型把量子力学表述成希尔伯特空间中的一种算符运算证明了矩阵力学和波动力学分别只是这种运算的特殊表象从而彻底澄清了两种力学形式之这在物理学史上是前所未有的大创然而自
诞生以来关于量性的争论就成为掺杂着不同哲学立场的论题凸现出来并延续至今而且人们直到现在仍然热衷于引用量子力学创始人的作品来论证自己的立但尽管如此相对于从事具体研究工作的物理学家来说我们还是能够把目前物理学家都一致公认的非相对论性量子力学中的基本假设总结为四个方
面
数
尔伯特空间系统的每一个动力学变量都用这个空间中的一个自伴算符描写数
的状态时
对用算符
所
得到的平均值
等于
内积
以
自身的内积
即
遵从薛定谔方程
时在这四个假设中假设的态空间为希尔伯特空间在这个空间里描写量子态的数学量是希尔伯特空间中的矢量相差一个复数因子的两个矢量描写同一个态描写微观在这里
为原始概念来使用假设定谔方程
反映了描述微观粒子的状态随时间变化的规律它在量子力学中的地位相当于牛顿定律在经典力学中的地位是量子力学的出发点与前提假设它是通过具体的推导和论证能够证明从平均值公设可以推导出可能的测量值谱以及在这种谱上实现换句话说平均值公设里已经包含了玻恩的态函数的概念诠释
体系统中同种粒子的量子力学的整个理论体系是在这四个基本假设的基础上建立起来的或者说这四个假设是量子力学最起码的基本假设也是我们揭示量子力首先希尔伯特空间是一个抽象的数学空间在日常生活中没有相对应的形式只能从概念上加以理解与把万方数据
其次在算符作用下由薛定谔方程所提供的波函数的演化不再是对物理量的直接描写也不
在这个方程中波函数本身没有明确的物理意义有物理意义的是波函数的模方绝对值的平方或者说薛定谔方程只能解出波函数随时间的演化其模方代表了微观粒子位于某个量子态的可能性有多大除此之外用玻恩的话来说力学对于碰撞效应的问题给出了十分确定的答案但是这里没有任对于是什么这个问题我们没有得到答案我们只能问
到一个特定结果的可能性如何于量子力学波函数的统计解释是由散射实验中被散射粒子的角分布的统计计数
来证实
的第三在微观世界中所有的同种粒子都是相同的没有衰老无法标记显然不论从纯技术观点来看还是从其内容的哲学意义来看这些假设都对物理学家过去普遍接受的对科学的基本看法和哲学观念提出了极大的挑战也给坚守某种哲学观的人留下了想象但当我们回过头来重新清理与量子力学相关的哲学争论时最基本和最重要的是区分哪些是物理学问题哪些是哲学问题甚至哪些是心理信念问题哪些是作为出发点的东西哪些是作只有明确了这些问题才能在面对高深莫测的量子力学哲学争论时辩明是非不而要做到这一点又需要我们先澄清量子力学为什么会带来哲学困惑带来了哪在科学史上还没有任何一个理论比量子力学带来的哲学困惑更基本也没有任何一个理论能像量子力学那样从其诞生之日起一直到有了惊人成功应用前景的今天还伴随着激烈的哲学争论的动因既有物理学和哲学的也有心相对于人类而言朴素实在论是与人的日常生活相符合的很自然的态度就像动物的本能一样蜜蜂凭借花的颜色或香味来认识花并不需要小孩在学习说话时是根据词语与对象之间的直接相关性来理解词语的意义也不需要哲学用今天的话来说是对象语言只要人们把自己的观念锁定在这样的日常经验中
客观性但是在科学中的情在科学中科学家通常是与超出日
