量子测量的还原困惑及其消解，本文主要内容关键词为：量子论文,测量论文,困惑论文，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〕NO 〔文献标识码〕A 〔文章编号〕1000—0763—(2007)02—0038—06
量子测量引发的还原争议最早可以追溯到冯·诺伊曼测量理论的提出，该理论中的投影假说直接导致了二元论测量解释的产生。以伦敦—鲍厄、维格纳为代表的量子测量二元论者提出了量子测量必须依赖观察者的心理作用。而在还原与反还原的争论中，通常认为心理学是无法被还原为物理学的。这样就构成了量子测量理论还原之路难以逾越的第一个死结。第二个死结也是由投影假说引发的，那就是作为宏观物体的测量仪器及其量子物理效应不能得到微观还原解释，David C.Scharf在1989年的《量子测量同科学统一进路》一文中详细地阐明了量子测量的正统解释同普遍微观还原(universal microreduction)的矛盾，从而展现了还原进路的另一大疑难。而量子纠缠、非定域性显示的整体性几乎将还原之路封闭，以致一些学者如Maudlin声称“还原论死了”(reductionism is dead)[1]。还原论真的无路可走了吗？还原进路的这三大死结能否解开呢？我们能否架构一种新的体系去维持还原的生命力呢？本文在分析这几种困惑的基础上，试图解开引发困惑的三大死结。为此，本人提出：放弃强还原、寻求弱还原，重释还原概念的内涵，撇开理论还原分析、坚持问题还原进路，以此继续坚持科学的还原之路。
一、量子测量及其正统诠释
1.量子测量及其难题。经典测量和量子测量本质上是两个完全不同的概念。在经典世界里，测量仪器同测量客体的作用关系是单方向的，即只有客体对仪器施加的单方向力，同时测量仪器同测量客体二者是截然分开的两个独立体。另一方面，仪器同观察者的关系通常被认为是超出物理理论之外的，所以整个物理过程完全独立于观察者，也就是观察者对测量客体和测量仪器没有任何干扰。然而，在量子世界里，这种情况有了根本性地转变，这不仅因为在量子测量中不能忽略仪器对客体的反作用力，而且更不能忽略观察者同仪器的心理物理作用。
量子测量难题的焦点就是波包塌缩。一个由波函数Ψ(x)描述的微观体系，假如要测量由哈密顿算符
表示的物理量q，那么会得到的本征值q[，n]，该值是测量这个物理量q所可能得到的结果之一。波函数Ψ(x)
2.量子测量正统诠释的基本观点。对于量子测量面临的上述问题，以冯·诺伊曼为首的正统诠释派的观点可以归结为如下几个方面。首先，他们认为量子力学是一个关于微观物理的完备性理论，投影假说是一条独立的基本公理，它已经不再需要别的理论去解释。其次，微观物理系统的完备描述可以由希尔伯特空间的态矢量所给出，其中系统态随时间的变化有两种不同的方式进行：一是在没有测量干扰的情况下，量子力学系统的态将按照一种精确的决定性方式进行，这种变化是连续的、因果的、可逆的，该进程的精确数学描述可以通过薛定谔方程得到；二是在有测量的时候，系统会发生态的变化，这种态的变化是不可控制和非决定性的，是不连续的、非因果的、不可逆的。量子测量系统的这两种不同的态变化方式必然需要两套不同的公理去描述。第三，他们提出了投影假说，以此来描述量子力学系统的这种转变。投影假说可以简单描述如下：在一次可观察量的给定测量之前，假如一个量子力学系统不在该可观察量的一个本征态，测量通过将其投影到该观察量的其中一个本征态，而使系统态产生了一个非决定性的改变。一个可观察量通常是指那些可测量的物理性质，例如位置、动量、自旋等等。第四，测量仪器同量子系统的相互作用本质上不同于两个不同量子系统之间的相互作用，因为后者可以用薛定谔方程进行精确描述，而前者却不能。最后，冯·诺伊曼认为，一次测量显然只是一个有限的操作，通常它以观察仪器上的指针位置的动作而宣布完成。所以他认为得到这个结果的过程是一种不连续的，非因果的瞬时变化。但是波包塌缩这个动作是发生在什么地方以及是如何发生的呢？对这个疑问，冯·诺伊曼认为必须引入人类意识，也就是一次完整的测量也包括观察者的意识，而且他还认为这两种态的变化过程是不可约化的，世界划分为被观察部分和进行观察部分，这两部分尽管分界线可以移动，但却是互不约化的。
