全同粒子的哲学问题，本文主要内容关键词为：粒子论文,哲学论文，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。
全同粒子是全同的单个基本粒子的聚合，或者说单粒子系统是粒子数为1的自我同一粒子的聚合。全同粒子的哲学问题是量子力学的四大哲学问题之一（另三个问题是量子测量、量子概率和EPR关联）。全同粒子问题在近二十年成为国际物理学哲学界的一个核心问题不是偶然的：现有实验研究的主要EPR对是全同粒子对，EPR问题是在测量语境中讨论的，而测量问题是量子力学哲学的核心。不仅如此，全同粒子问题中涉及的个体性、同一性（或全同性）、聚合与整体等问题，可以看作是二千多年哲学史中的基本问题之一即“一与多”的问题在现代科学背景中的深化，是真正的第一哲学问题。个体性问题是重要的形上学问题，也是物理学长久涉及的哲学基础问题。另外，量子信息科技中的离物传态、远程关联等问题又是全同粒子聚合在前沿科技中的表现。
一
在物理学中，我们称内禀属性（指微观粒子不依赖于它的物理状态的基本物理量，也即主量子数、电荷数、静质量、自旋量这四个量子数）均相同的客体叫做“物理全同”，尽管它们可能位于不同的态，或者说具有不同的动力学属性（如位置、动量等）。
另一方面，在量子力学中，有且仅有两类典型的基本粒子——费米子和玻色子。玻色子是指物理全同的粒子聚合中任意交换两个粒子，其复合态函数有变换Ψ′→Ψ ，这个特性被称为对称的排列交换的不变性（置换不变性），例如光子；费米子是指物理全同的粒子聚合中任意交换两粒子，其复合态函数有变换Ψ′→－Ψ，这个特性被称为反对称的排列交换的不变性，例如电子。然而，在量子力学中，可观察量的值是依赖于测量的，而测量结果由玻恩概率规则陈述，且量子概率是态函数的平方的绝对值。所以，无论是费米子还是玻色子，在全同粒子聚合中任意交换两个粒子，其可观察效应均不变。因此量子力学哲学家认为，物理全同粒子聚合中某类基本粒子之间的全同性是指量子力学模型中所描述的一切可观察性质的相同，或质的全同。这样的基本粒子叫做全同粒子。
然而，全同粒子虽然是在量子力学模型中所描述的一切性质相同、也即处于相同态的粒子，但它们之间仍有记数的不同。不过，这种记数是指可列举的(enumerable)，而非指可数的(countable)，也即它们拥有基数性(cardinality)，但没有序数性(ordinality)。例如，对一个具有两个全同电子的组合系统进行数学运算时，为了方便，我们可用基数标记这两个粒子是粒子1和粒子2；但在实际测量中，测到了一个电子在第一个位置时，由于这两个处于相同态的全同粒子具有可观察的置换不变性，我们只能说有一个(an)粒子在第一位置，而不能说究竟哪一个电子在这个(the)位置，尽管我们可以通过测量这个组合系统的总的电荷量和静质量，而确切地知道它是由两个电子组成的。因此，处于相同量子态的全同粒子叫做不可区分的全同粒子。对于不可区分的全同粒子，对它们的编码也就失去了意义。
哲学家与物理学家均把拥有一切相同特性的两个客体称为不可区分客体，我们称这个定义叫做“哲学全同性”。因此不可区分粒子相当于前述的质的同一的粒子。有的量子力学家认为，两个不可区分的全同粒子仍是两个客体。而有的哲学家（根据莱布尼茨的不可识别的同一性原理，即The Principle of the Identity of Indiscernible，简称PII）往往认为，两个不可区分客体实际上只可能是同一个客体。莱布尼茨说：“这点不可能真：两个实体(substance)能够完全相似而仅有记数的不同”(Leibuniz,pp.41-42)。