常生活范围之外的现象打交道并用抽象的概念这时问题就会变得人们需要借助于特定的理论才能达如果没有理论那么不论是在小的原子领域内还是在大的恒星领域内在这里是理论拯救了现象这样客观性问题就变得复杂起来现象背后是否存在一个不依赖于观察者的客观世界就成为一在量子力学诞生之前所有的自然科学家都有两个共同的基本信念一是相信自然现象的发生都是有原因的有规律可循的或者更具体地说相同的实验条件必定能得到相同的实验结果这就是所谓的决定论的因果性观念二是相信科学理论都是对现象背后的客观世界的规律的揭示科学的目标正在于掌握规律然而量子力学一开始就从根本意义上对这种两种正如玻恩在量子力学的完备性赋予波函数以概率解释的那篇具有划时代意义的论文中所指出的那样我们的量子力学的观点来看在任何一个个别的情形里都没有一个量能够用来因果地确定碰撞的结果不过迄今为止我们在实验上也没有理由相信原子会具有某种内部特性能够要求碰撞有或许我们可以期望将来会发展这种特性
并且或许我们应该相信在不可能给出因果发展的条件这一点上理论与实验的一致正是不存在这种条件的一个必然但是这是一个哲学问题只靠物理学的论证是不
其实放弃决定论的因果性和科学实在论既不是一个单纯的物理学问题不能只靠物理学的论证来决定也不是一个单纯的哲学问题不能通过哲学争论来决定而是一个关乎人类行为的心爱因斯坦以子的最直接地表达了他的信仰在当代物理学家中诺贝尔奖获得者温伯格也持有他认为驱使我们从事科学工作的动力正在于我们感觉到存在着有待发现的真理真理一旦被发现将会永久地成为人类知识的一个组成部分在这方面我们只能把物理学的规如果我们理论的核心部分在范围和精确性方面不断增加
但却没
有不断地接近真理这种观点是没有意义的这说明在物理学家的心目中放弃决定论的因果
万方数据
因此是否接受和如何理解波函数的概率解释把物理学家分成为了不同如果物理学家完全接受波函数的概率解释那么就会意味着降低了科学的预言能力意味着科学家不能再对世界作出肯定的断言不能再是时代的先知者只能说一些模棱两可的话从而使科学变成追求不确定性科学家会因此而感到失落无疑是
很不情愿的
另一方面如果我们认为量子力学真实地描述了现象背后的世界那么如果我们认为量子力学没有描述现象背后的世界那么就极大地颠覆了科学家长期以来信奉的这正是许多人努力寻找量子力学的因果决性解释的重要动因之一也是量子力学也许是由于这些困惑玻恩早在赋予波函数的概率解释但却在我们知道任何测量的最终目标都是把被测系统的信息变成人的感官能够直接感知到的宏观信息比如能被听到的计数器的响声在经典物理学中物理学家把所有的物理量都看成是客观物理现象本身的固有特征把所有的物理学定律都看成是这些客观物理量之间的客观规律而且在经典的测量过程中主观与客观是泾渭分明的主体量子力学则完全薛定谔方程不是客观物理量之间的客观规律而是关于我们可能得到的测量结果的概率的测量结果的概率不是一个物理量而是一个数学量是主体与客体通过测量相互作用的一
因此
量子力学是关于研究主体与在量子测量中量子力学不再是完全客观的物理学家泡利甚至在他的名著原理子力学的建立是以放弃对于物理现象的客观处理
亦即放弃我们唯一地区分观测者与被观测者的能力作为代价的
冯
诺意曼最早借用
但问题是
在量子测量系统中粒子从叠加态到本征态的转变是在整个测量链条的哪为什为什么系统之间的相互作用可以用薛定谔方程来描
述而从微观态到宏观态的转变却不遵守薛定谔
量子力学的形式体系本身对此没有作出任薛定谔用验进一步生动地揭示了用子测量过程所存在的困惑
他把量子测量过程中主体与客体的分界线划分在客体与观察者的意识之间因为只有观察者的意识不能被包括在客体系统之内根据这种理解是主体的识系统的态发生了转
总而言之量子力学带来的哲学困惑是方方围绕这些困惑展开的哲学争论也形式多至心理问题深深地交织在一起衍生出各种别开为了有助于对这些哲学立场作出判别我们需要进一步明确量子力学的哲学前量子力学的哲学前提是量子力学的基本假设中所规定对量子力学的原始概念和方程的物理解正是这种物理解释提供了物理学理论的数学因此量子力学的哲学前提是理论的一部分或者说是内在于理论的而对量子力学理论体系的解释则不属于理论本身或者说是外在于理论的通常被划入量子力学的哲学前提是量子力学的基本假设中所蕴含的哲学基础主要涉及两个方面一是本体论基础二是认在本体论意义上
