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作者 / 成素梅

量子力學(xué)是在整理與說明新的實驗現(xiàn)象的過程中不斷發(fā)展與完善的。這種在經(jīng)驗研究的血統(tǒng)與困境中成長起來的理論, 不僅提供了關(guān)于基元過程的唯一的邏輯一貫的形式體系和語言系統(tǒng), 帶來了日新月異的技術(shù)變革, 而且極大地改變了我們關(guān)于科學(xué)世界的圖像, 顛覆了近代科學(xué)研究的哲學(xué)基礎(chǔ), 成為當(dāng)代科學(xué)哲學(xué)家闡述各種哲學(xué)立場的立論之源。范.弗拉森的“經(jīng)驗建構(gòu)論”[ 1]、法因的“自然本體論態(tài)度” [ 2]、哈金的“實體實在論”[ 3]、當(dāng)前比較流行的“結(jié)構(gòu)實在論”[ 4] 等觀點都是以量子論為基礎(chǔ)進(jìn)行論證的。問題在于, 這些科學(xué)哲學(xué)家基于同樣的量子力學(xué)的形式體系與理論假設(shè), 卻提煉出不同的哲學(xué)觀點。這說明, 在科學(xué)哲學(xué)界, 關(guān)于量子力學(xué)的哲學(xué)基礎(chǔ)遠(yuǎn)沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識, 非常有必要進(jìn)行深入研究與澄清。

一、量子力學(xué)的基本假設(shè)

揭示量子力學(xué)的哲學(xué)基礎(chǔ), 不是根據(jù)量子力學(xué)的新特征為某種哲學(xué)觀作出辯護(hù), 而是探索量子力學(xué)的基本假設(shè)所蘊(yùn)含的哲學(xué)前提。因此, 在闡述問題之前, 首先明確物理學(xué)家目前公認(rèn)的量子力學(xué)的基本假設(shè)是非常必要的。

量子力學(xué)的形式體系最初是依據(jù)兩條截然不同的研究思路和運(yùn)用兩種不同的數(shù)學(xué)手段及概念體系建立起來的。一條是由海森堡、玻恩和約爾丹基于普朗克的量子假設(shè), 沿著量子化方向, 立足于不連續(xù)性, 運(yùn)用當(dāng)時高深的矩陣代數(shù)方法, 從舊量子論中脫胎而來的矩陣力學(xué); 另一條是由薛定諤基于德布羅意的物質(zhì)波假設(shè), 沿著波動方向, 立足于連續(xù)性, 運(yùn)用物理學(xué)家中慣用的微分分析方法, 經(jīng)過對力學(xué)與幾何光學(xué)之間的形式比較后, 引入假想的波函數(shù)概念所創(chuàng)立的波動力學(xué)。1926 年, 在激烈的爭論中處于弱勢地位的薛定諤驚喜地發(fā)現(xiàn), 量子力學(xué)的這兩種不同表述形式, “盡管他們的基本假定、數(shù)學(xué)工具和總的意旨都明顯地不同, 在數(shù)學(xué)上卻是等價的。”[ 5] 1932年, 馮.諾意曼在著名的《量子力學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中, 率先運(yùn)用希爾伯特空間的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)或數(shù)學(xué)模型, 把量子力學(xué)表述成希爾伯特空間中的一種算符運(yùn)算, 證明了矩陣力學(xué)和波動力學(xué)分別只是這種運(yùn)算的特殊表象, 從而徹底澄清了兩種力學(xué)形式之間的等價性。這在物理學(xué)史上是前所未有的大創(chuàng)新。然而, 自1925 年量子力學(xué)誕生以來, 關(guān)于量子力學(xué)的基本概念的理解和理論的一致性、完備性的爭論, 就成為摻雜著不同哲學(xué)立場的論題凸現(xiàn)出來并延續(xù)至今, 而且人們直到現(xiàn)在仍然熱衷于引用量子力學(xué)創(chuàng)始人的作品來論證自己的立場。這在物理學(xué)史上是前所未有的現(xiàn)象。但盡管如此, 相對于從事具體研究工作的物理學(xué)家來說, 我們還是能夠把目前物理學(xué)家都一致公認(rèn)的非相對論性量子力學(xué)中的基本假設(shè)總結(jié)為四個方面[ 6] 19- 20 ( 1)描寫物理系統(tǒng)的態(tài)函數(shù)(即波函數(shù))的總體構(gòu)成一個希爾伯特空間, 系統(tǒng)的每一個動力學(xué)變量都用這個空間中的一個自伴算符描寫; ( 2)當(dāng)系統(tǒng)處在波函數(shù)φ描寫的狀態(tài)時, 對用算符F代表的動力學(xué)變量進(jìn)行許多次測量, 所得到的平均值 F , 等于φ同F(xiàn)φ的內(nèi)積(φ, Fφ) 除以..同自身的內(nèi)積( φ,φ) , 即, F = ( φ, Fφ) (φ, φ) ; ( 3)波函數(shù)..隨時間的演化, 遵從薛定諤方程; ( 4)當(dāng)交換兩個同種粒子的變量時, 不改變系統(tǒng)的狀態(tài)。

