量子理論對于物理實在的結構表征

李宏芳

（武漢大學哲學學院，湖北武漢430072）

量子理論對于物理實在的結構表征

李宏芳

（武漢大學哲學學院，湖北武漢430072）

關于人類知識和真實世界之間聯系的理解，量子理論的建立要求我們修正經典的實在觀念。量子理論對于微觀結構的表征以非定域性、非充分決定論的因果關系和描述框架的多重不相容性區別于經典理論。量子理論以結構實在的新形式豐富了科學實在論的研究。

量子理論；物理實在；結構表征

20世紀以來，隨著現代物理科學的發展，特別是量子理論的建立，關于人類知識和真實世界之間的聯系這一古老的認識論問題，在新的科學理解層面上，有了新的研究復雜性。這種新的研究復雜性源自量子理論對于物理實在的結構表征，相比經典理論對于物理實在的結構表征有了新形式和新特征。量子理論以其內稟的不確定性或說非定域性，統計決定論或說非充分決定論，描述框架的多重不相容性或說互補性，區別于經典理論對于物理實在的結構表征。量子理論刻畫的量子世界的物理圖像，以結構實在的新形式，豐富了科學實在論的研究視域。

下面我將分三個方面來具體闡述量子理論表征物理實在的結構特征，從結構實在的視角來理解人類知識和真實世界之間的聯系。

一、量子實在具有非定域性和統計決定論的結構要素

在經典力學中，借助于相空間的點，我們可以確定質點在任一時刻的狀態。這些狀態點的集合構成質點的狀態在相空間的軌跡，給出了質點狀態變化的一種幾何描述。但是，在量子力學中，微觀粒子的一個基本性質是服從海森堡的測不準原理，因而在量子力學中我們不能用相空間中的點結構描述微觀粒子量子狀態的意義。在量子理論中，當我們描述一個物理系統時，使用的是屬于一個希爾伯特空間的波函數。波函數作為刻畫量子狀態的數學結構，不僅僅是一個數學符號，它作為幾率幅，具有結構實在性，可以傳遞給我們微觀量子態的信息，讓我們擁有對于微觀量子態的認識。但是，與經典相空間中的點結構所描述的經典粒子具有確定的位置或動量不同，量子理論的波函數結構所描述的量子粒子不擁有一個精確的位置或一個精確的動量，而是位置或動量的一個概率分布，因為波函數的模方給出了粒子在某一時刻出現在某點附近單位體積內的概率。而且，根據海森堡的測不準原理，我們不能同時測準一對共軛物理量：對粒子位置測量得愈準確，對其動量的測量就愈不準確。可見，量子理論的數學結構及其物理描述以其內稟的不確定性賦予了量子粒子或說量子存在物以不同于經典理論的結構形式。如果我們承認量子理論的數學結構及其物理描述的客觀實在性，我們就應該承認量子理論的數學結構所表征的物理量的結構實在性。這種結構實在以內稟的不確定性顯現為量子態的非定域性。

量子理論的結構具有內稟的不確定性，是一種非定域的結構實在，這也意味著量子動力學定律是統計的或說概率論的。眾所周知，經典動力學的基本定律是決定論的。在經典動力學系統中，給定一個初態和邊值條件，它的末態就能被確定地預見。而在量子動力學系統中，即使給定一個精確的初態，量子系統的未來行為也不能被確定地預見。量子理論中這種系統隨時間演化的不可預見性，是量子系統的內稟性質，與經典物理學中隨機的時間演化情形，諸如一個布朗粒子的擴散，形成對比。經典的不可預見性的產生是人們使用了一種粗粒化的描述，忽略掉了潛在于經典隨機性下更為基本的決定論系統的一些信息。而原則上人們總可能給出經典系統一種更為精確的，沒有概率要素的描述，或者說至少可以把不確定性減少到人們希望達到的程度。與之不同，當玻恩規則作為一條公理進入量子理論，量子世界就產生了一種不導源于粗粒化的量子統計描述。量子統計描述作為量子理論把概率的時間演化包含為一個基本特征的結果，是不能通過在希爾伯特空間引入隱參量還原為經典決定論描述的。這是20世紀60年代以后物理學家面對貝爾不等式的實驗檢驗不得不接受的事實。