二、量子测量中的三大还原死结
从上面关于量子测量的简单分析中，我们就可以找到造成量子测量还原困惑的关键所在了。一是人类意识的引入；二是描述宏观仪器属性的投影假说是一条基本公理；三是波包塌缩中呈现的一种非定域、超空间的关联。这三种困惑直接或者间接都来自测量理论的投影假说。
1.测量主体心理作用的介入。在量子测量中，在仪器和观察者之间存在心理物理作用。冯·诺伊曼首先提出如果不提到人类意识，就不可能表述一个完备的、前后一贯的量子力学测量理论。世界划分为被观察的部分和进行观察的两个部分，这两部分尽管其分界线可以移动，但是二者是不可约化的。冯·诺伊曼的这种二元论测量理论在伦敦和鲍厄那里得到了进一步的发展。里普斯的移情作用观念以及贝歇尔哲学使得伦敦和鲍厄将精神的能动性看作一种物理上的相互作用，他们提出了精神收缩理论。在他们看来，薛定谔猫是活还是死，只有观察者打开箱子看才能知晓。而冯·威扎克将客体同观察者之间的不可分离性推的更远，他不仅将这种不可分离性建立在认识的精神行为上，而且还建立在意愿的精神行为上。不提主体的知识状态不但不能作出任何陈述，而且这种陈述还永远是观察者意愿决定的结果。例如海森堡的γ射线显微镜理想实验中，电子是具有确定的动量还是具有确定的位置，取决于观察者决定把照像底片放在哪里。维格纳继承了伦敦和鲍厄的主观主义的观点，并提出“维格纳的朋友的悖论”来证明意识或精神会影响生命系统的物理化学条件。观察者心理状态的引入使得物理学糅合了心理学的因素。而在普特南等人看来，心理学是无法还原到物理学的，他们的根据就是任何一种心理状态具有多重可实现性，例如痛这种心理性质无论在事实上还是逻辑上都并非只是经由唯一一种物理性质或者物理事件类型实现而来，实现痛的物理性质可以是多种多样的。将量子测量具有心理物理作用和普特南、福多等人提出的多重实现性结合起来，必然会推演出量子测量理论无法进行还原的结论。这一结论对持还原论和科学统一进路观点的学者而言，的确是一个头痛的事情。近来有人认为消相干可以根本性地消除意识的介入，从而使量子测量真正回到客观性上来。“有意识的观察者、有生命的动物的任何特殊的作用，几乎从整个讨论中消失了。”[3] 本人认为，要从根本上消除人的意识的介入是不可能的，因为本质上，量子世界只是在量子理论的背景下凸现的一个世界，投影假说也好，纠缠理论也好，消相干理论也好，都是量子理论的一部分，量子理论的自洽性并不在于该理论如何同真实的微观世界如何相符，而在于自身的逻辑一致性，这种逻辑一致性从根源而言离不开人的意识的建构。也许有人想继续去追问意识的起源等问题来否定上述的观点，但是他的前提已经预设了意识的存在。
2.David C.Schar提出的测量仪器及其属性的突生论。David C.Scharf的观点主要可以表述如下：量子物理测量的状态由投影假说给予形式化的表达，在正统观点看来，投影假说是量子力学中的一条基本公理，这也就是说该公理不能通过组成仪器的基本粒子的状态规律推演而来，它是复杂事物的一条基本公理。该观点在他看来是同微观还原观点相矛盾的，因为在微观还原论者看来，任何复杂事物都由基本事物所组成，同时复杂事物的性质也可以由基本事物的性质以及它们间的关系推演出来，所以本质上投影假说这一反映宏观仪器的理论必然不应该是一个基本的或者原始的理论，该结论正好同哥本哈根的正统观点相反，因为哥本哈根观点认为量子力学的公理体系是完备的，在它的公理体系中，投影假说是一条原始的公理。