PAGEPAGE17量子力學(xué)詮釋綜論電子到底是粒子還是波?量子糾纏如何能跨越時(shí)空，即使在類空間隔中仍能協(xié)調(diào)兩個(gè)粒子的行為?這些微觀世界所展現(xiàn)出來(lái)的“量子荒謬性”就夠令人費(fèi)盡神思的了。然而更糟糕的是，我們還有測(cè)量問(wèn)題。[1]，[2]一、量子測(cè)量問(wèn)題量子測(cè)量問(wèn)題究竟是什么?在曹天元先生的《上帝擲骰子嗎?——量子物理史話》中，[3]對(duì)之做了頗為精準(zhǔn)的描述：波函數(shù)的演化與坍縮是兩種迥然不同的過(guò)程，后者隨機(jī)，不可逆，至今也不清楚內(nèi)在的機(jī)制究竟是什么。是什么觸動(dòng)了波函數(shù)的坍縮?是“觀測(cè)”嗎?但是，我們這樣講的時(shí)候，用的語(yǔ)言是日常的，曖昧的，模棱兩可的。我們一直理所當(dāng)然地用使用“觀測(cè)”這個(gè)詞語(yǔ)，卻沒(méi)有給它下一個(gè)精確的定義。什么樣的行為算是一次“觀測(cè)”?而如果說(shuō)人可以算是“觀測(cè)者”，那么貓呢?一臺(tái)計(jì)算機(jī)呢?一個(gè)蓋革計(jì)數(shù)器又如何?……單單儀器與粒子的相互作用不能構(gòu)成“觀測(cè)”，因?yàn)檫@臺(tái)儀器本身也有自己的波函數(shù)，如果我們不“觀測(cè)”這臺(tái)儀器本身，它的波函數(shù)便也陷入一種模糊的疊加態(tài)中……這整個(gè)鏈條的最后一臺(tái)儀器總是處在不確定狀態(tài)中，這叫做“無(wú)限后退(infiniteregression)”……當(dāng)我們的大腦接受到測(cè)量的信息后，gameover，波函數(shù)不再搗亂了。難道說(shuō)，人類意識(shí)(consciousness)的參與才是波函數(shù)坍縮的原因?……難道“意識(shí)”，這種虛無(wú)飄渺的概念真的要占領(lǐng)神圣的物理領(lǐng)域，成為我們理論的一個(gè)核心嗎?……究竟什么才是“意識(shí)”?這帶來(lái)的問(wèn)題比我們的波函數(shù)本身還要多得多……意識(shí)是獨(dú)立于物質(zhì)的嗎?它服從物理定律嗎?意識(shí)可以存在于低等動(dòng)物身上嗎?可以存在于機(jī)器中嗎?近期引起了廣泛關(guān)注與認(rèn)可的施洛斯豪爾(M.Schlosshauer)的綜述中仔細(xì)地探討了量子測(cè)量問(wèn)題，[4]并將之歸納為兩點(diǎn)疑問(wèn)：1)明確結(jié)果問(wèn)題(problemofdefiniteoutcomes)：為什么人類能測(cè)量得到儀器指針處于一個(gè)向上或向下的明確位置，而非其疊加態(tài)?要知道，從量子理論來(lái)看，兩者并無(wú)本質(zhì)差別，都是希爾伯特空間中的態(tài)矢。2)優(yōu)先基矢問(wèn)題(problemofthepreferredbasis)：為什么測(cè)量結(jié)果總是對(duì)應(yīng)于一組特殊的基矢表象，例如指針向上或向下，而非其他表象?要知道，從量子理論來(lái)看，各組表象之間并無(wú)本質(zhì)差別。而且，實(shí)際的測(cè)量結(jié)果之表象往往是對(duì)應(yīng)了儀器不同的空間位形分布。隨著對(duì)量子力學(xué)詮釋的各種理論流派不斷地涌現(xiàn)，在不同的詮釋框架之下，量子測(cè)量問(wèn)題也呈現(xiàn)出不同的形式。例如，有的詮釋中承認(rèn)波包坍縮，那它就是一個(gè)必須面對(duì)的問(wèn)題；[5]，[6]而“多世界”等詮釋中，[7]，[8]，[9]波包卻從不坍縮，便沒(méi)有該問(wèn)題。這樣一來(lái)，似乎要說(shuō)清楚什么是量子測(cè)量問(wèn)題本身也變困難了?，F(xiàn)在，讓筆者們先局限于最傳統(tǒng)、正統(tǒng)的量子詮釋——哥本哈根解釋(CopenhagenInterpretation，standardInterpretation，orthodoxInterpretation)的框架之下，[10]，[11]，[12]，[13]來(lái)闡述和定義量子測(cè)量問(wèn)題。哥本哈根解釋承認(rèn)測(cè)量過(guò)程的存在，其時(shí)波函數(shù)坍縮，觀測(cè)者獲得經(jīng)典的測(cè)量結(jié)果。但如曹天元書中所述，[3]它對(duì)測(cè)量的定義模糊不清，似乎只能從人們自身的生活經(jīng)驗(yàn)中自然地理解。該解釋框架下，有測(cè)量問(wèn)題如下：1)波函數(shù)在測(cè)量時(shí)發(fā)生塌縮，這是一個(gè)薛定諤方程不能描述的過(guò)程。作為一個(gè)力學(xué)體系，怎么會(huì)有物理過(guò)程不能為其方程描述?2)哥本哈根解釋要求在“量子的世界”外，尚有一個(gè)“經(jīng)典的世界”存在。那么描述這個(gè)“經(jīng)典的世界”的力學(xué)方程又是什么?經(jīng)典與量子的世界間的分界線，即海森堡分界(Heisenbergcut，見[14])又在哪里?3)測(cè)量過(guò)程到底是不是一個(gè)純物質(zhì)的過(guò)程?如果是，那么描述物質(zhì)過(guò)程的方程必定不只薛定諤方程一個(gè)，其余方程是什么?如果不是，精神、或意識(shí)將不可避免地以一種非物質(zhì)性的姿態(tài)進(jìn)入物理學(xué)領(lǐng)域。怎么進(jìn)入?它們服從什么規(guī)律嗎?4)明確結(jié)果問(wèn)題。5)優(yōu)先基矢問(wèn)題。