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量子力学的语境论解释

2024年02月23日16:58来源:全国哲学社会科学工作办公室

山西大学赵丹主持完成的国家社会科学基金项目“量子力学的语境论解释”(项目批准号为:13CZX023),最终成果为同名专著。课题组成员有:贺天平、程瑞、刘杰、王凯宁。

形而上学是关于存在的研究,存在并不能脱离开物理世界。当代的许多形而上学研究是依靠直觉进行的,是“扶手椅”式的哲学,它所依赖的许多假设是未经批判的,与当代物理学的结论相悖。与此同时,相对论和量子力学等物理学的研究成果为形而上学提供了丰富的灵感和源泉。如何借助量子力学所提供的形而上学灵感,为量子力学的解释服务,是本研究的宗旨。国外的物理学哲学有时也称作物理学基础研究,许多是由物理学家来完成的,从而使得物理学哲学的研究能够密切关注物理学的最新动态,能够及时地将新的思路和新的证据用于哲学分析中,完成从物理学到形而上学的转化。

本研究关注量子力学研究的新成果——非定域性和语境性,并将其进行形而上学的吸收和升华——提出语境论解释,再用语境论求解测量问题、解释波函数、解释量子力学的本体论。研究的意义体现在:(1)关注20多年来量子力学哲学研究的焦点,包括波函数本体与认识的争论、非定域性和语境性内涵的分析、退相干理论的应用、量子本体论的追寻,基于此透彻理解量子力学基础的原理与论题;(2)以量子力学中普遍接受的非定域性和语境性为出发点构建新的解释体系,回避了先前诸多解释立足点不同引起的争论,是一种新的尝试;(3)语境论解释建立在本体论与认识论的哲学层面,避免了不同解释在不同本体论承诺与认识论态度上对问题争论的盲目性与混淆性。

与量子力学形式体系取得的巨大成功形成鲜明对比的是,量子力学始终缺乏一致的解释,在理论的预言与经验现象之间存在不可逾越的鸿沟。按照量子力学的预言,通过这种装置可以把处于叠加装置的电子与宏观的猫的状态联系起来,在薛定谔方程描述的演化之后,电子与猫处于纠缠态,此时猫就处于一种既死又活的叠加状态,可事实上我们进行测量只得到活或死的确定状态。对于这一冲突,我们可以像玻尔那样,只关注经验层面的内容,不去谈论电子这样的对象究竟是什么;我们也可以选择反实在论的立场,把量子力学看作是一种计算或预言的工具,把波函数看作是一种主体的信念,对量子力学是否描述了物理世界的问题不置可否,回避诸如薛定谔的猫、维格纳的朋友等量子测量问题。但我们并不满足于此,我们想要弄清楚为什么量子理论的预言的叠加性和实验结果的确定性之间存在冲突,想要知道量子力学中的波函数究竟是不是对某个实在对象的描述,想要弄明白电子这样的量子对象究竟是什么,为什么在双缝实验中表现出波粒二象性。

对于上述问题,玻姆给出了他的回答,量子力学并不是所有的故事,仅是决定论世界在某个更高层次的统计表象,粒子在任意时候都拥有确定的位置,粒子的其他特性均是其轨迹的副产物,测量到的是粒子沿着量子势所允许的路径的结果,波函数在测量中没有坍缩,仅是“有效坍缩”。埃弗雷特及其后继者们则认为测量中每一个可能的结果都真实地存在,只不过是在平行的宇宙中,处于这一个宇宙中的我们看不到而已。吉拉迪、瑞米尼和韦伯给出的坍缩解释则认为薛定谔方程仅是本质上随机非线性坍缩方程在微观层面的近似,坍缩的速度取决于粒子数的大小,对于粒子数巨大的宏观对象而言坍缩是超级快的。玻姆解释要回到经典的本体论,多世界解释在本体论上是冗余的,坍缩解释存在尾巴,坍缩并不完全。

我们要进行自然化的形而上学研究,要应用量子力学研究的成果来解释量子力学本身。不同于玻姆理论的原初本体论,其中粒子及其位置是最为基本的本体图像,这是源自经典力学的自然化的形而上学结果,虽然引入了非定域性和语境性,但需要引入粒子位置这一附加变量。结构实在论是从量子力学出发的自然化的形而上学结果,但作为量子力学的解释并不完整,需要补充本体论图像。我们在结构实在论的基础之上,用语境实在作为其本体论图像。贝尔定理及阿斯佩克特实验表明,量子力学是非定域性的,在空间上分离的两个量子系统间存在远程关联,在一端的测量结果会影响到在另一端的测量结果。柯诚-斯佩克定理表明,在希尔伯特空间大于3时,量子系统并不能同时赋予不相容的可观测量以确定的值,再加上斯佩肯斯的制备语境性,表明量子力学中存在语境性,即测量结果不仅依赖于系统的态,还依赖于包括测量仪器在内的整个语境。在非定域性和语境性的基础上进行形而上学升华,该成果提出了量子力学的语境论解释,在本体论上给出的语境实在论,在认识论上认为测量具有语境性,在方法论上认为需要应用语境分析方法。

