表征还是建构？量子场论的一种解释，本文主要内容关键词为：表征论文,量子论文,场论论文，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。
［中图分类号］N02 ［文献标识码］A ［文章编码］1000－0763（2011）03－0001－04
对量子场论或与该问题有关的数学物理中任一其他理论进行解释的主要任务，就是弄清其数学形式体系的意义，即在该形式体系所描述的具有因果关系的实体层次中基本的实体是什么？以及这些实体和物理实在的关系是怎样的？由于对量子物理学进行实在论的解释似乎面临着难以克服的困难，所以我们不妨把量子物理学看成仅仅是一种用于计算和预测的非常成功的心理建构，并且闭口不谈其与实在的关系。从哲学方面看，这种工具主义的或不可知论的态度并不令人满意，因为这并不能让我们理解量子物理学成功的原因。当然，单单这种反对工具主义的论证还不足以支持量子物理学的实在论解释。因为很显然，我们并不能简单地认为形式体系中的每一个因素，都有一个与之相对应的实在。例如，很难根据字面上的意思认为非相对论量子力学中的波函数就表示实在的波，或量子场论中的内插场就是实在的场。严格说来，在我们能提供一种量子力学的实在论解释之前，我们必须找出解决测量问题和纠缠（entanglement）问题的令人满意的办法。
那么我是如何展开对量子场论的一种实在论解释的呢？我的方法是：首先弄清形式体系所描述的基本实体，然后讨论这一理论实体在何种意义上、并且在何种程度上可以被看成是物理实在的一种客观表征。一种数学结构的某些因素可被认为是可表征的，而其他因素则被认为仅仅是概念设计或约定。对于可表征的部分，我们必须从本体论上将首要实体（基本本体论）与其在不同情境中的不同表现区别开来，后者我们常常称作衍生实体或副现象。通常，一个实在论者会试图从一个基本理论的概念结构中辨认出某种形而上学的世界结构，另一方面，他也可能会通过考虑已经牢固树立起来的形而上学世界图景，而试图建构和调整该理论的概念结构。
第一步在哲学上是中立的，象Arthur Fine或Bas van Fraassen等工具主义者尽管并不相信一个理论的形式体系的实在性，但他们同样对弄清什么是该理论形式体系中的基本实体感兴趣。[1]第二步包括一些从结构实在论观点来看的论证，这是本文重点关注的方面。[2]
让我们先来看看非相对论量子力学，并问这样一个问题：该理论的数学形式体系所描述的基本实体是什么？我们常常听人们谈论波－粒二象性，但只要想想在理解量子现象的早期阶段所出现的混乱，就会发现这种说法多少有些误导。当微观粒子是量子力学所描述的物理实体的时候，在形式体系中所出现的波函数仅仅是一种用来解释信息的心理设计，而这些信息或者是关于涉及微观粒子的物理过程行为模式的信息，或者是关于宏观系统环境对微观粒子影响的信息。有关微观粒子行为的信息是否是完全的还是一个有争论的话题，但除了那些追求一些失败的尝试的人之外，人们普遍认为，正是粒子而不是波是量子力学所描述的物理实在。让我们把这种普遍意见称作量子力学的粒子本体论解释。
这里的“本体论”一词指用于尝试性描述真实存在于世界之中的东西的概念建构。
如果非相对论量子力学的基本本体论是粒子，那么辐射或电磁场的基本本体论又是什么呢？由于仅在量子电动力学或量子场论的框架内，对辐射进行连贯研究一般也是可能的，所以让我们现在转向量子场论并讨论其基本本体论。
在有关这个话题的讨论中，Michael Redhead和别的一些学者坚持认为，量子场论中仍保有波－粒二象性或互补性，只是有着场—粒二象性的伪装。例如，Redhead从结构主义的观点坚持认为：“在一清晰局域场振幅（场图像）的说明和表示该场中全部动量或能量的清晰总量（粒子图像）的说明之间有一种互补性。”[3]这里的含义是，关于量子场论中基本本体论是粒子还是场的争论是无关紧要的。粒子和场仅仅是同一种拉格朗日或哈密尔顿结构以及相关方程的不同表征而已。如果你愿意，你既可以采用粒子本体论也可以采用场本体论。这种区别不会对物理学家所研究的物理学产生认知上的差异，尽管在方便程度上会带来一些不同。
然而，这种本体论无差异的观点比波－粒二象性概念更容易使人产生误解。首先，我们上文已经提到，非相对论量子力学中的波和粒子有不同的本体论地位。而在量子场论中，场和粒子作为物理实体二者享有相似的本体论地位。从概念上看，在量子场论中和非相对论量子力学的波函数相对应的不是场，而是函数式的场构形或构形变化的振幅。在量子力学中粒子的物理实在性衍推不出波函数的物理实在性，而在量子场论中却可以争论说粒子的物理实在性可以衍推出场的物理实在性。不过，要得出这一结论，应首先弄清楚粒子和场之间的复杂关系。[4]