由上可見，不論在哪種詮釋框架之下，測(cè)量問(wèn)題的核心并不曾改變，即：我們所體驗(yàn)到的“經(jīng)典的世界”與薛定諤方程所描述的“量子的世界”如何協(xié)調(diào)統(tǒng)一?由朦朧的量子波所描繪的微觀世界之上，是如何構(gòu)建出我們所熟知的、明晰而確定的經(jīng)典的世界?[1]在此問(wèn)的基礎(chǔ)之上，學(xué)界已進(jìn)一步列舉出了一系列核心問(wèn)題，是任何一種量子詮釋都必須去面對(duì)和回答的，它們是：[15]1)體系演化是決定論性的，還是非決定論的?2)量子波是真實(shí)的波，還是知識(shí)(或信息)?3)只有一個(gè)宇宙(歷史)嗎?4)是否存在隱參量?5)波函數(shù)是否發(fā)生坍縮?6)觀測(cè)者的作用是不可或缺的嗎?(指對(duì)產(chǎn)生出經(jīng)典的測(cè)量結(jié)果)7)量子波是否符合定域性條件?8)彼此不對(duì)易的物理量能否同時(shí)具有確定的值?9)整個(gè)宇宙能被一個(gè)大而復(fù)雜的波函數(shù)所描述嗎?在維基百科上，現(xiàn)有較為知名的13個(gè)量子詮釋理論對(duì)以上九大問(wèn)題的回答被總結(jié)于表1中[15]：二、現(xiàn)有的八大類量子詮釋理論接著讓我們來(lái)檢查現(xiàn)有的這些詮釋理論，看看它們各自尚面臨哪些問(wèn)題，令測(cè)量問(wèn)題至今懸而未決。受篇幅所限，筆者將不逐一細(xì)數(shù)這些理論，而是按照通行的觀點(diǎn)，將它們分為如下8大類詮釋，來(lái)逐個(gè)討論：[4]，[16]，[17]1)哥本哈根的解釋2)退相干解釋3)多世界解釋(及相對(duì)態(tài)詮釋)4)隱參量理論5)客觀坍縮模型6)相容歷史觀解釋7)模態(tài)解釋8)語(yǔ)義重構(gòu)類解釋1.哥本哈根學(xué)派的解釋3.多世界解釋(及相對(duì)態(tài)詮釋)既然薛定諤方程告訴我們，貓?zhí)幱谒镭埡突钬埖寞B加之中，但我們?yōu)槭裁磸膩?lái)觀察不到這個(gè)現(xiàn)象呢?如果波函數(shù)從沒(méi)有坍縮，那會(huì)不會(huì)是我們其實(shí)也處于疊加之中——一個(gè)我們觀察到了活貓、另一個(gè)測(cè)得死貓?基于這種思想，1954年，休·埃弗萊特(H.Everett)提出了量子力學(xué)的多世界詮釋。[8]該詮釋下，每次測(cè)量時(shí)，世界即發(fā)生分頁(yè)，即“分裂”成若干個(gè)世界。所有的測(cè)量結(jié)果其實(shí)全都發(fā)生——各自在不同的“分頁(yè)世界”里(這樣波函數(shù)也不必坍縮到某個(gè)特殊的本征態(tài)了)。故而在每一個(gè)分頁(yè)世界里，測(cè)量結(jié)果都是唯一明確的，“經(jīng)典的世界”于是憑借著“世界分頁(yè)”出現(xiàn)了。隨著其后一些類似的詮釋理論被提出，這些理論被歸入一大類量子力學(xué)詮釋理論：相對(duì)態(tài)詮釋(relative-stateInterpretations)。[31]其中主要包含多世界、[8]多心理論等。[32]這類理論的共同點(diǎn)是：1)波函數(shù)并不坍縮，而宇宙存在多個(gè)“真實(shí)”——宇宙被分支(分頁(yè))了；2)量子波的演化是真實(shí)的，且始終按照薛定諤方程的描述；3)測(cè)量過(guò)程(可能還有其他過(guò)程)對(duì)應(yīng)了宇宙的分頁(yè)；4)我們只能感受到一個(gè)“真實(shí)”，即，我們只活在一個(gè)分頁(yè)之中。相對(duì)態(tài)詮釋也受到許多質(zhì)疑和反對(duì)：[33]1)其理論不具有簡(jiǎn)潔性。為解決測(cè)量問(wèn)題，引入如此多人們并感受不到的平行宇宙是否必要?(也有學(xué)者認(rèn)為其符合簡(jiǎn)潔性，見[34]。)2)不能回答優(yōu)先基矢問(wèn)題。提出者們對(duì)于該問(wèn)題或回避，或認(rèn)為可以利用空間定域，即位置坐標(biāo)來(lái)回答。[7]不過(guò)有了退相干理論作為補(bǔ)充的話，這個(gè)問(wèn)題其實(shí)不大。如上文所述，可以利用退相干過(guò)程和穩(wěn)定性判據(jù)來(lái)挑選基矢。[4]，[27]3)與人類正常的倫理和行為模式可能存在沖突(量子輪盤賭問(wèn)題)。[35]研究發(fā)現(xiàn)，一個(gè)篤信多世界理論的人，其行為可能與常人有異，會(huì)熱衷于用性命做賭注，高風(fēng)險(xiǎn)高賠率的量子輪盤賭——因?yàn)樵诓煌猪?yè)世界中，要么生命終止，要么極其富有，反正結(jié)果該人自己的體驗(yàn)肯定是大富大貴了(因?yàn)橹挥心莻€(gè)分頁(yè)中他還能體驗(yàn)世界)。而普通的人們，盡管可能對(duì)量子力學(xué)一無(wú)所知，卻似乎都是自然而然地依照著正統(tǒng)的“波包坍縮”理論行事的。為了避免這個(gè)困局，支持者們又提出了“概率假設(shè)(probabilitypostulate)”，[36]及需要遵守的“行為原則”(behaviorprinciple，即對(duì)測(cè)量后所有分頁(yè)世界中的自己負(fù)責(zé))，[33]來(lái)確保篤信多世界者的行為與普通人一致。但這樣，簡(jiǎn)潔性看來(lái)是注定失去了。4)也有學(xué)者認(rèn)為，多世界理論其實(shí)是將波函數(shù)置于最根本之地位。而這點(diǎn)上有問(wèn)題，波函數(shù)不可能能描述宇宙中的所有一切。[37]4.隱參量類理論量子力學(xué)描述下的粒子具有內(nèi)稟的不確定性，這令不少習(xí)慣了牛頓力學(xué)的決定論性質(zhì)的學(xué)者心存疑慮。