然而，我們目前理解的量子力學并不就是表征世界如何運行的終極理論，很可能在未來某時，量子力學的幾率定律將由一個回到了某種決定論形式的更高級的理論導出。如果是這樣，我們就有望弄清楚決定論的經典實在與概率論的量子實在之間的關聯。但是同樣可能的是，未來的理論仍將把概率的時間演化包含為一個基本的特征。如果是這樣，接受量子理論的數學結構及其物理描述的統計實在性，就不僅是由量子理論的內在結構特征決定的，也是由物理世界對于理論的自然選擇決定的。總之，放棄經典決定論，把隨機的時間演化接受為物理實在的結構要素，是20世紀物理學家面對原子物理學中的實驗結果不得不做出的選擇。量子理論對于微觀世界的刻畫，以概率的或說統計實在的結構要素，豐富了我們對于科學實在論的研究。

二、量子實在具有不相容的結構多重性

量子理論在表征物理實在方面區別于經典理論的另一個顯著特征是：量子理論允許人們用互不相容的多重描述來表征一個物理系統。當用量子理論描述一個物理系統時，人們能從關于系統的相同信息出發，從不同的不相容框架中推導出兩個或多個不相容的描述。這些不相容的描述在各自適合的條件下都是對于系統結構的真實描述。但是，由于量子力學的數學結構，例如波動結構和粒子結構的不相容性，它們卻不能合并為系統的一個單一的描述，只能以互補的形式給出系統多重的結構描述。這種多重的，不相容的量子描述對應著量子實在的結構多重性，在我們的日常經驗世界中沒有好的經典對應。

然而，并不是描述的多重性才把量子力學與經典力學區分開來，因為同一物體的多重描述一直出現在經典物理學和日常生活中。例如，一只茶杯當從頂部看或從側面看時有不同的外觀，側面的視圖依賴于把手的位置。但是，在猜想這些不同的描述指稱的是同一個物體這個意義上，我們決不會有任何疑問。因為經典物理學允許一個物體的兩種或多種正確描述合并為一個更為精確的描述。運用粗粒化的方法，即通過忽略某些細節，我們也能從這個單一的詳盡描述中獲取相應于每個細節的真實描述。例如，在經典相空間中，對于一個系統的描述，通常說來，我們使用的是點結構，位置和動量可以精確地確定。但是，當我們對相空間中的一個區域，而不是一個點作詳細說明時，就產生了對于一個力學系統的粗粒化描述。這種粗粒化描述給出了我們對于這個力學系統的某一個側面的了解。

量子描述的多重性也是對一個物理系統的不同側面或說不同結構的描述，但由于是從不同的不相容的描述框架出發，因而與經典物理學的多重描述不同，量子描述的不相容性阻止不相容的描述結合成一個更為精確的描述，因此使產生一個單一的，詳盡的量子描述成為不可能。也就是說，不同于經典物理學中的情形，在量子力學中，兩個不相容的方面不能同時進入一個量子系統的描述之中。因此，單一性不是量子實在的要素，量子實在具有結構多重性。這種結構多重性源自量子系統描述框架的多重不相容性。但是，量子不相容性非常不同于相互排斥的描述觀念，相互排斥的描述意味著一個描述為真，另一個描述將為假；而不相容的描述意指對一個量子系統描述的不同方面，它們可以是相互補充的，但不能比較或合并。

