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富贵而名摩灭不可胜记,唯俶傥非常之人生焉

世有大勇者,猝然临之而不惊,无故加之而不怒,此其所挟持者甚大,而其志甚远也

 
 
 

日志

 
 

量子力学哲学的新理解——对万小龙“量子哲学研究”的解读  

2010-12-07 18:24:18|  分类: 他科之璞可以攻玉 |  标签: |举报 |字号 订阅

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(发表于《山东科技大学学报》2005(2),并作为万小龙《范弗拉森的量子力学哲学研究》一书代序,中山大学出版社2006年1月版)

[摘 要] 通过评介量子力学哲学研究新成果,而对“量子哲学”要害问题——量子测量,量子概率和量子关联(特别是令人困惑的测量问题)进行梳理和澄清,并作出新的概括和再解释。

[关键詞]量子测量 量子概率 量子关联

近年来,我国科学哲学界正呈现百家争呜和百花齐放的局面。例如有张华夏与张志林的“狭义的科学哲学”,刘大椿的“广义的科学哲学”,郭贵春的“后现代的科学哲学”,曾国屏的STS,吴彤的“自然科学的哲学”,东北派的“技术哲学”,李伯聪的“工程哲学”,还有我的“分科的科学哲学”如此等等。这几年,我们的“物理学哲学”课题组在量子力学哲学的解读方面做了一些工作,如《物理学的新神曲----量子力学曲率解释》(武汉出版社2004年版)等论著,万小龙的新著《范弗拉森的量子力学哲学研究》是又一新成果。

万小龙是我们武汉大学外国哲学博士点所培养的,我从1996年开始招博,他是我所带的第一个科学哲学博士。《范·弗拉森的量子力学哲学研究》(中山大学出版社2005年版)这本书是在他的博士论文基础上精心修改而成的。我想,在这里交待一下他选题、研究和写作的背景看来是比较恰当的。我们这个博士点在科学哲学、分析哲学方面有“江天骥传统”,它强调把握西方“狭义的科学哲学”的脉络,要对最有代表性的学派、人物、著作及思想进行细致研究,要保持客观、中肯、不失真。我认为,范·弗拉森正好是继劳丹之后的又一位最重要的科学哲学家,他的建构经验论在科学实在论与反科学实在论之争中独树一帜。因此,选择范·弗拉森的科学哲学为题是符合武大“江天骥传统”的,或者说是能保持本博士点特色的连续性的。这是我第一方面的考虑。

诚如库恩《必要的张力》所指出,继承传统与发扬、革新传统是相互依存、相互促进的两个方面。由于我本人是学理科的,喜欢结合经验科学背景来做科学哲学,这是我的个人特点。因此,我在第二方面的考虑则是,要结合考生不同的背景知识(专业背景)因材施教,提倡“分科化的科学哲学”,主张将“狭义的科学哲学”所提供的通用原理(取其合理内核),分别用于物理学哲学、生物学哲学、经济学方法论和计算机科学哲学等等。现在的情况是,范·弗拉森的量子力学哲学出现在科学哲学与现代科学的交叉点上,他的模态解释在量子力学解释群中也独树一帜。另外,万小龙的本科就读于苏州大学物理系,硕士阶段师从殷正坤教授(殷正坤早在1980年代末就成名于《量子历程》及《西方科学哲学教程》)研究物理学哲学。综合这些背景信息,我的结论是,万小龙非常适合于范·弗拉森的量子力学哲学研究这一选题。万小龙欣然接受了我的建议(我从不强制)。

万小龙也是我所主持的两个科学哲学项目的主要成员,他思想活跃,并且极有创见。我们把课题组称为自己的“量子哲学共同体”,万小龙是一员干将。我分给他的任务是,以范·弗拉森为基点,继续研究量子力学的基本哲学问题。项目1:物理学哲学研究(国家社会科学基金,2000年获准,2004年8月通过国家鉴定,评为优等);项目2:当代物理学前沿的哲学问题(教育部山西基地重大课题,2003年获准,正在进行中。【附注】最终成果:桂起权、高策等《规范场论的哲学探究》科学出版社2008年5月已出版)。我本人所做的主要工作有:量子革命前后物理思想史的研究(如撰写《玻恩》、《海森伯传》等,研究由量子工程师、量子数学家与量子哲学家各自提出的三种研究纲领的互动关系及其在量子革命中的作用);在量子力学哲学方面,我把注意力集中于辩证法因素的发掘上,如N·玻尔互补性的逻辑与辩证法,海森伯关于“潜在是物理实在新型式”(可能与现实的中间物)的思想,M·玻恩关于“量子世界是因果与机遇联合统治”的思想,D·玻姆关于“偶然性出现在多种原因、可能趋势的交叉点上”、“即使真空也充满着全息运动”的整体论思想等等。其中每一种具体的辩证法都有各自的优点与局限性。这两年我也为“规范场的哲学意义”而操心,有时甚至感到焦虑。我仍坚信宇宙基本相互作用的奥秘深藏于数学规律,尤其是基本对称性之中(即使表观上的“对称性破缺”仍是深层规律的内在对称性局部的不完全的反映)。说“上帝”是“优秀的几何学家”和“科学美学鉴赏家”并没有错,只不过这个“上帝”就是自组织的宇宙本身。基本对称性是宇宙所固有的,从认识角度讲,“因为美,可见(很可能)真”,而从本体角度看却是“因为真,所以(很可能)美”,毕达哥拉斯主义、宇宙计算主义必须与科学实在论相结合才能落到实处。