就如愛因斯坦所說(shuō)：“上帝不擲骰子?！边@種決定論傾向催生了一類量子詮釋理論：隱參量理論(HiddenVariableTheory)。[38]這類理論的共同點(diǎn)是：認(rèn)為量子力學(xué)是不完整的，量子力學(xué)的不確定性是由于缺乏足夠的信息和理解造成的，而當(dāng)我們擁有了足夠的信息(即隱參量)，就能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)粒子行為。這樣將回到一個(gè)決定論性的理論。其中最早可追溯至德布羅意于1927年第五屆索爾維物理學(xué)會(huì)議上提出的“領(lǐng)波”理論。[39]其后他本人放棄了這個(gè)詮釋，而玻姆將之延續(xù)并發(fā)展，成為了現(xiàn)稱的“德布羅意-玻姆隱參量理論”。[40]，[41]，[42]該詮釋理論中，粒子始終是粒子，具有一個(gè)清晰確定的位置(這樣也就回答了明確結(jié)果問(wèn)題和優(yōu)先基矢問(wèn)題)，同時(shí)伴有一個(gè)“導(dǎo)波”，引導(dǎo)著粒子的運(yùn)動(dòng)行為。而“導(dǎo)波”從不發(fā)生坍縮。例如，在電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，電子作為一個(gè)粒子，其實(shí)只穿過(guò)了一條狹縫，而它的“導(dǎo)波”在雙縫上發(fā)生了干涉，因而最終造成了電子的干涉紋樣。玻姆隱參量理論其實(shí)是將量子力學(xué)直接還原成了經(jīng)典的圖景。量子波也變成了經(jīng)典波，是整個(gè)物理圖景中的一部分。這樣，體系其實(shí)永遠(yuǎn)是經(jīng)典的、確定的，測(cè)量只是揭示了該經(jīng)典狀態(tài)。薛定諤方程和“量子的世界”都被拋棄了。由上可見，隱參量類的理論其實(shí)反映了一種對(duì)經(jīng)典圖景和決定論的固執(zhí)，其問(wèn)題也是很多：1)該類理論具有非定域性。約翰·斯圖爾特·貝爾提出的著名的“貝爾不等式”[43]及其于1981年的實(shí)驗(yàn)證否，[44]宣告了所有定域性的隱參量理論被否定。這樣，隱參量理論必須具有非定域性，即存在超光速的作用。這顯然與相對(duì)論的精神矛盾。另外，這也將意味著嚴(yán)格因果時(shí)序性的破壞，即未來(lái)發(fā)生的事情可以對(duì)現(xiàn)在發(fā)生影響。而這至少對(duì)所有的博彩業(yè)將造成災(zāi)難性的后果和影響。2)該類理論不具有簡(jiǎn)潔性。2011年科爾貝克(R.Colbeck)等人，基于測(cè)量基矢的可自由選擇，從數(shù)學(xué)上證明了：不可能存在量子力學(xué)以外的理論，能在統(tǒng)計(jì)意義上對(duì)粒子行為做出更加精準(zhǔn)的刻畫和預(yù)測(cè)。[45]這樣，在對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的預(yù)測(cè)上，隱參量的引入必然是冗余的。而筆者們認(rèn)為，隱參量類的詮釋理論最大的問(wèn)題還是在于：這是一個(gè)決定論的量子詮釋，從而抹殺了自由意志的可能。詳見后文關(guān)于自由意志的討論。另外，近年隱參量類解釋中出現(xiàn)了一名新成員：隱測(cè)量解釋。[46]其核心假設(shè)是：測(cè)量時(shí)，體系與測(cè)量?jī)x器間發(fā)生相互作用，而這個(gè)相互作用總是不可避免地帶有不可控的細(xì)微波動(dòng)或變化，每次測(cè)量時(shí)都不盡相同，而且只在每次測(cè)量時(shí)才具體發(fā)生(actualized)。故此，測(cè)量之前，只能對(duì)各種可能的結(jié)果做一個(gè)概率分布的預(yù)測(cè)。與傳統(tǒng)隱參量理論不同的是，隱測(cè)量解釋認(rèn)為，不確定的隱參量不包含在體系之中，而是包含于測(cè)量過(guò)程之中。但其實(shí)質(zhì)仍然是一個(gè)隱參量理論，具有該類理論共有的問(wèn)題和困難。5.客觀坍縮模型客觀坍縮模型類的量子詮釋采取了完全直面問(wèn)題的態(tài)度——認(rèn)為量子波的演化就是有兩種方式：薛定諤方程式的和隨機(jī)坍縮的。因此，在該類詮釋中，薛定諤方程被修改了，添入了隨機(jī)坍縮項(xiàng)。此類嘗試最早由珀?duì)?P.Pearle)于1976年提出。[47]發(fā)展至今，最負(fù)盛名的是由吉拉爾迪(G.C.Ghirardi)、里米尼(A.Rimini)和韋伯(T.Weber)提出的GRW模型，[6]和由彭羅斯(R.Penrose)提出的彭羅斯詮釋。[48]，[49]，[50]GRW模型的方法是在薛定諤方程中引入類白噪聲的隨機(jī)項(xiàng)，使得波函數(shù)各個(gè)分量前的量子系數(shù)逐漸改變。最終會(huì)有一個(gè)量子態(tài)的系數(shù)變成1，其余基本歸零(因尾巴問(wèn)題，不能徹底歸零，見下文)。于是體系自發(fā)、隨機(jī)地完成了波函數(shù)坍縮。此過(guò)程稱為隨機(jī)動(dòng)態(tài)坍縮(stochasticdynamicalreduction)。[51]為了解決優(yōu)先基矢問(wèn)題，吉拉爾迪、里米尼和韋伯進(jìn)一步修改薛定諤方程，使波函數(shù)會(huì)最終坍縮至空間特定區(qū)域中(這樣優(yōu)先基矢就是空間位置)，此即自發(fā)局域化模型(spontaneouslocalizationmodel)。[6]GRW模型中，波函數(shù)的坍縮行為稱為“hits”。與退相干理論不同，hits的發(fā)生不需要環(huán)境的作用，乃是體系的一種隨機(jī)、自發(fā)行為。