David C.Scharf从Robert Causey关于还原的观点，推演出那些借助投影假说所得到的可观察量的本征值必然是突现而来的。因此，这里面临的一大问题就是：“要么科学统一的还原观念是错误的，要么当前的微观理论是不充分的”[4]。在寻求这一答案的过程中，许多赞成量子力学是不完备的学者提出了隐变量理论，然而在大量的物理学证据之下，当前的主流物理学界都一致不支持隐变量理论。如果那样，这一矛盾必然会单一转化为科学统一的微观还原进路是错误的、是不可能的，所以还原进路在这里再次受到严重阻碍。
3.量子测量中的量子纠缠显示了整体论、随附性的失败以及突现论。纠缠态是1935年薛定鄂提出的。所谓纠缠态就是指多自由度或者多粒子体系的一种特殊形式、但是又广泛存在的一种量子态，即在任何表象中，都无法写成各自由度(或单粒子)的直积形式的量子态。玻姆以自旋为1/2的二粒子体系的自旋单态为例，把这种非局域关联进行了详细的表达。在自旋单态下，无论两个粒子相距多远，对于它们自旋沿任意方向的投影测量结果，总是相反。纠缠产生后，即使以后两系统间不再有相互作用，两系统分开很远后，对其中一个系统的测量也会影响到另一个系统的状态，这就是量子力学的非定域性。纠缠态有纯态纠缠态、混态纠缠态，我们在这里可以对纯态纠缠态做一简单说明。例如，两能级系统A、B组成一个Bell态
B粒子状态的这种关联塌缩是A+B系统测量塌缩的不可分割的一部分，所以它是同时的、并且是非局域性的、不可逆的、斩断相干的，具有超时空的性质。这种量子纠缠非局域性表明了不同粒子态之间的整体性特点。此外量子系统同环境发生的不可避免的消相干也证明了世界的不可分割性。作为还原的一大前提就是事物的可区分性以及事物的层次性。所以量子纠缠成为了还原的第三大死结。
三、化解量子测量之还原死结的几种方案
以上我们分析了引发量子测量还原困惑的三大死结：物理学心理作用的介入；测量仪器及其属性的突生论；量子纠缠导致的整体论。如果我们要化解量子测量同还原的矛盾，首先就要围绕如何化解这三个问题而展开。
1.心理意识引发的矛盾的消除。要消解心理意识的介入同还原的矛盾，从逻辑上分析，有这么几条途径。一是从根本上否定量子测量的二元论，坚持量子测量的客观性，彻底否定测量的主观性；二是在承认心理作用有介入的情况下，提出心理学是可以还原的。
否定测量的主观性，这在量子力学的发展中，约尔丹、邦吉、爱因斯坦、埃弗雷特都是代表，他们坚持量子测量的客观性，力求消除观察者意识的介入。邦吉驳斥了量子测量中的“鬼影憧憧”，声称所有涉及观察者或其活动的问题都应该移交给心理学。埃弗雷德的多世界理论“不仅旨在消除对经典的宏观观察装置或外部的最终观察者的需要，而且还要消除对其形式体系的先验的操作解释的需要”。[5] 在量子消相干效应发现以后，许多人都认为量子消相干能从根本上消除量子力学心理意识的介入。这些人认为，由于量子系统同环境的耦合，最后导致干涉项逐步消失，由此可以客观、唯物地进行测量解释。然而，在本人看来，要彻底消除观察者的心理意识的介入，从科学的本性来看，是很难做到的。科学实验的设计、实验数据的收集整理，这些都无法脱离人的意识。正如玻尔所说的：“根本就没有什么量子世界。仅仅只有一个抽象的量子物理描述。认为物理学的任务是发现自然是怎样的观点是错误的，物理学关心的只是我们关于自然能说什么。”[6] 如果无法避免心理意识的介入，那么我们该怎么化解量子测量同还原的矛盾呢？
