量子理论对于物理实在的结构表征

李宏芳

（武汉大学哲学学院，湖北武汉430072）

量子理论对于物理实在的结构表征

李宏芳

（武汉大学哲学学院，湖北武汉430072）

关于人类知识和真实世界之间联系的理解，量子理论的建立要求我们修正经典的实在观念。量子理论对于微观结构的表征以非定域性、非充分决定论的因果关系和描述框架的多重不相容性区别于经典理论。量子理论以结构实在的新形式丰富了科学实在论的研究。

量子理论；物理实在；结构表征

20世纪以来，随着现代物理科学的发展，特别是量子理论的建立，关于人类知识和真实世界之间的联系这一古老的认识论问题，在新的科学理解层面上，有了新的研究复杂性。这种新的研究复杂性源自量子理论对于物理实在的结构表征，相比经典理论对于物理实在的结构表征有了新形式和新特征。量子理论以其内禀的不确定性或说非定域性，统计决定论或说非充分决定论，描述框架的多重不相容性或说互补性，区别于经典理论对于物理实在的结构表征。量子理论刻画的量子世界的物理图像，以结构实在的新形式，丰富了科学实在论的研究视域。

下面我将分三个方面来具体阐述量子理论表征物理实在的结构特征，从结构实在的视角来理解人类知识和真实世界之间的联系。

一、量子实在具有非定域性和统计决定论的结构要素

在经典力学中，借助于相空间的点，我们可以确定质点在任一时刻的状态。这些状态点的集合构成质点的状态在相空间的轨迹，给出了质点状态变化的一种几何描述。但是，在量子力学中，微观粒子的一个基本性质是服从海森堡的测不准原理，因而在量子力学中我们不能用相空间中的点结构描述微观粒子量子状态的意义。在量子理论中，当我们描述一个物理系统时，使用的是属于一个希尔伯特空间的波函数。波函数作为刻画量子状态的数学结构，不仅仅是一个数学符号，它作为几率幅，具有结构实在性，可以传递给我们微观量子态的信息，让我们拥有对于微观量子态的认识。但是，与经典相空间中的点结构所描述的经典粒子具有确定的位置或动量不同，量子理论的波函数结构所描述的量子粒子不拥有一个精确的位置或一个精确的动量，而是位置或动量的一个概率分布，因为波函数的模方给出了粒子在某一时刻出现在某点附近单位体积内的概率。而且，根据海森堡的测不准原理，我们不能同时测准一对共轭物理量：对粒子位置测量得愈准确，对其动量的测量就愈不准确。可见，量子理论的数学结构及其物理描述以其内禀的不确定性赋予了量子粒子或说量子存在物以不同于经典理论的结构形式。如果我们承认量子理论的数学结构及其物理描述的客观实在性，我们就应该承认量子理论的数学结构所表征的物理量的结构实在性。这种结构实在以内禀的不确定性显现为量子态的非定域性。

量子理论的结构具有内禀的不确定性，是一种非定域的结构实在，这也意味着量子动力学定律是统计的或说概率论的。众所周知，经典动力学的基本定律是决定论的。在经典动力学系统中，给定一个初态和边值条件，它的末态就能被确定地预见。而在量子动力学系统中，即使给定一个精确的初态，量子系统的未来行为也不能被确定地预见。量子理论中这种系统随时间演化的不可预见性，是量子系统的内禀性质，与经典物理学中随机的时间演化情形，诸如一个布朗粒子的扩散，形成对比。经典的不可预见性的产生是人们使用了一种粗粒化的描述，忽略掉了潜在于经典随机性下更为基本的决定论系统的一些信息。而原则上人们总可能给出经典系统一种更为精确的，没有概率要素的描述，或者说至少可以把不确定性减少到人们希望达到的程度。与之不同，当玻恩规则作为一条公理进入量子理论，量子世界就产生了一种不导源于粗粒化的量子统计描述。量子统计描述作为量子理论把概率的时间演化包含为一个基本特征的结果，是不能通过在希尔伯特空间引入隐参量还原为经典决定论描述的。这是20世纪60年代以后物理学家面对贝尔不等式的实验检验不得不接受的事实。