或许有人可以说，在量子力学中，两个全同粒子虽然可能是不可区分的，但它们仍不是同一的，因此PII被违反了。不过，另一方面，虽然我们主要立足于讨论量子力学哲学而不细述关于PII的长久的历史争论，但仍须注意到前文所述的是不可区分的客体或对象(Object)，而莱布尼茨原文中所用的词是“Substance”即实体而非“Entity”。是否一切对象均是实体，对此本身就有不同的观点。而另一些学者认为，根据莱布尼茨原著的语境及其追随者的解读，PII中的“Substance”应该指个体“Individual”。而量子全同粒子是否为个体，是值得讨论的。(Fraassen,1991,p.361)
关于全同粒子是否推翻了PII的问题，由于量子力学创始人狄拉克(Dirac,p.66)和海森堡(Heisenberg,p.411)最初提出量子力学中的“全同粒子”概念时并没有详尽考虑过哲学界已经存在的“全同性”或“同一性”概念的内涵与外延，以致于有些物理学家和物理学哲学家匆忙得出了类似于“量子力学新科学成就推翻了这项流传广久的哲学原理”的结论。真正严肃地讨论全同粒子与莱布尼茨原理关系的论文是从美国哲学家与逻辑学家波斯特开始的(Post,p.534-537)。波斯特提出了这样一个思想：我们必须首先考虑全同粒子是否具有个体性或实体性，然后才能讨论PII是否被违背的问题。另一篇代表性文章是Barnette的，他精细化了这样的问题，即我们应该首先考虑量子力学的完备性，然而才能讨论PII是否被违背的问题。(Barnette,pp.466-470)我们认为，这里的完备性问题是指量子力学是否已经对它所指称的物理层次的一切可检验现象做出了原则上的预言。如果量子力学不完备，那么我们只能认为量子力学不能给出量子层次的微观粒子的一切属性，也就是说全同粒子之间可能仍有可以将之相互区分、但量子力学不能表征的内在属性。关于这两方面的考虑（即全同粒子的实体性或个体性质疑、量子力学的完备性质疑），20世纪80年代以来西语文献中众多的相关论著大致可以分成下述几种主要观点：
(1)量子粒子是实体，并且具个体性；量子力学是不完备的，PII没有被违背。因此不可区分的全同粒子可以通过某些量子力学所没有蕴涵的特性所区分。
(2)量子粒子是实体，并且具个体性，量子力学是完备的。因此“不可区分的全同性原理”被违背了。因为全同粒子的一切特性均相同，但全同粒子不止一个。但是，既然全同粒子的一切特性均相同（指可观察特性），那么是什么给予它们个体性？是超验的个体性(Transcendental Individuality)吗？
(3)量子粒子不是实体或不具个体性。而PII是关于实体或个体的陈述。对此又有三种次观点：第一种次观点认为，因此全同粒子与PII无关。第二种次观点则进一步认为，从哲学史和科学史上看，从来就没有真正的个体，因而也没有“个体性的丧失”。第三种次观点认为，PII真正的涵义是关于“事件态”的陈述而非直接关于实体的陈述，因此PII仍与全同粒子相关。
(4)与第三种观点相类似，认为尽管全同粒子是个体，但全同粒子的严格全同性是在全同粒子聚合中形成的，这些性质不是量子粒子作为个体的属性，而是聚合的集体属性，是一种整体性属性，它不能用来判别PII（对个体或个体的态的描述）是否被违反。
我们认为，为了搞清楚究竟全同粒子是否违背了PII，首先必须对全同粒子的实体性、个体性、整体性等概念进行辨析。
二
一个体之成为个体，因为它不仅在外在方面而且在内在本质或特性上能够是独一无二的、区别于其他个体的。一个体区别于另一个体的本性叫做个体性，任一个体均以某种方式或在某个方面成为个体，这叫做个体化。
