范#183;弗拉森的量子理论的解释思想，本文主要内容关键词为：量子论文,弗拉论文,理论论文,思想论文，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：N03
文献标识码：A
文章编号：1671-7023(2002)02-0014-06
自20世纪二三十年代量子力学创立以后，大量世界一流的现代科学哲学家都对量子力学基础问题做出深入研究，并提出了不少让物理学家们严肃对待的独到见解。两度出任美国科学哲学协会主席的著名哲学家范·弗拉森就提出了量子力学解释理论，这不仅是他的著名的建构经验论思想在量子力学哲学中的具体体现，也是他的一般科学哲学理论最主要的思想来源。然而，我国学者自1987年以来在国内重要杂志上虽已发表了近二十篇专门论述范氏建构经验论的文章和相关专著[1]，但至今未见一篇专门论述其量子力学解释理论的文献。
一、量子力学作为一般科学理论的解释
范·弗拉森的量子力学解释理论，是与他的科学理论观和他的科学理论的解释观紧密相连的。
（一）科学理论观
范·弗拉森认为，关于何为科学的问题，科学家与哲学家的回答是有所不同的。在科学哲学中，我们更关注的是科学的理论，把理论看作是科学活动的主要产品。科学活动被理解为是有产出力的，它的成功由所产生的理论的成功来衡量。任何一项活动的目的都是追求成功，但它的目的究竟是什么依赖于关于成功的一些内在判据，如赚大钱，赢得比赛，或获得博士学位等等。然而，究竟何为科学的成功？对此的回答，不仅在科学家和哲学家之间有很大的不同，在科学哲学家之间也有明显的区别。[2](1)
范·弗拉森认为，为了澄清上述问题，我们先要考察何为理论。科学史表明，一个科学理论必定是我们可接受或可抛弃、以及可相信或可不相信的陈述。接受一个理论意味着认为这个理论是成功的。科学的目的是给予我们成功的理论，也就是给予我们可接受的理论。现有的量子力学标准形式，在理论上和实验上均取得了巨大的成功，因而它是一个可接受的理论。[2](2)
何为科学理论成功的内在判据？范·弗拉森总结了两种主要答案。
一种是科学实在论的，它认为关于科学理论的成功的判据是真理性，科学理论是或对或错的事物，我们接受一个理论（视它为成功）是因为我们相信它为真。因此科学的目的是给予我们描述世界像什么的字面上为真的理论。[2](4)
另一种是经验论的，也即范·弗拉森自己所提倡的建构经验论。它认为科学理论的成功的判据，不是实在论者所认为的真理性，而是经验适当性。我们接受一个理论（视它为成功），包括我们仅相信它是经验适当性的，也即该理论所描述的内容与可观察现象相一致。不过，接受有一个语用维度，它涉及的内容要多于相信。因此，科学的目的是给予经验适当性的理论。
我们接受量子力学是因为它对可观察量的描述与实验惊人地相符，而无论电子的实体是否真实存在。
由于看到希尔伯特在形式论上重建欧几里德几何学的成功，许多哲学家认为一个纯形式理论可用一个纯句法学处理写成，而一个科学理论应由一个纯形式理论（即一个句法学处理的理想化公理系统）加上赋予意义的（对应）规则组成。运用这种方法，理论物理学的语言可完全地转换为实验助理的观察报告。但是，范·弗拉森认为，物理几何中的实例已显示物理关联不能作这种完全的转换。因此，尽管已取得了许多成功，这种分析哲学的语言转向最终已成为科学哲学进一步发展的一个障碍[2](5)。这也正是冯·诺意曼建立他的测量理论之后，许多科学哲学家沿这条途径继续努力而屡遭失败的一大原因。
因此，他认为，处理科学哲学的正确工具不是数学形上学，而是数学哲学，也即P.Suppes在上世纪50年代首创的语义学处理方法：为了呈现一个理论，我们直接定义它的模型类（无须公理化方法）。一个理论包括：理论性定义，它定义一类确定的系统；一个理论假说，它断言确定的真实系统是属于这个类的。[2](6)范·弗拉森正是基于他强有力的语义处理方法对物理态的深刻语义分析，而得出他独特的量子力学解释理论的。