量子系統的描述框架具有不相容的多重結構，這就意味著物理學家在對一個量子系統進行描述時，需要從許多不相容的框架中做出選擇。這種選擇的自由偶發性的被誤解，以為這里存在著主觀意志。事實上，為了構造不同的不相容的描述，物理學家使用不同的不相容框架的自由，并不會使量子力學成為一門主觀性的科學。從根本上說，描述的多重結構是由量子系統的本性決定的，這些不相容的描述框架在表征量子系統的結構特征方面沒有一個比另一個更為適當或更為“真實”。當兩個物理學家使用相同的框架，從相同的初始數據出發來回答相同的物理學問題時，他們將得到完全相同的結論。甚至當某些問題能用多種框架表達時，他們也能得出相同的回答。例如，海森堡的矩陣力學和薛定諤的波動力學，都可以回答微觀量子態的行為方式。這里，不存在哪種描述方式更為適當或更為真實的問題。所以說，為了構造一個量子描述，一個物理學家在選擇一個框架時偶然考慮了什么，無論如何不以在某種意義上類似于意志力的東西影響物理實在的結構。

三、宏觀量子態也具有結構實在性

我們與物理實在最直接的聯系，來源于我們對于宏觀世界的感覺經驗，比如我們看到的，聽到的和摸到的，等等。一個基本的物理學理論，至少在原則上，應該能夠對于我們在日常生活中碰到的宏觀現象給予說明。但是，是否由此就有理由認為，基本的物理學理論必須全然由來源于日常經驗的概念來建立的呢？或者把它們限制在日常語言的描述之中？現代物理學理論提出了各種各樣奇怪的東西，從夸克到黑洞，它們與日常經驗完全不同，對于它們的描述經常要求某種相當抽象的數學。在物理學家看來，只要它們構成了一個連貫的理論結構的組成部分，能與我們的感官可到達的東西發生聯系，即使在某種程度上是間接的聯系，我們也沒有理由否認這樣的東西是物理實在的結構要素。

近年來，隨著量子理論和量子測量技術的發展，宏觀量子疊加態作為物理實在的結構要素，成為物理學研究的對象。眾所周知，宏觀世界能用經典物理學很好地描述。然而，一個一致演化的量子理論表明，在經典物理學應用得很好的情形中，經典力學實則是對于世界的一個完全的量子力學描述的極好近似。也就是說，量子力學原則上能夠以一種令人滿意的方式說明我們的日常經驗世界。通常認為，這個量子描述使用的是一個能使適當的宏觀投影儀表征宏觀物體性質的準經典框架；而相關的歷史，即對我們顯見的宏觀物體的性質，作為經典運動方程的解的極好近似，是由一個退相干過程，即由運動系統與其內部或外部環境的相互作用邏輯一致地造成。

然而，事實上，量子力學也允許用非準經典框架來描述宏觀系統。即現代量子理論的研究進展表明，宏觀系統不僅可用準經典框架來描述，還可用非準經典框架來描述。例如，確定一個自旋為1／2的粒子從斯特恩－蓋拉茲磁鐵的哪一個通道出現的宏觀探測器能由一個準經典框架描述，在這個框架中，一個或另一個探測器探測這一粒子；也能由一個非準經典框架描述，在這個框架中，初態一致演化為探測系統的一個宏觀量子疊加態。現在的問題是：假如這種宏觀量子疊加態在實驗室從未觀察到，是否由于量子力學允許物理學家使用這兩種不相容框架中的任何一個來構造對這種情形的一個描述，就認為這是量子力學作為一個基本理論的一個缺陷呢？

如前面所論述到的，兩個不相容的量子框架不代表相互排斥的可能性，即不代表準經典框架正確描述的世界，就不能由非準經典框架正確地描述，反之亦然。兩種不相容的框架是人們用來描述量子系統的不同方面的手段。如在斯特恩－蓋拉茲磁鐵的例子中，為了討論哪一個探測器探測到了粒子，人們必須使用準經典框架，因為在非準經典框架中這種探測粒子通道的想法沒有意義，量子力學排除軌道的概念；而討論“宏觀量子疊加態”或“一致時間演化”，非準經典框架就非常適合，因為這些概念在準經典框架中是沒有意義的。上述兩個框架中任何一個都能用來回答適合它回答的那些問題，但由這兩個框架給出的答案不能合并或比較。

