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量子理論的哲學宣言
2021年04月14日 15:05 來源:《中國社會科學》 作者:成素梅 字號
2021年04月14日 15:05
來源:《中國社會科學》 作者:成素梅

內容摘要:

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作者簡介:

Philosophical Manifesto of Quantum Theory

  作者簡介:成素梅,上海社會科學院教授。

  原文出處:《中國社會科學》第20192期

  標題注釋:本文為國家社會科學基金重大項目“當代量子論與新科學哲學的興起”(16ZDA113)階段性成果。

  關于量子理論的哲學研究有兩個層次,一是根據量子理論及其技術的發展,探討具體的哲學問題,比如,超出貝爾不等式討論的范圍,從量子信息的維度,如何重新定義和理解量子糾纏和非定域性概念的問題,①這些研究已經很深入,而且也相當技術化;二是探討事關理解科學理論本身的哲學框架問題??蚣軉栴}不能被簡化為具體的哲學問題,也不能在傳統框架內探討,而是需要重新回到量子理論的實踐中,揭示潛存的新觀念。本文集中探討第二個層次的問題?;舅悸肥歉鶕v史脈絡和第一代量子物理學家的親身感悟,從量子假設的提出、微觀粒子的特質、數學思維方式的確立以及理論觀四個方面,揭示量子理論本身發出的哲學宣言,而不是闡述重要的物理學家所達成的哲學共識。這項工作是基礎性的,既有助于我們澄清長期以來對量子概念的誤解誤用,也有助于推動科學哲學的發展。

  一、微觀世界是不連續的

  在量子力學的發展史上,首先難以令人接受的前提之一當數如何理解“量子”概念。今天,雖然人們對“量子”概念本身并不陌生,但事實上,真正理解其內涵的人卻并非多數。從詞源與語義上講,“量子”概念來源于拉丁語“quantus”,意思是“多少”(how much),意指一個不變的固定量,在量子力學中是特指一個基本的能量單位或一份很小的不變的能量,意指電磁波的輻射不是連續的,而是一份一份地進行的,這樣的一份能量叫做能量子。這就是熱輻射過程中能量的量子化假設。從此,神秘的量子概念進入了人們的視域。量子化假設中的普朗克常數h這個字母取自“Hiete”的第一個字母,在德語中,Hiete是“幫助”的意思。②在物理學中有許多常數,其中有些常數代表了物體的性質,比如,水的沸點、固體的比熱、物質的膨脹系數等,但有少數常數卻具有革命性的意義,量子常數就是其中之一。像光速c代表了物體運動的極限速度,并表明,當物體的運動速度接近于光速時,要用狹義相對論力學來描述物體的狀態一樣,普朗克常數也有極限的意義,在h不能被忽略不計時,就需要考慮量子效應,需要用量子力學來描述對象的狀態。這是在量子論創立時期所確立的普遍認識。

  但近年來,隨著量子力學的廣泛應用及其理論發展,量子效應不再只是限于微觀領域。物理學家已經在實驗中觀察到諸如愛因斯坦凝聚、量子霍爾效應、超流性、超導性和約瑟夫遜效應等宏觀量子效應。2009年8月4日,美國物理學家制造出第一臺“量子機器”(Quantum Machine)。在2010年的美國《科學》雜志及美國科學促進會(AAAS)公布的年度十大科學成就中榮登榜首。量子機器為微米量級,能用肉眼分辨,從而證明了宏觀物體也遵守量子理論的運動規律。這是一項具有劃時代意義的技術發明,它不僅為物理學家實現更大物體的量子控制邁出了關鍵一步,而且顛覆了我們過去根據物體大小來區分宏觀和微觀的劃分理念。當代物理學家的看法是,只根據尺度的大小來劃分宏觀領域與微觀領域是很不嚴格的,量子力學是普遍有效的,既適合宏觀領域,也適合微觀領域,他們把能夠運用經典概念體系很好地解決問題的領域,稱為經典領域,把經典概念不能勝任而運用量子概念解決問題的領域,稱為非經典領域。

