量子如何向經典過渡

自科學誕生以來，就存在著許多關于思想觀念的爭議。其中,在量子測量中“量子如何向經典過渡”,即所謂的量子力學測量問題,成為了這場曠日持久的量子力學哲學之爭的一個基本問題。根據量子力學標準的塌縮形式,運動定律由兩部分組成。其一是線性動力學:如果一個物理系統沒有被測量,它將按照薛定諤方程以一種確定的、線性的方式演化;其二是非線性的塌縮動力學:如果對系統進行一個測量,系統將立即非線性地、隨機地從初始的疊加態躍遷到正被測量的可觀察量的一個本征態,這時,實驗者就會感知到一個確定的觀察值,即本征態相應的本征值,這也就是20世紀30年代初狄拉克(P.Dirac)-馮·諾依曼(JohnvonNeumann)為了統一海森堡(W.Heisenberg)和薛定諤(W.Schrodinger)的理論工作與玻恩(M.Born)的幾率解釋而首先提出的本征態-本征值關聯。這樣一來,就在薛定諤方程的普遍有效性,實驗者知覺的可靠性和本征態-本征值關聯之間產生了一個稱作測量問題的邏輯矛盾。一方面,薛定諤方程的普遍有效性要求,薛定諤方程支配在宇宙中每個物理系統的動力學演化,因此在量子測量中,用來測量任何微觀物體的宏觀儀器,將幾乎確定地與被測物體演化進一個量子糾纏態,而不是儀器的指針可觀察量的一個本征態;另一方面,根據本征態-本征值關聯,如果實驗者是清醒的,他們的測量結論將是:他們獲得的測量結果是儀器指針指示的一個確定的方向,即一個確定的觀察值,而不是指針的一個量子疊加態。如何解決這一邏輯矛盾?盡管正統的量子理論家們經常訴求于“塌縮假說”或量子-經典“分割”來解決這一問題,在他們看來,似乎薛定諤方程的普遍有效性是唯一危險的假設。然而,在這一矛盾的源起中上述三個假設沒有一個是多余的,否定其中任何一個都足以逃脫這一困境。為了避免矛盾,三個假設至少有一個必須被否定。根據量子力學的形式體系的內在要求,薛定諤方程在量子世界的普遍有效性是可接受的假設。而如果我們保留實驗者知覺的可靠性,那么,本征態-本征值關聯就成為可以考慮去除的假設。可以說,馮·諾依曼的量子測量理論最早打破了玻爾(N.Bohr)的量子-經典“分割”,即量子測量的經典儀器必不可少的假設,開創了用一致量子力學對量子測量的動力學機制進行理論探索的先河。然而,這種理論嘗試由于沒有考慮到儀器的宏觀或經典特征,即儀器所具有統計熱力學的性質,而是理想地假定儀器是只有一個自由度的量子指針,因而導致了儀器的無限回歸。為了切斷無限回歸的儀器鏈,消除干涉項,實現“波包塌縮”,馮·諾依曼最終求助于人的意識,從而導致了物理-心理平行主義的哲學困境。從20世紀50年代開始,物理學家沿著排除塌縮、超越量子測量的正統解釋的框架進行了視角不同、影響深遠的理論探索。如1952年玻姆的隱參量理論,1957年埃弗雷特的“多世界解釋”,1962年D-L-P的量子各態歷經理論。從20世紀70、80年代以來,量子測量問題的研究更進一步呈現出錯綜復雜的新局面,從不同視角進行的理論探索,其理念也都是試圖消解“塌縮假說”,發展出一個遵從薛定諤方程的一致演化的量子測量動力學理論。這包括以“多世界解釋”為基礎的“多心解釋”;區分理論態和物理態的“模態解釋”;強調環境與儀器糾纏作用的“退相干解釋”。下面,我們就結合這些較為晚近的量子測量理論的發展,來具體說明這一測量問題的認識論發展,并給出新的研究方向。一心靈的同一性20世紀80年代中期,由DavidAlbert,MatthewDonald,BarryLoewer,MichaelLockwood,EuanSquires,SimonSaunders等在“多世界解釋”基礎上發展出了一種量子力學的“多心解釋”。特別是MichaelLockwood對“多心解釋”的量子力學基礎進行了深入探討,不僅給我們提供了一個最新的形而上學研究,討論了量子理論關于一些基本的哲學概念,諸如實在、自我和因果性的推論,而且使得這種強調意識和精神的多重“分裂”,以及對于我們看到什么起著決定作用的形而上學的解釋,引起了廣泛的討論。