包邮量子理论的观念之争和认识论发展

**章 量子世界旅行 20世纪量子理论的诞生是科学史上的大事件。量子理论向科学家和科学哲学家提出了一系列复杂问题。对许多人来说，任何理解量子理论所描述的世界的尝试，似乎都要求我们对事物性质的理解作出一个激进的修正，这一修正比由相对论要求的对空间和时间的性质的理解所作的修正更为激进。人们通常声称，为了理解量子理论，我们必须修正对如下事件或问题的正确理解，诸如实在的客观性、实在不依赖于我们的知觉而存在、一个复杂系统的性质及这个复杂系统与其组成部分之间的关系、世界上的因果性和各种决定论等。对于量子理论来说，究竟是什么迫使我们对自然的基本分类接受这样一个激进的修正？ 为了理解这一问题，我们需要探究在这一理论的历史发展中*重要的或*有趣的一些细节或事件，一些*重要的观念之争和认识论发展。近年来，量子理论的解释和量子测量技术都有了研究新进展，因此我们需要对量子力学的基本问题进行与时俱进的哲学研究，这不仅涉及科学思想观念上的诸多革新，而且是对哲学理论的推进。具体来说，今天量子理论的研究进展已经对量子力学中的因果性、非定域性和测量问题等作出了更可接受的说明。扫描隧道显微术等量子测量技术已经先进到可以直接探测材料表面的原子结构，而不会对其造成不可控制的干扰。这无疑打破了量子测量会对被测微观客体造成不可控制的干扰的习见认识，对于我们认识微观世界的量子结构和性质具有重要的认识论意义。特别来说，扫描隧道显微术实现的量子世界的可视化，清楚地表明微观量子具有不同于经典粒子的行为。微观量子能以一定的概率同时存在于多个不同的状态，即所谓的量子叠加态。这就使得我们对于微观世界量子特性的认识有了实验依据，而不再停留在纯粹形而上的思辨层面。 本书基于量子理论和实验技术的研究新进展，结合当前科学哲学研究中颇具影响力的结构实在论，对围绕量子力学的基本问题，如测量问题、因果性问题、量子力学描述物理实在的完备性问题等展开的观念之争和认识论发展，作一些研究和探讨。本书的结构安排如下：**章是对量子世界的一个巡游，总体陈述量子世界的特征、量子理论的历史发展，以及量子理论解释的争论史；第二章探究量子理论的观念之争：第三章阐明量子测量理论的认识论发展：第四章分析量子理论对于哲学的挑战：第五章从量子信息理论的视角审视量子力学；第六章归结全书，给出本书的基本观点。 一、初涉量子世界 你想躺在床上休息，同时又想坐着看书，这是不可能的吗？量子世界的确能使这一不可能成为现实！量子世界是如何实现这一不可能情形的？在量子世界，一个粒子能成为一束同时振荡在许多地方的波。当然，这与我们的日常经验相冲突，因为在日常经验世界中，我们绝不可能既在床上睡觉，同时又坐着看书，这样的尝试注定会失败。然而，物质波确实可以实现这一梦想。它们能同时在许多地方振荡。例如，一列水波原则上就不会局限在一个确定的位置，它能分开并且同时穿过两个通道。同样，在量子世界，一个单原子能以一定的概率处于多个状态，而不会仅仅待在某一个确定的位置。 如果完美的谋杀是可能的话，那么着迷于量子世界可能会实现秘密谋杀的任何人总会提出这样的问题：犯罪者能同时在场又不在场吗？当一个潜在的谋杀者出现在犯罪现场，同时又出现在无论哪儿的其他某个地方时，他实际上有一个难以辩驳的在他处而不在犯罪现场的托辞。幸运的是，甚至量子力学也不容许有完美的谋杀存在。即使一个犯了罪的量子力学粒子真能同时以一定概率处于两个地方，但是为了实施谋杀，它也不得不与在犯罪现场的受害者发生相互作用。实施犯罪的量子力学粒子这样做的结果，就暴露了它的行踪。因此，一个量子福尔摩斯能宽慰地舒口气。因为量子力学波在相互作用期间必定会发生改变，这种改变是契约式地变回到一个经典的、定域的粒子，于是不在犯罪现场的托辞就消失在了稀薄的空气中。 这个空间分布的非局域波，如何转换为一个有确定位置的粒子？量子力学世界和经典世界之间的过渡发生在何处？