关于量子力学测量装置的几个问题，本文主要内容关键词为：量子力学论文,几个问题论文,测量论文,装置论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
量子力学测量问题是引起人们颇多争论的一个难题。从量子力学创建伊始直到近年来围绕阿斯派克特(Alain Aspect)实验的热烈讨论，测量问题都涉及到量子力学的重要内容以至理论根基，这一现象本身就已构成了量子力学的一种理论特色。
无疑，测量问题即使不像某些学者所认为的那样是一个“无解的问题”，至少对它的解决或解释也是一项长期而复杂的科学任务。本文不准备全面探讨测量问题，而仅从测量过程的基本要素——测量装置这一角度入手，通过对测量装置的特征、构成、功能等方面的分析，以期获得对量子力学测量问题的某种理解。
一、测量装置既是仪器也是工具
仪器和工具是实验科学进行科学探索活动的基本物质手段。区分仪器和工具的标准在于功能，仪器的功能在于观察和记录，工具的功能则是加工和制造，一般说来，仪器是人的感觉器官的延长，工具则为人的肢体（体力）和思维系统（智力）的延伸或强化。当然，这种划分只具有相对意义，某装置可能在一种场合作为仪器使用，在另一场合又具备工具特征，也有可能是两者的综合。不过，在经典物理中，装置不同时具备两种功能，人们尽管能够把一架仪器和一套工具组合成一个复合装置，但在工具操作和仪器记录之间仍然有时间差，其值由信号传递速率及装置结构决定。
在量子力学测量过程中，测量装置的设计是按仪器的基本原理进行的，其目的是对微观客体进行准确的观察和记录。但微观客体具有下列两个特征：1.不能直接观察，只能间接观测。这表明只有对微观客体实施某种加工和变更才能得到有关信息，因此，人们必须先借助工具进行操作，然后再利用仪器观察记录宏观现象。可见量子力学测量系统要由工具和仪器组成。在宏观世界，对宏观客体某些性质的了解也要借助工具和仪器的组合。人们要知道梨子的滋味，必须要用牙齿这组工具系统去变革客体，再由舌头这样的感觉器官去测量和记录相关信息；实验物理中常用的测量材料力学性能的拉力机、硬度计，其技术原理也都是先用某种工具（比如钻头）加工客体，再记录结果。2.宏观装置在测量中的任何介入，对微观客体都是巨大干扰。这表明微观客体的各种物理量在观测的同时就已是加工后的结果，仪器具有了工具的功能。在经典物理中，观察和加工是分离的，但在量子力学中，两者是同步进行不可分离的，微观客体的特性导致仪器和工具的一体化。因此，测量装置既是仪器又是工具，人们无法制造出仅具有仪器功能而不具备工具功能的装置。
这就像海森堡所举的“盲人摸雪”的例子：盲人为了观察雪花的形状，于是用手掌接住雪花，但这样一来雪花就不再是原来的形状而是加热后的融化状态，盲人的手掌既是记录信息的仪器，又是加工客体的工具，体现出两者的整体性。
不仅如此，由于装置是由人设计创造及操作应用的，因此人在量子力学测量中既是观察者也是操作者，人在借助仪器对微观客体实施观察的同时，也就借助工具对微观客体进行了加工。仪器接收的信息，由加工过程中工具与微观客体的相互作用决定，不同的仪器代表不同的观测过程、也即不同的加工过程，从而得到不同的结果。可见，对微观客体的观察不仅渗透着理论背景，还渗透着操作背景。