（二）科学理论的解释观
我们认为，一个完备的科学理论，应该包括理论的描述部分和相对应的解释部分。在量子力学中，从爱因斯坦光量子说和德·布洛意波函数，经海森伯矩阵力学、薜定谔波动力学和狄拉克变换理论，到冯·诺意曼的抽象的数学形式体系，可看作是描述理论的基本完成；而相应的物理诠释却仅有从波粒二象性，经海森堡不确性度原理和玻恩概率解释两步，缺少相应的逻辑自洽的第三步。这第三步中所遗留的最主要的问题是测量问题。如何解决这个问题，首先需应用科学哲学中关于解释问题的成果。
范·弗拉森指出，科学不仅仅是表征现象，而且还解释它们。存在两种不同程度的解释：理论内部的科学解释(in science)和对整个科学理论的解释(of science)。[2](5)当然，任何一个解释均在某些方面是不完备的，因而人们总是在寻求完备。我们必须区分这两种寻求完备的企图：第一种是扩充，即通过增加新的经验内容以趋向完备，是In Science解释。第二种是说明，它有对原理论的更充分的说明但没有增加经验内容。一般的科学家主要意向于前者，而取消后者，认为它是“经验性多余的”（引用费耶阿本德的术语）。但存在这样的解释性要求：我们不但要说明这科学中正在发生什么(What is happening?)，还要说明照这个科学理论，实际上正进行着什么(What is really going on?)，或较温和地说，世界如何可能像这个理论所说的那样(How could theworld possibly be how this theory says it is?)。只要科学是想帮助我们建立或修正我们的世界图景的活动，这种解释性要求就不会消失。因此，这种解释是Of Science解释。
范·弗拉森还论证了科学解释的相对性、应用性、多元性和开放性。
科学的解释具有相对性，因为科学理论中所用的概念的内涵与外延均会随着科学的发展而变化，例如基本粒子的概念。科学的解释具有应用性，因为需解释科学理论与应用者的关系，它是语用性的。(3)(135)科学的解释是多元化的，因为照语义学观点，呈现一个理论就是呈现一簇模型，这个模型簇可以通过不同语言中的不同陈述方式描述，且没有任何语言形式具有优先地位。科学的解释是开放性的，因为解释一个理论至少必须回答“照这个理论，世界像什么？”，对这个问题的回答几乎不可避免地会有些许外推，很难说科学性讨论仅仅是完全致力于经验适当性问题。因此，尽管在关于科学的目的和理论的描述方面，建构经验论与科学实在论的回答是不同的，但在科学理论的解释方面二者可携起手来。因为二者均同意一个科学理论应对关于这个世界像什么的问题做出某些说明。(2)(4)
二、量子理论的主要解释问题
量子力学作为一门基础科学理论，对它的解释是现代科学哲学中纷争最多的主题之一。
（一）量子理论主要解释问题和方法
首先，范·弗拉森总结了需要解释的主要问题：
(1)测量问题：这是量子力学解释中首要的也是核心的问题。
(2)概率问题：何为概率？何为量子概率？量子逻辑的地位如何？
(3)ERP问题，即量子力学描述自然不完备吗？
(4)全同粒子问题，即全同粒子的全同性、个体性和不可区分性是什么意思？
对第一个问题，范·弗拉森给出他的著名的模态逻辑解释，然后再将这一成果运用于解释后三个问题。接下来，范·弗拉森将量子力学解释归结为三类[2](273)：
(1)非决定论的。例如冯·诺意曼解释，它认为量子力学态并非总是决定性地演化的，当测量发生时，就有非因果的态的编缩。
(2)决定论的。例如阿尔弗雷德的多世界解释，认为把一切可能世界均当成与我们的世界相平行的真实世界时，非决定论就消失了。
(3)非完全决定论的。这是范·弗拉森的模态解释，既不否认整个量子系统演化的决定论，也不否认测量结果的非决定论，而说这二者均是总的物理情态的不同方面。
其次，范·弗拉森又重申了他的量子力学解释方法：