这种澄清对结构主义者所提倡的本体论无差异的观点构成了一种严重的挑战。尽管从数学上看场必须被认为是粒子概念得以从中引出的首要构造，但却存在着把粒子而不是场看作量子场论的基本本体论的论证。有一个有力的例证，经验上只有粒子是可观察的，而场除了经典场之外是不可观察的。这样，场的概念就降到了一种约定的地位、一种用于引出粒子并思考其相互作用的心理设计的地位。而当物理学家们从粒子相互作用的观点认识到，如碰撞理论所表明的那样，要紧的是粒子而不是内插场的渐近态的时候，这一例证甚至变得更为有力。正如Borchers所指出的，S－矩阵无法区别等价类内的特殊内插场。与其精神内涵相同的情况是，量子场论代数方法中的点状局域场只被允许有这样一个函数，这个函数与可观察者局域代数的坐标函数相似。
粒子本体论解释的困难在两个方面。经验上，量子场论的物理内容并没有被粒子的观点所穷尽。我这里指的是与真空涨落有关的各种效应，如重整化效应和Casimir效应等。而且，如我在别的地方所指出的，虚拟粒子的思想和实在粒子创生与湮灭的思想，尽管对于理解量子场论的物理内容是重要的，但并不能被纳入粒子本体论的框架内。[5]
理论上，在量子场论的数学结构中粒子概念的定义并不完善。仅仅在Fock空间表征中，由于场量子与场的激发态相联系，粒子的概念才能从场概念中引出。但Fock空间表征只能为有Poincáre群作为其对称群的平直时空中的无质量场而定义。因而，在弯曲时空中或对一个无质量场而言，粒子的概念是不可定义的。更严格地讲，在有关相互作用的场这种情况中，有许多单一非等价的表征，其中只有一种等价类包括Fock空间表征。而即使是后者也只能被渐近定义，而不可被普遍定义。甚至在有关无质量场的Fock空间表征内，作为量子的粒子概念有时也难以被定义。众所周知，在平直时空中作为匀加速运动的观察者，会感到自己浸没在量子场处于真空状态时的热流中。这一著名的Unruh效应表明，在一个既定的Fock空间状态下，一个粒子探测器反应的方式，既依赖于探测器的性质，也依赖于探测器运动的状态，这就暴露了认为粒子是独立于我们观察而存在的那种基本本体论的一个严重缺陷。
如果我们认真对待算符形式体系，那么量子场论的基本本体论似乎就是量子场，其中粒子作为场量子出现，而场量子则是场的激发态的一种表现和刻画。携带着某种场的动态特征并作为Fock空间表征中场的表现的场量子并不能被认为等同于场，也不能被认为由场所拥有。相反，它们只是关于场的可想象测量的可能结果。其偶然的存在和行为可以在经验上进行研究和表述，尽管这样并不能穷尽场的物理内容。因此，作为出现在不同情境中基本场的复杂结构特征的现象指示子，粒子概念是量子场论中一个尽管只是衍生的但却是客观的概念。
建立了场对粒子的概念优先性之后，我们可以转向第二步来争论场概念的实在性，或说明在什么意义上以及在什么程度上，这种心理建构可以被认为是物理实在的一种客观表征。这并非是一项不足道的任务。事实上，代数量子场论者Rudolf Haag近几年提出了一种论证来反对场概念的实在论解释。[6]
按照Haag的说法，场作为一种方便的人工产物或更简洁地说作为可观察算符的代数坐标，其作用就是为局域性原理提供方法工具。理论中所需要的不同基本场的数目和性质与电荷结构有关，而与粒子——作为物理实体的场的表现——的经验光谱无关。因此，量子场的物理解释与诸如物理场或作为其表现的粒子等物理实体无关，而是与局域运算有关。一个局域场算符仅仅表征处于时空局部区域内的系统上进行的一种物理运算。按照这种运算论的解释，表征可在其区域内进行物理运算的基本量子场，仅仅是被用来将时空中的每个区域与Hilbert空间上可观察算符的代数联系起来。Haag坚持认为，这种解释告诉我们如何计算唯一可观察并因而是物理上实在的碰撞截面。由于这个原因，Haag争论说，正是可观察算符的代数，而不是不可观察的场系统，构成了量子场论物理内容的内在数学描述。
不过，如一些评论家所指出的，几乎没有量子场论者会追随Haag，相信场算符或其可观察的合成，仅仅描述置于碰撞机中的探测器而不描述物理场本身；或者相信在几乎整个时空区域中粒子仅仅是粒子探测器（数学上由算符代数的一个正元来表示）运算的结果。但这种物理学家所珍视的实在论直观，必须要由哲学论证来支持。现在就让我们试着从结构实在论的立场来提供一些论证。
在我们对诸如量子场论等数学物理中的理论进行构造时，我们必须使用象流形、Hilbert空间、局域场、幻场、弦甚至超粒子和超对称等数学概念或构造。这是我们可以由其接近深层实在的唯一窗口。但我们如何能够区分哪些概念是实在的客观表征哪些不是？数学概念物理实在性的判据又是什么？有些学者提出，不变性是数学概念之为客观的必要条件。在我看来，这种说法是站不住脚的。在一些重要的方面，物理实在并非由不变的构造所描述，而是由其中不变性自发或反常破缺的构造所描述。另一个反例是规范变换的费米子场，其实在性很难被否认，因为这种实在性由关于作为费米子场表现的费米子的许多经受了经验检验的结构陈述所支持。