根据量子力学的基本假设像光子和电子之类的微观粒子或理论实体是真实这是能否捍卫科学实在论立场的关键在量子力学之前物理学家在本体论上坚他们认为粒子和场都是真实存在的只不过存在的形式截然不同粒子是一种定域性存在粒子的运动变化由动力学变量来描述场的运动变化由波动方程来描述波动方程中的波函数是一个物理量但量子力学假定根据算符语言微观粒子本身有无数种方式来表现自己
人类只能通过粒子在四维时空
空间加
这就决定了不同的测量设置致使粒子呈现出不同的属性比如因此对于微观粒子而言粒子性与波动性只是它在特定条件下的行为表现这
万方数据
也许是量子力学的哥本哈根解释不断招致批评的从这种观点来看如果现在仍然从波粒二象性出发来教授量子力学则是不可相对于人类而言微观粒子只是一种实在只有当我们观察它时它才在那里当不观
察它时
它是希尔伯特特空间中的一个算符所以我们不能根据观察到的状态来推断粒子在观察之前的状态这就像当我们把一个四面体投影到一个平面上看到一个四边形时我们不能由此断定这种推断充其量只是日常经验的一种想象与狂妄强调微观粒子存在的抽象性并不是否认它的本体性而是表明微观粒子的真这时数学符号和物理手段就成为能够深入到现象背后的自在实在里帮助我们思考这种自在实在的一种必不可少这里的在实在有点类似于康德的但与康德认为作为客观知识基础的不可知的观点所不同我们能够借助于抽象的数学空间并根据全同性原理因此在微观世界中体现了三个不同层次的实在的统一即一也体现了微观粒子的实体
正是这种统一的模型能够被看成是对现象这是从量子力学的假设
在认识论意义上力学的数学表述并不复杂然而要将数学表述同物理世界的直观描
述联系却十分困难
因为量子力学的基本假设除了只提供描述微观粒子随时间演化的薛定谔方程和函数的概率解释之外没有对这种联系正是这种有悖于常理的联系规则然而这一令许多人不愿
意接受的概率特征经过从
论
等式的提出到量子力学所能产生的结论只能是概率性的根本不存在能够降低这种不确定性所隐藏的任何量也不能回答一个粒子在某个瞬间在哪里这个问题而是能回答一个粒子在某个瞬间位于某
个地方的概率有多大这样
的问
关于这个问题的详细论述参见成素梅微观之间量子测量的解释语境与实在论中山大学出版社
题
因此量子力学中的概率是根本性的是研究问题的出发点是前提与基础是所有的量子力学在量子世界里恢复决定论描述的任何企图要么是基于某种心理信念的哲学追求例如隐变量量子论和多世界解释要么是基于逻辑上的推理例如各种模态解释但这些努力都超出了量子力学基本假设的范围或者说都是为量子力学附加了某种哲学假另一方面由于这种概率性是通过波函数的振幅的平方来表示的而波函数本身又遵守薛定谔方程演化所以这种概率性预言的变化也是一种因果性的变化与决定论的因果性不同的是这这是量子力学的第二个哲学除了统计因果性之外从薛定谔方程推论出的量子力学的另一个重要特性是量子态叠加原这是因为薛定谔方程是一个线性方程根据线性方程的性质
方程的所有解的相加之和也是这一点表示一个微观粒子电子态一例如在单光子的双缝干涉实验中一个光子在达到屏幕之前会同时穿过两个缝产生干涉光子既在这里也在那里这种思想瓦解了一个粒子在同一时刻不在含有两个或两个以上的量子系统中态叠加原理引发了纠缠所谓量子纠缠简单说来是指在多粒子的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薛定谔最早在动力学时就已经意识到假如几个粒子或者光子是在某个物理过程中共同产生的那么它们之间就会发生纠缠但他第一次正式提出并使用缠个术语是在年讨论文的时候