难道是谋杀行动暴露了罪犯本人？难道是受害者迫使罪犯处于一个确定的位置？抑或是周围世界通过观察这一谋杀建立了犯罪现场？这些都是需要阐释的问题。在此，纠缠的概念进入了讨论的范围。纠缠是一个每天都会出现的、无处不在的现象。不顾其深刻的量子力学精髓，纠缠解释了为什么经典现象对我们的日常经验产生了巨大的影响。因此，我们的世界自然地是一个纠缠的世界。 纠缠以如此丰富的形式存在于我们的周围，以至于*初似乎没有任何希望对它实施控制。然而，今天对于科学的这一挑战，我们可以在易操作的系统中确切地看到科学家如何可控制地创造和操作纠缠。凭借这一点，我们可以成功地找到探察量子世界的复杂性，甚至很好地利用其特殊性的道路。在这个方向上的范例是量子计算机、量子编码术和量子远程通信，而它们的经典对应物，倘若根本上存在，则一定在许多方面功效有限。 100年前，说物质在世界中的行为像波，或说一个物体可以同时出现在不同地方，是根本不可想象的。力学和电动力学所构成的物理学与可视的、每天都能体验到的自然极好地相符合。物理学的所有问题似乎都解决了。根据普遍的看法，对于一个依然是不可解释的现象来说，人们的期望是这个现象迟早会随着经典的自然定律的随后应用而得以破解。物理学的普遍法则似乎已确立完毕。 然而，仍然存在一些明显微小的问题不断受到物理学家的质疑。例如，出于对炽热的黑体辐射的色谱的理解，一个全新的研究方向进入了人们的视野。1900年普朗克( Max Planck)对于黑体辐射问题的解决，导致了量子理论的诞生。然而，这个理论直到今天仍然使人心神不宁，许多疑问仍然处于悬置状态。普朗克制定的光的发射条件：光不能以任意小的能量包发射，只能以一个有限大小的能量包，即后来爱因斯坦发展的光量子的形式发射。普朗克*初完全不满意他的方案，以至于他引入了一个参量h，他*初把h命名为一个辅助参量。确切地说，这个参量危是用符号表示的一个单能量包，今天称之为普朗克常数。这就是量子理论的起源。 与此同时，原子模型得以发展，这一发展也不在经典物理学的框架之内。例如，氢原子的基本结构是南原子核和电子组成的，人们那时知道这一点已有时日，并且也能相当精确地确定原子核和电子的质量和电荷。由于电子和原子核之间的吸引力的数学形式精确地等价于太阳和地球之间的吸引力。因此，可以毫不闲难地设想电子在椭圆轨道上绕核运动。人们把电动力学和牛顿力学接受为无懈可击的理论，但是它们不能用来解释氢原子的稳定性这一事实。一个在椭圆轨道上的电子只不过是一根持久发射能量的天线。结果，电子必定会在很短时间内坍缩到原子核上。然而，众所周知，氢原子是相当稳定的。面对这一困境，物理学家开始弥补漏洞，玻尔给出了氢原子的能级跃迁模型，虽然这一模型并不能很好地解释如氦原子等包含多个电子的原子，但是这一努力及随后的所有努力导致了量子力学的革命。 量子力学发展于20世纪的前50年。量子力学的发展推动了一场量子世界观的伟大变革。对于发现者来说，许多未解决的物理现象是量子力学得以发现的关键，但是反对者无视这一点，认为这纯属胡说八道。量子理论似乎晦涩难懂、令人费解，甚至是错误的，不但局外人这样看，而且当时一些世界公认的物理学家也持有类似的观点。量子力学的支持者试图用假想实验来阐释这一理论。今天，人们把这些假想实验称为虚拟实验。这些假想实验随着操作上的可行也变得著名起来。在那时由于可利用的实验技术是有限的，因此经常不能进行真实的实验。人们很难设想粒子可以同时处在两个位置，物质具有似波行为；相互分离得很远的两个粒子，对一个粒子的探测可以“知晓”另一个粒子的状态。今天，科学技术的发展已经使得在实验装置中建构这种神秘的理论建构物成为现实，这证明所有看似矛盾的令人惊异的预测实际上是真实的。这些真的是矛盾吗？某物如何同时处于两个位置？我们之所以认为量子力学的定律是矛盾的，是因为它们显现出与我们的习见经验不一致的特征。 我们凭借我们的感官体验着日常自然定律的效果，据此，我们建构着我们自己从经验上确立的世界图景的大厦。