在這四個假設(shè)中, 假設(shè)( 1)規(guī)定了量子力學(xué)的態(tài)空間為希爾伯特空間, 在這個空間里, 描寫量子態(tài)的數(shù)學(xué)量是希爾伯特空間中的矢量, 相差一個復(fù)數(shù)因子的兩個矢量描寫同一個態(tài); 描寫微觀系統(tǒng)物理量的是希爾伯特空間中的自伴算符。在這里, 希爾伯特空間、算符、波函數(shù)、動力學(xué)變量作為原始概念來使用; 假設(shè)( 3)給出的薛定諤方程反映了描述微觀粒子的狀態(tài)隨時間變化的規(guī)律, 它在量子力學(xué)中的地位相當(dāng)于牛頓定律在經(jīng)典力學(xué)中的地位, 是量子力學(xué)的出發(fā)點與前提; 假設(shè)( 2)也叫做“平均值公設(shè)”, 它是“在量子力學(xué)的原理中唯一的怎樣同經(jīng)驗事實相對應(yīng)的原始規(guī)定。通過具體的推導(dǎo)和論證能夠證明, 從平均值公設(shè)可以推導(dǎo)出可能的測量值譜以及在這種譜上實現(xiàn)的測量結(jié)果的概率分布。換句話說, 平均值公設(shè)里已經(jīng)包含了玻恩的態(tài)函數(shù)的概念詮釋”[ 6] 19- 20; 假設(shè)( 4)是多體系統(tǒng)中同種粒子的“全同性原理”。

量子力學(xué)的整個理論體系是在這四個基本假設(shè)的基礎(chǔ)上建立起來的, 或者說, 這四個假設(shè)是量子力學(xué)最起碼的基本假設(shè), 也是我們揭示量子力學(xué)的哲學(xué)基礎(chǔ)的出發(fā)點和基本依據(jù)。首先, 希爾伯特空間是一個抽象的數(shù)學(xué)空間, 在日常生活中沒有相對應(yīng)的形式, 只能從概念上加以理解與把握。其次, 在算符作用下, 由薛定諤方程所提供的波函數(shù)的演化, 不再是對物理量的直接描寫, 也不是物理量之間的關(guān)系隨時間的變化。在這個方程中, 波函數(shù)本身沒有明確的物理意義, 有物理意義的是波函數(shù)的模方(即, 絕對值的平方) , 或者說, 薛定諤方程只能解出波函數(shù)隨時間的演化, 其模方代表了微觀粒子位于某個量子態(tài)的可能性有多大, 除此之外, 沒有提供測量前的任何信息。用玻恩的話來說,“薛定諤的量子力學(xué)對于碰撞效應(yīng)的問題給出了十分確定的答案, 但是這里沒有任何因果描述的問題。對于‘碰撞后的態(tài)是什么’這個問題, 我們沒有得到答案, 我們只能問‘碰撞到一個特定結(jié)果的可能性如何’” [ 7] 251。! 玻恩對于量子力學(xué)波函數(shù)的統(tǒng)計解釋, 是由散射實驗中被散射粒子的角分布的統(tǒng)計計數(shù)來證實的. [ 7] 243。第三, 在微觀世界中, 所有的同種粒子都是相同的, 沒有衰老, 無法標(biāo)記, 甚至無法辨認(rèn)。