心理学的不可还原最先是普特南等人提出的，然而在1979年以后，Robert Richardson对普特南的观点予以了驳斥。他认为普特南等人忽略了两点：一是心理学的自主性依靠心理假定同生理学假定不匹配这一事实进行辩护是有问题的，因为功能心理学对一系列物理上的实体是适用的。二是在基因学里面，他认为普特南等人同样有错误的匹配，因为在“基因”和分子结构的描述之间，至少有一种强烈的趋势让我们感受到转移基因学是可以还原到分子生物学的[7]。Robert Richardson的批判提出了一个问题，那就是心理学真的是不可还原的吗？事实上，随着科学的进一步发展，可能会有这种情况，即原来好像无法还原的理论，而现在却可以还原了。也就是，由于理论的不断深化以及新理论的不断提出，需要被还原的理论同原先存在的理论可能不存在还原关系，然而却可能同新的理论搭建起还原关系。正如林定夷先生在一次关于还原论的报告中所说的：“现在不能还原，并不表示将来不能还原，现在不能还原只能说明我们目前的知识还达不到还原的层次”。[8]
2.突生论引发的矛盾的消除。David C.Scharf的观点的要害是提出测量的正统诠释同微观还原之间是矛盾的。如果要消除这种矛盾，那么一种办法就是否定测量理论的正统诠释；而另一种办法可以从析解“微观还原”和“还原”这两个概念的不同入手，因为“微观还原”同测量的正统诠释互斥，但并不等价于“还原”也同测量正统诠释相斥。
首先分析第一种情况，即否定测量理论的正统诠释。1952年，玻姆提出了隐变量理论，该理论从根本上试图将量子力学视为一种统计理论，从而否定现有量子力学的完备性。但是，迄今为止，物理上所有的实验包括玻姆的假想实验都不支持隐变量理论，同时贝尔定理也证明了隐变量理论对实验结果的预言同量子力学的结果是不符合的。的确，目前主流的物理科学家一致认为量子力学本身是完备的，并不需要什么更深层次的隐变量理论。所以要消除突生论引发的还原困惑，这一条路似乎很难走通。本人认为，要消除突生论引发的矛盾，可以采用另一种方法，即从区别“微观还原”同“还原”概念所涉及的范畴不同入手。“微观还原”是指本体论意义上的还原，通常是指一种不同物质层次间的还原，而且还原的所指是不断深化的那些微观粒子。相反，“还原”这一概念包含的范畴较大，不仅包含本体论意义上的还原，更包含认识论意义上的还原；本体论上不仅包括从宏观到微观的还原，而且还可以包括由微观到宏观的还原；不仅包含理论还原，也包括问题还原。David C.Scharf提出的观点的确凸现了测量正统诠释同“普遍微观还原”这个小范畴相冲突，但是这种冲突并不能推演出测量正统诠释同“还原”这个大范畴相冲突。事实上，在量子理论的发展中，撇开测量仪器及其量子属性不能被“微观还原”之外，还存在很多典型的“还原”例子，如下面就要分析的量子测量的动力学还原就是典型的例子。
3.量子纠缠显示的整体论同还原的矛盾消除。为了消除量子纠缠引发的还原困惑，Andreas Hüttmann最近提出这一观点：必须区分微观还原的两种不同情况，它们分别是“同时还原”和“历时还原”。量子纠缠只同其中一种微观还原——“同时还原”相抵触，但它并不没有否定另一种微观还原——“历时还原”。[9] 按照他的观点，所谓“同时还原”就是在时刻t处于某个态的复合系统能根据处于时刻t的其构成组分的各个态加以说明。“同时还原”可以被建构成依靠其组分的态和这些组分合成法则的一个D—N解释。而“历时还原”是指在时刻t处于某一态的复合系统能根据这个复合系统的更早时刻的态和该系统的动力学演化加以说明，其中这个早些时刻的复合系统依次同构成它的部分紧密相连。换句话说就是复合系统的动力学可以根据其部分的动力学来加以解释。对于量子历时微观解释，Andreas Hüttmann认为它同经典力学的还原情况是一样的。复合量子力学系统的动力学解释和经典力学中的动力学解释具有一样的还原属性。如果经典力学被用来当作我们历时还原的范式的话，那么量子力学在这一方面同它的经典对应物一样也是可还原的。事实上在固态物理学当中，我们有很多这样还原的例子，像晶体，液体和金属的行为属性都可以根据构成它的分子、离子的行为属性加以解释。Andreas Hüttmann驳斥反还原的要害是从语义上将“微观还原”这一概念分解为“同时还原”和“历时还原”，在此基础上，证明量子纠缠否定的只是“同时还原”，而不是“历时还原”，在历时还原这一层面上，还原之路依然前途光明。