与万小龙共处,我真切地体会到“后生可畏”!2003年暑,我与他一起在教育部山西基地做课题,历时一个半月,他一口气构思了关于量子力学哲学问题的八篇论文,如今全部已经兑现,正式发表。他精力充沛、雄心勃勃、信心十足,最可贵的是,说到做到。顺便说,他的“量子姐姐”成素梅教授(那是“量子哲学共同体”对她的昵称)也是这样。相形之下,我觉得自己对于在难度系数高的战线上连续作战来说,多少有点精力不济、力不从心了。应当说,今后的希望寄托在他(她)们身上了!

若要问万小龙在研究风格上的主要特色是什么?我以为,如果放在科学哲学学术圈内来看,则可以说他的特点是在对当代物理学艰深问题有较深入了解的基础上的精密细致的逻辑分析与语义分析技巧。诚然,他教过数理逻辑,但这里主要并不是指他会解“两个演算”的习题。“擅长于逻辑分析”决不是一句空话,毛泽东说得好,对所论矛盾不真正了解,就不可能有中肯的分析。万小龙对量子力学的要害问题是有深入了解的,因此就可能有中肯的分析。假如有一位哲学家对“波粒二象性”在物理实验中究竟具体指称什么一无所知,那末他的“逻辑与语义分析”越“精密细致”,在过于注重实证的科学家眼里就越显得可笑,毫无价值可言。

我们的“量子哲学共同体”通过激烈的争论与讨论,形成许多共识。在量子力学诠释问题上所达成的一致意见,按照我的概括是,应当持科学哲学上的多元主义方法论的立场。尽管每一种合理的诠释应当对整个论域一概地正确,然而仍可能采取不同视角,在不同意义上进行正确解释。几乎每一种解释都像盲人摸象能摸到局部真理,但整合之后才可能有完全真理。其中哥本哈根正统解释仍不失为各种不同解释的基本参照系。万小龙在本书中重点分析了正统解释、统计解释、多世界解释与隐变量理论这几种最典型诠释的优缺点,尔后引出范·弗拉森独特的模态解释的主要作用与特征。

通过激烈争论,我们的“量子哲学共同体”一致认识到将正统诠释中科学成分与哲学成分混淆起来是不对的。按照我的概括,应当澄清的是:测不准关系与玻恩几率诠释(或称统计诠释),本身属于科学成分,为各派所共有。那正是倡导者获得诺贝尔奖的依据。唯有把“测不准性”与“几率性”看成单个粒子天生的不确定性所致,这种理解方式(哲学理念)才为哥本哈根诠释所特有。万小龙在本书中原则上接受了这一理念,并且在某些方面区分得更加精细化。例如,他对玻恩(1)、玻恩(2)与玻恩(3)及(4)作了辨别:(1)玻恩对波函数的原始几率陈述——在1926年提出,因此未能考虑1927年的测不准关系,错把微观粒子当作经典粒子处理;(2)玻恩对量子统计的单粒子内禀几率解释——量子几率是描述单个体系的,量子力学是关于单个过程的完备理论;(3)玻恩规则——对系统在一定的态中作一完美测量的结果,对应于可观察量值的概率表达式,(4)玻恩统计解释——现在量子力学教科书中符合玻恩规则的波函数诠释之称。他的结论是,玻恩(3)、(4)是对形式体系的物理诠释,而玻恩(2)的内禀几率解释才属于哥本哈根的哲学解释内容。