从上述理论前提出发，就易于理解量子力学测量中的某些问题。比如在双缝实验中，为什么粒子以几率的方式建立起干涉条纹，而当遮挡住某一缝时，粒子就似乎知道了另一缝的开启情况从而采取另一种行为方式？人们曾以多种理论对其解释，诸如粒子的系综理论、粒子信息编码理论等。但我认为，仅从粒子角度寻求答案是不够的，应当从装置不仅是被动接受信息的仪器，也是主动加工客体从而产生信息的角度分析。双缝、单缝代表不同的工具从而揭示客体的不同性质，就像盐酸和苏打能揭示试纸的不同特征一样。工具操作的结果，是产生出与此工具相关的量子事件，因此量子力学的测量不是对一个既有的微观状态进行的，而是对工具加工后的某种状态进行观测。在双缝实验中，微观客体以波或粒子形式出现，是由不同的工具决定的，在没有工具作用之前，人们无法断言微观客体到底以哪种方式存在，微观客体的存在由工具所创造的技术环境所决定，所以它所表现出的性质与技术环境与工具密切相关。
仪器与工具的整体性对测不准关系也可作出某种解释。一般机器理论已经证明，任何仪器都有特定的工作状态，该状态由科学理论、技术原理、结构、工艺、材料等有关因素综合决定，这表明任何仪器只针对特定的对象工作，反映对象的特定性质。任何工具都有操作范围和制造功能，工具效率是这两者的乘积，其物理含义是能量转换的程度。由此看来，工具又是一个能量转换器，在经典物理领域，它实行从机械能、电能、热能的转换，在量子力学中，它把粒子所具有的能量转换成某种宏观效应，使得人能够观察和计量。
仪器的工作状态必须设计成正好是量子力学的本征态，从而方程表述的物理量才具有可以观测的值，在该时空区域的测量装置最具备仪器特征，因为客体与装置达到一种能量平衡，客体所受的干扰最小而仪器正处于稳定的工作状态。但此时装置又最不具有工具特征。因为工具在该时空区域的效率最小，进行着整个测量过程中的最小的能量转换。最能体现工具特征的时刻，是客体与装置进行强烈的交互作用的接触初期，可以设想成装置正在推拉、挤压、切削……微观粒子，但此时的客体和仪器都未达到稳定的、可以进行准确测量的状态，而当它们进入稳定态时，工具又不再进行有效的切削或解剖客体了。由于量子力学测量装置既是仪器同时又是工具，因此不能同时准确测定与工具特征相关的物理量和那些与仪器特征相关的物理量。就像一个运动员用手撑开拉力器，可当他要腾出手来记录拉力器的读数时，拉力器却不再是撑开时的状态了。
二、因果链的装置怎样反映随机现象？
量子力学测量的对象是微观客体，其运动方式具有不确定性。量子现象是随机现象，由于偶然因素的作用，对于单个粒子的行为原则上不可预测，测量得到的宏观现象是大量重复事件的累积效应。
量子力学测量装置是宏观结构，是确定性的定态装置。它是按照下列原理设计：当客体以某种方式作用于装置时，装置发生相应变化，并产生出可被感官感知的宏观现象，从观测结果再推求客体的物理特性。因此，测量装置是因果关系的外化，不可直接感知的微观客体经过一系列中间环节即因果链而变为可直接感知的现象。
问题在于，表征因果必然性的装置是怎样反映随机的偶然事件的？
测量过程是装置与客体相互作用的过程。其结果使得表征客体的波函数缩编，成为一个具体的状态并得到一个确定的观察值，技术上称波函数缩编到某一具体的本征态上。由于装置的足够大和足够重，因此装置对微观客体的作用远大于微观客体对装置的作用，导致确定性的装置在测量过程中不断排除偶然性，而呈现出那些与装置的因果链相吻合的微观客体的某些性质，偶然性的随机事件在装置上被简化为确定的必然现象。
简化的过程是现象产生的过程，也即是微观量子事件被放大到宏观世界的仪器观测的过程。伴随着偶然性向必然性的转化，统计行为表现为一次确定的记录，比如相纸变黑、屏幕闪亮、计数器发声等，这是微观尺度行为与宏观尺度行为的转换。人们从云雾室里观测到电子有一条清晰的径迹，那其实是微观尺度大量电子行为的统计效应所产生的水滴图像，水滴则比电子大得多。可见，测量装置是联结微观与宏观的放大器，不同是装置表明放大倍数或放大因子的不同。
