量子力學的哲學反思:中國科學家發現波函數真實存在的哲學涵義

2021-01-13 量子認知

我國科學家、清華大學龍桂魯教授研究團隊，通過巧妙的相遇延遲選擇實驗，發現波函數是實實在在的存在, 而不僅僅是一種數學描述。有人可能不太理解這種波函數實實在在地存在的是什麼樣的東西，可以這樣簡單地打個比方，就正如腦神經醫師通過腦電圖（Electro encephalograph，EEG）儀器測出人的大腦的腦電波一樣，是實實在在的東西。

微觀物體具有實實在在的粒子性，這是多年前的實驗業已證明。同時，微觀物體具有實實在在的波動性，這是我國科學家的實驗現在所證明的。所以，微觀物體既具有波動性又具有粒子性的波粒二象性的奇妙現象。

量子力學已通過全面、嚴謹的實驗驗證，並得到極其成功的應用，但應該如何詮釋這些實驗與應用，卻莫衷一是、眾說紛紜，統稱為量子力學哲學詮釋。具有代表性的詮釋有：

哥本哈根詮釋：波恩、海森堡和玻爾等權威量子物理學家所支持的哥本哈根詮釋，歷來是佔統治地位的主流派。哥本哈根詮釋認為，對微觀現象進行測量時，微觀現象由多種可能性的迭加態轉換到一個特定的本徵態，體系的狀態轉化瞬時發生。根據這種詮釋，觀察者或外在於量子系統的裝置是波函數坍縮的結果，微觀現象具體轉換到哪一個狀態是完全隨機的。

德布羅意—玻姆詮釋：最早由德布羅意提出，然後由玻姆進行擴展。該詮釋認為，粒子總是有一個位置，並受到波函數的引導。波函數根據薛丁格波動方程演化，從不坍縮。該理論一般認為是一種隱變量理論。由於粒子每時每刻都有確定的位置，測量問題得到了解決，坍縮被解釋為外在現象。可以解釋物理系統所有可觀測量的演化行為，而避免掉任何不確定性或隨機性。

多世界詮釋：該詮釋認為，存在無數個平行世界，每個世界對應一種可能性。在觀察時，對應於這種可能性的觀察者在對應的平行世界裡，觀察到對應的結果，不存在波函數坍縮，每種可能都發生其對應的、特定的平行世界裡，所以也避免掉每一狀態的不確定性或隨機性。

一種詮釋的適用性與有效性，不僅僅是在於能解釋所需要解釋的現象，重要的是還需要與其它領域的理論能相吻合與統一。因此，上述量子物理的哲學詮釋，不僅需要與研究物質運動最一般規律和物質基本結構的物理學原理相吻合，還需要與對最基本和普遍問題的研究的哲學原理相容。如果我們以物理學原理的吻合性為橫坐標、以哲學原理的相容性為橫坐標，由此可以有如下圖所示的四個象限。

量子物理的哲學詮釋

1. 哥本哈根詮釋與物理學原理相吻合然而與哲學原理不相容，處於第四象限，

2. 德布羅意—玻姆詮釋與哲學原理相容然而與物理學原理不吻合，處於第二象限，

3. 多世界詮釋與物理學原理相吻合同時與哲學原理相容，處於第一象限，

4. 既不與物理學原理相吻合有不與哲學原理相容，這樣的理論自然不被認可，完全不成立。

我國科學家所發現的波函數真實存在的哲學涵義，如果採用哥本哈根理論就解釋不通，但可以由德布羅意—玻姆理論或多世界理論來詮釋，然而多世界理論能更好地將微觀與宏觀的波函數現象統一起來，從而詮釋得更好。

多世界詮釋由美國埃弗萊特於1957年作博士論文時提出。艾弗雷特語出驚人地提出，測量帶來的不是坍縮，而是分裂的世界。由於哥本哈根詮釋歷來佔有統治性的主導地位，具有相當獨創性與大膽性的多世界詮釋多年來未被重視。艾弗雷特的博士論文被其導師大段刪除、延遲答辯。

論文答辯後也未能在學研單位謀得一職，只好應聘於一個事業單位，於1982年鬱郁死去。艾弗雷特育有一子一女。女兒長期為精神分裂症而困擾自殺，兒子是美國一搖滾樂隊的成員，在他去世前一直不知道他父親後來競成為一位才華橫溢且頗具影響力的物理學家的地位，說他生前一直活在自己的平行世界裡。

休·艾弗雷特三世（Hugh Everett III）

歷史上往往有這樣的情況，具有相當獨創性與大膽性的理論因為與當時佔統治地位的主流理論與公眾觀點相悖而被打入冷宮，只能隨著時間的沉澱後再被挖掘出來，多世界理論正是屬於這種情況。直到近年來量子退相干理論在解釋量子理論方面得到了進一步的探索和發展，該詮釋才被挖掘出來並越來越受到相當歡迎。艾弗雷特被《科學美國人》（Scientific American）譽為「20世紀最重要的科學家之一」。

多世界詮釋常被人簡單地理解為世界具有眾多同樣的世界、宇宙具有眾多同樣的宇宙、一個人具有眾多同樣的自身等等。為理解多世界詮釋的原理，我們用通俗的語言，結合日常生活事例，來做簡單解釋。比如說，一個人的癮性狀態，從量子理論的觀點來看，是有癮狀態與無癮狀態的各種可能狀態的疊加。當觀察到一個人有癮時，是有癮狀態的觀察者觀察為有癮的結果，同時也是無癮狀態的觀察者觀察為不是無癮的結果；當觀察到一個人50%的可能有癮時，是這種有癮狀態的觀察者觀察為在50%的時間段裡有癮的結果，同時也是這種無癮狀態的觀察者觀察為50%的時間段裡無癮的結果；以此類推，一個人的頭腦裡存在有如此眾多不同的觀察者。這種理論也體現了傳統認知科學中的多重心理、多重認知、多重人格等相關理論。這樣，多世界詮釋不需要心理或意識的坍縮作為橋梁，就把微觀與宏觀、經典理論與量子理論等有機地聯繫在一起。

多世界詮釋可以較好地描述單個微粒、多個微粒、以至海量微粒的屬性及其相干與退相干屬性。無論從哲學觀點還是物理學觀點，多世界詮釋是當今種種量子理論哲學詮釋中較為理想的理論，也是當代量子理論學界越來越受歡迎的詮釋。

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