然而，我们目前理解的量子力学并不就是表征世界如何运行的终极理论，很可能在未来某时，量子力学的几率定律将由一个回到了某种决定论形式的更高级的理论导出。如果是这样，我们就有望弄清楚决定论的经典实在与概率论的量子实在之间的关联。但是同样可能的是，未来的理论仍将把概率的时间演化包含为一个基本的特征。如果是这样，接受量子理论的数学结构及其物理描述的统计实在性，就不仅是由量子理论的内在结构特征决定的，也是由物理世界对于理论的自然选择决定的。总之，放弃经典决定论，把随机的时间演化接受为物理实在的结构要素，是20世纪物理学家面对原子物理学中的实验结果不得不做出的选择。量子理论对于微观世界的刻画，以概率的或说统计实在的结构要素，丰富了我们对于科学实在论的研究。

二、量子实在具有不相容的结构多重性

量子理论在表征物理实在方面区别于经典理论的另一个显著特征是：量子理论允许人们用互不相容的多重描述来表征一个物理系统。当用量子理论描述一个物理系统时，人们能从关于系统的相同信息出发，从不同的不相容框架中推导出两个或多个不相容的描述。这些不相容的描述在各自适合的条件下都是对于系统结构的真实描述。但是，由于量子力学的数学结构，例如波动结构和粒子结构的不相容性，它们却不能合并为系统的一个单一的描述，只能以互补的形式给出系统多重的结构描述。这种多重的，不相容的量子描述对应着量子实在的结构多重性，在我们的日常经验世界中没有好的经典对应。

然而，并不是描述的多重性才把量子力学与经典力学区分开来，因为同一物体的多重描述一直出现在经典物理学和日常生活中。例如，一只茶杯当从顶部看或从侧面看时有不同的外观，侧面的视图依赖于把手的位置。但是，在猜想这些不同的描述指称的是同一个物体这个意义上，我们决不会有任何疑问。因为经典物理学允许一个物体的两种或多种正确描述合并为一个更为精确的描述。运用粗粒化的方法，即通过忽略某些细节，我们也能从这个单一的详尽描述中获取相应于每个细节的真实描述。例如，在经典相空间中，对于一个系统的描述，通常说来，我们使用的是点结构，位置和动量可以精确地确定。但是，当我们对相空间中的一个区域，而不是一个点作详细说明时，就产生了对于一个力学系统的粗粒化描述。这种粗粒化描述给出了我们对于这个力学系统的某一个侧面的了解。

量子描述的多重性也是对一个物理系统的不同侧面或说不同结构的描述，但由于是从不同的不相容的描述框架出发，因而与经典物理学的多重描述不同，量子描述的不相容性阻止不相容的描述结合成一个更为精确的描述，因此使产生一个单一的，详尽的量子描述成为不可能。也就是说，不同于经典物理学中的情形，在量子力学中，两个不相容的方面不能同时进入一个量子系统的描述之中。因此，单一性不是量子实在的要素，量子实在具有结构多重性。这种结构多重性源自量子系统描述框架的多重不相容性。但是，量子不相容性非常不同于相互排斥的描述观念，相互排斥的描述意味着一个描述为真，另一个描述将为假；而不相容的描述意指对一个量子系统描述的不同方面，它们可以是相互补充的，但不能比较或合并。

量子系统的描述框架具有不相容的多重结构，这就意味着物理学家在对一个量子系统进行描述时，需要从许多不相容的框架中做出选择。这种选择的自由偶发性的被误解，以为这里存在着主观意志。事实上，为了构造不同的不相容的描述，物理学家使用不同的不相容框架的自由，并不会使量子力学成为一门主观性的科学。从根本上说，描述的多重结构是由量子系统的本性决定的，这些不相容的描述框架在表征量子系统的结构特征方面没有一个比另一个更为适当或更为“真实”。当两个物理学家使用相同的框架，从相同的初始数据出发来回答相同的物理学问题时，他们将得到完全相同的结论。甚至当某些问题能用多种框架表达时，他们也能得出相同的回答。例如，海森堡的矩阵力学和薛定谔的波动力学，都可以回答微观量子态的行为方式。这里，不存在哪种描述方式更为适当或更为真实的问题。所以说，为了构造一个量子描述，一个物理学家在选择一个框架时偶然考虑了什么，无论如何不以在某种意义上类似于意志力的东西影响物理实在的结构。

