量子如何向经典过渡

量子如何向经典过渡

自科学诞生以来，就存在着许多关于思想观念的争议。其中,在量子测量中“量子如何向经典过渡”,即所谓的量子力学测量问题,成为了这场旷日持久的量子力学哲学之争的一个基本问题。根据量子力学标准的塌缩形式,运动定律由两部分组成。其一是线性动力学:如果一个物理系统没有被测量,它将按照薛定谔方程以一种确定的、线性的方式演化;其二是非线性的塌缩动力学:如果对系统进行一个测量,系统将立即非线性地、随机地从初始的叠加态跃迁到正被测量的可观察量的一个本征态,这时,实验者就会感知到一个确定的观察值,即本征态相应的本征值,这也就是20世纪30年代初狄拉克(P.Dirac)-冯·诺依曼(JohnvonNeumann)为了统一海森堡(W.Heisenberg)和薛定谔(W.Schrodinger)的理论工作与玻恩(M.Born)的几率解释而首先提出的本征态-本征值关联。这样一来,就在薛定谔方程的普遍有效性,实验者知觉的可靠性和本征态-本征值关联之间产生了一个称作测量问题的逻辑矛盾。一方面,薛定谔方程的普遍有效性要求,薛定谔方程支配在宇宙中每个物理系统的动力学演化,因此在量子测量中,用来测量任何微观物体的宏观仪器,将几乎确定地与被测物体演化进一个量子纠缠态,而不是仪器的指针可观察量的一个本征态;另一方面,根据本征态-本征值关联,如果实验者是清醒的,他们的测量结论将是:他们获得的测量结果是仪器指针指示的一个确定的方向,即一个确定的观察值,而不是指针的一个量子叠加态。如何解决这一逻辑矛盾?尽管正统的量子理论家们经常诉求于“塌缩假说”或量子-经典“分割”来解决这一问题,在他们看来,似乎薛定谔方程的普遍有效性是唯一危险的假设。然而,在这一矛盾的源起中上述三个假设没有一个是多余的,否定其中任何一个都足以逃脱这一困境。为了避免矛盾,三个假设至少有一个必须被否定。根据量子力学的形式体系的内在要求,薛定谔方程在量子世界的普遍有效性是可接受的假设。而如果我们保留实验者知觉的可靠性,那么,本征态-本征值关联就成为可以考虑去除的假设。可以说,冯·诺依曼的量子测量理论最早打破了玻尔(N.Bohr)的量子-经典“分割”,即量子测量的经典仪器必不可少的假设,开创了用一致量子力学对量子测量的动力学机制进行理论探索的先河。然而,这种理论尝试由于没有考虑到仪器的宏观或经典特征,即仪器所具有统计热力学的性质,而是理想地假定仪器是只有一个自由度的量子指针,因而导致了仪器的无限回归。为了切断无限回归的仪器链,消除干涉项,实现“波包塌缩”,冯·诺依曼最终求助于人的意识,从而导致了物理-心理平行主义的哲学困境。从20世纪50年代开始,物理学家沿着排除塌缩、超越量子测量的正统解释的框架进行了视角不同、影响深远的理论探索。如1952年玻姆的隐参量理论,1957年埃弗雷特的“多世界解释”,1962年D-L-P的量子各态历经理论。从20世纪70、80年代以来,量子测量问题的研究更进一步呈现出错综复杂的新局面,从不同视角进行的理论探索,其理念也都是试图消解“塌缩假说”,发展出一个遵从薛定谔方程的一致演化的量子测量动力学理论。这包括以“多世界解释”为基础的“多心解释”;区分理论态和物理态的“模态解释”;强调环境与仪器纠缠作用的“退相干解释”。下面,我们就结合这些较为晚近的量子测量理论的发展,来具体说明这一测量问题的认识论发展,并给出新的研究方向。一心灵的同一性20世纪80年代中期,由DavidAlbert,MatthewDonald,BarryLoewer,MichaelLockwood,EuanSquires,SimonSaunders等在“多世界解释”基础上发展出了一种量子力学的“多心解释”。特别是MichaelLockwood对“多心解释”的量子力学基础进行了深入探讨,不仅给我们提供了一个最新的形而上学研究,讨论了量子理论关于一些基本的哲学概念,诸如实在、自我和因果性的推论,而且使得这种强调意识和精神的多重“分裂”,以及对于我们看到什么起着决定作用的形而上学的解释,引起了广泛的讨论。