在对量子力学基础所做的分析中,万小龙还提出了两点独到的想法:一是通过逻辑分析,得出量子力学的标准数学形式是内在的自洽的,并与正统物理解释相协调,然而由标准数学形式加上正统诠释所构成的整体量子力学,却是不完备的。他把科学理论的整体分成五层结构:由下而上分别是经验、经验陈述、物理理论陈述、逻辑数学陈述直至形上学陈述,缺少任何环节在理路上都会显得不顺畅,都得补上。二是运用历史分析得出,若要使之完备化,必须将玻恩几率这种关于代数关系的解释转换成相应的空间关系解释。

范·弗拉森把量子力学哲学研究概括为三个要害问题,即量子测量、量子概率和量子关联问题。而范·弗拉森关于量子力学的哲学思想,其核心内容就在于对量子测量的模态解释。万小龙在对范·弗拉森的观点进行梳理、解读、再分析的基础上,系统地阐发了自己的新见解。

“量子哲学”第一个要害问题是量子测量疑难。这一问题千头万绪,一般情况下很难把思路理清。作者按玻恩-冯·诺意曼主线对测量的解释问题加以展开,这样就能收到“快刀斩乱麻”的效果。正统解释有两个版本,一是哥本哈根的,二是冯·诺意曼的(两者在根本上是一致的。可惜作者对此未作任何分析)。按照冯·诺意曼版本,正统解释=量子力学标准形式(以冯的五个公理为基础,包括可疑的第五公理即投影假设)+冯·诺意曼解释规则(即本征态—本征值的关联)。薛定谔波动方程被认为是量子力学特有的因果律,因为它能根据系统的初态给出相互作用之后系统的耦合态。可是,玻恩规则仅能给出作为测量结果的可观察量的值的概率。于是,在测量之后系统的态与可观察量的值之间两头脱节,这就是著名的测量疑难。冯·诺意曼引入本征态—本征值关联的解释规则(即当且仅当系统Y处于与其中可观察量B相应的一个本征态时,可观察量B才有值b),正是为了在系统的耦合态与可观察量值之间设法建立联系。然而,由薛定谔方程决定的测量仪器与被测系统在相互作用之后的耦合态,仍不等同于人通过仪器测量到的可观察量的值(仪器指针的确定读数)。为了进一步消解两头脱节,冯·诺意曼又引进了著名的投影假设(假定正是人的观察行动即对仪器的“最后的一瞥”,才导致耦合态投影到其中之一的本征态,其态的变化的概率正是波恩概率)。可是,冯的测量解释并未真正消解矛盾,反而激化了矛盾。因为它将人的主观作用这一非物理因子引入了解释之中,这正是任何真正意义的科学解释所难以容忍的。

范·弗拉森区分了量子力学中非(即非严格)决定论的两种可能形式:(1)给定初态W、输入特性In,通过测量,In, W→W’,Out。终态W’被(薛定谔方程)完全决定,然而输出特性Out却是概率性的。(2)给定初态(In, W),输出特性Out被完全决定,终态W’则是概率性的。范·弗拉森否定了(2),即整个冯·诺意曼的非决定论方案,既抛弃了投影假设,又抛弃了本征态—本征值对应规则(而用玻恩确定概率的规则替代之)。并且他另辟蹊径,为真正解决测量疑难,开拓了第一种非决定论的可能性。于是引出了关于量子测量的模态解释。按照模态解释,In和Out分别表示初态与终态中可观察量的值(值态),而W和W’则分别表示相应的动力学态(初态与终态)。通过测量,In, W→W’, Out,初态W向终态W’演化完全由薛定谔方程决定(没有非因果跳变)。W’与值态Out之间的关系本来就是统计概率关系(满足玻恩概率规则)。概括地说,范氏方案的要点是:假定整个物理情态包括两种情况,一是动力学态无论是否作测量,它总是按薛定谔方程作因果决定性的演化;二是值态,它是测量仪器的指针作显示。新解释的关键在于认定动力学态与值态间的转变,本不该错将概率性蕴涵的或然关系误用实然陈述来描述。所谓模态解释,其实只不过是范·弗拉森用精确的数学和逻辑语言对测量过程作了重塑,恢复其本来面目而已。因此,量子力学的全部预言照旧可以再现,分毫不差。范氏把这种模态解释的思想推广处理整个量子力学和其他科学实验问题,这样才确定了他的构建经验论。目前国内学术界对范·弗拉森的研究很少能达到这一深度。