个体的概念化思想最早来自于亚里士多德：可以说有许多个人，但不能说有许多个苏格拉底，而只能说有一个苏格拉底。亚里士多德认为一个人区别于另一个人是由于其独存的物质性。古希腊原子论者所认为的原子有个体性是有争议的，他们用物体中的每个原子的个体性去替代可观察物体的个体性，但原子的个体化的方式是与复合体个体化的方式不同的。原子论发展到今天，其关于个体性的思想也一直在变，古代后期斯多葛学派哲学家认为：世界有理性控制，如果有两个全同个体，那么没理由说其中一个在这，另一个在那。因此每个个体有自己的唯一性和牢固的尊严。
基督教哲学家Boethins认为个体性是一种唯一性，唯一性即超验的原初此性(thisness)。但也有些经院哲学家认为物质与虚空均是原子性的，一切原子均没有差别。上帝不断干涉，让原子产生和湮灭，原子作为神圣规则的工具不被个体化。中世纪讨论个体性问题最有创见的是阿奎那，他认为人与人之间的共性是灵魂，个性是物质；而天使没有物质性，仅有灵魂。因此天使之间的区别是其不同的灵魂，即有多少个天使就有多少种天使。
在近代，洛克认为，存在是连续的。原子的全同性依赖于它在时空中的位置，即不同的时空位置可区分两个有全同直径的坚固原子。如果原子缺少任何可区分性质，那么它们仍在每个时刻具有确定的位置。这一点将保证它们的历时的连续全同性。因此，原子论将同一性问题从物体转向构成它们的原子。但莱布尼茨的时空不是独立实体而是表达在一切可想象存在物之间的可能关系。莱布尼茨认为，如果说人与人之间的区别仅是物质性，那么死后（如到了17世纪）的苏格拉底与柏拉图还有没有区别？因为即使他们的灵魂仍存在，但却没有区别，而他们的物质体早已消失。莱布尼茨认为这时他们的区别可通过他们的物质+灵魂的历史而得到，这叫做个体的历时性区别。但应注意的是，莱布尼茨早已去掉了超验的此性，而仅留下了关系的个体性。牛顿物理学用全同粒子的不同轨道表示其个体性，而莱布尼茨认为空间不能给个体以身份认同。因此，关于原子的个体性问题就有了许多分歧。
统计热力学处理大量原子微观运动的宏观效应。吉布斯的解决方案是，当这两个气体完全混合时，不仅忽略了原子间的内在不同，而且其中的任何两个原子即便在各自的特征轨道方面也不能再被看作是可区分的，即它们已经是不可记数的（具置换不变性）。从这里开始，宏观效应与微观效应出现了分离。不过，麦克斯韦和玻尔兹曼认为，原子虽然不可区分但仍是个体，可采用无知解释：在我们的知识中它们不可区分，但在实在上是可区分的。
另一方面，某些现代哲学家认为：任何两个具不可区分性的对象仅有外在的数的区分（如叫A和B），但没有任何内在的区分，因此A=B，即它们是同一的，是同一个事物。换句话说，严格同一性或数的同一性只能出现在同一事物身上，而不可能表示两个不同事物之间的十分相似的质的同一关系（韩林合，第49页）。
在量子理论中，个体性丧失的话题可追溯到普朗克，普朗克在提出能量子概念时就已经认识到他不得不视量子具有绝对不可区分性。1911年，纳坦松和爱伦费斯特指出普朗克奇怪的记数方式蕴含了量子不是独立的，它们缺少个体性要求，本质上有不同于可区分的经典粒子的行为的奇怪关联。爱因斯坦1909年已经隐含地提出了量子理论必须融合粒子和波。玻色与爱因斯坦在1924前后用不可区分思想建立了理想气体的量子规律。当海森堡与薛定谔分别建立其数学等价但形式不同的形式体系时，光子或电子本质的不可区分性已蕴含在他们的公式中，虽然它显现为仅是理论的推论。因此一些物理学家感到了不可区分性的哲学意义，例如惠勒于1931年提出量子双生子“Mike和Zike”的不可区分性。1952年，薛定谔强调这个话题是基于粒子或微粒均相像的问题：你不能想象给它们之一作记号，因而存在一些超越于我们日常经验的全同事物(Pesic)。
