Philosophical Manifesto of Quantum Theory

作者简介：成素梅，上海社会科学院教授

原文出处：《中国社会科学》第20192期

标题注释：本文为国家社会科学基金重大项目“当代量子论与新科学哲学的兴起”(16ZDA113)阶段性成果。

关于量子理论的哲学研究有两个层次，一是根据量子理论及其技术的发展，探讨具体的哲学问题，比如，超出贝尔不等式讨论的范围，从量子信息的维度，如何重新定义和理解量子纠缠和非定域性概念的问题，这些研究已经很深入，而且也相当技术化；二是探讨事关理解科学理论本身的哲学框架问题。框架问题不能被简化为具体的哲学问题，也不能在传统框架内探讨，而是需要重新回到量子理论的实践中，揭示潜存的新观念。本文集中探讨第二个层次的问题。基本思路是根据历史脉络和第一代量子物理学家的亲身感悟，从量子假设的提出、微观粒子的特质、数学思维方式的确立以及理论观四个方面，揭示量子理论本身发出的哲学宣言，而不是阐述重要的物理学家所达成的哲学共识。这项工作是基础性的，既有助于我们澄清长期以来对量子概念的误解误用，也有助于推动科学哲学的发展。

一、微观世界是不连续的

在量子力学的发展史上，首先难以令人接受的前提之一当数如何理解“量子”概念。今天，虽然人们对“量子”概念本身并不陌生，但事实上，真正理解其内涵的人却并非多数。从词源与语义上讲，“量子”概念来源于拉丁语“quantus”，意思是“多少”(how much)，意指一个不变的固定量，在量子力学中是特指一个基本的能量单位或一份很小的不变的能量，意指电磁波的辐射不是连续的，而是一份一份地进行的，这样的一份能量叫做能量子。这就是热辐射过程中能量的量子化假设。从此，神秘的量子概念进入了人们的视域。量子化假设中的普朗克常数h这个字母取自“Hiete”的第一个字母，在德语中，Hiete是“帮助”的意思。在物理学中有许多常数，其中有些常数代表了物体的性质，比如，水的沸点、固体的比热、物质的膨胀系数等，但有少数常数却具有革命性的意义，量子常数就是其中之一。像光速c代表了物体运动的极限速度，并表明，当物体的运动速度接近于光速时，要用狭义相对论力学来描述物体的状态一样，普朗克常数也有极限的意义，在h不能被忽略不计时，就需要考虑量子效应，需要用量子力学来描述对象的状态。这是在量子论创立时期所确立的普遍认识。

但近年来，随着量子力学的广泛应用及其理论发展，量子效应不再只是限于微观领域。物理学家已经在实验中观察到诸如爱因斯坦凝聚、量子霍尔效应、超流性、超导性和约瑟夫逊效应等宏观量子效应。2009年8月4日，美国物理学家制造出第一台“量子机器”(Quantum Machine)。在2010年的美国《科学》杂志及美国科学促进会(AAAS)公布的年度十大科学成就中荣登榜首。量子机器为微米量级，能用肉眼分辨，从而证明了宏观物体也遵守量子理论的运动规律。这是一项具有划时代意义的技术发明，它不仅为物理学家实现更大物体的量子控制迈出了关键一步，而且颠覆了我们过去根据物体大小来区分宏观和微观的划分理念。当代物理学家的看法是，只根据尺度的大小来划分宏观领域与微观领域是很不严格的，量子力学是普遍有效的，既适合宏观领域，也适合微观领域，他们把能够运用经典概念体系很好地解决问题的领域，称为经典领域，把经典概念不能胜任而运用量子概念解决问题的领域，称为非经典领域。

“量子”概念像“引力”概念一样具有划时代的意义。万有引力定律的提出，标志着思辨的自然哲学思维方式的终结，也标志着以牛顿力学为核心的经典物理学范式成为近代哲学发展的基石。以休谟为代表的经验论和以康德为代表的理性论，都是从牛顿力学中获得启迪，才提炼出各自的哲学体系。同样，“量子”概念的提出为我们撬开了关注不连续世界的大门，并在科学思想史上第一次打破了“自然界不作跳跃”的常识性观念。量子信息技术的发展，进一步印证了基于这种不连续思想建立起来的理论大厦的正确性，限制了经典思维方式的适用范围，把检验理论正确与否的标准从单纯注重观察与实验结果，扩展到技术应用领域。