“量子哲学”第二个要害问题是量子概率与经典概率的实质性区别问题。我们武大外国哲学博士点历来有研究概率归纳逻辑及概率的多种解释的氛围,这本来就是“江天骥传统”的一个不可分割的组成部分。江天骥教授是国内引进概率归纳逻辑的第一人(讲座1984,专著1987),1986年我也写过一篇《莱欣巴哈的概率逻辑》(见《自然辩证法通讯》1986(6))。此后,我与任晓明、朱志方撰写或参编过一系列归纳逻辑著作,如《机遇与冒险的逻辑——归纳逻辑与科学决策》(三人合著,1996)、《当代归纳逻辑探赜》(任晓明,1993)、《归纳逻辑导引》(参编,1992)、《归纳逻辑与人工智能》(参编,1995)等。很自然地,万小龙能够轻松自如地通过梳理范·弗拉森的思想而把握量子概率的真谛。

玻恩在1925年提出波函数的原始几率解释时,顺利通过了原子散射等实验检验,量子概率与经典概率的本质区别尚未凸显。然而,双缝干涉实验却突现了量子概率的特异性,因为双缝干涉图样决不是两个单缝衍射图样的简单叠加。有一种现在很流行的概率幅的解释方法,是保留玻恩将概率直接相关于态函数,但强调这时概率不是直接地合成而是通过概率幅来合成。量子力学的态叠加原理实质上是针对概率幅的叠加,它既非玻恩原始解释中的概率直接叠加,也非统计力学中的经典力学量叠加。据此,双缝等实验就得到合理解释。另一种是范·弗拉森解释:经典概率是直言式的无条件概率,而量子概率则是假言式、蕴涵式的条件概率。在这样的限制下,量子概率仍能使用与经典概率相同的运算规则。此两种方案从不同角度揭示了量子概率的本质。范·弗拉森还在澄清莱辛巴赫的严格频率解释及波普尔倾向解释的含混之处后,整合了两者的优点,创立了概率的模态频率解释。

“量子哲学”第三个要害问题是量子关联,即EPR关联及全同粒子问题。爱因斯坦等人著名的EPR论文(1935)揭示了由量子力学理论的内在逻辑可以导出量子远程关联的存在性,这是与常识相悖的。范·弗拉森创造性地用“可观察量”代替EPR原文中的“实在”,结果拯救了EPR推理,表明原推理仍然有效,量子远程关联应当成立。即使放弃投影假设仍然如此。范·弗拉森细致分析了多种可能的哲学解释(机遇、巧合、同格、前定和谐、逻辑同一和共因),并一一加以排除。最后的结论是可以定性为纯统计性关联。我的看法是,量子远程关联从某种意义上更接近于自然界(量子世界)本身的“前定和谐”。这种整体同步效应,既不是出于力或相互作用,也不需要信号传递。虽然它是一种货真价实的物理现象,但它更像是一种逻辑上的关联。那末,“量子远程关联”究竟对“量子通讯”有无价值?为什么?我的回答和解释是,尽量经典信息论关于信号的发送、传递、接收等概念都失去了原始含义,然而基于远程关联性,信宿与信源两端通过提取有用信息互通有无,比超级特快传递还要好得多。

万小龙对量子测量、量子概率与量子远程关联这三个问题进行形上学的抽象,概括为因果性、实在性和整体性问题。在这一部分,万小龙的创见非常之多。尤其是关于全同粒子的哲学问题,他提出突生于物理相互作用之上的相对可分离的整体性、仅有基数而非序数的全同性、仅例示一个自然物类的非完全个体性和非因果的统计关联性等方面都深化和丰富了分析的形上学。他对全同粒子不可区分性、不可识别性等等概念的一整套精细的语义分析比标准物理教科书还要地道,但又不是空洞无聊的思辨,让物理学家听了也觉得非常有道理,这是很不容易的。

诚如武谷三男所说:“量子力学显示出高度的辩证法的结构;”“要理解这种逻辑结构,唯有依靠辩证逻辑”。(见《武谷三男物理学方法论论文集》,北京,商务印书馆1975年中译本,第100~101页)。在科学哲学学术圈里,我和张华夏先生都有很深的“辩证法情结”,难割难舍。我俩都不愿意看到科学技术辩证法的研究传统的中断。当然,我俩对于把辩证法当作“清谈家的避风港”的做法也同样深恶痛绝。我们决不满足于浑沌的空谈。正因为如此,我十分欣赏万小龙在实实在在的经验证据基础上对量子力学辩证特征所做的新概括:(1)测量过程遵循着因果+统计的非完全决定论;(2)量子概率揭示了经典与量子统计法的对立统一;(3)量子关联显示了量子世界相对可分离的整体性。我觉得尤其精彩的是万小龙的预言:“全同粒子间的不可区分性,可能是整体-生成论和还原-构成论走向辩证统一的关节点。”但愿他能心想事成。

最后,我希望万小龙真正成为我国大的“量子哲学共同体”的一个“龙的传人”,把这种研究深入做下去。

桂起权

二OO五年三月四日

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