顯然，如果我們試圖建立一個探測宏觀量子疊加態的實驗，那么我們就需要使用一個非準經典框架，以確定探測系統是否處在宏觀量子疊加態或它的某種正交態。然而，根據量子理論，對于宏觀量子疊加態的實際觀察是極端困難的，因為宏觀物體的退相干過程極端迅速，在人眼觀察之前退相干早已發生。因而，無論如何，實際上不可能把某個對相對相位敏感的儀器構造在一個宏觀疊加態中。為此，量子理論通過引入系統集體態與其環境的糾纏結構，說明了為什么我們從未在實驗室觀察到宏觀量子疊加態這種物理實在，即使它們是量子理論結構要素的一個必不可少的組成部分。簡言之，我們通常看不到宏觀量子疊加態，但是宏觀量子疊加態是量子世界的結構要素。在量子世界的描述中，它具有結構實在性。

四、結 論

物理學理論不同于物理實在。物理學理論是對于物理實在的某種抽象的或說符號性的結構表征，經典物理學是這樣，量子物理學也是這樣。可以說，用來表征一個經典系統的相空間和用來表征一個量子系統的希爾伯特空間都是數學構造，而不是物理學對象。誰也不會相信行星或電子本身會對微分方程求積，以確定接下來它們將運行到哪兒。事實上，存在于物理學家筆記本上的波函數，除非有某種隱喻性的含義，否則在實驗物理學家的實驗室是沒有存在余地的。一個物理學理論，就它包含了對于某些對象的結構表征，但不是對象本身而言，就好像一張由符號和色彩組成的城市地圖。當這張地圖變得廢舊時，人們可以用更為精致的、結構表征有所變化的新地圖替換。這就意味著物理學理論包括物理概念具有一定的適用性、暫時性和相對性。但是，能否由于物理學理論或概念具有可變性就否定物理實在的客觀存在性？我的回答是：不能。

物理學理論作為對于物理實在的結構表征，其宗旨是為了達成人類知識和真實世界之間的聯系。在某種程度上，我們不懷疑能籍以心智理解一個物理學理論的數學和邏輯結構。即如果一個理論被發展得很好，在數學和邏輯要素之間有清晰的關系，我們是能夠討論該理論是否邏輯一致、推理嚴密和形式優美的；而一個理論是否為真，即它與外在真實世界的關系，則是更為微妙的問題，回答就顯得有些復雜。通常說來，答案的指向與所站的哲學立場密切相關，量子理論的工具主義、現象主義、經驗主義、建構主義、實在論、反實在論，等等，都是企圖對這一問題的回答。誠然，即使一個理論被許多實驗檢驗很好地確證，譬如量子力學，然而要相信它在某種程度上是對于真實世界的一個真的描述，也需要有充足的信念。因為決定接受一個理論是對于世界的一個適當的，甚或一個近似真的描述，是一個對它的評估必定超越了數學證據、邏輯嚴密和實驗一致的問題。

然而，如果一個理論有一定的合理性，并且給出了與實驗或觀察結果合理的相符合的預測，科學家是傾向相信它的邏輯和數學結構在某種程度上表征了真實世界的結構的，即使哲學家將對此保留永久的懷疑。燃素說、熱質說作為相對錯誤的學說已被排除出科學的殿堂；牛頓力學隨著相對論力學的誕生也已被限定在宏觀低速的范圍。即使所有理論最終表明都有某種局限性，物理學家仍然認為牛頓力學是對亞里士多德力學的巨大進步，因為牛頓力學更好地表征了真實世界的結構。同樣，相對論是對于牛頓力學的進步，因為時空確實有一個結構，在這個結構中，光以在任何慣性坐標系中都相同的速度運行。而像經典力學和經典電磁學這樣的理論，在它們的適用范圍內也都運行得非常好。因此，在科學家看來，如果不推想那些得到了實驗檢驗的理論在一定程度上表征了我們所生活的真實世界的一些東西的話，似乎很難理解那些理論何以會與實驗符合得那么好。