量子化观念的确立意味着，微观粒子的运动不再像宏观粒子的运动那样，总会留下可追溯的轨道痕迹，而是分立的(discrete)。“分立”概念在物理学中的含义与在数学中的含义一样，意指“离散”或不连续。也就是说，在量子领域内，某些量或变量不再像经典物理学中那样是连续变化的，而是只能取不连续的值。比如，光子只能出现在特定的能级上，而不可能出现在两个能级之间，光子的这种特性成为制造激光器的理论基础。正如普朗克所言，作用量子在原子物理学中扮演着基本角色，并且，作用量子的登台表演，开辟了物理学的一个新时代。这一点再也用不着怀疑了。因为作用量子的提出，它改变了自莱布尼兹与牛顿发明微积分以来，在假设一切因果关系都是连续的这个基础上所建立起来的物理思想方法。

“微观世界是不连续的”这一观念一旦确立，就具有颠覆性的作用。它不仅使过去建立在连续性假设基础上的概念框架不再完全适用，而且会相应地带来一系列价值观的变革，其中，最直接相关的一个问题就是如何理解“微观粒子”的存在性问题。

二、微观粒子是无法概念化的抽象实在

在经典物理学中，我们通常理解的“粒子”或“质点”，既有质量和体积，也有时空定位，是定域的或彼此分离的，是一种理想状态，我们对一个粒子的作用，不会影响远距离的另一个粒子，粒子的运动变化是有轨迹可循的，可以用位置、速度、力等物理量构成的数学方程来描述，而且，它们是可观察的、可感知的、可表征的、可概念化的、可理论化的、可想象的，具有个体性，我们可以根据已知的初始条件，因果性地推知粒子的过去与未来，似乎一切都在掌控之中，过去造就了现在，现在决定了未来。实验测量印证了这种理论化的理想，因为理论的计算结果与实验测量的结果相互印证，彼此一致，理论定律本身具有决定论的因果性，不需要额外提出一种理解性的测量理论。

但是，在量子力学中，物理量用算符表示，算符是对波函数进行数学运算的符号，本身并没有物理意义。薛定谔方程所提供的理论描述，不是微观粒子本身的运动变化过程，而是直到测量结束之后，才能获得某个观察结果的可能性。这样，在量子领域内，理论描述与实验测量之间失去了彼此相互印证的基础，反而成为互相补充的两个不同环节。量子化假设表明，微观粒子的运动无轨道可循，是不连续的，薛定谔方程也不对它们的实际运动过程提供详尽描述，这就使微观粒子本身成为不可概念化的、不可达的、不可表征的、不可想象的、不可理论化的、不可定义的、不可观察的东西，延迟实验已经证明了这一点。

微观粒子的性质是非常独特的。第一，微观粒子既能产生又能湮灭。第二，微观粒子相碰撞之后的碎片仍然是同类粒子，而且，它们是从碰撞过程所包含的能量中创生出来的。这就对我们过去所信奉的“物质是无限可分的”观念提出了挑战。第三，微观粒子遵守全同性原理，即，同类粒子是完全相同的，它们不可能被分辨开来，也不可能被通过任何贴标签或加标记的办法来加以识别。第四，曾经相互作用过的两个粒子，在分开之后仍然存在着非定域性的关联，被称为量子纠缠，并且这种纠缠可以被操纵。关于量子纠缠研究的这些新进展，反过来促进了我们对量子力学的理解。第五，对于微观粒子而言，测量得到的值与测量之前通过理论计算得到的值，属于两个不同的层面，测量仪器的设置甚至决定了微观粒子在被测量时的行为表现，即使在微观粒子发射出来之后也是如此。微观粒子表现出的这种随着测量域境(context)的变化而变化的现象，已经得到了相关实验的证实。

微观粒子的这些特性，在微观粒子、测量仪器和理论描述之间带来了两种不可约化的断裂或不连续：一是微观粒子的真实存在情形与理论描述之间的断裂。这种断裂使得微观粒子在测量过程中所起的功效或作用成为不可知的，因而也相应地阻断了因果性思维的链条。正如海森堡所言：“如果我们想描述在原子事件中所发生的事情，我们不得不认识到‘发生’一词只能够应用于观察，而不能应用于两种观察之间的物态……我们可以说，只要微观对象与测量仪器发生相互作用，那么，系统就会从‘可能的’状态跃迁到‘现实’的状态。”海森堡所说的这种“跃迁”就是意指这种断裂或不连续的存在。二是在测量过程中，微观粒子所起的不可知的作用或功效与可知的测量结果之间的断裂。这种断裂使得对量子力学和量子测量过程的任何一种特殊解释，比如，玻尔的互补性、海森堡的潜能论、玻姆的隐变量、埃弗雷特的多世界，以及后来有人提出的历史一致性、多心灵等，都成为带有哲学倾向的一家之言。