(1)语义学处理的状态空间模型论方法与量子逻辑的成果相结合。
(2)数学哲学的方法而非数学形上学。量子力学理论的建立，依赖于强大的数学的作用，因此大多数量子力学解释问题实际上是抽象的数学分析问题。
最后，范·弗拉森还强调，一切严肃地讨论量子力学解释问题的尝试均必须开始于对测量问题的讨论。一切对测量问题的讨论均必须遵循玻恩－冯·诺意曼主线，即从玻恩几率解释规则开始，然后是冯·诺意曼解释规则和他的投影假定。[2](241)
（二）量子测量问题的重要性
从量子力学形式理论看，只要一个量子系统不与宏观客体发生相互作用，其运动就有含时间的薜定谔方程描述，那么它就将是一个只有演化的潜在可能性而没有真实经验事件的世界。而正是测量构成了理论与经验之间的联系，产生了真实的量子物理事件。[4](557)这可看作是需要测量理论的本体论原因。
范·弗拉森认为，在量子力学标准形式中，存在一个明显的循环论证。量子力学一方面将测量归入其基本原理，另一方面又将它视为相互作用的一个子集。更具体地说，我们认为量子力学的成功是由经验证明的，而经验即为测量结果的报告，但是，测量包含物理相互作用，它也必须遵循量子力学的基本原理。在这里，测量仪器的双重性显然需要一个逻辑自洽的测量理论来说明。这是认识论原因。
还有方法论的原因。按照范·弗拉森的模型论方法，测量是在经验关系和数学关系之间实现某种同构，从而推出原来理论中蕴含的关于可观察性质的概括。从解释的方法上看，测量理论应提出一种精确的分析，说明我们如何才能从基本定性观测推出定量判断。在正统解释中，这种分析是通过把实验上可实现的操作和关系作适当代数形式的公理化而提供的。这是冯·诺意曼测量所考虑的。这也正是我们要遵从玻恩－冯·诺意曼主线开始测量问题的具体研究的一个原因。
总之，一个完备的科学理论不仅要说明它所获得的信息，而且要说明这种信息获得的过程，也即要说明理论与经验的关系。而正是测量构成了这二者之间的联系。因此，对测量的分析，是任何解释中最敏感的部分。从这种意义上说，物理学是关于测量的科学。[4](553)
（三）测量问题
冯·诺意曼测量解释由两个阶段组成，即物理相互作用和人的观察动作。在其中，量子力学态分别进行两种不同的变化[4](557)：
(1)时间进程中的连续的和因果性的变化，其演化方式由薜定谔方程决定，称为可逆的自动的变化。
(2)瞬时的不连续的非因果的变化，它是将量子测量区别于一般物理相互作用的非决定论变化，是不可逆的。
按照范·弗拉森的解释思想，一个严格意义上的量子力学解释应是适当性的，并且是形上学中肯的。适当性即正好能重现量子力学标准形式的一切预言。冯·诺意曼测量解释通过它的投影假设再现了量子力学的第二个预言，即关于测量概率的预言；通过它的本征值、本征态关联再现了量子力学的第一个预言，即对可观察量测量的本征值的预言；通过它将测量仪器看作量子系统而与被测客体的相互作用依据薜定谔方程演化，再现了量子力学的第三个预言，即关于系统的态的演化的预言。因此，冯·诺意曼测量解释是一个经验适当性预言[2](265-280)。
形上学中肯是指，(1)不仅要说明作为测量结果的量子现象，而且要说明量子系统本身。即要说明按照量子力学，这世界应像什么[5](17)？(2)必须给予量子力学逻辑一贯的说明。其中最主要的一点是，不能将人的主观作用这非物理因素引入物理解释。在冯·诺意曼的测量解释中，这两点均未被满足。关于第一点，冯·诺意曼仅能从测量结果中说明可观察量的值，而不能说明不作测量的系统本身。关于第二点，冯氏解释中包含了两种不可约化的态的变化，一种由量子物理规律控制，另一种受人的主观意识控制，或者说冯氏给予测量一个不同于普通物理相互作用的特殊的地位[5](20)。
至今在将测量变作普通相互作用上已有许多尝试，它们以抛弃投影假设而达到上述目的。但却不能重现所有的预言。冯·诺意曼解释重现了所有预言，但给测量留下了特殊地位。这种在重现标准形式的一切预言和消除测量的特殊地位之间的二难，被规范化地称为测量问题。[5](21)