根據Lockwood的多心解釋,我們的心智是我們的大腦(或至少是我們的身體)的一個亞系統,也就是說,在我們的大腦的大量自由度數目的子集中,有一些是基本的,而不僅僅是隨機地包含在我們有意識的智力中。他稱這一點使他承諾了心智的唯物主義的觀點。其次,他聲稱,存在一組相互正交的純態,組成我們的心智的一個基,我們可以把這個基叫做意識基。這些基態的每一個是這樣的:如果我們的心智在t時處于某個態,那么我們在t時擁有的最大限度的感受將是主觀同一的。而且,對于每一個我們的心智能夠產生的最大限度的感受來說,有一個屬于我們的心智的意識基相關態。用這種方式,兩種最大限制的感受分別對應于兩個不同的基態,Lockwood認為這兩種感受本身是截然不同的,即使它們碰巧是主觀同一的。因此,在他的用法中,對于最大限度的感受來說,主觀的不同包含簡單的不同,而不是為簡單的不同所包含。對于Lockwood的多心解釋,JeremyButterfield的評價是它非常激進,因為這一解釋允許未被觀察的宏觀世界處于很不確定的狀態,即使是在一個分支中。也就是說,根據這一解釋,沒有理由認為由N個意識態定義的剩余宇宙的相對態將是任何常量的一個本征態,例如,沒有理由認為未被觀察的巖石有一個確定的位置,即使是在一個分支中。然而,大衛·多奇認為,Lockwood是少許敢于公然違反傳統的哲學智慧的哲學家之一,這種傳統的哲學智慧阻礙我們重要的理論的進展和我們對于它們的正確理解。表面看來,Lockwood故意避免使用“多世界”或“平行宇宙”的術語,代之以“多心”,冒險給人以印象:“只有心是多重的,而實在的其余者不是多重的”,實際上,Lockwood的形而上學的實質是心智是物理系統,心智在物理學的普適定律中沒有優越地位。可以說,“多心解釋”企圖提供一個一致的量子力學解釋,但由于存在著許多版本,其內部觀點并不完全一致。一方面,強調心智完全附隨于物理態的Lockwood認為,“多心解釋”的兩個版本:“連續心觀點(ContinuingMindsView)”和“瞬時心觀點(InstantaneousMindsView)”“經驗上等價”,因此沒有經驗理由選擇前者而舍棄后者。另一方面,多心解釋的隨機版本的代表人物Albert和Loewer則強調心智不附隨于物理態,他們主張,如果接受“多心解釋”,“連續心觀點”要優于“瞬時心觀點”。其理由如下:“連續心觀點”滿足以下三點:(1)一個系統的量子態是它的完備物理態,(2)量子態的演化遵循薛定諤方程,(3)量子力學的幾率被理解為觀察者的心智演化到占據各種精神態的動力學的可能性,因此提供了量子理論的一個一致解釋;而“瞬時心觀點”雖然也是量子理論的一個一致解釋,但由于只滿足(1)和(2),否定有短暫持續的心存在,因而并沒有給出量子力學的幾率的一個令人滿意的解釋,因而是不適當的。然而,他們也承認,“瞬時心觀點”的形而上學的承諾要比“連續心觀點”的問題更少,“連續心觀點”確實還存在著一些不安穩的、古怪的特征。因此,如何認識心智在量子測量中的作用和如何解決量子測量中的幾率問題,仍然是量子力學的多心解釋需要面對的一個問題。二模態解釋的特點“模態解釋”的名稱最早源于范·弗拉森(vanFraassen)1972年的工作。范·弗拉森為了解釋量子力學,用模態邏輯的語義分析代替量子邏輯的分析。結果,這一解釋被稱為“量子邏輯的模態解釋”。從此以后,“模態解釋”一詞獲得了更為普遍的意義,并且失去了與模態邏輯的嫡親關系。特別是在20世紀80年代以來,由科亨(Kochen,1985),克瑞普(Krips,1987),迪科(Dieks,1988),黑利(Healey,1989)和巴布(Bub,1992)發展的量子力學的新解釋,都被稱為“模態解釋”,并且像玻姆理論(1952)包括玻姆(D.Bohm)與海利(Hiley)的量子勢的非定域理論(1992),也被看作“模態解釋”。模態解釋有以下特征:第一,模態解釋與量子力學的標準形式保持有密切的關系。它們都接受一個系統的量子力學描述在一個希爾伯特空間之上被定義。