  “量子”概念像“引力”概念一樣具有劃時代的意義。萬有引力定律的提出,標志著思辨的自然哲學思維方式的終結,也標志著以牛頓力學為核心的經典物理學范式成為近代哲學發展的基石。以休謨為代表的經驗論和以康德為代表的理性論,都是從牛頓力學中獲得啟迪,才提煉出各自的哲學體系。同樣,“量子”概念的提出為我們撬開了關注不連續世界的大門,并在科學思想史上第一次打破了“自然界不作跳躍”的常識性觀念。量子信息技術的發展,進一步印證了基于這種不連續思想建立起來的理論大廈的正確性,限制了經典思維方式的適用范圍,把檢驗理論正確與否的標準從單純注重觀察與實驗結果,擴展到技術應用領域。

  量子化觀念的確立意味著,微觀粒子的運動不再像宏觀粒子的運動那樣,總會留下可追溯的軌道痕跡,而是分立的(discrete)?!胺至ⅰ备拍钤谖锢韺W中的含義與在數學中的含義一樣,意指“離散”或不連續。也就是說,在量子領域內,某些量或變量不再像經典物理學中那樣是連續變化的,而是只能取不連續的值。比如,光子只能出現在特定的能級上,而不可能出現在兩個能級之間,光子的這種特性成為制造激光器的理論基礎。正如普朗克所言,作用量子在原子物理學中扮演著基本角色,并且,作用量子的登臺表演,開辟了物理學的一個新時代。這一點再也用不著懷疑了。因為作用量子的提出,它改變了自萊布尼茲與牛頓發明微積分以來,在假設一切因果關系都是連續的這個基礎上所建立起來的物理思想方法。③

  “微觀世界是不連續的”這一觀念一旦確立,就具有顛覆性的作用。它不僅使過去建立在連續性假設基礎上的概念框架不再完全適用,而且會相應地帶來一系列價值觀的變革,其中,最直接相關的一個問題就是如何理解“微觀粒子”的存在性問題。

  二、微觀粒子是無法概念化的抽象實在

  在經典物理學中,我們通常理解的“粒子”或“質點”,既有質量和體積,也有時空定位,是定域的或彼此分離的,是一種理想狀態,我們對一個粒子的作用,不會影響遠距離的另一個粒子,粒子的運動變化是有軌跡可循的,可以用位置、速度、力等物理量構成的數學方程來描述,而且,它們是可觀察的、可感知的、可表征的、可概念化的、可理論化的、可想象的,具有個體性,我們可以根據已知的初始條件,因果性地推知粒子的過去與未來,似乎一切都在掌控之中,過去造就了現在,現在決定了未來。實驗測量印證了這種理論化的理想,因為理論的計算結果與實驗測量的結果相互印證,彼此一致,理論定律本身具有決定論的因果性,不需要額外提出一種理解性的測量理論。

  但是,在量子力學中,物理量用算符表示,算符是對波函數進行數學運算的符號,本身并沒有物理意義。薛定諤方程所提供的理論描述,不是微觀粒子本身的運動變化過程,而是直到測量結束之后,才能獲得某個觀察結果的可能性。這樣,在量子領域內,理論描述與實驗測量之間失去了彼此相互印證的基礎,反而成為互相補充的兩個不同環節。量子化假設表明,微觀粒子的運動無軌道可循,是不連續的,薛定諤方程也不對它們的實際運動過程提供詳盡描述,這就使微觀粒子本身成為不可概念化的、不可達的、不可表征的、不可想象的、不可理論化的、不可定義的、不可觀察的東西,延遲實驗已經證明了這一點。