顯然, 不論從純技術(shù)觀點來看, 還是從其內(nèi)容的哲學(xué)意義來看, 這些假設(shè)都對物理學(xué)家過去普遍接受的對科學(xué)的基本看法和哲學(xué)觀念提出了極大的挑戰(zhàn), 也給堅守某種哲學(xué)觀的人留下了想象的空間。但當(dāng)我們回過頭來重新清理與量子力學(xué)相關(guān)的哲學(xué)爭論時, 最基本和最重要的是, 區(qū)分哪些是物理學(xué)問題, 哪些是哲學(xué)問題, 甚至哪些是心理信念問題, 哪些是作為出發(fā)點的東西, 哪些是作為結(jié)論的東西。只有明確了這些問題, 才能在面對高深莫測的量子力學(xué)哲學(xué)爭論時辯明是非, 不至于人云亦云。而要做到這一點, 又需要我們先澄清量子力學(xué)為什么會帶來哲學(xué)困惑, 帶來了哪些主要困惑。

二、量子力學(xué)的哲學(xué)困惑

在科學(xué)史上, 還沒有任何一個理論比量子力學(xué)帶來的哲學(xué)困惑更基本, 也沒有任何一個理論能像量子力學(xué)那樣, 從其誕生之日起一直到有了驚人成功應(yīng)用前景的今天, 還伴隨著激烈的哲學(xué)爭論。爭論的動因, 既有物理學(xué)和哲學(xué)的, 也有心理學(xué)和邏輯的。

相對于人類而言, 樸素實在論是與人的日常生活相符合的很自然的態(tài)度, 就像動物的本能一樣, 蜜蜂憑借花的顏色或香味來認(rèn)識花, 并不需要哲學(xué)。小孩在學(xué)習(xí)說話時, 是根據(jù)詞語與對象之間的直接相關(guān)性, 來理解詞語的意義, 也不需要哲學(xué), 所有的語言和詞語都是針對世界的。用今天的話來說, 是對象語言, 而不是元語言。只要人們把自己的觀念鎖定在這樣的日常經(jīng)驗中, 客觀性就是一個默認(rèn)的哲學(xué)前提。但是, 在科學(xué)中的情況就不同了。在科學(xué)中, 科學(xué)家通常是與超出日常生活范圍之外的現(xiàn)象打交道, 并用抽象的概念系統(tǒng)來說明所面臨的現(xiàn)象。這時, 問題就會變得復(fù)雜起來。人們需要借助于特定的理論, 才能達(dá)到對所觀察到的現(xiàn)象的說明。如果沒有理論, 那么, 就不能理解現(xiàn)象。不論是在小的原子領(lǐng)域內(nèi), 還是在大的恒星領(lǐng)域內(nèi), 情況都是如此。在這里, 是理論拯救了現(xiàn)象, 而不是從現(xiàn)象中歸納出理論。這樣, 客觀性問題就變得復(fù)雜起來, 現(xiàn)象背后是否存在一個不依賴于觀察者的客觀世界, 就成為一個無法逃避的問題。

在量子力學(xué)誕生之前, 所有的自然科學(xué)家都有兩個共同的基本信念 一是相信自然現(xiàn)象的發(fā)生都是有原因的, 有規(guī)律可循的, 或者更具體地說, 相同的實驗條件, 必定能得到相同的實驗結(jié)果, 這就是所謂的決定論的因果性觀念; 二是相信科學(xué)理論都是對現(xiàn)象背后的客觀世界的規(guī)律的揭示, 科學(xué)的目標(biāo)正在于掌握規(guī)律, 并作出預(yù)言。然而, 量子力學(xué)一開始就從根本意義上對這種兩種信念提出了挑戰(zhàn)。正如玻恩在1926年為了證明量子力學(xué)的完備性, 賦予波函數(shù)以概率解釋的那篇具有劃時代意義的論文中所指出的那樣, “從我們的量子力學(xué)的觀點來看, 在任何一個個別的情形里, 都沒有一個量能夠用來因果地確定碰撞的結(jié)果; 不過迄今為止, 我們在實驗上也沒有理由相信, 原子會具有某種內(nèi)部特性, 能夠要求碰撞有一個確定的結(jié)果。或許我們可以期望, 將來會發(fā)展這種特性(比如相位或原子的內(nèi)部運(yùn)動), 并且在個別的情形中把它們確定下來。或許我們應(yīng)該相信, 在不可能給出因果發(fā)展的條件這一點上, 理論與實驗的一致正是不存在這種條件的一個必然結(jié)果。我自己傾向于在原子世界里放棄決定論。但是這是一個哲學(xué)問題, 只靠物理學(xué)的論證是不能決定的?！盵7] 251