后一个例子提出了一种普遍的哲学观点：实在在经验上可理解的方面或许仅仅这一方面是那联结其事件的关系之网。因而，尽管实在本身也许并不直接可知，但其结构特征却可以通过我们的概念而得以接近。确实，很难判断一个单一概念的实在性，但当一个概念被织人一个概念网络，并常常被用来提出通常以数学形式出现的有关实在的结构陈述时，那么这种概念结构的实在性就可接受经验的研究并可被确证或反驳。
如果我们认识到，我们关于一个实体的概念，是由我们对这一实体在不同情境中所具有的结构特征和关系的知识所构成的，那么在概念上，从对一种结构的实在性认识，到对具有这一结构的实体的实在性认识只有一小步，尽管在历史上或在实践中，由于一种结构很难由多种实体来实现，因而在一个科学共同体内可能会花上很长一段时间来经由协商达成共识。考察一下科学史，我们会发现夸克的实在性就是以这种方式被认识到的：通过在1960年代晚期和1970年代早期对集束光代数结构的经验研究，夸克——如我们现在所知道的——被特意从象夸克一样起初也支持同一个结构约束条件之网的其他候选者那里挑选了出来。
那么我们所建构的量子场的实在性又是怎样的呢？如果我们把上述看法应用到这一问题上，就不难找到问题的答案。场的概念被用于两个方面。一是用于提出描述这些假说性实体的关系和结构的场方程。二是用于提出作为同样这些假说性场的可观察表现的粒子概念。如果有关粒子的方程和各种结构陈述被经验研究所确证，那么场的实在性也就得到了确证。但是要注意，按照结构主义对实体的理解，这种实在性主张只能是部分的而无法是全部的或完整的，它仅仅涵盖了场概念所携带的并且到目前为止已得到确证的结构信息。也即是说，结构实在论将一种建构的和历史的特征归于了科学理论的概念或概念结构的客观性。
不可能过分强调上述说法对于理解量子物理学的重要含义。许多哲学家合理地争辩说，作为量子力学的一种特殊形式，量子场论在对其形式体系进行实在论的解释中秉有了与测量和纠缠有关的所有困难。也即是说，如果我们试图独立于我们的测量而把形式体系解释为存在和出现于世界之中的东西的客观描述，那么我们将陷于与观察矛盾的同样麻烦中。我们最多只能主张，形式体系描述在各种实验情况下所能呈现给我们的东西。正如Bernard d'Espagnat曾经评论的那样，量子物理学所教给我们的是：我们可以有一些现象实在或表象的或然性知识，但我们几乎无法获得只在经典物理学的语境中才有可能的有关独立实在或实在本身的任何知识。
但问题是，我们真能将现象世界与本体世界分离开来吗？在人类知识的范围内没有什么实在独立于人类认知活动而存在。但我们为什么把我们的认知活动仅仅看成是将本体世界与我们分隔开来的一道帏幕，而不看成是我们可以借此接近本体世界的一扇窗口？当然，我们有关现象世界的知识总是在各种约束条件下的人的构造。但既然现象世界仅仅是我们经验范围内本体世界的表现而并没有完全脱离开本体世界，所以这种构造肯定在本体世界中有其根源。确实，正如似乎损害了我们有关现象实在的知识客观性的不完全决定论题所主张的那样，甚至对于现象世界也可能存在着许多相互冲突的构造。但这些经验上等价而本体论上冲突的构造的共同结构却肯定是客观的，这意味着在给定的条件下这种共同结构不会受任何主观的影响。因此，坚持认为我们不能通过对有关仅仅是本体世界在不同情境下的表现的现象实在的结构知识的积累来获得有关本体实在的关系和结构方面的客观知识将是不合适的。
一旦结构知识的客观性得以确立，在概念上——正如我先前所争辩的那样——确立我们关于实体的知识客观性就只有一步之遥了。在量子场的情况中，如果我们知道由其形式体系所描述的实体就是场、通过场方程知道场的关系和结构特征并且非常清楚地知道各种经验情况中场的表现，那么我们必须承认我们对作为一种独立存在于那里的实体的场具有某种客观的知识，尽管这种知识由我们的构造所获得，看上去像包含了人类活动的这种构造的经验表现的知识而不是独立于认知活动的这种构造本身状态的知识，并且具有一种结构特征而不只是一种字面上正确的描述。
不过，随着通过概念构造和经验研究之间的一种反馈过程对我们构造的精心改进，随着在改进过程中我们对所研究的量子实体的结构知识的积累，在这一进步过程中量子实在的面纱将被逐渐掀去。这是我们历时构造的有关量子实在的知识的客观性。另一方面，我们有关量子实在客观知识的构造性质和结构特征会防止这一历时过程终止。而这种客观性的历时性加上上面提到的历时构造的知识的客观性也许是我们从量子场论的解释尤其是从对有效场论的精神内涵的解释中所能学到的最重要的一课。
［收稿日期］2010年8月10日