除GRW模型外，也有一些客觀坍縮模型是修改薛定諤方程使波函數(shù)最終坍縮至能量表象的。[52]，[53]彭羅斯是一位物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家及思想家。彭羅斯詮釋認(rèn)為是引力引起的時(shí)空彎曲使量子疊加態(tài)失穩(wěn)而發(fā)生坍縮，與觀測(cè)者的測(cè)量無(wú)關(guān)。[48]，[49]，[50]，[54]綜上所述，在這類坍縮模型中，量子波即真實(shí)。伴隨其隨機(jī)的坍縮，量子的世界逐漸自發(fā)演變出經(jīng)典的世界。該類詮釋的主要問(wèn)題有：1)違背薛定諤方程。至今為止，無(wú)數(shù)的實(shí)踐已經(jīng)證明了薛定諤方程的正確性，然而該類理論卻否定之。從這個(gè)意義上說(shuō)，客觀坍縮模型并非一種詮釋，而是一種新的物理學(xué)理論[15]。，2)不為實(shí)驗(yàn)事實(shí)所支持。如果按照客觀坍縮模型，波函數(shù)早在測(cè)量之前便已經(jīng)坍縮，并失去了量子相干性。然而，現(xiàn)在的所有實(shí)驗(yàn)卻一邊倒地支持量子力學(xué)，只要不與環(huán)境發(fā)生退相干，量子波始終保有相干性，不會(huì)自發(fā)消失。不僅微觀體系，介觀體系、宏觀體系亦是如此。[55]，[56]，[57]，[58]隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷提升，體系尺度和自由度越來(lái)越大，但結(jié)果均證明量子力學(xué)仍然正確。故此，實(shí)驗(yàn)事實(shí)傾向于否定客觀坍縮理論。(盡管通過(guò)修改模型參數(shù)，總可以讓客觀坍縮模型在實(shí)驗(yàn)精度范圍內(nèi)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果保持一致。)3)尾巴問(wèn)題(tailproblem)。由于測(cè)不準(zhǔn)原理的限制，波函數(shù)向位置坐標(biāo)坍縮時(shí)，不可能無(wú)限局域化，否則能量會(huì)發(fā)散。因此，所有坍縮都必須是不徹底的，波函數(shù)在空間各處都會(huì)留下“尾巴”(即仍有少量彌散在空間)。而這些尾巴的物理意義不明。且這樣一來(lái)，體系其實(shí)仍在量子疊加態(tài)中[59]，[60]，[61]。4)GRW模型中的hits，即波包自發(fā)坍縮，作為一種特殊的物理過(guò)程，其發(fā)生的原因、條件沒(méi)有任何解釋。5)不能很好地回答優(yōu)先基矢問(wèn)題。由上可見，優(yōu)先基矢是人為選定的，并據(jù)此修改薛定諤方程，理論人為痕跡明顯。且選位置或是能量皆有，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。而如施洛斯豪爾指出，[4]若僅僅為了優(yōu)先基矢，修改薛定諤方程毫無(wú)必要，退相干理論就已經(jīng)做得很好，比客觀坍縮模型更好。6)不具普適性。大多數(shù)客觀坍縮模型直接將空間位置坐標(biāo)作為優(yōu)先基矢，例如GRW模型和彭羅斯詮釋。這樣雖回答了優(yōu)先基矢問(wèn)題，但該答案顯然不具有普適性質(zhì)。在2000年的超導(dǎo)量子干涉器(SQUID)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)了首次宏觀意義上的量子疊加態(tài)。[58]在一個(gè)比發(fā)絲直徑稍大的超導(dǎo)環(huán)中，實(shí)現(xiàn)了順時(shí)針和逆時(shí)針電流的疊加態(tài)。即，一個(gè)電子同時(shí)在進(jìn)行順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较虻倪\(yùn)動(dòng)。如此一來(lái)，電子的波函數(shù)是不可能局域化的(否則不能同時(shí)在兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng))，因而自發(fā)坍縮往空間位置表象的客觀坍縮模型是注定無(wú)效的。研究表明，SQUID中的優(yōu)先基矢應(yīng)為能量表象。[58]筆者們認(rèn)為，解決測(cè)量問(wèn)題，需要的是詮釋，而不是對(duì)現(xiàn)有量子理論的否定。修改薛定諤方程的進(jìn)路不可取。6.相容歷史詮釋相容歷史詮釋可說(shuō)是一個(gè)非常缺乏野心的詮釋。因?yàn)槠湔麄€(gè)理論中，似乎沒(méi)有任何試圖回答明確結(jié)果問(wèn)題的嘗試，[62]，[63]故此無(wú)法全面地回答量子測(cè)量問(wèn)題。該詮釋最早是由格韋思(R.B.Griffiths)提出，[9]初衷是為了尋找一個(gè)量子宇宙學(xué)研究中，將整個(gè)宇宙作為孤立系看待(即缺乏外部觀測(cè)者)時(shí)，量子描述能夠自洽的詮釋方法。其詮釋的主要理論框架為：認(rèn)為宇宙存在多個(gè)“歷史”。每個(gè)歷史可由一系列描述(proposition)構(gòu)成。描述可以是任何一個(gè)問(wèn)題及其答案，例如：粒子的位置在某個(gè)空間區(qū)域內(nèi)嗎?這樣，在量子力學(xué)理論框架內(nèi)，每個(gè)描述可對(duì)應(yīng)于一個(gè)投影算子。對(duì)于每一個(gè)歷史，將其所有描述的投影算子按照時(shí)間順序連乘，即得該歷史的類算符(classoperator)。于是有相容歷史觀點(diǎn)的核心判據(jù)——相容性判據(jù)：若兩個(gè)不同的歷史之間，其類算符左右夾乘體系初態(tài)密度矩陣后，求秩為零，則此二歷史相容(homogeneoushistories)。