语境论的量子力学解释由波函数的实在性分析、经典与量子的关系、不确定关系的语境解释、测量问题的求解、语境论在量子场论和量子引力中的推广五部分组成。波函数在量子力学解释中至关重要,2012年底PBR(PuseyBarrettRudolph)定理(一种ψ-本体论定理)的发表将波函数的本体与认识之争推向了高潮。在本体论模型中,如果波函数是认识的,那么同一本体态可以与不同的波函数相容,我们应该能够检测到两个不同的波函数之间的重叠。波函数的认识观点能够将测量时发生的坍缩看作是关于量子系统知识的更新,不受测量问题的困扰。但PBR定理等表明波函数是本体的。波函数是本体的,那它是什么?高维空间中的场?三维空间中的多场?时空态?希尔伯特空间中的向量?或是像玻姆理论那样把波函数看作是类似定律那样的东西?语境论解释将波函数看作是语境要素之间的结构关系,是一种结构性质的本体存在,从而非定域性和语境性能由波函数自然地体现出来。

语境论解释承认量子力学的普适性,认为从理论发展的历史来看,从经典力学到量子力学的发展是应用对应原理和量子化等理论构建方法的过程,而基于量子力学的基本性,经典的表象是由退相干理论来说明的。退相干理论在系统与仪器之外引入了环境,环境自由度的参与使得局限于系统与仪器的小语境时发生退相干,相干项消失,得到确定的测量指针读数。

不确定关系的解释也是语境依赖的,是与量子力学的解释分不开的。尤其是在能量—时间不确定关系中,量子力学中并不存在时间可观测量,按照海森堡最初论文中引入的斯特恩-盖拉赫实验,不确定关系表示实际测量过程中得到物理量测量结果精确度之间的限制。当从量子力学体系用标准方差来推出不确定关系时,需要将外部的时间参量转换到量子体系间或内部,此时的不确定关系反映的是系统能量的变化与相互作用进程或存在或演化的关系。此外还存在语义学的能量-时间不确定关系,是在构造时间可观测量的基础之上做出的。

量子测量问题是量子测量中的核心内容,因而求解量子测量问题也成为语境论解释的重要论题之一。在语境论下求解测量问题,需要以语境实在为本体论基础、以测量的语境性为认识论平台,通过放弃本征态—本征值关联的语义规则,给测量结果的确定性以一个说明,从而以一种非坍缩的方式消解测量问题。测量前后波函数的不同形式,并非是坍缩的结果,而是语境边界移动的结果,就像退相干理论中对环境自由度求迹,只关注系统和仪器得到混合态一样。语境论解释承认主体的作用,但并不认为理论是主观的。语境论是建立在语境实在基础上的实在论解释,把语境作为基本的本体,将物理客体及其间的关系、主体及其背景信念等作为语境要素,语境要素间的结构关系通过波函数描述,语境是测量与客体呈现的必要平台,语境的边界随着测量的不同而不同,导致客体的不同呈现。

量子力学解释一般针对的是非相对论的量子力学。相对论的量子力学是指把狭义相对论与量子力学相结合而形成的理论,即量子场论。量子场论框架下的粒子物理学标准模型在实验上得到了成功的检验,而将广义相对论与量子力学结合起来的量子引力理论目前尚存在巨大的困难。作为更大框架下的量子理论,量子场论和量子引力理论对于量子力学的解释也起着重要的约束作用。语境论解释如何直面这些量子理论的约束与挑战,如何引申与推广到更为广泛的量子理论中,是量子力学的语境论解释未来发展的关键。

“语境论”在量子力学中并非第一次提出,玻尔在1938年引入“现象”描述量子实验的完备配置时,“他头脑中激进的修正似乎是一种语境主义”,玻姆的量子势表述的也是环境对粒子的非定域性影响。量子力学的语境论解释是把量子力学中的非定域性和语境性进行形而上学化的结果,在对量子力学进行实在论解释的基础上避免了附加变量或多余本体的引入,同时语境实在论是结构主义实在论哲学的进一步发展,语境的实在超越了传统的实体实在,引入结构实在,又用语境中的要素避免了本体的结构实在论中关系的空洞性。

当前,在有限的经验下尚不能根据经验判定哪一种量子力学的解释体系是正确的,在此情形下,语境论解释作为一种实在论的解释,与量子力学所揭示的非定域性和语境性保持了一致,且不需要引入其他附加的变量或本体,是具有一定优势的。未来,与量子力学的开放性相一致,语境论解释也是开放的,我们将始终保持开放的心态,随时准备着吸纳科学理论新的成果,调整语境论解释。

该成果的学术价值和应用价值如下。(1)把关注点集中于近年来讨论的核心论题上,并且国外最新研究的模式和成果的引介及批判性分析,是对国内物理学哲学研究视野和内容的拓展,有利于国内与国际同步开展研究和讨论,对原创性的语境论解释进行论证和构建,这是一种积极的尝试,是对国内研究立足物理学中的原生问题、进行原创性哲学思考并提出原创性哲学观念的鼓舞;(2)该成果是在充分理解物理学成果的基础上展开的哲学分析,是把量子力学理论“玄之又玄”的预言与现实经验发生在三维空间中的确定结果相联系起来的研究,有利于利用物理学哲学研究的成果丰富科学哲学乃至一般哲学,同时哲学分析的高度又把包括量子场论和量子引力在内的量子理论置于全面的视野中审视,便于形成完整的理解;(3)以量子力学中普遍接受的非定域性和语境性为出发点构建新的解释体系,是应用科学成果进行形而上学研究的结果,以语境作为量子本体的基础,将波函数看作语境元素间的结构关系,回避了先前诸多解释立足点不同引起的争论,避免了不同解释在不同本体论承诺与认识论态度上对问题争论的盲目性与混淆性,是一种新的实在论解释途径。

(责编:皮博、黄瑾)