第二,在模態解釋中,系統態只按照薛定諤方程演化,塌縮假說被拋棄為不必要的形而上學假說。第三,模態解釋把量子力學看作是描述自然的一個普遍的理論。量子力學因此不僅適用于基本粒子,而且也適用于像測量儀器、行星、貓和大象這樣的宏觀系統。第四,模態解釋總是給出把性質歸因于系統的規則。這個性質歸因取決于系統的態和應用,而不管是否進行測量。系統的態因此是根據系統所擁有的性質,而不僅僅根據測量的結果而有一個意義。第五,這些把性質歸因于系統的規則是隨機的。因此,一個系統不僅僅被歸因于一組性質(就像本征值-本征態關聯的情形),而是被歸因于相應幾率的許多組性質。每一組包含可能為系統所擁有的性質,并且相應的幾率給出為系統實際擁有這些性質的幾率。第六,模態解釋把歸因于系統的性質的幾率,看作只是代表關于一個系統的實際性質的無知,而不是關于這個系統的實際態的無知。即模態解釋的一個共同特征是:關于態的無知這樣的規則被排除。這一特征是模態解釋區別于量子力學的其他解釋的通常特征。在量子力學的標準解釋中,玻恩幾率不僅代表對系統的實際性質的無知,也代表對系統的實際態的無知。以上特征其實告訴我們,模態解釋為了解決測量問題,在理論態和物理態之間做出了區分。物理態特指一個系統所有正在發生和尚未發生的事件,或說特指一個系統的可觀察量的值;理論態由量子力學確定,用來計算可能物理態的幾率分布。也可以說,理論態特指對現在正在發生的事件和未來將要發生的事件產生幾率預測的態。然而,理論態單獨不提供正在發生事件如何隨時間演化的一個動力學圖像。通過做出這一區分,模態解釋保持幾率懸而未決:雖然理論態不可能對一個幾率為1的給定事件P賦值,理論態僅僅提供對可能物理態的一個幾率測量,但是,物理態規定了事件P的確發生。模態解釋似乎想用這一區分來否定“塌縮假說”,聲稱塌縮只發生在一個人從討論理論態(保留沒有塌縮),改變為討論物理態(一直存在塌縮)之時。理論態自身在整個測量進程中始終沒有發生塌縮。由于模態解釋的大多數鼓吹者竭力廢除塌縮假說,他們普遍認為,“模態解釋”是一個沒有“塌縮”的量子力學理論,它強調量子力學描述自然的普適性,因而系統的態,不論是基本粒子的還是宏觀測量儀器的,都按照薛定諤方程演化;測量作為一種模態演化。理論態的演化與測量無關,永遠遵循薛定諤方程,而且符合模態邏輯規則。這樣一來,模態解釋就消解了馮·諾伊曼的解釋規則和塌縮假說,對量子測量做出了邏輯一致性的解釋。所謂“在這個解釋中,一個物理性質的出現不與依靠疊加的一個理論描述相沖突。……測量后的情形通常由一個疊加描述……因此不需要投影假說,或波函數塌縮。因此,我們現在假定數學態(即理論態)一直是一致演化的(時間可逆),與薛定諤方程一致”。同樣,范·弗拉森也寫道:“在這個方案[范·弗拉森的模態解釋]中,我們能說:IN和OUT是可觀察量的初值和終值[物理態],而W和W’是動力學態[理論態]。W演化為W’是決定論的,與薛定諤方程一致……沒有非因果的躍遷或塌縮。”因此,有人可能會猜測,模態解釋有極好的方式來避免塌縮假說。通過否定理論態與物理態相同,模態解釋不需要面對解釋一個非連續的塌縮過程可能是一個物理過程的問題。然而,實際的情形是,不同版本的模態解釋也還存在著觀點上的對立和各自需要完善的地方。根據RobClifton,巴布(1996)的模態理論可以理解為是對玻姆理論(1952)的一個拓展和推廣,而vanFraassen(1991),Kochen(1985),Healey(1989)和Dieks(1994)的解釋則是與玻姆的和巴布的理論相對立的競爭綱領。這兩種線路的模態解釋都有需要彌足的地方,但相比之下,Clifton更偏愛沿著玻姆和巴布的拒絕本征態-本征值關聯的線路發展的一致演化方案,而認為范·弗拉森等四人的密度算符的解釋并不能實現這一點,因而應該做出修正。同樣,W.MichaelDickson也認為,模態解釋的兩種策略都希望避免塌縮假說,玻姆式的策略假設理論描述一個真實的物理量,雖然這一策略保留有未回答的難題,但是這一策略在這些問題上取得的最新進展,使人有理由猜想沿著這一線路可能會獲得豐碩的成果。