[62]，[63]，[64]最終，人們可以找到這樣一組完備而相容的歷史，它們彼此皆相容，而且對(duì)于每一個(gè)描述所對(duì)應(yīng)之問(wèn)題，它們包含所有可能的答案。它們彼此的類算符夾乘密度矩陣后的秩為零；而若以任意一個(gè)歷史自己的類算符左右夾乘密度矩陣，秩將等于該歷史的概率。而這樣一組歷史的概率之和為1。相容歷史觀點(diǎn)認(rèn)為：只有這樣一組相容歷史中的任意一個(gè)，才是對(duì)我們這個(gè)世界的可能的、有意義的、經(jīng)典的描述，才可能對(duì)應(yīng)了真實(shí)。綜上所述，經(jīng)由相容性判據(jù)，(各種可能的)經(jīng)典世界就從量子世界中被構(gòu)建出來(lái)。相容歷史詮釋理論也是問(wèn)題多多：1)該理論中完全不談測(cè)量。對(duì)于什么是測(cè)量，怎么定義、解釋測(cè)量過(guò)程，該詮釋采取了幾乎完全回避之態(tài)度。[15]2)對(duì)于明確結(jié)果問(wèn)題不予回答。3)相容性判據(jù)失效。該理論的初衷之一，應(yīng)該是由相容性判據(jù)來(lái)構(gòu)建經(jīng)典性，從量子的迷霧之中。然而，后續(xù)的理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，很多情況下，經(jīng)由相容判據(jù)所挑選出的歷史都是非經(jīng)典的![30]，[65]，[66]4)相容性判據(jù)冗余。如果說(shuō)，相容性判據(jù)僅僅是為了從量子迷霧中挑選出各種可能的經(jīng)典世界的話，其實(shí)該判據(jù)毫無(wú)必要。因?yàn)榄h(huán)境退相干理論已經(jīng)做到了，而且做得比它好。[4]并且，退相干理論是完全居于量子力學(xué)現(xiàn)有理論框架之內(nèi)的，并不需要額外提出什么判據(jù)條件。5)相容性判據(jù)過(guò)嚴(yán)。理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，測(cè)量自旋方向的儀器的“指針表象”居然都不能完全滿足相容性判據(jù)。而該表象應(yīng)該是可以接受的經(jīng)典表象。[67]筆者們認(rèn)為，相容歷史解釋還有一個(gè)問(wèn)題，即承認(rèn)“多個(gè)歷史”，這就是承認(rèn)存在多個(gè)“真實(shí)”。這點(diǎn)上也值得商榷。7.模態(tài)解釋量子力學(xué)的模態(tài)詮釋最早由弗拉森(V.Fraassen)于上世紀(jì)七十年代提出。[68]其主要思想是經(jīng)由現(xiàn)實(shí)化規(guī)則(actualizationrule，詳見[69])自各物理量中挑出優(yōu)先變量(privilegedobservables，也即優(yōu)先基矢)，來(lái)構(gòu)筑經(jīng)典世界。限于篇幅，關(guān)于模態(tài)詮釋筆者們將另行著文專論。8.語(yǔ)義重構(gòu)類詮釋與上述諸類量子詮釋不同，有一類詮釋，既不增添任何新的判據(jù)條件，也不修改薛定諤方程，而是通過(guò)重新闡述與解讀，來(lái)試圖將測(cè)量問(wèn)題消解于無(wú)形。它們主要包括：關(guān)系量子力學(xué)詮釋、量子力學(xué)的系綜詮釋、量子邏輯等。本文中統(tǒng)稱之為語(yǔ)義重構(gòu)類詮釋。關(guān)系量子力學(xué)詮釋最早由羅韋利(C.Rovelli)于1994年提出，[70]后被斯莫林(L.Smolin)和克蘭(L.Crane)等進(jìn)一步應(yīng)用于量子宇宙學(xué)。[71]該詮釋認(rèn)為：量子波描述的并不是體系，而是體系與觀測(cè)者之間的某種關(guān)系；而測(cè)量過(guò)程只是一個(gè)普通的物理過(guò)程，會(huì)改變體系與觀測(cè)者間的關(guān)系與聯(lián)系，故而會(huì)改變量子波。“體系”與“觀測(cè)者”的角色是可以互換的，二者并無(wú)本質(zhì)區(qū)別，都可以是任意的物體，甚至“theobservercanbeatablelamp”。系綜詮釋最早由玻恩提出于上世紀(jì)50年代，[72]認(rèn)為量子波描述的對(duì)象必須是由大量粒子(及大量實(shí)驗(yàn)測(cè)量)構(gòu)成的系綜；而單個(gè)粒子、單個(gè)測(cè)量則都是經(jīng)典的。這樣薛定諤的貓就很好解釋了：?jiǎn)蝹€(gè)實(shí)驗(yàn)中的貓總是或死亡或存活的，只有大量貓構(gòu)成的系綜才處于死貓與活貓的疊加態(tài)之中。但是該理論卻對(duì)諸如為什么一個(gè)光子能且只能與它自己發(fā)生干涉的問(wèn)題無(wú)能為力。量子邏輯詮釋最早由伯克霍夫(G.Birkhoff)和馮·諾伊曼(J.vonNeumann)于1936年提出。[73]其進(jìn)路是：既然正統(tǒng)的哥本哈根詮釋被認(rèn)為邏輯上不能自洽，那會(huì)不會(huì)是邏輯錯(cuò)了?如果根據(jù)量子詮釋的需要重新構(gòu)建邏輯，使得正統(tǒng)詮釋在新的邏輯體系下自洽，問(wèn)題自然迎刃而解。綜上所述，這一類量子詮釋的共同之處在于：認(rèn)為量子力學(xué)及其正統(tǒng)詮釋，其實(shí)沒(méi)有什么本質(zhì)上的問(wèn)題。之所以會(huì)出現(xiàn)測(cè)量問(wèn)題，是我們沒(méi)有理解好。只要我們重新解讀，就能令之消弭。