其實, 放棄決定論的因果性和科學(xué)實在論, 既不是一個單純的物理學(xué)問題, 不能只靠物理學(xué)的論證來決定, 也不是一個單純的哲學(xué)問題, 不能通過哲學(xué)爭論來決定, 而是一個關(guān)乎人類行為的心理信仰問題。愛因斯坦以“我不相信上帝是擲骰子的”名言, 最直接地表達(dá)了他的信仰所在。在當(dāng)代物理學(xué)家中, 諾貝爾獎獲得者溫伯格也持有同樣的觀點。他認(rèn)為, 驅(qū)使我們從事科學(xué)工作的動力正在于, 我們感覺到, 存在著有待發(fā)現(xiàn)的真理, 真理一旦被發(fā)現(xiàn), 將會永久地成為人類知識的一個組成部分, 在這方面, 我們只能把物理學(xué)的規(guī)律理解為是對實在的一種描述。如果我們理論的核心部分在范圍和精確性方面不斷增加, 但卻沒有不斷地接近真理, 這種觀點是沒有意義的[ 8]。這說明, 在物理學(xué)家的心目中, 放棄決定論的因果性觀點是離經(jīng)叛道的。因此, 是否接受和如何理解波函數(shù)的概率解釋, 把物理學(xué)家分成為了不同的陣營。

如果物理學(xué)家完全接受波函數(shù)的概率解釋, 那么, 就會意味著降低了科學(xué)的預(yù)言能力, 意味著科學(xué)家不能再對世界作出肯定的斷言, 不能再是時代的先知者, “而是像算命先生一樣, 只能說一些模棱兩可的話, 從而使科學(xué)變成追求不確定性的一項事業(yè)?？茖W(xué)家會因此而感到失落, 無疑是很不情愿的”[ 7] 245- 246。另一方面, 如果我們認(rèn)為, 量子力學(xué)真實地描述了現(xiàn)象背后的世界, 那么, 那個世界是神秘和深奧的確實讓人難以想象。如果我們認(rèn)為, 量子力學(xué)沒有描述現(xiàn)象背后的世界, 那么, 就極大地顛覆了科學(xué)家長期以來信奉的科學(xué)研究傳統(tǒng)。這正是許多人努力尋找量子力學(xué)的因果決性解釋的重要動因之一, 也是量子力學(xué)帶來的最基本的哲學(xué)困惑之一。也許是由于這些困惑, 玻恩早在1926年就賦予波函數(shù)的概率解釋, 但卻在1954年才因此而榮獲諾貝爾獎。

另一個哲學(xué)困惑是由量子測量問題導(dǎo)致的。我們知道, 任何測量的最終目標(biāo)都是把被測系統(tǒng)的信息變成人的感官能夠直接感知到的宏觀信息, 比如, 能被觀察到的圖像、儀表指針的讀數(shù)或能被聽到的計數(shù)器的響聲, 等等。在經(jīng)典物理學(xué)中, 物理學(xué)家把所有的物理量都看成是客觀物理現(xiàn)象本身的固有特征, 把所有的物理學(xué)定律都看成是這些客觀物理量之間的客觀規(guī)律, 而且, 在經(jīng)典的測量過程中, 主觀與客觀是涇渭分明的, 主體與客體之間有著明確的分界線。量子力學(xué)則完全不同。薛定諤方程不是客觀物理量之間的客觀規(guī)律, 而是關(guān)于我們可能得到的測量結(jié)果的概率的規(guī)律。測量結(jié)果的概率不是一個物理量, 而是一個數(shù)學(xué)量, 是主體與客體通過測量相互作用的一種綜合結(jié)果。因此, 量子力學(xué)是關(guān)于研究主體與被研究客體之間的相互關(guān)系與作用的規(guī)律。在量子測量中, 主體與客體的分界線變得模糊不清了。量子力學(xué)不再是完全客觀的, 還包括有主觀因素。物理學(xué)家泡利甚至在他的名著《量子力學(xué)的一般原理》一書的序言中指出, “量子力學(xué)的建立, 是以放棄對于物理現(xiàn)象的客觀處理, 亦即放棄我們唯一地區(qū)分觀測者與被觀測者的能力作為代價的”[ 7] 247。