根据Lockwood的多心解释,我们的心智是我们的大脑(或至少是我们的身体)的一个亚系统,也就是说,在我们的大脑的大量自由度数目的子集中,有一些是基本的,而不仅仅是随机地包含在我们有意识的智力中。他称这一点使他承诺了心智的唯物主义的观点。其次,他声称,存在一组相互正交的纯态,组成我们的心智的一个基,我们可以把这个基叫做意识基。这些基态的每一个是这样的:如果我们的心智在t时处于某个态,那么我们在t时拥有的最大限度的感受将是主观同一的。而且,对于每一个我们的心智能够产生的最大限度的感受来说,有一个属于我们的心智的意识基相关态。用这种方式,两种最大限制的感受分别对应于两个不同的基态,Lockwood认为这两种感受本身是截然不同的,即使它们碰巧是主观同一的。因此,在他的用法中,对于最大限度的感受来说,主观的不同包含简单的不同,而不是为简单的不同所包含。对于Lockwood的多心解释,JeremyButterfield的评价是它非常激进,因为这一解释允许未被观察的宏观世界处于很不确定的状态,即使是在一个分支中。也就是说,根据这一解释,没有理由认为由N个意识态定义的剩余宇宙的相对态将是任何常量的一个本征态,例如,没有理由认为未被观察的岩石有一个确定的位置,即使是在一个分支中。然而,大卫·多奇认为,Lockwood是少许敢于公然违反传统的哲学智慧的哲学家之一,这种传统的哲学智慧阻碍我们重要的理论的进展和我们对于它们的正确理解。表面看来,Lockwood故意避免使用“多世界”或“平行宇宙”的术语,代之以“多心”,冒险给人以印象:“只有心是多重的,而实在的其余者不是多重的”,实际上,Lockwood的形而上学的实质是心智是物理系统,心智在物理学的普适定律中没有优越地位。可以说,“多心解释”企图提供一个一致的量子力学解释,但由于存在着许多版本,其内部观点并不完全一致。一方面,强调心智完全附随于物理态的Lockwood认为,“多心解释”的两个版本:“连续心观点(ContinuingMindsView)”和“瞬时心观点(InstantaneousMindsView)”“经验上等价”,因此没有经验理由选择前者而舍弃后者。另一方面,多心解释的随机版本的代表人物Albert和Loewer则强调心智不附随于物理态,他们主张,如果接受“多心解释”,“连续心观点”要优于“瞬时心观点”。其理由如下:“连续心观点”满足以下三点:(1)一个系统的量子态是它的完备物理态,(2)量子态的演化遵循薛定谔方程,(3)量子力学的几率被理解为观察者的心智演化到占据各种精神态的动力学的可能性,因此提供了量子理论的一个一致解释;而“瞬时心观点”虽然也是量子理论的一个一致解释,但由于只满足(1)和(2),否定有短暂持续的心存在,因而并没有给出量子力学的几率的一个令人满意的解释,因而是不适当的。然而,他们也承认,“瞬时心观点”的形而上学的承诺要比“连续心观点”的问题更少,“连续心观点”确实还存在着一些不安稳的、古怪的特征。因此,如何认识心智在量子测量中的作用和如何解决量子测量中的几率问题,仍然是量子力学的多心解释需要面对的一个问题。二模态解释的特点“模态解释”的名称最早源于范·弗拉森(vanFraassen)1972年的工作。范·弗拉森为了解释量子力学,用模态逻辑的语义分析代替量子逻辑的分析。结果,这一解释被称为“量子逻辑的模态解释”。从此以后,“模态解释”一词获得了更为普遍的意义,并且失去了与模态逻辑的嫡亲关系。特别是在20世纪80年代以来,由科亨(Kochen,1985),克瑞普(Krips,1987),迪科(Dieks,1988),黑利(Healey,1989)和巴布(Bub,1992)发展的量子力学的新解释,都被称为“模态解释”,并且像玻姆理论(1952)包括玻姆(D.Bohm)与海利(Hiley)的量子势的非定域理论(1992),也被看作“模态解释”。模态解释有以下特征:第一,模态解释与量子力学的标准形式保持有密切的关系。