這樣一來(lái)，該類詮釋并不給出什么新的判據(jù)、或本質(zhì)性的新內(nèi)容，故而也當(dāng)然地?zé)o法回答明確結(jié)果、優(yōu)先基矢等問(wèn)題，也無(wú)法自量子世界上構(gòu)建出經(jīng)典世界。相反地，該類詮釋似乎認(rèn)為這些均是不需要回答的問(wèn)題，或是不應(yīng)由量子詮釋理論來(lái)予以回答。筆者們認(rèn)為，究其實(shí)質(zhì)這類詮釋在試圖回避測(cè)量問(wèn)題。三、依若干確鑿標(biāo)準(zhǔn)來(lái)縱覽諸詮釋理論在依次討論了8大類詮釋之后，我們來(lái)縱覽表一中所羅列的13種較為著名的量子詮釋，并嘗試以一些確鑿的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)予以評(píng)價(jià)。標(biāo)準(zhǔn)一：反事實(shí)確定性(counterfactualdefiniteness)不成立。那些彼此不對(duì)易的物理量(例如位置和動(dòng)量)能同時(shí)具有明晰、唯一確定的值嗎?如果認(rèn)為可以，該詮釋理論就是反事實(shí)確定性的。然而，根據(jù)寇辰-史拜克(Kochen-Specker)佯謬，一個(gè)自旋1粒子在33個(gè)方向上的自旋值，是絕對(duì)不可以同時(shí)具有唯一確定值的。[74]故而，至少在這個(gè)特例中，反事實(shí)確定性失效。因此采信標(biāo)準(zhǔn)一。于是，表中理論3、12被否定。標(biāo)準(zhǔn)二：優(yōu)先基矢不能簡(jiǎn)單地取為空間位置。因?yàn)槿缟衔乃?，SQUID實(shí)驗(yàn)已經(jīng)清晰地將之否定了。[58]因此，理論3、8、11被否定。(理論11中，GRW模型和彭羅斯的引力坍縮解釋，都使波函數(shù)空間局域化，見[6]，[54]。)標(biāo)準(zhǔn)三：不應(yīng)包含隱參量。否則要么被貝爾不等式證否，[43]要么非定域、破壞時(shí)序因果。據(jù)此，理論3、7、8被否定。標(biāo)準(zhǔn)四：不應(yīng)為決定論性詮釋。因?yàn)榭淀f(J.H.Conway)和寇辰(S.Kochen)的自由意志定理告訴我們，[75]，[76]認(rèn)為粒子行為符合決定論即等同于否定我們?nèi)祟愔杂梢庵?，這無(wú)疑是反科學(xué)、反倫理的，是荒謬的(詳見下節(jié))。據(jù)此，理論3、6、7、9被否定。這樣一來(lái)，表中還剩下理論1、2、4、5、10、13。除了一個(gè)既不談測(cè)量，也根本不回答明確結(jié)果問(wèn)題的相容歷史詮釋外，居然只剩下了哥本哈根類詮釋和語(yǔ)義重構(gòu)類詮釋!然而，相容歷史觀點(diǎn)回答不了測(cè)量問(wèn)題，語(yǔ)義重構(gòu)則更多地是在回避問(wèn)題。最后，又只剩下了那始終屹立不倒的哥本哈根詮釋和測(cè)量問(wèn)題!四、自由意志定理、知覺(jué)與詮釋進(jìn)路如果我們將哥本哈根視作正統(tǒng)，并觀察表一中“觀測(cè)者作用(observerrole)”這一列，就會(huì)發(fā)現(xiàn)表中大多數(shù)的理論都?jí)螂x經(jīng)叛道的!哥本哈根詮釋認(rèn)為，正是觀測(cè)者的測(cè)量導(dǎo)致了波函數(shù)的坍縮。而縱覽表一中各詮釋，承認(rèn)觀測(cè)者之地位不可或缺的，除了哥本哈根類詮釋之外，僅有量子力學(xué)的關(guān)系詮釋一個(gè)。(卻也稱“theobservercanbeatablelamp”，完全否認(rèn)觀測(cè)者意識(shí)之作用。)諸詮釋為何皆否定觀測(cè)者的地位和作用?因?yàn)椴荒芴?。提了，就?huì)卷入一個(gè)叫作“意識(shí)”的大麻煩，陷入類似馮諾伊曼-魏格納詮釋的困境。然而，“觀測(cè)者”可能是一個(gè)繞不過(guò)去的命題。所有的回避，可能都不能得到令人滿意的詮釋。原因有二。一方面，根據(jù)退相干理論，宏觀測(cè)量?jī)x器沒(méi)有必要是經(jīng)典的，完全可以是大量服從量子力學(xué)的微觀粒子組合構(gòu)成。當(dāng)測(cè)量?jī)x器與體系作用，發(fā)生退相干，體系波函數(shù)若干分量間的量子相干性消失。按照這一模式，任何后續(xù)的物質(zhì)相互作用只會(huì)導(dǎo)致量子干涉性的消失，但體系和后續(xù)儀器的整體仍然處于各種可能性的疊加之中。此即馮諾依曼鏈條(vonNeumannchain)。[77]而最終達(dá)成經(jīng)典的、唯一確定的真實(shí)情況，則似乎必須要有觀測(cè)者的意識(shí)參與。另一方面，測(cè)量問(wèn)題之根源，就在于我們?nèi)祟惐旧淼捏w驗(yàn)，就是在于我們的體驗(yàn)與量子力學(xué)所描述的世界不符!若沒(méi)有我們之體驗(yàn)則根本無(wú)從測(cè)量問(wèn)題。其次才是我們的一類特殊的體驗(yàn)——測(cè)量過(guò)程中面臨的波包坍縮問(wèn)題。如此看來(lái)，測(cè)量問(wèn)題其實(shí)非常類似哲學(xué)上通常所謂“兩個(gè)世界”的問(wèn)題，一個(gè)是科學(xué)的世界，另一個(gè)是可感的、擁有情感、意志、道德、友誼的生活的世界。兩者雖然“越來(lái)越被實(shí)踐(Praxis)連接著”，卻又“為一條深淵所隔斷”。而測(cè)量問(wèn)題之核心，其實(shí)也反映了這樣“一條深淵”，一邊是量子科學(xué)和薛定諤方程的世界，另一邊是人類可感的世界。但其實(shí)，我們?yōu)槭裁匆乇苷務(wù)撊祟惖闹X(jué)和體驗(yàn)?我們的神經(jīng)生物學(xué)已然如此發(fā)達(dá)，對(duì)神經(jīng)活動(dòng)的了解已達(dá)分子水平。