三、量子测量的模态解释
范·弗拉森及其他模态解释学派的学者认为，测量问题没有得到解决的原因是由于没有对玻恩规则和态的概念进行深入的语义分析。
（一）模态解释的主要思想
1.区分两种不同的非决定论
范·弗拉森认为，测量事件是从初情态向终情态变化的过程。一个完整的物理情态(situation)包括被测系统和环境两部分。
初情态包括：位于态W的量子系统，和拥有确定特性In的环境（包括处于基态的，在测量相互作用之前的仪器，其读数指针位于0位置）
终情态包括：位于态W的系统，和拥有确定特性Out的环境（包括测量相互作用后的仪器，其读数指针位于1位置）
因此，一次测量进程可表示为：
In,W→W',Out[[2](245)]
由于玻恩规则告诉我们的是关于测量结果的概率，也即关于测量过程的终情态显示的概率，因此可能存在如下两种形式的概率。(1)存在关于Out的概率，W'是完全决定的。(2)存在关于W的概率，Out是完全决定的。
相应地有两种非决定论：
非决定形式1：给定初情态(IN,W)，终态被完全决定。因此仅有的测量结果的概率是特征Out的概率，然后系统的终态也被给定。
非决定论形式2：给定终态，特性Out被完全决定，当初始环境有特征In时，仅有的概率是测量结果的概率。[2](274)
冯·诺意曼测量解释中，系统的态的变化包括了两部分：(1)W→Wt受薜定谔方程控制的决定论性演化。(2)Wt→W，受投影假设控制（变化概率为玻恩概率）是非因果性的。冯·诺意曼解释是第二种。
2.区分动力学态和值态
在物理学中有这样两种关于一个物理系统（它的真值条件清楚地被表处于这个系统的模型中）的基本陈述：
态属性：系统X在时刻t有态S。
值属性：系统X中的物理量（可观察量）B在时刻t有值b。[2](30)
因此在经典物理学中，值属性可看作是被态属性所能包含的一个特例。但在量子力学中我们必须考虑非确定性值属性，就不能将值属性看作态属性的一个特例。因为当你要确定所有的可观察量的值时，由于不确定度关系，一个系统的所有可观察量的值不能在同一时刻被全部确定。
因此，范·弗拉森认为我们必须小心地区分这两种态：
值态。完全由这样定义：说出可观察有值并且值是什么。
动力学态。完全由这样定义：说出如果系统是孤立的，则系统如何发展；如果系统受到作用，则它如何反作用。[2](275)
注意测量是一个相互作用，因此测量结果的预言属于动力学态的任务，动力学态的概念具有优先性。
区别这两种态的另一种表达是：
值—属性陈述：(m,E)，表示可观察量m真实地在实数区间E中有一个值。
态—属性陈述：[m,E]，表示态是使得在实数区间E中的对m所作的一个测量必定有一个结果。[2](275)。
3.测量中究竟发生了什么？
回忆：In,W→W',Out。
现在依据模态解释，In和Out分别表示初情态和终情态中的可观察量的值（值态），而W和W'分别表示相应的动力学态。由W向W'的变化完全由薜定谔方程控制，是决定性的，不包含非因果跳跃或塌缩。又因为W'是概率耦合态而非本征态，Out是确定性值态，因此，W'与Out之间的关系是统计概率关系，其概率等于玻恩概率。[3](p176)
进一步看，从W'到Out之间的变化是一种模态关系，即[m,E]蕴含
在一次冯·诺意曼测量中，In仅作为何为初始态的一个征兆，本身无预言功能。Out已部分地被动力学态（这里指被测客体和仪器形成的复合态）决定了：仅允许它在动力学态的有限的集合中做不可预见的变化，以作为量子现象（事件）的非完全决定论。显然，模态解释属于前述的第一种非决定论，即非完全决定论。
注意，值态本身没有增加经验预言能力，因此这是经验性多余的隐变量。当然，它是动力学态的一个征兆，因为我们可由关于可观察量事实上有什么值的信息，通过波恩概率的统计约束回推到它的动力学态。