依據上述分析，量子力學作為一個邏輯一致，推理嚴密和形式優美的理論，不僅給出了微觀現象的一個極好的描述，這個描述是經典力學難以企及的，而且對于宏觀現象，原則上講也給出了和經典力學一樣好的描述。因此，如果我們相信真實的世界結構有點像我們最好的理論所表征的，那么，認為量子理論比之前的經典理論更好地描述了真實世界的結構，至少是看似有理的。畢竟經典理論不能解釋的許多微觀現象，現在都能用量子方法得以理解。雖然將來的研究有可能表明存在一個更為基本的亞量子理論，可以更好地表征我們真實世界的結構。但就目前而言，量子力學的形式體系對于物理實在的結構表征的確要優于經典物理學。因此，放棄經典的實在觀，建立一個適應于量子理論的形式體系所表征的物理世界的結構實在觀，是符合科學的認識論發展的。

以下幾點構成了量子理論對于經典物理實在觀的變革：第一，在量子世界，物理對象從不擁有一個完全精確的位置或動量，量子理論以其內稟的不確定性賦予微觀量子結構以非定域性；第二，在量子世界，物理學的基本動力學定律是隨機的和非完全決定論的，我們不能從世界的現存狀態推出一個唯一的未來或過去的事件進程，量子實在的結構特征滿足統計性的非充分決定論的因果關系；第三，在量子世界，單一性原則不適用：量子實在可以不同種可供選擇的，不相容的方式被描述，所有這些描述不能被合并或比較，因而不存在對于量子實在如一個物理系統或一個物理過程的一個獨一無二的，詳盡的描述。量子實在具有互補且不相容的結構多重性。宏觀量子疊加態作為量子世界的結構要素，也具有結構實在性。

以上三點，特別是第三點，構成了對于量子力學產生之前的經典物理實在觀的激進修正。同時，值得強調，對于物理實在的早先觀念，仍然存在量子理論的發展保留所沒有改變的，或者說至少改變得很少的方面。這些方面主要表現：一是測量在量子力學中的作用，如同在經典力學中一樣，不蘊含人類意識的特殊作用。雖然測量會干擾被測系統的量子狀態，使得我們看到的是與測量相關的性質，而不是被測系統的自在性質。但是，測量過程仍然是由與其他物理過程相同的基本物理學定律描述的。二是如果我們在測量中一致地使用量子疊加原則，就會明確所謂量子態具有超光速的遠程關聯是量子糾纏的結果。量子態的糾纏導致了量子結構的不可分離性，量子態內稟的不確定性導致了量子非定域性。不可分離性和非定域性密切相關，它們作為量子實在的結構要素，都與超光速不相關。三是量子力學和經典力學都沒有提供一個有利于獨立存在的無懈可擊的論證。因為相信有一個不依賴于我們的真實的“外在”世界，總的說來是一個信念問題。重要的是，量子力學和經典力學一樣，都與一個真實世界的性質和基本定律不依賴于人碰巧相信什么，期望什么，思考什么的觀念相一致。

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On Structural Features of Quantum Theory＇s Representing Physical Reality

LI Hong－fang
（School of Philosophy，Wuhan University，Wuhan 430072，Hubei，China）

The discussion of structural features of quantum theory for its representing physical reality is to understand the relation between human knowledge and our real world，and how quantum theory requires us to revise pre－quantum ideas about the nature of physical reality，in particular，to clarify some confusion about the concepts of quantum mechanics and to enrich the research on scientific realism based on the structural reality of quantum theory．

quantum theory；physical reality；structural representing

B028；N02

A

10．3963／j．issn．1671－6477．2010．06．018

2010－06－10

李宏芳（1972－），女，山西省天鎮縣人，武漢大學哲學學院副教授，哲學博士，主要從事物理學哲學研究。

國家哲學社會科學青年項目（07CZX005）

（責任編輯 易 民）