同時(shí)，我們對(duì)人類心理、行為、解剖學(xué)的研究也已積累頗豐。若將這些積淀納入量子詮釋，可能離解決量子測(cè)量問(wèn)題便已近在咫尺。與這些回避“觀測(cè)者意識(shí)”的量子詮釋之進(jìn)路形成鮮明對(duì)比的是，2006年，普林斯頓大學(xué)的康韋和寇辰教授提出了自由意志定理，[75]，[76]利用三條公理SPIN(自旋1粒子的自旋量子化規(guī)律)、TWIN(兩個(gè)粒子的總自旋量子化規(guī)律)和MIN(信息不能以超光速傳播)，清晰地證明了：若人類具有自由意志，則基本粒子也同樣擁有。如此看來(lái)，量子力學(xué)的內(nèi)稟不確定性，正是反映了基本粒子之自由意志。關(guān)于測(cè)量問(wèn)題，曾有一個(gè)為人熟知的說(shuō)法：量子力學(xué)的秘密位于經(jīng)典和量子世界的邊界上。而筆者們認(rèn)為：量子力學(xué)的秘密，就在自由意志之中。自由意志，將在量子詮釋中起到至關(guān)重要的作用；而自由意志最好的居所，就是波包坍縮時(shí)的各種可能所對(duì)應(yīng)的自由。粒子們的自由意志和力學(xué)演化方程的鐵律，共同決定著宇宙的未來(lái)。筆者們堅(jiān)定地認(rèn)為：在尋找一個(gè)合理的量子力學(xué)詮釋時(shí)，必須體現(xiàn)自由意志、體現(xiàn)整個(gè)宇宙未來(lái)的不確定性。量子力學(xué)計(jì)算出了粒子各種行為的發(fā)生幾率，而粒子的自由意志最終決定了粒子到底選擇哪種(經(jīng)典的)行為。這就好像，波函數(shù)依照薛定諤方程，演化出重重的量子迷霧；而粒子們的自由意志選擇了宇宙發(fā)展的軌跡，在迷霧中踏出一條蜿蜒前行的經(jīng)典的小徑，通往時(shí)間的前方。按照自由意志定理，即便觀測(cè)者能掌握整個(gè)宇宙之前的歷史，粒子的行為卻不能以任何函數(shù)形式來(lái)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。這表明，粒子的行為體現(xiàn)出一種非理性。而另一方面，量子力學(xué)的薛定諤方程代表了一種極致的理性。當(dāng)我們?nèi)祟悾噲D用純粹的理性來(lái)預(yù)測(cè)非理性時(shí)，最好的結(jié)果就是得到在各種可能上的概率分布。而這一點(diǎn)上，量子力學(xué)(及波包坍縮詮釋)恰恰完美地做到了。因此，我們應(yīng)該堅(jiān)定地以這樣一種視角來(lái)詮釋量子力學(xué)，即薛定諤方程和量子波演化給出的是所有的可能(因其作為純理性不具備給出真實(shí)的能力)；而要想知道具體發(fā)生的真實(shí)情況如何，必須觀測(cè)者自己親自去觀測(cè)。親身觀測(cè)所得，方為真實(shí)。測(cè)量過(guò)程之關(guān)鍵，乃在于“親身觀測(cè)”四字。觀測(cè)過(guò)程，是觀測(cè)者以自己的感覺(jué)，去感知外界的過(guò)程。這其中有一個(gè)不容回避的概念，即感知，或“知覺(jué)”。然而，“知覺(jué)”這一要素仍然自現(xiàn)今的科學(xué)范疇、諸量子詮釋理論中缺失。這正是測(cè)量問(wèn)題至今懸而未決的根本原因。繼康韋和寇辰揭示出粒子的自由意志之后，[75]本文作者們進(jìn)一步指出：粒子兼具知覺(jué)能力和自由意志，而人類(及量子觀測(cè)者)的知覺(jué)正是由粒子的知覺(jué)能力構(gòu)建而來(lái)。本文作者們將給出一種新穎的科學(xué)哲學(xué)理論，將“知覺(jué)”與“自由意志”納入量子力學(xué)詮釋的框架之中，揭示基本粒子們知覺(jué)與意志的權(quán)利與范圍，以及觀測(cè)者知覺(jué)的方式與方法，并最終解決量子測(cè)量的疑難。參考文獻(xiàn)：[1]Albert,D.Z,QuantumMechanicsandExperience[M].HarvardUniversityPress,2009.[2]Busch,P.,Lahti,P.J.,Mittelstaedt,P.TheQuantumTheoryofMeasurement(LectureNotesinPhysicsMonographs)[M].Springer:SpringerBerlinHeidelberg,1996,25-90.[3]曹天元，上帝擲骰子嗎?——量子物理史話[M].北京聯(lián)合出版公司，2013.[4]Schlosshauer,M."Decoherence,theMeasurementProblem,andInterpretationsofQuantumMechanics"[J].Rev.Mod.Phys.2005,76(4),1267-1305.[5]vonNeumann,J.MathematicalFoundationsofQuantumMechanics[M].Princeton:PrincetonUniversityPress,1932.[6]Ghirardi,G.C.,Rimini,A.,Weber,T,"UnifiedDynamicsforMicroscopicandMacroscopicSystems"[J].PhysicalReviewD,1986(34),470.[7]Wikipediacontributors,"Many-WorldsInterpretation",Wikipedia,[EB/OL]TheFreeEncyclopedia,/wiki/Many-worlds_interpretation(accessedDec10,2014).[8]Everett,H.,"RelativeStateFormulationofQuantumMechanics"[J].ReviewsofModernPhysics,1957(29),454-462.