馮.. 諾意曼最早借用“投影假設(shè)”來解釋量子測量現(xiàn)象。但問題是, 在量子測量系統(tǒng)中, 粒子從疊加態(tài)到本征態(tài)的轉(zhuǎn)變是在整個測量鏈條的哪里實現(xiàn)的 哪一個本征態(tài)會首先得以實現(xiàn) 為什么要對量子測量過程進(jìn)行如此特殊的處理 為什么系統(tǒng)之間的相互作用可以用薛定諤方程來描述, 而從微觀態(tài)到宏觀態(tài)的轉(zhuǎn)變, 卻不遵守薛定諤方程 量子力學(xué)的形式體系本身對此沒有作出任何回答。1935年, 薛定諤用“薛定諤貓”的理想實驗, 進(jìn)一步生動地揭示了用“投影假設(shè)”來解釋量子測量過程所存在的困惑[ 9]。他把量子測量過程中, 主體與客體的分界線劃分在客體與觀察者的意識之間, 因為只有觀察者的意識不能被包括在客體系統(tǒng)之內(nèi), 完全屬于主體的范疇。根據(jù)這種理解, 是主體的“意識”使系統(tǒng)的態(tài)發(fā)生了轉(zhuǎn)變。這顯然是不能令人接受的。

總而言之, 量子力學(xué)帶來的哲學(xué)困惑是方方面面的。圍繞這些困惑展開的哲學(xué)爭論也形式多樣。這些爭論把物理學(xué)的基礎(chǔ)問題、哲學(xué)問題甚至心理問題深深地交織在一起, 衍生出各種別開生面的哲學(xué)立場。為了有助于對這些哲學(xué)立場作出判別, 我們需要進(jìn)一步明確量子力學(xué)的哲學(xué)前提是什么。

三、量子力學(xué)的哲學(xué)前提

量子力學(xué)的哲學(xué)前提是量子力學(xué)的基本假設(shè)中所規(guī)定對量子力學(xué)的原始概念和方程的物理解釋。正是這種物理解釋提供了物理學(xué)理論的數(shù)學(xué)描述與經(jīng)驗事實之間的聯(lián)系規(guī)則。因此, 量子力學(xué)的哲學(xué)前提是理論的一部分, 或者說, 是內(nèi)在于理論的, 而對量子力學(xué)理論體系的解釋則不屬于理論本身, 或者說, 是外在于理論的, 通常被劃入科學(xué)哲學(xué)或物理學(xué)哲學(xué)的范圍。量子力學(xué)的哲學(xué)前提是量子力學(xué)的基本假設(shè)中所蘊(yùn)含的哲學(xué)基礎(chǔ), 主要涉及兩個方面, 一是本體論基礎(chǔ), 二是認(rèn)識論基礎(chǔ)。

在本體論意義上, 根據(jù)量子力學(xué)的基本假設(shè), 像光子和電子之類的微觀粒子或理論實體是真實存在的嗎 這是能否捍衛(wèi)科學(xué)實在論立場的關(guān)鍵問題。在量子力學(xué)之前, 物理學(xué)家在本體論上堅持的是二元論的觀點。他們認(rèn)為, 粒子和場都是真實存在的, 只不過存在的形式截然不同, 粒子是一種定域性存在, 場是一種非定域性存在。粒子的運(yùn)動變化由動力學(xué)變量來描述, 場的運(yùn)動變化由波動方程來描述, 波動方程中的波函數(shù)是一個物理量, 具有明確的物理意義。但量子力學(xué)假定, 微觀粒子是作為希爾伯特空間中的算符存在的。根據(jù)算符語言, 微觀粒子本身有無數(shù)種方式來表現(xiàn)自己, 人類只能通過粒子在四維時空(即3 維空間加1維時間)中的投影來觀察它[ 10] 1。這就決定了, 不同的測量設(shè)置, 致使粒子呈現(xiàn)出不同的屬性, 比如, 粒子性或波動性。因此, 對于微觀粒子而言, 粒子性與波動性只是它在特定條件下的行為表現(xiàn), 不能成為理解量子力學(xué)的出發(fā)點。這也許是量子力學(xué)的哥本哈根解釋不斷招致批評的重要原因之一。從這種觀點來看, 如果現(xiàn)在仍然從波粒二象性出發(fā)來教授量子力學(xué), 則是不可取的。