微观粒子的这种不可概念化的抽象存在，以及量子纠缠的不可理解性等特征，要求物理学家相应地放弃长期以来信奉的图像化的思维方式。

三、用抽象的数学思维替代经典的图像思维

在经典物理学中，自然规律第一次以定量的数学形式来表达，归功于16世纪的哥白尼革命。经过伽利略、牛顿等人的工作，最终奠定了用数学公式表达物理定律的科学发展之路。尔后，麦克斯韦方程组的提出，把这种追求推向了高峰。经过这些发展，物理学家把检验真理的标准，从过去的宗教或哲学信条，转向了观察和实验。由于自然界是连续变化的，所以，经典概念不仅有明确的指称和连续变化的数值，而且是可以图像化的。

这种图像思维建立在主体和客体二分的基础上，也就是说，我们能够在研究对象与研究者之间划出明确的边界。这个边界既是用经典语言描述实验现象的必要条件，也是人们无歧义地描述社会体系和法律制度等的必要条件。在经典物理学中，有两套概念体系：一套是描述物体运动变化的粒子概念，另一套是描述波传播的波动概念。这两套概念体系又相应地塑造了两种图像思维：一种是粒子的图像思维，另一种是波动的图像思维。它们像是建造了毗邻而立的两座经典物理学大厦，也相应地确立了物理学家的经典实在论立场。

这种实在论立场认为，称为“自在实在”的客观世界是独立于知觉主体而存在的，它们是物理学研究的潜在对象；被纳入科学认知范围内的“自在实在”，被称之为“对象性实在”，它们是物理学研究的实现对象。“自在实在”是“对象性实在”的资源库。这个资源的大门是敞开着的，随着人类认知手段的不断丰富与认知视域的不断扩展，资源库中的“自在实在”会源源不断地被纳入“对象性实在”的范围内。“自在实在”和“对象性实在”只有范围大小之别，没有属性之异，都是先于理论描述而存在的，它们构成了经典自然科学研究之所以可能的本体论基础。物理学家认为，基于实验而形成的科学理论，直接描述了“对象性实在”的运动变化过程，以及实在之间的相互关系，由这些理论描述出来的实在图像，被称为“经典实在”或“经典的理论实在”。在经典物理学领域内，“自在实在”、“对象性实在”和“理论实在”是三位一体的。这是一种本体论化的理论观。

然而，量子化概念的确立使这两座大厦轰然崩塌，并导致了一系列涉及哲学的根本问题，其中有四个最重要的问题。

其一，“自然界是连续的”观念一旦被摧毁，在此基础上形成的概念框架也相应地被摧毁，从而使概念的意义成为不明确的。玻尔喜欢讲的一个故事很好地表明了用经典物理学概念来描述微观粒子时的不适当性。玻尔的故事是，一个小孩子拿着两便士跑到商店，要求售货员卖给他两便士的杂拌糖。售货员给了他两块糖，然后说，“你自己把他们混合起来吧”。这个故事意味着，当我们只有两个对象时，“混合”这个词就失去了意义，同样，当我们处理最小的粒子时，像位置、速度和温度等经典概念也失去了其意义。海森堡希望哲学家和物理学家了解量子力学所发生的这些变化。在他看来，在量子领域内使用经典语言是危险的。他认为，这个事实也会在其他领域内反映出来，只是还需要经历一个漫长的过程。但是，人们并不知道要在哪里放弃一个词语的用法，就像在玻尔讲的故事中“混合”这个词语的用法一样，我们不能说，当有两样东西时，把它们混合起来，那么，当有五样或十样东西呢？

在海森堡看来，造成这种困难的根源在于，我们的语言是从我们与外在世界的不断互动中形成的，我们是这个世界的一个组成部分，拥有语言是我们生活中的重要事实。语言成为我们与世界和睦相处的前提。然而，这些日常语言不可能在原子领域内还能完全适用，或者说，我们在运用经典概念时，是从宏观领域延伸到微观粒子领域，因此，就不应该指望这些词语还会具有原来的含义。这也许是哲学的基本困难之一：我们的思维悬置在语言之中，我们最大限度地扩展已有概念的用法，就必然会陷入它们没有意义的情境之中。关于量子力学解释的微粒说和波动说之争，正是揭示了物理学家用经典概念的图像思维方式理解量子力学的困难所在。