经过因果链的放大作用得到宏观而确定的量子现象，这个过程的最大特点就是不可逆性。不可逆表明的是宏观现象不可能被还原到量子事件的特性，它的成因已有多种理论予以阐释。笔者以为不可逆与非对称有关。非对称是指：1、量子力学与经典物理的理论上非对称：量子力学包容牛顿力学，但后者不能上升为量子力学；因此量子事件能够在牛顿力学的空间尺度形成确定的现象，反之却不能成立。2、操作上的非对称：装置对微观客体的干扰是巨大而不可避免的，但微观客体对装置的作用却忽略不计，测量过程内在地假定了装置是稳定态的参照系，装置对微观客体作用后的效应便被记录下来，反之，由于微观客体是非稳定态的，它对装置的作用及其产生的装置的变化无法观测。
由于偶然性简化成必然性，微观事件放大成宏观现象。又由于简化和放大过程的单向性，因此，测量装置的因果链不能准确无误地反映出微观客体的运动过程，而只能测出分立的微观客体留在因果链的各种信息即“态”。“态”其实表明因果链这把尺子在测量客体时两者的重合处或交汇点，它是客体运动轨迹上的静态横截面。许多截面可能组成新的轨迹（比如云雾室的电子径迹），但人们无法由这种轨迹推知微观客体的实际路径，原因就在于人们观测到的是已经放大和简化后的形象，并且具有不可逆性，无法“溯流而上”地分析出过程的特性。
在宏观世界也有类似的简化和不可逆现象（尽管没有放大）。以熟知的投掷钱币为例。桌面作为定态装置反映随机事件，但只反映客体与装置交汇处的终态，当随机运动的钱币碰到固定的桌面时，便发生钱币的“波函数缩编”，从而由不确定的运动方式跃迁到定态的存在方式，这个“态”即反映了客体的部分性质如对称性，也反映了装置的某些性质如水平性，但该“态”并不能反映钱币在空间降落的具体历程。
著名的薛定谔猫佯谬，正揭示了微观客体运动过程的不确定性与因果链的装置记录下的确定状态之间的深刻矛盾，对它的解释同其它量子力学佯谬一样众说纷纭。（见泰德·巴斯丁：《量子力学及其后》，剑桥，1971年英文版，第49页）我们如果从装置结构的角度来看，尽管原子衰变是随机的，但当随机过程接触到计数管时便进入机器因果链中而转化为一种状态，衰变的原子在接触的瞬时便实现了测量过程从量子力学到经典物理的转换，由于薛定谔设计的装置从计数器、继电器到小锤是典型的因果链，因此随后的过程不再是非决定论的原子衰变过程，而是确定的机械运动过程，从而在这个确定过程的末端的猫的生死同样是确定的。只有假定在原子衰变中，计数器、继电器、小锤同时也作随机操作，猫的死活才是不确定的。
三、“量子智能观测装置”能否制造？
由于量子事件具有超出经典物理的许多难以理解的行为和性质，因此无论是量子力学的创始人或者今天的物理学家，对于设计制造能直接观察量子客体的“智能观测装置”大都抱着极大兴趣，如果能够“看清”或跟踪到微观客体，那么许多测量问题如波粒二象性、延迟选择实验、仪器无限回归佯谬、多宇宙理论等重要的理论与操作难题便可迎刃而解，这样人们又回复到熟悉的感觉世界和认知方式。
也有许多物理学家否定这种构想，因为按照哥本哈根解释，量子现象特殊的不确定性，并非源于装置而是微观客体本身不具备可同时观察到的共轭物理量。然而，由于观察与装置的一致性，又因为物理量最终仍由观测赋予意义，因此这种解释与从装置的不完善或“非智能化”的解释是内在一致、相互印证的。
近年来发展起来的多宇宙理论对测量问题作出从装置分析的新的解释：测量装置使得原来许多平行的宇宙中的一个显现而其余的则消失掉。它的意义在于提出可以用装置对多个宇宙进行实际检验的饶有兴趣的推测。人们如何感觉到多个宇宙就在身边？有学者举例：“伽里略说过，他的反对者们没有感到地球在他们了脚底下运动。正是伽里略理论本身预言人们并不感觉到地球的运动，除非人们使用足够精细的仪器，正像用一个傅科摆或用足够精致的天文学测量，人们能够检测（即人们实际上能够感觉到）地球的运动。所以，利用充分精细的感官，我们会确实地感觉到其它宇宙的存在。”（戴维斯、布朗合编：《原子中的幽灵》，湖南科学技术出版社版，第88页）