相對于人類而言, 微觀粒子只是一種“抽象”實在, 只有當(dāng)我們觀察它時, 它才在那里, 當(dāng)不觀察它時, 它是希爾伯特特空間中的一個算符[ 10]。所以, 我們不能根據(jù)觀察到的狀態(tài), 來推斷粒子在觀察之前的狀態(tài), 延遲選擇實驗、斯忒恩 蓋拉赫實驗已經(jīng)證明了這一點。這就像當(dāng)我們把一個四面體投影到一個平面上, 看到一個四邊形時, 我們不能由此斷定, 這個四面體原本就是一個四邊形。這種推斷充其量只是日常經(jīng)驗的一種想象與狂妄, 沒有科學(xué)依據(jù)。強(qiáng)調(diào)微觀粒子存在的抽象性, 并不是否認(rèn)它的本體性, 而是表明, 微觀粒子的真實存在狀態(tài)是有限的人永遠(yuǎn)無法直接觀察到的。這時, 數(shù)學(xué)符號和物理手段就成為能夠深入到現(xiàn)象背后的自在實在里, 幫助我們思考這種自在實在的一種必不可少的方法。這里的“自在實在”有點類似于康德的“物自體”概念。但與康德認(rèn)為作為客觀知識基礎(chǔ)的“物自體”是不可知的觀點所不同, 我們能夠借助于抽象的數(shù)學(xué)空間, 并根據(jù)全同性原理, 從理論上對其作出抽象描述。因此, 在微觀世界中, 體現(xiàn)了三個不同層次的實在的統(tǒng)一, 即, 自在實在、對象性實在和理論實在的統(tǒng)一, 也體現(xiàn)了微觀粒子的實體 關(guān)系 屬性的統(tǒng)一。正是這種統(tǒng)一的模型, 能夠被看成是對現(xiàn)象背后的自在實在的揭示。這是從量子力學(xué)的假設(shè)( 1)和假設(shè)( 2)中推論出來的一個哲學(xué)前提。

在認(rèn)識論意義上, “量子力學(xué)的數(shù)學(xué)表述并不復(fù)雜, 然而要將數(shù)學(xué)表述同物理世界的直觀描述聯(lián)系卻十分困難”[ 11] 4, 因為量子力學(xué)的基本假設(shè), 除了只提供描述微觀粒子隨時間演化的薛定諤方程和函數(shù)的概率解釋之外, 沒有對這種聯(lián)系方式作出更明確的說明。正是這種有悖于常理的聯(lián)系規(guī)則, 導(dǎo)致了無盡的哲學(xué)爭論。然而, 這一令許多人不愿意接受的概率特征, 經(jīng)過從EPR 論證、1952玻姆的隱變量理論的闡述、1962貝爾不等式的提出, 到1982年以來的具體實驗的實施, 已經(jīng)得到了證明。量子力學(xué)所能產(chǎn)生的結(jié)論只能是概率性的, 根本不存在能夠降低這種不確定性所隱藏的任何量, 也不能回答一個粒子在某個瞬間在哪里這個問題, 而是能回答一個粒子在某個瞬間位于某個地方的概率有多大這樣的問題[ 12] 52, 這已經(jīng)是公認(rèn)的事實。