  微觀粒子的性質是非常獨特的。第一,微觀粒子既能產生又能湮滅。第二,微觀粒子相碰撞之后的碎片仍然是同類粒子,而且,它們是從碰撞過程所包含的能量中創生出來的。這就對我們過去所信奉的“物質是無限可分的”觀念提出了挑戰。第三,微觀粒子遵守全同性原理,即,同類粒子是完全相同的,它們不可能被分辨開來,也不可能被通過任何貼標簽或加標記的辦法來加以識別。第四,曾經相互作用過的兩個粒子,在分開之后仍然存在著非定域性的關聯,被稱為量子糾纏,并且這種糾纏可以被操縱。④關于量子糾纏研究的這些新進展,反過來促進了我們對量子力學的理解。第五,對于微觀粒子而言,測量得到的值與測量之前通過理論計算得到的值,屬于兩個不同的層面,測量儀器的設置甚至決定了微觀粒子在被測量時的行為表現,即使在微觀粒子發射出來之后也是如此。微觀粒子表現出的這種隨著測量域境(context)的變化而變化的現象,已經得到了相關實驗的證實。

  微觀粒子的這些特性,在微觀粒子、測量儀器和理論描述之間帶來了兩種不可約化的斷裂或不連續:一是微觀粒子的真實存在情形與理論描述之間的斷裂。這種斷裂使得微觀粒子在測量過程中所起的功效或作用成為不可知的,因而也相應地阻斷了因果性思維的鏈條。正如海森堡所言:“如果我們想描述在原子事件中所發生的事情,我們不得不認識到‘發生’一詞只能夠應用于觀察,而不能應用于兩種觀察之間的物態……我們可以說,只要微觀對象與測量儀器發生相互作用,那么,系統就會從‘可能的’狀態躍遷到‘現實’的狀態?!雹莺Iにf的這種“躍遷”就是意指這種斷裂或不連續的存在。二是在測量過程中,微觀粒子所起的不可知的作用或功效與可知的測量結果之間的斷裂。這種斷裂使得對量子力學和量子測量過程的任何一種特殊解釋,比如,玻爾的互補性、海森堡的潛能論、玻姆的隱變量、埃弗雷特的多世界,以及后來有人提出的歷史一致性、多心靈等,都成為帶有哲學傾向的一家之言。

  微觀粒子的這種不可概念化的抽象存在,以及量子糾纏的不可理解性等特征,要求物理學家相應地放棄長期以來信奉的圖像化的思維方式。

  三、用抽象的數學思維替代經典的圖像思維

  在經典物理學中,自然規律第一次以定量的數學形式來表達,歸功于16世紀的哥白尼革命。經過伽利略、牛頓等人的工作,最終奠定了用數學公式表達物理定律的科學發展之路。爾后,麥克斯韋方程組的提出,把這種追求推向了高峰。經過這些發展,物理學家把檢驗真理的標準,從過去的宗教或哲學信條,轉向了觀察和實驗。由于自然界是連續變化的,所以,經典概念不僅有明確的指稱和連續變化的數值,而且是可以圖像化的。

  這種圖像思維建立在主體和客體二分的基礎上,也就是說,我們能夠在研究對象與研究者之間劃出明確的邊界。這個邊界既是用經典語言描述實驗現象的必要條件,也是人們無歧義地描述社會體系和法律制度等的必要條件。在經典物理學中,有兩套概念體系:一套是描述物體運動變化的粒子概念,另一套是描述波傳播的波動概念。這兩套概念體系又相應地塑造了兩種圖像思維:一種是粒子的圖像思維,另一種是波動的圖像思維。它們像是建造了毗鄰而立的兩座經典物理學大廈,也相應地確立了物理學家的經典實在論立場。