在量子力学中，一般认为，玻色子是不可区分的全同粒子，因为它们在排列变换下呈正对称关系。因此它们是完全的不可区分，即个体性丧失了。另一方面，费米子在排列变换下呈反对称关系，也具有可观察上的置换不变性。但范·弗拉森认为，任何费米子聚合的合成态对每个费米子的可能还原态来说，动力学态均相同，但每个费米子的值态不同。因此费米子仅是实然的不可识别的全同粒子，但它们仍然有模态的个体性。(Fraassen,p.426)不过，莱欣巴哈从莱布尼茨的历时个体性的思想中得到启发，认为全同玻色子的可区分性可以通过引入时间参数而得到说明，他称其为历时全同性原理。莱欣巴哈建构了适当的模型，说明历时全同性的玻色子仍然是可以区分的。因此，玻色子也没违背PII原理，玻色子的个体性没有丧失。但范·弗拉森认为，莱欣巴哈的解释对量子力学基本原理来说是外延性的形上学解释，是经验性多余的。（同上，p.430）不过，它仍然是有意义的，因为在科学史上形上学探究也的确给予科学的发展以许多启迪。
三
全同粒子聚合系统中的非因果性的统计性关联，在本质上是一种不依赖于任何相互作用的、具有非定域性的关联。或者说，在研究全同粒于聚合系统时，应当把聚合当作一个整体来对待，而不宜把它像经典粒子系统那样，唯一地分解为其性质独立于整体状态的一部分。
费米子聚合符合费米-狄拉克统计(FD)，玻色子聚合符合玻色-爱因斯坦统计(BE)，它们与经典粒子的聚合的统计规律即麦克斯韦-玻尔兹曼统计(MB)完全不同，这可用一个十分简单的数学模型来说明。
假如我们抛掷两个完全对称的硬币（标记为a和b）会出现三种情形：两个正面(2)，一个正面一个反面(1)和两个反面(0)。设我们抛了足够多次，那么分别出现的这三种情形的概率P在上述三种统计中是不同的。
由上表可见，
这里，P(Ha/Hb)是指给定b时，a出现的概率。因此，经典粒子聚合呈现无相关性，费米子聚合呈现负相关性，玻色子聚合呈现正相关性。
下面来阐述我们自己关于单个全同粒子的个体性和多个全同粒子聚合整体性的观点。
首先，从上表对全同粒子的分析可知，不能说量子关联显示了微观世界是一个不可分割的整体。确切地说应该是：全同粒子的聚合显示了相对可分离的整体性。可分离性是指相关联的整体仍是由两个粒子所组成（说两个粒子“全同”仍以承认二者是两个体为前提），它们之间有非1概率的关联；整体性是指它们之间具有非1/2概率的关联。不过，有些学者认为，量子关联所呈现的整体性和非定域性表明了经典科学的基础哲学概念即实体基元概念的丧失，它应该被关系或生子等概念所代替（金吾伦，第74-79页）。我们认为，这些观点很有启发性，但与整体性概念相对的概念是可分离性，而非实体性。无论是夸克、场，还是超弦，它们均是基元，但并非粒子实体。或者说，反对粒子基元论不等于反对基元论。
其次，全同粒子的关联明显具有非定域性的特征。对整个系统中的一个粒子（部分系统）的测量，必然会扰动整个系统的状态。但必须注意的是，非定域性并非等价于不可分隔性：既然我们讲到全同粒子的聚合，就已经先认定这些客体是相互可分隔的(partition-able)。可分隔性是指每个全同粒子均有确定的内秉性质和不可入性，这种内秉性质例示（列举）了一个基本粒子作为某类全同粒子的成员。内秉性质和例示性质构成了基本粒子的非关系的第一（原初）性质；而基本粒子的广延则是第二性质，但却是关系的性质（一元）而非关系（二元）。那种认为第一（原初）性质前面还有第零性质的说法是混淆了基数和序数的关系。而全同粒子正好仅有基数性而没有序数性。因此，基数性的同一性，可以存在于两个事物之间。换句话说，不能笼统地说“数的同一性只能出现在同一事物身上”。基数性和序数性的先在性问题的认识论意义有待进一步探讨。