[9]Griffiths,R.B."ConsistentHistoriesandtheInterpretationofQuantumMechanics"[J].JournalofStatisticalPhysics,1984(36),219.[10]Wikipediacontributors,"CopenhagenInterpretation",Wikipedia,TheFreeEncyclopedia,[EB/OL]/wiki/Copenhagen_interpretation(accessedDec10,2014).[11]Faye,J."CopenhagenInterpretationofQuantumMechanics"[A].EdwardN.Zalta(Eds)TheStanfordEncyclopediaofPhilosophy,[EB/OL]/archives/fall2014/entries/qm-copenhagen/(accessedDec10,2014).[12]Heisenberg,W.PhysicsandPhilosophy[M].Harper,1958.[13]Gomatam,R."NielsBohr'sInterpretationandtheCopenhagenInterpretation—AretheTwoIncompatible?"[J].PhilosophyofScience,2007(74):736-748.[14]Auletta,G.FoundationsandInterpretationofQuantumMechanicsintheLightofaCritical-HistoricalAnalysisoftheProblemsandofaSynthesisoftheResults[M].WorldScientific,Singapore,2000.[15]Wikipediacontributors,"Interpretationsofquantummechanics",Wikipedia,TheFreeEncyclopedia,/wiki/Interpretations_of_quantum_mechanics(accessedDec10,2014).[16]Krips,H.P."MeasurementinQuantumTheory"[A].EdwardN.Zalta(Eds)TheStanfordEncyclopediaofPhilosophy,[EB/OL]/archives/fall2013/entries/qt-measurement/(accessedDec10,2014).[17]Wikipediacontributors,"Measurementproblem"Wikipedia,TheFreeEncyclopedia,[EB/OL]/wiki/Measurement_problem(accessedDec10,2014).[18]Joos,E.,Zeh,H.D."TheEmergenceofClassicalPropertiesThroughInteractionwiththeEnvironment"[J].Z.Phys.B,1985(59),223.[19]Zurek,W.H."QuantumDarwinism"[J].NaturePhysics,2009(5),181-188.[20]Zurek,W.H."PointerBasisofQuantumApparatus:IntoWhatMixturedoestheWavePacketCollapse?"[J].Phys.Rev.D,1981(24),1516.[21]Zurek,W.H."Decoherence,einselection,andthequantumoriginsoftheclassical"[J].Rev.Mod.Phys.,2003(75),715.[22]Sun,C.P."ProblemsinQuantumMeasurementandApplications"[J].Physics,2000.[23]Pernice,A.,Strunz,W.T,"Decoherenceandthenatureofsystem-environmentcorrelations"[J].Phys.Rev.A,2011(84),062121.[24]Hackermülleretal."DecoherenceofMatterWavesbyThermalEmissionofRadiation"[J].Nature,2004(427),711-714.[25]Almeidaetal."Environment-InducedSuddenDeathofEntanglement"[J].Science,2007,316(5824),579-582.[26]Adler,S."WhyDecoherencehasnotSolvedtheMeasurementProblem:AResponsetoP.W.Anderson"[J].Stud.Hist.Philos.Mod.Phys.,2003(34):135.[27]Saunders,S."Decoherence,relativestates,andevolutionaryadaptation"[J].FoundationsofPhysics,1993,23(12),1553-1585.[28]Bacciagaluppi,G.,Hemmo,M."Modalinterpretations,decoherenceandmeasurements"[J].StudiesinHistoryandPhilosophyofSciencePartB:StudiesinHistoryandPhilosophyofModernPhysics.1996,27(3),239-277.[2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