而范·弗拉森等人的第二種策略的模態解釋應該在理論態層面上采納塌縮假說。因為“如果一個人把由理論態產生的幾率解釋為客觀的或然性或相對頻率,那么為了使理論態產生正確的幾率,要求理論態在測量后塌縮。”但究竟如何在理論態層面上采納塌縮假說,他也并沒有給出清楚的說明。如此看來,模態解釋對于量子測量問題的解決也并沒有完結。三退相干解釋與其他引入研究的方向20世紀80年代以來,沿著排除“塌縮假設”的研究線路,一些研究者包括Zurek(1981,1991),Caldeire和Leggett(1983),Joos和Zeh(1985),Gell-Mann和Hartle(1993,1994),Omnés(1994,1999)等在前人思想的基礎上,又發展出一種可供選擇的解決方案,這就是量子力學的“退相干解釋”或說“一致歷史解釋”。退相干解釋強調環境與儀器的糾纏作用,認為自然環境不能被簡單地忽略或者看作一個經典的背景,由于它有大量的內部自由度,它的實際功效是充當作一個“測量儀器”,通過與宏觀集體亞系統不可避免的相互作用,來對宏觀物體的量子相干性實施不間斷的“監控”,允許其具體的經典行為從量子理論允許的許多同時存在的可能態中,以一定的幾率出現。因此,在一個一致的量子力學框架內討論宏觀物體的量子現象,就不能不考慮它周圍的環境因素。只有把自然環境包括在內,宏觀物體所形成的一個更大的封閉系統的演化才能由量子力學描述。這里再沒有塌縮,有的只是外部環境引發的量子退相干的出現。退相干解釋對于測量問題的回答令人滿意嗎?根據貝爾(JohnBell),退相干解釋不對量子測量問題提供一個基本的答案,也不對宏觀現象的不可逆提供一個基本的答案,而只是為了預測測量結果而提供的一個方便的“計算工具”,或者說只是一個“全部為了實用目的”而設計的方案。對此,退相干解釋的支持者昂內斯(RolandOmnès)回應說,只要環境足夠大,或者說只要物體足夠宏觀,退相干一旦發生就不能回避,因此退相干為量子力學中最古老的問題——為什么宏觀疊加不存在提供了一個滿意的答案,而且是一個基本的回答,而不僅僅是一個實用的答案。如何看待這種觀點上的對立?通常認為,退相干解釋對于測量儀器與它的環境的進一步相互作用的描述,使得我們更為接近測量問題的一個解決方案。但是,退相干解釋單獨并不能徹底地解決量子力學的測量問題。因此,保持理論的開放性態度是有必要的。換言之,盡管“退相干理論”解決了“哥本哈根解釋”和“多世界解釋”保留為開放的許多問題,包括幾率的起源和“客觀存在”的出現,但是關于這一理論許多觀念的和技術性問題仍然是開放的,譬如對一個系統的構成的確切定義,量子和經典的邊界究竟應該劃在哪里,現在仍然是理論和實驗未徹底解決的難題。確切地說,退相干解釋還不足以對量子測量中所有問題產生確定的回答,許多進一步的工作仍被要求進行。只不過,作為范式的變動,量子到經典的過渡已經成為實驗調查的主題,而以前它大多是一個哲學論爭的領域。由于“退相干并沒有徹底解決了測量問題。退相干告訴我們的是,某種物體當被我們觀察時表現為經典的。但是一次觀察是什么?在某一階段上,我們仍不得不用量子理論通常的幾率規則”,因此,在這一領域工作的研究者不得不著眼于退相干的未來發展。事實上,一些研究者已開始思考“退相干解釋”與其他解釋的可能結盟,以給出量子測量中幾率產生的根源。理論的相互彌合無疑是值得借鑒的研究徑路。本文作者之一的專著《量子實在與薛定諤貓佯謬》曾對“退相干解釋”進行了較為詳實的探討,指出了其不足,并提出了一種可能的解決方案。近年來,隨著量子測量理論和量子測量技術的研究不斷取得進展,特別是統計力學的基礎源于量子不確定性的新發現,我們發現進一步推進原先的一些想法不僅是可能的,也是可行的。四關于整體論對量子測量學的啟示最近,關于量子糾纏和統計力學的基礎的理論研究表明,所謂量子力學的薛定諤方程的熵守恒過程和量子測量的熵增過程之間的沖突,在于忽略了量子測量中的量子糾纏效應,即系統和