第三，全同粒子的关联在量子力学的语境中是不可作因果解释的，就像不能用牛顿第一定律来解释惯性。全同粒子的关联是不依赖于任何相互作用的非因果关联，甚至它也不能以现有形式作机遇、巧合、同格、预定和谐和逻辑同一的解释。说全同粒子关联不是因果关联的最基本一条是：因果关系是不对称的，而全同粒子关联是对称的。因此，我们不能笼统地称量子规律是概率因果的，而应该称其为非完全因果的。概率因果是指概率统计是非必然但因果的；而非完全因果是指概率统计是非因果的，但概率（幅）自身的演化是因果决定性的。全同粒子关联的非概率因果性是由于量子概率的不可经典还原性。经典热力学中的概率仅是大量物理相互作用的量的统计效应，符合最可几的概率性即为因果性的原理；而量子统计是基于而不等于物理相互作用的质的飞跃，是新层次上的一种突生性质。
最后，牛顿力学中，同类微粒子虽然具有相同的内秉性质，但每两个粒子间的可区分性仍由其空间关系的特异性而实现。在热力学的吉布斯统计中，虽然在同类粒子聚合中，微观粒子之间既不能通过内秉性质也不能通过关系（空间轨道）而区分，但仍认为它们的不可区分是由于我们的无知。而在非相对论量子力学中，每一类全同粒子都具有相同的内秉性质，又由于量子力学态的纠缠性，聚合中的全同粒子间的空间关系不具有特异性，因而全同粒子间不具有经验性的实然可区分性，甚至全同的玻色子之间也不具有模态的可区分性。更由于“无隐变量定理”，我们不可以像麦克斯韦和玻尔兹曼那样，直接视全同粒子间的不可区分性为我们的无知。然而，聚合中的全同粒子虽是不可区分（或不可识别）的，但这些粒子显然不止一个。这正是所谓的全同粒子的个体性哲学难题。也就是说，为什么我们仍说全同粒子对聚合形成的整体性是两个粒子的性质而不说是一个新型事物的某些性质？“按照亚里士多德式的哲学家的理解，属性有三种形式：性质、基本的自然物类、关系” （韩林合，第176页），我们认为，完全的个体应该在这三种形式上均显示个体性。日常生活中的同类宏观物之间有这种可能。聚合中的全同粒子虽然在性质和关系方面彻底丧失了个体性，但仍具有例示一个基本的自然物类的非完全个体性。在这种意义上，莱布尼茨原理如果不作进一步精致化，那么它就被违背了。不过，莱布尼茨英译原文中所说的是不可识别(Indiscernible)，而量子力学中所说的是不可区分(Indistinguishable)，所以仍有必要将这两个词作进一步的辨析。在英文中，这两个词虽然均有难察觉的或不可察觉的意思，但后者有“无特异”(No-Indistinct)的意思。而两个“无特异”的全同类子应该是指拥有一切相同属性的两个客体。因此，我们可认为“Indistinguishable”是指具一切相同的属性，而“indiscernible”是指这两个客体的属性仅有很微小的差异，以致于我们不可观察到它们的差异。可见，“Indistinguishable”蕴含了“indiscernible”，反之则不然。至少，具有不可实然区分而仅能例示的（即可列举的但非可数的）非常规个体性的全同粒子，正好充当了从整体实在（场）生成经典粒子的必要的中间环节，并由此可能造成场论与（元）气论的本质区别，这也值得作更细致的研究。
总之，全同粒子问题在基于物理相互作用而突生（涌现）的相对可分离的整体性、仅有基数而没有序数的数的同一性、仅能例示一个基本的自然物类的非完全个体性和非因果的统计关联性等方面，丰富和细化了分析的形上学。