  這種實在論立場認為,稱為“自在實在”的客觀世界是獨立于知覺主體而存在的,它們是物理學研究的潛在對象;被納入科學認知范圍內的“自在實在”,被稱之為“對象性實在”,它們是物理學研究的實現對象?!白栽趯嵲凇笔恰皩ο笮詫嵲凇钡馁Y源庫。這個資源的大門是敞開著的,隨著人類認知手段的不斷豐富與認知視域的不斷擴展,資源庫中的“自在實在”會源源不斷地被納入“對象性實在”的范圍內?!白栽趯嵲凇焙汀皩ο笮詫嵲凇敝挥蟹秶笮≈畡e,沒有屬性之異,都是先于理論描述而存在的,它們構成了經典自然科學研究之所以可能的本體論基礎。物理學家認為,基于實驗而形成的科學理論,直接描述了“對象性實在”的運動變化過程,以及實在之間的相互關系,由這些理論描述出來的實在圖像,被稱為“經典實在”或“經典的理論實在”。在經典物理學領域內,“自在實在”、“對象性實在”和“理論實在”是三位一體的。這是一種本體論化的理論觀。

  然而,量子化概念的確立使這兩座大廈轟然崩塌,并導致了一系列涉及哲學的根本問題,其中有四個最重要的問題。

  其一,“自然界是連續的”觀念一旦被摧毀,在此基礎上形成的概念框架也相應地被摧毀,從而使概念的意義成為不明確的。玻爾喜歡講的一個故事很好地表明了用經典物理學概念來描述微觀粒子時的不適當性。玻爾的故事是,一個小孩子拿著兩便士跑到商店,要求售貨員賣給他兩便士的雜拌糖。售貨員給了他兩塊糖,然后說,“你自己把他們混合起來吧”。這個故事意味著,當我們只有兩個對象時,“混合”這個詞就失去了意義,同樣,當我們處理最小的粒子時,像位置、速度和溫度等經典概念也失去了其意義。海森堡希望哲學家和物理學家了解量子力學所發生的這些變化。在他看來,在量子領域內使用經典語言是危險的。他認為,這個事實也會在其他領域內反映出來,只是還需要經歷一個漫長的過程。但是,人們并不知道要在哪里放棄一個詞語的用法,就像在玻爾講的故事中“混合”這個詞語的用法一樣,我們不能說,當有兩樣東西時,把它們混合起來,那么,當有五樣或十樣東西呢?⑥

  在海森堡看來,造成這種困難的根源在于,我們的語言是從我們與外在世界的不斷互動中形成的,我們是這個世界的一個組成部分,擁有語言是我們生活中的重要事實。語言成為我們與世界和睦相處的前提。然而,這些日常語言不可能在原子領域內還能完全適用,或者說,我們在運用經典概念時,是從宏觀領域延伸到微觀粒子領域,因此,就不應該指望這些詞語還會具有原來的含義。這也許是哲學的基本困難之一:我們的思維懸置在語言之中,我們最大限度地擴展已有概念的用法,就必然會陷入它們沒有意義的情境之中。關于量子力學解釋的微粒說和波動說之爭,正是揭示了物理學家用經典概念的圖像思維方式理解量子力學的困難所在。

  其二,根據圖像思維,我們無法把不連續的粒子圖像與連續的波動圖像統一到同一個微觀對象身上。玻爾用“互補性原理”來概括這種現象。然而,事實上,從當代量子理論的發展來看,玻爾的這種觀點就像他在1913年基于普朗克的量子假設,提出軌道量子化的觀點來解決氫原子的穩定問題的做法一樣,也是半量子和半經典的。因此,就像玻爾的軌道量子化理論被后來的量子力學所取代一樣,玻爾的互補性原理也只是一種權宜之計。這正是以互補性原理為核心的量子力學的正統解釋長期以來備受質疑的主要原因之一。

  其三,量子物理學家對量子系統的許多詭異特性的理解,并不是從實驗結果中歸納而來的,而是通過抽象的數學思維進行的。此外,從理論物理學的發展來看,微分方程、幾何學、拓撲學、數論、群論、抽象代數、概率論等抽象的數學工具似乎越來越成為物理學家的研究向導,或者說,由于微觀粒子是不可概念化的,所以,物理學家不可能依靠直接經驗來感知亞原子粒子的運動情況,而是依靠抽象的數學來設想其存在并預言實驗結果或現象。