这种精细感官是由超级计算机组成的复杂仪器即“量子智能测量装置”，可直接观察到多个迭加的量子态，按某些物理学家的说法，再过数十年光景就可制造出来。这确是令人振奋的预言，但现实却并非如此，我们可以不从微观客体而从机器构造的角度分析证明该装置在制造上的困难。
尺度困难。量子事件发生在微观尺度，测量装置属于宏观尺度，因此无论“量子智能装置”多么复杂，它必定一端与微观而另一端与宏观世界相连接。与微观世界连接的一端要受到普朗克长度和普朗克时间的限制，即人们无法造出一种“尺”和一种“钟”，它们能测量小于普朗克长度和时间的时空尺度。当然这是个极限尺度，在实际测量中距离它还很远，但在把微观感知器所“看”到的图像转换成可直接观察的宏观图像时，尺度变换会发生不可避免的失真。目前先进的电子显微镜其分辨率至多不过能到几十个埃，从而人们能直接看到晶体组织和缺陷的图像，但更细微的结构便无法辨认。这个尺度距离宏观尺度大约十万倍，而量子力学的微观客体却高达数百万倍乃至更高，因此用现在的电子束作“光源”无法达到可分辨的尺度，只用比电子更细微的粒子作探测工具才能“看”到像电子这样的微观的客体，而这无法实现。
跟踪困难。量子事件是随机事件，“量子智能测量装置”要直接观察量子事件就必须跟踪随机过程，这样才区别于只能反映“态”的因果链装置。困难首先在于辨识无规则的运动：许多动物已能用感觉器官来区分规则运动和无规则运动，比如蛙眼含有100万个柱状和锥状细胞作接收器，300万个节间细胞和50万个神经节细胞用于判明边界、明亮、凹凸等物体特征，由此反馈信息给接收器以判明运动方向、速度、变化等的规则性或随机性，但目前人工智能发展状况表明在可预计的将来制造出类似蛙眼的感知器是不大可能。其次，即使能够辨认，装置对随机事件的跟踪意味着装置也要表现出一定的随机性，导致装置在准确反映客体时它自身却难于被人们所操作和记录，这也许就是动物主动式跟踪与机器被动式跟踪的根本差异，因为动物在对视觉图像进行加工时，有组合、记忆、编码和随机连接，这种内禀随机性源于神经网络，它不但可以跟踪复杂运动，也是创造性的重要形成条件。
能量困难。量子力学测量过程又是能量交换过程，“量子智能测量装置”必须输入一定数量级的能量才能有效地发挥识别、反馈、追踪、调控、记录等功能；但对微观客体而言又必须尽量小地输出能量才能准确测量。人们固然可以认为微观客体性质只有在外界作用下才能显现，并认为干扰后所呈现的客体图像就是客体的“本来面目”，但在实际操作中，许多微观粒子的存在条件十分苛刻，在稍强一点的能量作用下就转化了或不复存在。因此，这种装置必须是一串能量转换的变压器，把宏观量级的能量递减到微观量级，但任何变压器都有能量损耗，人们无法控制损耗的能量作为干扰源对微观客体的巨大影响。也有学者认为测量装置是热力学系统，遵循能量守恒与转化定律，但量子客体却并不一定遵守这个宏观的能量规律。比如在质能转换过程中：因此人们只能用相互作用进行描述而难以用能量变化进行分析，这是两种不同的能量系统。（海利：《量子力学基础》，剑桥，1990年英文版，第85页）
总之，“量子智能测量装置”的制造具有许多根本性困难，其背景在于宏观世界与微观世界之巨大差异。这个问题之所以有科学价值，不在于人们最终制造出这种装置，而在于通过努力而使得许多新的装置被发明和应用，新的现象被观察和总结。这就类似于尽管几个世纪的努力也没有制造出“永动机”，但由此而得到的热力学和蒸汽机却同样具有巨大的价值一样。
四、测量装置与量子力学的“实在”