这是我们为何会立即接受牛顿的引力定律，认为它似乎是有道理的原因所在。当一个苹果从树上落下时，引力所产生的效果能通过肉眼直接看到。地球绕太阳旋转的事实更为复杂，但是经过一些考虑之后仍然是可以理解的。或者用一个旋转木马的例子有助于形象化这一情形：离心力和重力恰好相互平衡。我们在自然界观察到的这些效果，它们能用经典力学和电动力学来理解，在这个意义上我们把它们称为是经典的。为了能理解量子力学，我们必须离开经典世界。 在量子世界中，一个绕核“旋转”的电子能够同时处于几个不同的位置。在太阳和地球等宏观物体构成的经典世界中情形完全不同：卷入这一过程中的“粒子”（天体）在某时固定在某个地方。在量子世界中，一个束缚于原子核的电子由一个物质波描述，它的振荡扩散于整个原子核，因此可以同时出现在许多地方。这一属性作为一个抽象的图像不太容易理解。然而，在哥白尼革命之前，认为地球绕着太阳旋转，不也被认为是不可想象的吗？ 如何使量子世界对我们来说变得可视？现在，在实验室把物质的波动特征拍摄为照片是可能的。图1.1是利用扫描隧道显微术实现的对实空间中原子内部结构的无损伤直接探测，显示一个电子作为一个波在某种微观澡盆中振荡。 图1.1 在铁环中电子的波形结构 在图1.1左边我们能看到一个经典的粒子，如在一个圆形的台球桌上的一个台球。当给台球一个推力，并忽略摩擦力时，台球与台球桌弹性护边多次碰撞后，将立即滚向桌子的每一个地方。在任何一个时刻，台球将确定无疑地非常精确地处于桌上的一个确定的地方。在右边我们看到相同的系统，只不过这个台球桌制造得非常微小，比实际的台球桌小100万倍。“球桌弹性护边”由74个铁原子组成，它们在一个非常平坦的铜制平面上连接在一起。现在使用一个原子力显微镜，这个显微镜可以识别出单个原子，捕获它们并把它们再次存放在一个确定的地点。在这种情形下的台球是电子。这个图像让我们看到了电子处于一个确定位置的概率。正视图越高，电子的密度越大。在铁环中的波型结构表明电子不是确切地占有一个可能的位置，而是扩散于整个“桌面”。然而，它不是以相同的概率无处不在酌。 事实上，甚至原子、分子也有波动行为，一个原子干涉仪上能清楚地显示原子、分子的波动行为。波有相互干涉的典型能力。用一个原子干涉仪，可能看到物质波的干涉。为此，我们有必要理解干涉的意义。 干涉是一种叠加效应，至少需要有两个波的叠加，才能发生干涉效应。发生干涉的两个波能相互增强（相长干涉）或相互抵消（相消干涉）。形成的干涉条纹的清晰度和对比度是对原初单个波的波动性程度的一个度量。当试图观察实物粒子的干涉条纹时，首先必须产生两个能够干涉的波。在一个原子干涉仪中，向一个双缝发射原子，这个双缝把原子分裂成两个物质波。原则上，干涉仪由一个双孔径的光阑和一个用来探测原子的屏组成，光阑孔径非常小。一个单原子以一个平面波的形式到达双缝。因此，以和水波相同的方式，一个原子同时穿过了两个缝。在光阑后一个球面波在扩散，每条缝产生一个球面波。这样，就形成了两个可以相互干涉的球面波。 初看起来，这似乎有些不寻常，一个原子竟然能和它自己发生干涉，但是，量子力学确实使这成为了可能。然而，在屏上只记录到单个“点”原子。因此，粒子不是均匀地扩散，形成了一个干涉图像，而是必定有许多原子穿过双缝，形成了一个可识别的干涉图像。 自然，现在我们想知道是否原子真的同时穿过了双缝。为此，我们首先关闭一个缝以确保原子只能穿过另一个缝。现在看到，干涉图像消失了。这很容易理解，因为一条缝只产生一个球面波而不是两个。现在让原子穿过双缝，并在光阑后立即探测它穿过了哪一条缝。为此，我们在光阑后不远处放置一束激光束，使其与光阑成一线，这使得通过荧光观察原子的位置成为可能。再一次，干涉图像消失。起初有两个球面波，但是只要我们一看原子在哪儿，就会迫使我们承认原子处于一个位置。于是，原子再次变为一个局域的粒子，干涉