它们都接受一个系统的量子力学描述在一个希尔伯特空间之上被定义。第二,在模态解释中,系统态只按照薛定谔方程演化,塌缩假说被抛弃为不必要的形而上学假说。第三,模态解释把量子力学看作是描述自然的一个普遍的理论。量子力学因此不仅适用于基本粒子,而且也适用于像测量仪器、行星、猫和大象这样的宏观系统。第四,模态解释总是给出把性质归因于系统的规则。这个性质归因取决于系统的态和应用,而不管是否进行测量。系统的态因此是根据系统所拥有的性质,而不仅仅根据测量的结果而有一个意义。第五,这些把性质归因于系统的规则是随机的。因此,一个系统不仅仅被归因于一组性质(就像本征值-本征态关联的情形),而是被归因于相应几率的许多组性质。每一组包含可能为系统所拥有的性质,并且相应的几率给出为系统实际拥有这些性质的几率。第六,模态解释把归因于系统的性质的几率,看作只是代表关于一个系统的实际性质的无知,而不是关于这个系统的实际态的无知。即模态解释的一个共同特征是:关于态的无知这样的规则被排除。这一特征是模态解释区别于量子力学的其他解释的通常特征。在量子力学的标准解释中,玻恩几率不仅代表对系统的实际性质的无知,也代表对系统的实际态的无知。以上特征其实告诉我们,模态解释为了解决测量问题,在理论态和物理态之间做出了区分。物理态特指一个系统所有正在发生和尚未发生的事件,或说特指一个系统的可观察量的值;理论态由量子力学确定,用来计算可能物理态的几率分布。也可以说,理论态特指对现在正在发生的事件和未来将要发生的事件产生几率预测的态。然而,理论态单独不提供正在发生事件如何随时间演化的一个动力学图像。通过做出这一区分,模态解释保持几率悬而未决:虽然理论态不可能对一个几率为1的给定事件P赋值,理论态仅仅提供对可能物理态的一个几率测量,但是,物理态规定了事件P的确发生。模态解释似乎想用这一区分来否定“塌缩假说”,声称塌缩只发生在一个人从讨论理论态(保留没有塌缩),改变为讨论物理态(一直存在塌缩)之时。理论态自身在整个测量进程中始终没有发生塌缩。由于模态解释的大多数鼓吹者竭力废除塌缩假说,他们普遍认为,“模态解释”是一个没有“塌缩”的量子力学理论,它强调量子力学描述自然的普适性,因而系统的态,不论是基本粒子的还是宏观测量仪器的,都按照薛定谔方程演化;测量作为一种模态演化。理论态的演化与测量无关,永远遵循薛定谔方程,而且符合模态逻辑规则。这样一来,模态解释就消解了冯·诺伊曼的解释规则和塌缩假说,对量子测量做出了逻辑一致性的解释。所谓“在这个解释中,一个物理性质的出现不与依靠叠加的一个理论描述相冲突。……测量后的情形通常由一个叠加描述……因此不需要投影假说,或波函数塌缩。因此,我们现在假定数学态(即理论态)一直是一致演化的(时间可逆),与薛定谔方程一致”。同样,范·弗拉森也写道:“在这个方案[范·弗拉森的模态解释]中,我们能说:IN和OUT是可观察量的初值和终值[物理态],而W和W’是动力学态[理论态]。W演化为W’是决定论的,与薛定谔方程一致……没有非因果的跃迁或塌缩。”因此,有人可能会猜测,模态解释有极好的方式来避免塌缩假说。通过否定理论态与物理态相同,模态解释不需要面对解释一个非连续的塌缩过程可能是一个物理过程的问题。然而,实际的情形是,不同版本的模态解释也还存在着观点上的对立和各自需要完善的地方。根据RobClifton,巴布(1996)的模态理论可以理解为是对玻姆理论(1952)的一个拓展和推广,而vanFraassen(1991),Kochen(1985),Healey(1989)和Dieks(1994)的解释则是与玻姆的和巴布的理论相对立的竞争纲领。这两种线路的模态解释都有需要弥足的地方,但相比之下,Clifton更偏爱沿着玻姆和巴布的拒绝本征态-本征值关联的线路发展的一致演化方案,而认为范·弗拉森等四人的密度算符的解释并不能实现这一点,因而应该做出修正。