量子力学的“实在”是与测量密切相关的哲学问题，近年来它以“月亮问题”的形式引起了学术界的普遍关注。应当说“实在”与测量是互相缠绕的两个问题，“实在”作为一个问题是由测量引起的，并且必须由测量最终予以解说：测量的理论归宿在于探索量子力学的种种现象及规律，但无论是对现象或是对规律的进一步理解都不可避免地要涉及到量子实在。
为了从测量装置的角度分析量子实在，首先就要确定测量装置在认识活动中的地位。认识过程是主客体相互作用的过程，在经典物理的认识活动中，认识的主体是人，因为人能够直接作用于外部世界从而认识客体。但在量子力学测量中人却不能做到这一点，人与微观客体不存在直接的交互作用，必须借助装置才能作用从而认识客体。按多数人的解释，装置与微观客体组成所谓的复合客体，但笔者认为装置在量子力学测量中具有主体特性，理由如下：1、装置的设计功能一开始就不是作为客体来考虑，而是作为主体的辅助手段以弥补感官之不足的，因此它在认识活动中与人的感官有相似性，从而表现出属人的性质。2、装置与人处于同一时空尺度，遵循同样的物理定律；量子力学测量不考虑人与装置的相互作用，而是观测微观客体与装置的相互作用，因此装置作为认识过程中的客体既不与人发生作用，也不具备认识价值，因为关于装置的物理规律乃至技术原理是已知的，所以它不能成为客体。其实，装置应当被视为主体的一部分，或认为它与人一起构成量子力学测量中的复合主体。
由此出发，量子实在不能简单认为与主体无关，也不能像某些论者所认为的由人的存在所决定，从而否认量子实在的客观性。从装置的角度看，量子实在的客观性是由装置赋予的，装置一旦建立便不依人的意志为转移，并且操作过程是现实而客观的实践活动，任何人只要在同样的装置进行同样的操作就必定能得到同样的结果，正是装置及其相关操作保证了不必用“自由意志”、“精神决定物质”来解说量子实在。
但同时也要看到，量子实在的客观性是有条件的，量子实在可以离开具体的人而独立存在，但它不能离开复合主体或者说装置存在。任何认识客体的存在都是有条件的，经典物理的认识对象以三维空间的天然自然为条件，量子实在则以特殊的人工自然构建的技术环境为条件，复合主体就是这样的技术环境，从而使得量子实在得以形成并呈现出各种性质。电子可以离开人的感觉和意识存在，因为这些因素不构成电子存在的必要条件。但电子不能离开特定的装置存在，大多数的物理学家都会认为，作为电子枪和屏幕之间的电子运动，不能预先认为电子已埋伏在电子枪或屏幕里面，电子的存在与显现和电子枪、屏幕以及与之相关的一系列技术条件密切联系。在经典物理中也有类似现象，电流并不预先存在于导线之中，没有电压和完整的线路，电流就不会形成。更不用说许多微观客体在自然界并不存在，只在实验室特殊的技术条件下才能生存的情形了。
其实，任何主观性或者客观性的出现都是有条件的，就像没有绝对的主观性一样，也没有绝对的客观性。在量子力学中主客体的相互依存，无疑不是指人与微观粒子具有这种关系，而是指由人与装置构成的复合主体与客体具有内在的本质联系，就如同电视图像是客体存在，但它无论如何不能离开电视机这个装置存在的道理一样。
当然，有条件的客观性只是划出客观性存在的前提，并没有否定客观性的根本属性即与人的意识活动无关。我们反对把量子实在等同于数学符号、算符或本征值，更不同意在测量中引入精神作为决定因素。比如薛定谔猫佯谬，在一些诠释者看来波函数只有遇到人的意识时才能缩编，但是尽管量子实在具有理论抽象性，与算符等密切联系，然而其抽象性的基础是客观而现实的实验活动，符号体现出量子实在的某些性质，但它们本身不等于实在，就像质量不等于物质一样。另外，论者也无法证明波函数遇到意识便发生缩编，特别是什么样的生物体才正好进化得足够复杂从而能使波函数缩编？这最终便导致所谓的“意义问题”，也即用人的心理来解释一切物理现象，但这也就等于没有解释。其实，只要装置和测量的客观存在，作为其输出结果的量子实在的客观性就无法否定。