接着，范氏运用量子逻辑的主要成果，定量地建立他的模态解释的语义学模型体系[3](p306)。
（二）模态解释如何解决测量问题
范·弗拉森称自己的模态解释是哥本哈根变体，因为它用稍稍不同于正统解释的方式解决测量问题。
第一，通过假设动力学态与值态的区别及其相互间的模态关系，取消了冯·诺意曼的解释规则和投影假定，并且能正好重视玻恩规则的一切预言。
在冯氏解释中仅有一种态（动力学态）的两种变化，在模态解释中有相应的两种态的变化。模态解释中的第一种态（动力学态）的演化与冯氏解释中的态的第一种演化（按薜定谔方程的决定性演化）完全相同。
冯氏解释中的态的第二种非决定性的非因果突变，在模态解释中是不需要的。因为模态解释相应地解释了两种态之间的关系是模态关系，动力学态对值态是因果性的非完全决定性的统计约束关系。
冯氏解释中的本征态、本征值关联的解释规则是为了说明编缩后的本征值与玻恩解释中的值陈述对应。在模态解释中相应地是，值态是使得值属性为真的这一陈述，由此取消了冯氏解释规则。
冯氏解释中通过指定波函数动力学态编缩的概率为玻恩概率，通过本征态、本征值关联和通过态的第一类演化，而重现量子力学中玻恩规则，可观察量测量的确定值和薜定谔方程演化三大预言。同理，模态解释也通过指定两种态之间的非完全决定关系为玻恩概率关系，值态与值属性陈述的关系和动力学态的演化，再现量子力学的三大预言。况且，模态解释虽然引进了值态这个隐变量，但它没有经验预言能力，也即没有增加不同于标准形成的新的预言。因此，作为哥本哈根变体的模态解释是适当性的解释。
第二，模态解释通过不依赖于测量而定义可观察量的值，不仅说明了作为测量结果的量子现象，而且说明了量子系统自身。
我们通过动力学态、值态和可观察量的值三者的关系来说明这点。
若已知可观察量的值（确定值），则值态被给定。根据玻恩规则，可观察量的确定值只有在测量时才能被给定，因此必须在测量结束时值态才被给定，即值态必须依赖测量而有定义。但测量是用动力学态的决定性变换来说明的。因此值态的给定受到动力学态的控制。但又因为又假定了动力学态对值态的模态关系符合玻恩概率关系，因此动力学态给出了对值态符合玻恩概率的统计约束。
所以，当有测量发生时，可观察量的值是动力学统计约束内的所有可能值之一，变成了真实值。而在没有测量发生时，可观察量的值必定是动力学统计约束内的所有可能值之一，只是我们不知道它究竟是哪一个值。模态解释以这种方式描述了所有时间内系统的性质，而无论是否作了一次测量。模态解释由此对量子测量做出了逻辑一致性的解释。
从以上两方面看，我们可以说范氏模态解释是一个较严格意义上的对量子测量问题的解释。
范氏运用他的模态解释尝试解决还原与合成，复合系统中测量问题和可重复性测量的模态解释问题，并解释概率、EPR和全同粒子等其他量子力学的哲学问题。[2]以此建构他的整个量子力学解释理论。因此，测量的模态解释是范·弗拉森量子力学解释理论的核心，正如测量问题是量子力学解释问题的核心。对比范·弗拉森的一般科学哲学——建构经验论——与他的量子力学解释理论，如果说前者的可观察概念、经验主义方法论和语义学处理方法，是后者的一般的方法论与概念基础，那么后者中的模态解释就是前者的科学说明观和概率的模态频率解释的具体科学思想来源。因此建构经验论与量子测量的模态解释是范氏整个科学哲学体系中两个密不可分的部分，缺少一个，另一个也难以自立。对比其他科学哲学大师如波普尔、莱欣巴哈、费耶阿本德等人的科学哲学理论，也无不存在着类似的二重结构，那种没有在对当代基础科学理论的彻底理解和创新解释的基础上就匆忙构建自己的科学哲学或科学的哲学的幻想，不仅是可笑的，也是不可能实现的。
收稿日期：2002-01-06
标签：量子论文; 科学论文; 量子意识论文; 量子理论论文; 量子力学论文; 物理论文; 动力学论文; 科学哲学论文; 决定论论文; 力学论文; 系统论论文;