同样,W.MichaelDickson也认为,模态解释的两种策略都希望避免塌缩假说,玻姆式的策略假设理论描述一个真实的物理量,虽然这一策略保留有未回答的难题,但是这一策略在这些问题上取得的最新进展,使人有理由猜想沿着这一线路可能会获得丰硕的成果。而范·弗拉森等人的第二种策略的模态解释应该在理论态层面上采纳塌缩假说。因为“如果一个人把由理论态产生的几率解释为客观的或然性或相对频率,那么为了使理论态产生正确的几率,要求理论态在测量后塌缩。”但究竟如何在理论态层面上采纳塌缩假说,他也并没有给出清楚的说明。如此看来,模态解释对于量子测量问题的解决也并没有完结。三退相干解释与其他引入研究的方向20世纪80年代以来,沿着排除“塌缩假设”的研究线路,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)等在前人思想的基础上,又发展出一种可供选择的解决方案,这就是量子力学的“退相干解释”或说“一致历史解释”。退相干解释强调环境与仪器的纠缠作用,认为自然环境不能被简单地忽略或者看作一个经典的背景,由于它有大量的内部自由度,它的实际功效是充当作一个“测量仪器”,通过与宏观集体亚系统不可避免的相互作用,来对宏观物体的量子相干性实施不间断的“监控”,允许其具体的经典行为从量子理论允许的许多同时存在的可能态中,以一定的几率出现。因此,在一个一致的量子力学框架内讨论宏观物体的量子现象,就不能不考虑它周围的环境因素。只有把自然环境包括在内,宏观物体所形成的一个更大的封闭系统的演化才能由量子力学描述。这里再没有塌缩,有的只是外部环境引发的量子退相干的出现。退相干解释对于测量问题的回答令人满意吗?根据贝尔(JohnBell),退相干解释不对量子测量问题提供一个基本的答案,也不对宏观现象的不可逆提供一个基本的答案,而只是为了预测测量结果而提供的一个方便的“计算工具”,或者说只是一个“全部为了实用目的”而设计的方案。对此,退相干解释的支持者昂内斯(RolandOmnès)回应说,只要环境足够大,或者说只要物体足够宏观,退相干一旦发生就不能回避,因此退相干为量子力学中最古老的问题——为什么宏观叠加不存在提供了一个满意的答案,而且是一个基本的回答,而不仅仅是一个实用的答案。如何看待这种观点上的对立?通常认为,退相干解释对于测量仪器与它的环境的进一步相互作用的描述,使得我们更为接近测量问题的一个解决方案。但是,退相干解释单独并不能彻底地解决量子力学的测量问题。因此,保持理论的开放性态度是有必要的。换言之,尽管“退相干理论”解决了“哥本哈根解释”和“多世界解释”保留为开放的许多问题,包括几率的起源和“客观存在”的出现,但是关于这一理论许多观念的和技术性问题仍然是开放的,譬如对一个系统的构成的确切定义,量子和经典的边界究竟应该划在哪里,现在仍然是理论和实验未彻底解决的难题。确切地说,退相干解释还不足以对量子测量中所有问题产生确定的回答,许多进一步的工作仍被要求进行。只不过,作为范式的变动,量子到经典的过渡已经成为实验调查的主题,而以前它大多是一个哲学论争的领域。由于“退相干并没有彻底解决了测量问题。退相干告诉我们的是,某种物体当被我们观察时表现为经典的。但是一次观察是什么?在某一阶段上,我们仍不得不用量子理论通常的几率规则”,因此,在这一领域工作的研究者不得不着眼于退相干的未来发展。事实上,一些研究者已开始思考“退相干解释”与其他解释的可能结盟,以给出量子测量中几率产生的根源。理论的相互弥合无疑是值得借鉴的研究径路。本文作者之一的专著《量子实在与薛定谔猫佯谬》曾对“退相干解释”进行了较为详实的探讨,指出了其不足,并提出了一种可能的解决方案。近年来,随着量子测量理论和量子测量技术的研究不断取得进展,特别是统计力学的基础源于量子不确定性的新发现,我们发现进一步推进原先的一些想法不仅是可能的,也是可行的。四关于整体论对量子测量学的启示最近,关于量子纠缠和统计力学的基础的理论研究表明,所谓量子力学的薛定谔方程的熵守恒过程和量子测量的熵增过程之间的冲突,在于忽略了量子测量中的量子纠缠效应,即系统和