  其四,在經典物理學中,物理思想是主要的,數學不過是使物理思想更加精確的一種輔助手段。然而,在量子領域內卻正好相反。物理學家首先得到的是具有可操作性的兩套數學結構,盡管后來證明兩者是等價的,但是,物理學家對量子力學的形式體系的解釋卻至今沒有達成共識。一方面,處于疊加態的粒子會失去個體性,或者說不能再被拆分為各個獨立的個體,而是需要作為一個整體來對待,其中一個粒子的狀態變化,必然會導致其他粒子的狀態發生相應的變化,粒子狀態變化之間的這種關聯與時空距離無關。薛定諤用“量子糾纏”概念來概括這些粒子之間的這種整體性。量子糾纏現象是一種純粹的量子現象,無法用經典的圖像思維來理解,只能用抽象的數學思維來理解。

  另一方面,“薛定諤貓”的思想實驗已經揭示出,我們如果用經典的圖像思維方式來理解態疊加原理,必然會出現悖謬。物理學家維格納在1967年出版的論文集中提出了薛定諤方程,貓在任一時刻的態只能處于疊加態,即,放出輻射而貓死的態和未放出輻射而貓活的態的疊加。輻射原子不會為了滿足觀察者的主觀愿望而決定是否放出輻射粒子,更不是觀察的觀看行為導致貓態的變化。問題的關鍵在于,輻射原子是否會發出輻射,量子力學并不作回答。對于輻射原子來說,是否放出輻射是隨機的,我們只知道它的半衰期,只能依據概率來理解,無法獨立于實驗來對真實發生的情況下判斷,或者說,理論描述本身不對真實發生的情況作出確定性的判斷。

  在當代物理學家看來,理論物理學一直在不斷地、無法阻擋地朝著抽象化的方向發展。從經典力學到非相對論量子力學,從非相對論量子力學到量子場論(含有二次量子化和重整化),從麥克斯韋理論到規范場,從規范不變性到纖維叢理論等,都是向著抽象程度越來越高的方向發展的例子。物理學家一直在借助于抽象的數學來理解世界,而且這種依賴程度越來越深入。⑦由這種抽象的數學理論描繪出來的“量子實在”,就其存在形式而言,既不同于自在實在,也不同于對象性實在,而是被建構出來的,就其內容而言,卻并非是憑空想象的,而是程度不同地受到了來自不可感知的“自在實在”信息的約束,并且,這些信息無法被從對象性實在的整體信息中剝離出來,只能是一種整合性的存在。然而,正是這種約束才使得從數學公式得到的推理結果,具有了可證實的經驗價值和可應用的技術價值。當前,用來進一步理解電子、光子、夸克等微觀粒子存在性的弦理論的研究,正在引起了數學家的重視。這些數學家正在致力于通過研究復幾何和辛幾何之間的鏡像現象來驗證弦理論的預言。如果說量子力學的情況只是揭示出物理學家在運用經典的圖像思維來理解問題時所出現的悖論的話,那么弦理論的發展則只能依靠抽象的數學思維加以理解。

  這就提出一個更加尖銳的問題,當物理學家越來越用抽象的數學思維替代經典的圖像思維時,我們應該如何理解只能依靠抽象的數學思維才能理解的量子理論的實在性呢?對于無法進行圖像思維的這類量子理論,應該被刻畫為是形而上學而不是物理學嗎?或者說,像有些人所認為的那樣,把與實驗無關或關系不密切的量子理論的數學化的發展趨勢,比如弦論、超對稱等,說成是“童話般的物理學”嗎?⑧或者說當物理學家采納了遠離實驗和可證實性的數學思維方式時,意味著理論物理學告別了對實在的揭示,背叛了對科學真理的追求,失去了成為科學的資格嗎?這就進一步涉及如何理解科學理論的根本性問題。

作者簡介

姓名:成素梅 工作單位:

轉載請注明來源:中國社會科學網 (責編:李秀偉)
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