其二，根据图像思维，我们无法把不连续的粒子图像与连续的波动图像统一到同一个微观对象身上。玻尔用“互补性原理”来概括这种现象。然而，事实上，从当代量子理论的发展来看，玻尔的这种观点就像他在1913年基于普朗克的量子假设，提出轨道量子化的观点来解决氢原子的稳定问题的做法一样，也是半量子和半经典的。因此，就像玻尔的轨道量子化理论被后来的量子力学所取代一样，玻尔的互补性原理也只是一种权宜之计。这正是以互补性原理为核心的量子力学的正统解释长期以来备受质疑的主要原因之一。

其三，量子物理学家对量子系统的许多诡异特性的理解，并不是从实验结果中归纳而来的，而是通过抽象的数学思维进行的。此外，从理论物理学的发展来看，微分方程、几何学、拓扑学、数论、群论、抽象代数、概率论等抽象的数学工具似乎越来越成为物理学家的研究向导，或者说，由于微观粒子是不可概念化的，所以，物理学家不可能依靠直接经验来感知亚原子粒子的运动情况，而是依靠抽象的数学来设想其存在并预言实验结果或现象。

其四，在经典物理学中，物理思想是主要的，数学不过是使物理思想更加精确的一种辅助手段。然而，在量子领域内却正好相反。物理学家首先得到的是具有可操作性的两套数学结构，尽管后来证明两者是等价的，但是，物理学家对量子力学的形式体系的解释却至今没有达成共识。一方面，处于叠加态的粒子会失去个体性，或者说不能再被拆分为各个独立的个体，而是需要作为一个整体来对待，其中一个粒子的状态变化，必然会导致其他粒子的状态发生相应的变化，粒子状态变化之间的这种关联与时空距离无关。薛定谔用“量子纠缠”概念来概括这些粒子之间的这种整体性。量子纠缠现象是一种纯粹的量子现象，无法用经典的图像思维来理解，只能用抽象的数学思维来理解。

另一方面，“薛定谔猫”的思想实验已经揭示出，我们如果用经典的图像思维方式来理解态叠加原理，必然会出现悖谬。物理学家维格纳在1967年出版的论文集中提出了薛定谔方程，猫在任一时刻的态只能处于叠加态，即，放出辐射而猫死的态和未放出辐射而猫活的态的叠加。辐射原子不会为了满足观察者的主观愿望而决定是否放出辐射粒子，更不是观察的观看行为导致猫态的变化。问题的关键在于，辐射原子是否会发出辐射，量子力学并不作回答。对于辐射原子来说，是否放出辐射是随机的，我们只知道它的半衰期，只能依据概率来理解，无法独立于实验来对真实发生的情况下判断，或者说，理论描述本身不对真实发生的情况作出确定性的判断。

在当代物理学家看来，理论物理学一直在不断地、无法阻挡地朝着抽象化的方向发展。从经典力学到非相对论量子力学，从非相对论量子力学到量子场论(含有二次量子化和重整化)，从麦克斯韦理论到规范场，从规范不变性到纤维丛理论等，都是向着抽象程度越来越高的方向发展的例子。物理学家一直在借助于抽象的数学来理解世界，而且这种依赖程度越来越深入。⑦由这种抽象的数学理论描绘出来的“量子实在”，就其存在形式而言，既不同于自在实在，也不同于对象性实在，而是被建构出来的，就其内容而言，却并非是凭空想象的，而是程度不同地受到了来自不可感知的“自在实在”信息的约束，并且，这些信息无法被从对象性实在的整体信息中剥离出来，只能是一种整合性的存在。然而，正是这种约束才使得从数学公式得到的推理结果，具有了可证实的经验价值和可应用的技术价值。当前，用来进一步理解电子、光子、夸克等微观粒子存在性的弦理论的研究，正在引起了数学家的重视。这些数学家正在致力于通过研究复几何和辛几何之间的镜像现象来验证弦理论的预言。如果说量子力学的情况只是揭示出物理学家在运用经典的图像思维来理解问题时所出现的悖论的话，那么弦理论的发展则只能依靠抽象的数学思维加以理解。

这就提出一个更加尖锐的问题，当物理学家越来越用抽象的数学思维替代经典的图像思维时，我们应该如何理解只能依靠抽象的数学思维才能理解的量子理论的实在性呢？对于无法进行图像思维的这类量子理论，应该被刻画为是形而上学而不是物理学吗？或者说，像有些人所认为的那样，把与实验无关或关系不密切的量子理论的数学化的发展趋势，比如弦论、超对称等，说成是“童话般的物理学”吗？或者说当物理学家采纳了远离实验和可证实性的数学思维方式时，意味着理论物理学告别了对实在的揭示，背叛了对科学真理的追求，失去了成为科学的资格吗？这就进一步涉及如何理解科学理论的根本性问题。

转载来源：中国社会科学网