因此, 量子力學(xué)中的概率是根本性的, 是研究問題的出發(fā)點, 是前提與基礎(chǔ), 是所有的量子力學(xué)解釋都必須承認(rèn)的事實之一。在量子世界里恢復(fù)決定論描述的任何企圖, 要么是基于某種心理信念的哲學(xué)追求, 例如, 隱變量量子論和多世界解釋; 要么是基于邏輯上的推理, 例如, 各種模態(tài)解釋, 但這些努力都超出了量子力學(xué)基本假設(shè)的范圍, 或者說, 都是為量子力學(xué)附加了某種哲學(xué)假設(shè)。另一方面, 由于這種概率性是通過波函數(shù)的振幅的平方來表示的, 而波函數(shù)本身又遵守薛定諤方程演化, 所以, 這種概率性預(yù)言的變化也是一種因果性的變化, 與決定論的因果性不同的是, 這是一種統(tǒng)計因果性。這是量子力學(xué)的第二個哲學(xué)前提。

除了統(tǒng)計因果性之外, 從薛定諤方程推論出的量子力學(xué)的另一個重要特性是量子態(tài)疊加原理。這是因為, 薛定諤方程是一個線性方程, 根據(jù)線性方程的性質(zhì), 方程的所有解的相加之和, 也是方程的解。這一點表示, 一個微觀粒子(比如, 電子)的態(tài)可以是由其他各個態(tài)疊加而成的態(tài)。態(tài)疊加原理為量子力學(xué)帶來了非常怪異的特征。一是干涉現(xiàn)象。例如, 在單光子的雙縫干涉實驗中, 一個光子在達(dá)到屏幕之前, 會同時穿過兩個縫, 產(chǎn)生干涉, 就像兩列波疊加一樣。光子既在這里, 也在那里, 這種思想瓦解了一個粒子在同一時刻不可能處于多個位置的傳統(tǒng)觀念。在含有兩個或兩個以上的量子系統(tǒng)中, 態(tài)疊加原理引發(fā)了! 量子糾纏.。所謂量子糾纏, 簡單說來是指, 在多粒子的系統(tǒng)中, 兩個曾經(jīng)相互作用過的粒子, 在分開之后, 不管相距多遠(yuǎn), 都彼此神秘地聯(lián)系在一起, 其中, 一方發(fā)生任何情況, 都會同時引發(fā)另一方發(fā)生相應(yīng)的變化。薛定諤最早在1926年創(chuàng)立他的波動力學(xué)時就已經(jīng)意識到, 假如幾個粒子或者光子是在某個物理過程中共同產(chǎn)生的, 那么它們之間就會發(fā)生糾纏, 但他第一次正式提出并使用! 糾纏.這個術(shù)語是在1935 年討論ERP 論文的時候[ 11] 31。1949年吳健雄和薩克諾夫第一次通過實驗生成了一對互相糾纏的光子。然而, 這個重大的突破直到1957 年才被認(rèn)可。1997年, 維也納小組和羅馬小組分別根據(jù)這種不受空間限制的量子糾纏現(xiàn)象成功地完成了隱形傳輸單粒子量子態(tài)的實驗, 使得只存在于科幻小說中的隱形傳輸, 在量子世界里由夢想變成了現(xiàn)實。更令人驚訝的是, 美國物理家在2009年實驗證明, 在肉眼能夠看到的兩個超導(dǎo)體之間也存在著糾纏現(xiàn)象[ 13]。這個實驗既打消了不能把量子力學(xué)描述應(yīng)用于宏觀系統(tǒng)的顧慮, 也把量子力學(xué)的邊界從微觀擴(kuò)展到宏觀, 強(qiáng)化了在量子力學(xué)與支配宏觀現(xiàn)象的經(jīng)典物理學(xué)之間很難劃出界線的觀點。

