量子力學的實在論

2021-03-01 物理小識

量子力學的實在論可以從四個方面考察:

一是圍繞量子力學理論實在性的爭論;

二是量子力學形式體系的實在性;

三是量子力學所描述的世界特性;

四是量子力學對實在論理論的推進與發展。

對量子力學是否具有實在性的爭論主要發生在量子力學理論誕生之初,尤以愛因斯坦與玻爾的爭論最令人稱道。最初的爭論圍繞量子理論是否存在邏輯矛盾即理論的恰當性(自洽性)展開。愛因斯坦用建立在經典物理學基礎上的決定論的實在論標準來衡量量子力學,從而無法接受量子力學中機率(波函數是粒子在某一空間出現的概率)的基礎性地位,認為「上帝是不擲骰子的」,量子力學描述的是許多全同系統的一個系綜的行為。前期的爭論正如歷史所表明的那樣,玻爾所代表的量子理論勝出,愛因斯坦不得不轉而攻擊量子力學的完備性。以著名的EPR論文為標誌,愛因斯坦在完備性條件和實在性判據的基礎上論證了量子力學的描述不完備。然而,實際上,EPR論文中隱含的定域性假設日後卻成為探索量子力學非定域性的開端。沿此線索,貝爾等人的工作使量子非定域性被認為是量子力學的標誌性特徵之一。

量子力學形式體系指馮·諾依曼(John von Neumann,1903~1957)所建立的公理化體系。該體系在物理學的計算與預言中被證明是有效並且無歧義的,然而,對其基本概念及意義的解讀卻形成了諸多不同的量子力學解釋體系。其中影響最大的是以玻爾為代表的哥本哈根解釋,其核心是互補性原理,即在時空標示與因果要求之間、量子語言與經典語言之間的互補性。哥本哈根解釋認為理論是對實在的真實描述,量子理論中的概率與非決定論是自然本身的特徵,承認測量結果的實在性,把原子客體特定動力學賦值的真值條件引向具體的實驗裝置或真實的實驗結果,以此迴避對最終實體的追問;用經典語言來描述測量儀器,通過被測量客體與測量儀器間不可分離的整體論來避免量子測量問題。哥本哈根解釋並不是一組單純的、清晰的、有著無歧義定義的觀念,然而,除了反對波函數的實在性外,對於量子力學,該解釋的持有者大體上是本體論上的非實在論者,認識論與語義學上的實在論者,或者說是測量實在論者。

德布羅意—玻姆理論被公認為是一種量子力學的本體論解釋,也稱為隱變量解釋。其最早版本是1927年德布羅意的導波理論,1952年由玻姆再度提出。他們認為,波函數隻對粒子系統提供了部分描述,需要用對粒子真實位置的描述作為補充,後者的演化滿足導波方程,從而粒子能夠以決定論的方式運動,這構成了量子力學的因果解釋。德布羅意—玻姆理論的持有者追求決定論與因果性,追求明確的粒子本體,因而試圖成為經典物理學觀念下在本體論、認識論和語義學上的實在論者,而標準的量子力學體系需要補充才能夠提供對實在的完備描述,故其在認識論與語義學上的實在性是不完備的。

另一種影響較大的量子力學本體論解釋是多世界解釋,該解釋把包括觀察者在內的整個宇宙作為量子系統來處理,認為存在許多平行的世界,每個世界都由宇宙波函數決定性地描述,不存在態的塌縮,而只是宇宙連續分裂成許多互相不可見、卻同樣真實的世界。在假設多宇宙的實在性之外,該解釋認為量子力學在本體論、認識論和語義學上均是徹底的實在論。

儘管在解釋上存在許多爭議,絕大多數物理學家和哲學家都承認量子力學的實在論地位,把量子力學理論所揭示的世界圖景歸為以下幾個方面:

第一,波函數是對量子系統的完備描述(對于波函數實在與否則意見不同),具有線性疊加性的波函數滿足決定論演化的薛丁格方程,波函數的平方給出物理量可能取值中的某一個的概率,從而對系統的認識只能是統計性質的。

第二,量子測量中波函數的塌縮是隨機的,測量只能隨機地得到其可能取值中的某一個,從而是非決定論的。

第三,不確定關係告訴我們,對非對易物理量同時的精確取值是不可能的,即互補性在經典力學中是需要的。

第四,量子系統的遠程關聯是瞬時的,超越了愛因斯坦EPR論文中預設的經典物理學所滿足的定域性條件。

量子力學變革了經典力學的實在觀,進而推進了實在論理論的發展。首先,「實在」的域面在量子力學中得到了擴展,如作為量子實在的自旋並沒有經典的對應物,「實在」概念需要超越之前的實體實在論範疇而重新界定。其次,經典物理學基礎上的實在論是一種嚴格的決定論,而量子力學告訴我們,統計的、概率的、非嚴格決定論的規律也是實在的,實在論不等同於決定論。最後,量子力學解釋體系對量子測量問題的求解不可避免地要藉助於測量儀器,或觀察者,或外部環境,或整個宇宙,事實上,這些都是測量語境的實在要素,在真實的測量中共同發揮作用,這要求我們提出一種新的整體論的、語境論的實在論,即測量構成了特定的語境,測量語境、語境要素及要素間的相互作用都是實在的,測量語境的邊界和語境要素作用的發揮均因具體的測量而異。



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