一次通过
然而这个重大的突破直到
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的实验使得只存在于科幻小说中的隐形传输
更令人惊讶的是美国物理家在在肉眼能够
看到的两个超导
体之间也存在着纠缠现象这个实验既打消了不能把量子力学描述应用于宏观系统的顾虑也把量子力学的边界从微观扩展
万方数据
到宏观强化了在量子力学与支配宏观现象的经如今量子纠缠现象的存在已经是被证明了的物理事实而不再是爱因斯坦等人在表的由于量子纠缠是由态叠加原理导致的而态叠加原理又是薛定谔方程的解的性质所决定的所以它是从量子力学的基本假设中延伸出来的结在经典物理学中粒子在时空中的存在遵守爱因斯坦的定域性原则即发生在某个特定地方的现象不可能即时地影响到另外一个相距甚远的地方的现象非定域的量子纠缠现象使这种常识性的思想土崩瓦解了要求把在同一个物理过程中生成的两个相关粒子永远作为一个整体来对待不能分解成两个其中一个粒子发生任何变化另一个粒子必定同时发生相应的变化无论它们相距多远纠缠现象都不会随着距离的增加而消这就使得我们通常所说的量子系统的存在形式的整体性和量子测量中被测量系统与测量仪器之间的整体性
玻尔当时在应对子力学的完备性的质疑时正是直觉地抓住了量子测量的这种整体性特征爱因斯坦把这种整体性称之为是的远距离作用以表达他对这种现象的无奈态量子力学的隐变量解释的倡导者玻姆在晚年把他的隐变量解释进一步扩展为本体论解释或语境隐变量理论时也不得不在他的方程中增加了一个代表量子系统与环境相互作用的量
来把微观粒子间
的这种非定域性关系考虑进来虽然后来的实验没有支持玻姆的努力但是这种情况至少表明量子系统的这种整体性是任何一种量子力学解释不可忽这是量子力学的第三个哲学结语
总之量子力学是一个独立的理论不是对经它不仅有独立的假设这些哲学前提确实颠覆了我们从日常经验中所得到的然而传统的世界观是如此的根深蒂固甚至连最伟大的物理学家爱因斯坦也无法摆脱其影响使他既是量子力学的最早贡献者也是量子力学的坚量子力学告诉我们
仅凭日常生活经验是无法理解我们根本不能直接体验到的微观世量子世界在本质上是随机性的也是整体
性的微观粒子是抽象空间中的存在它的演化遵这是量子力学的基本在量子力学的发展史上量子系统的纠缠性先是通过数学计算发现然后这无疑让我们感觉到但是对量子纠缠究竟是什么
量子世界为什么是概率
在量子测量过程中波函数的塌缩机制是什
根据我们的常识思维无法想象的诸如此类的问题量子力学没有作出回答仍然是值得研究的而对这些物理学课题的研究必然要融入深层次的哲学思考也许正是在这种意义上物理学家玻恩指出确
信理论物理学是真正的哲学
我们可以说
没有哲学的理论物理学是盲目的没有理论物参考文献
万方数据
雅默量子力学的哲学秦克诚
译北京商务
印书馆
关洪一代神话
哥本哈根学派武汉武汉出
版社
关洪科学名著赏析物理卷
太原山西科学
技术出版社
成素梅如何理解微观粒子的实在性问题访问斯
坦福大学的赵午教授
艾克塞尔纠缠态物理世界第一谜
庄星来译上海上海科学技术文献出版社玻恩我的一生和我的观点李宝恒译北
京商务印书馆
高云涌常绍荣
量子力学的哲学基础
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
成素梅， CHENG Su-mei
上海社会科学院,哲学研究所,上海,200020;山西大学,科学技术研究中心,太原,030006学习与探索
STUDY & EXPLORATION2010(6)
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