如今量子糾纏現(xiàn)象的存在, 已經(jīng)是被證明了的物理事實, 而不再是愛因斯坦等人在1935年發(fā)表的ERP 論文中用來質(zhì)疑量子力學(xué)完備性的把柄。由于量子糾纏是由態(tài)疊加原理導(dǎo)致的, 而態(tài)疊加原理又是薛定諤方程的解的性質(zhì)所決定的, 所以它是從量子力學(xué)的基本假設(shè)中延伸出來的結(jié)果。在經(jīng)典物理學(xué)中, 粒子在時空中的存在, 遵守愛因斯坦的定域性原則, 即發(fā)生在某個特定地方的現(xiàn)象, 不可能即時地影響到另外一個相距甚遠(yuǎn)的地方的現(xiàn)象, 除非收到超光速的信號。非定域的量子糾纏現(xiàn)象使這種常識性的思想土崩瓦解了, 要求把在同一個物理過程中生成的兩個相關(guān)粒子, 永遠(yuǎn)作為一個整體來對待, 不能分解成兩個獨立的個體。其中, 一個粒子發(fā)生任何變化, 另一個粒子必定同時發(fā)生相應(yīng)的變化, 無論它們相距多遠(yuǎn), 糾纏現(xiàn)象都不會隨著距離的增加而消失。這就使得我們通常所說的“空間上的分離”成為不可能的事情。量子系統(tǒng)的存在形式的整體性和量子測量中被測量系統(tǒng)與測量儀器之間的整體性, 是一種不受空間限制的、非定域的整體性。

玻爾當(dāng)時在應(yīng)對ERP論證對量子力學(xué)的完備性的質(zhì)疑時, 正是直覺地抓住了量子測量的這種整體性特征, 捍衛(wèi)了量子力學(xué)的完備性。愛因斯坦把這種整體性稱之為是“詭異的遠(yuǎn)距離作用”, 以表達(dá)他對這種現(xiàn)象的無奈態(tài)度。量子力學(xué)的隱變量解釋的倡導(dǎo)者玻姆, 在晚年把他的隱變量解釋進(jìn)一步擴(kuò)展為本體論解釋或語境隱變量理論時, 也不得不在他的方程中增加了一個代表量子系統(tǒng)與環(huán)境相互作用的量, 來把微觀粒子間的這種非定域性關(guān)系考慮進(jìn)來[ 14] 。雖然后來的實驗沒有支持玻姆的努力, 但是, 這種情況至少表明, 量子系統(tǒng)的這種整體性是任何一種量子力學(xué)解釋不可忽視的。這是量子力學(xué)的第三個哲學(xué)前提。

結(jié)語

總之, 量子力學(xué)是一個獨立的理論, 不是對經(jīng)典物理學(xué)的補(bǔ)充和擴(kuò)展。它不僅有獨立的假設(shè), 而且蘊(yùn)含著獨特的哲學(xué)前提。這些哲學(xué)前提確實顛覆了我們從日常經(jīng)驗中所得到的世界觀。然而, 傳統(tǒng)的世界觀是如此的根深蒂固, 甚至連最偉大的物理學(xué)家愛因斯坦也無法擺脫其影響, 使他既是量子力學(xué)的最早貢獻(xiàn)者, 也是量子力學(xué)的堅定反對者。量子力學(xué)告訴我們, 僅憑日常生活經(jīng)驗是無法理解我們根本不能直接體驗到的微觀世界的。量子世界在本質(zhì)上是隨機(jī)性的, 也是整體性的, 微觀粒子是抽象空間中的存在, 它的演化遵守的是統(tǒng)計因果性的規(guī)律。這是量子力學(xué)的基本假設(shè)所蘊(yùn)含的三大哲學(xué)基礎(chǔ)。在量子力學(xué)的發(fā)展史上, 量子系統(tǒng)的糾纏性先是通過數(shù)學(xué)計算發(fā)現(xiàn), 然后, 才得到實驗證明的。這無疑讓我們感覺到數(shù)學(xué)工具的卓越能力。但是, 對量子糾纏究竟是什么, 它是如何發(fā)生的 量子世界為什么是概率性的 在量子測量過程中波函數(shù)的塌縮機(jī)制是什么 根據(jù)我們的常識思維無法想象的諸如此類的問題, 量子力學(xué)沒有作出回答, 仍然是值得研究的物理學(xué)課題。而對這些物理學(xué)課題的研究, 必然要融入深層次的哲學(xué)思考, 甚至心理信仰。也許正是在這種意義上, 物理學(xué)家玻恩指出, ! 我確信, 理論物理學(xué)是真正的哲學(xué). [ 12] 20。我們可以說, 沒有哲學(xué)的理論物理學(xué)是盲目的, 沒有理論物理學(xué)的哲學(xué)是空洞的。

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