四、为还原论辩护的几种新思路
在消解了上述三种死结引起的还原进路困惑之后，本人认为如果要从根本上继续弘扬还原论，那么在方法论层面上，我们至少还要转变三大观念。
首先，放弃强还原，坚持弱还原。内格尔的理论还原模式自上世纪六十年代提出以来，已经受到了很多人的批判。他强调的基本理论同从属理论间的术语可连接条件，以及可推导条件从根本上来说走的是一种强还原之路。这种还原模式事实上在科学理论的演化中是很难见到的。而弱还原强调的是一种放宽还原的条件，如采用增加附属原理集等办法，以此达到科学解释的目的。在现实理论关系的分析中，采用弱还原模式不仅可以很好地解释科学理论演化中出现的许多还原情况，而且还可以借此辟出一个新的维持还原大旗不倒的康庄大道。
其次，语义上对还原论进行新的释义。在语义上对还原这个概念进行新的解释，这一途径可以说是一条最简单的辩护还原的办法。然而，这里并不能理解为随意地去拓宽还原这个概念的外延，从而造成还原概念的泛滥，而是要澄清还原这一概念本身所蕴涵的意义，将它本身所蕴涵的意义进行细致化的区分。比如，还原不仅包含本体论上的还原，而且还包括认识论的还原；不仅包括微观还原，而且包括宏观还原；即使是“微观还原”也不仅包括“同时还原”，而且还包括“历时还原”。不加区分这些概念、忽视还原概念的层次和具体类别，在没有弄清还原的内涵的情况下，就盲目下结论反对还原或者支持还原都是不妥的。只有澄清了还原的概念，我们才能搞清科学理论演化的一些具体案例究竟在还原这个概念范畴中起了何种作用。
最后，走问题还原之路。问题还原作为同理论还原相对的一个概念，一直以来被许多学者所忽视。问题作为同理论相对的一个概念，是理论的起因。在一些没有理论还原的地方，却可以存在问题之间的还原。例如，对于完整的一个量子测量问题，可以还原成一个问题，那就是波包塌缩问题，因为本质上量子测量可以分成三个阶段：谱分解、波包塌缩、初态制备。对于谱分解阶段，被测态依然保持着原来的全部相干性，该过程由薛定谔方程进行解释。而初态制备的机理也是显然的，因为在测量之后，该初态将在新的Hamilton量的控制下开始新的演化。而唯独波包塌缩却是一个悬而未决的问题。事实上，对于波包塌缩问题又可以细化为以下诸多问题：量子测量为什么本质上是随机的？这种随机的物理根源是什么？塌缩为什么是不可逆的？塌缩为什么是非定域性的？特别是为了解决非定域性问题，量子纠缠问题又开始被牵涉其中。从这里，我们看到，尽管存在不同层次的问题转化，但是每一层问题并不必然要对应一种理论。换句话说就是，尽管不可能存在理论还原，但是依然可以看见问题之间有还原。所以，在理论还原走不通的地方，我们可以寻找问题之间的还原关系，以此来达到理解科学进步的目的。科学进展中存在的形形色色的问题还原，必将成为对付反还原论者的一大武器。关于问题还原的详细论证，读者可以参考本人的新作《问题还原——被遗忘的研究视角》[10]。
五、结论
量子测量中涉及的一些问题的确为还原论制造了许多麻烦，如心理作用的介入、测量仪器及其量子属性的突现论、量子纠缠引发的量子世界的整体论等。然而，从总体上来看，并不是像一些学者所说的“还原论死了”，我们依然可以找到一一化解这些麻烦的办法。只要我们在方法论上改变一下还原的策略：放弃强还原、坚持弱还原，对还原概念进行深入、细致的语义分析，尝试走问题还原之路，那么还原论必然将焕发新的活力。
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