三、宏观量子态也具有结构实在性

我们与物理实在最直接的联系，来源于我们对于宏观世界的感觉经验，比如我们看到的，听到的和摸到的，等等。一个基本的物理学理论，至少在原则上，应该能够对于我们在日常生活中碰到的宏观现象给予说明。但是，是否由此就有理由认为，基本的物理学理论必须全然由来源于日常经验的概念来建立的呢？或者把它们限制在日常语言的描述之中？现代物理学理论提出了各种各样奇怪的东西，从夸克到黑洞，它们与日常经验完全不同，对于它们的描述经常要求某种相当抽象的数学。在物理学家看来，只要它们构成了一个连贯的理论结构的组成部分，能与我们的感官可到达的东西发生联系，即使在某种程度上是间接的联系，我们也没有理由否认这样的东西是物理实在的结构要素。

近年来，随着量子理论和量子测量技术的发展，宏观量子叠加态作为物理实在的结构要素，成为物理学研究的对象。众所周知，宏观世界能用经典物理学很好地描述。然而，一个一致演化的量子理论表明，在经典物理学应用得很好的情形中，经典力学实则是对于世界的一个完全的量子力学描述的极好近似。也就是说，量子力学原则上能够以一种令人满意的方式说明我们的日常经验世界。通常认为，这个量子描述使用的是一个能使适当的宏观投影仪表征宏观物体性质的准经典框架；而相关的历史，即对我们显见的宏观物体的性质，作为经典运动方程的解的极好近似，是由一个退相干过程，即由运动系统与其内部或外部环境的相互作用逻辑一致地造成。

然而，事实上，量子力学也允许用非准经典框架来描述宏观系统。即现代量子理论的研究进展表明，宏观系统不仅可用准经典框架来描述，还可用非准经典框架来描述。例如，确定一个自旋为1／2的粒子从斯特恩－盖拉兹磁铁的哪一个通道出现的宏观探测器能由一个准经典框架描述，在这个框架中，一个或另一个探测器探测这一粒子；也能由一个非准经典框架描述，在这个框架中，初态一致演化为探测系统的一个宏观量子叠加态。现在的问题是：假如这种宏观量子叠加态在实验室从未观察到，是否由于量子力学允许物理学家使用这两种不相容框架中的任何一个来构造对这种情形的一个描述，就认为这是量子力学作为一个基本理论的一个缺陷呢？

如前面所论述到的，两个不相容的量子框架不代表相互排斥的可能性，即不代表准经典框架正确描述的世界，就不能由非准经典框架正确地描述，反之亦然。两种不相容的框架是人们用来描述量子系统的不同方面的手段。如在斯特恩－盖拉兹磁铁的例子中，为了讨论哪一个探测器探测到了粒子，人们必须使用准经典框架，因为在非准经典框架中这种探测粒子通道的想法没有意义，量子力学排除轨道的概念；而讨论“宏观量子叠加态”或“一致时间演化”，非准经典框架就非常适合，因为这些概念在准经典框架中是没有意义的。上述两个框架中任何一个都能用来回答适合它回答的那些问题，但由这两个框架给出的答案不能合并或比较。

显然，如果我们试图建立一个探测宏观量子叠加态的实验，那么我们就需要使用一个非准经典框架，以确定探测系统是否处在宏观量子叠加态或它的某种正交态。然而，根据量子理论，对于宏观量子叠加态的实际观察是极端困难的，因为宏观物体的退相干过程极端迅速，在人眼观察之前退相干早已发生。因而，无论如何，实际上不可能把某个对相对相位敏感的仪器构造在一个宏观叠加态中。为此，量子理论通过引入系统集体态与其环境的纠缠结构，说明了为什么我们从未在实验室观察到宏观量子叠加态这种物理实在，即使它们是量子理论结构要素的一个必不可少的组成部分。简言之，我们通常看不到宏观量子叠加态，但是宏观量子叠加态是量子世界的结构要素。在量子世界的描述中，它具有结构实在性。

四、结 论

物理学理论不同于物理实在。物理学理论是对于物理实在的某种抽象的或说符号性的结构表征，经典物理学是这样，量子物理学也是这样。可以说，用来表征一个经典系统的相空间和用来表征一个量子系统的希尔伯特空间都是数学构造，而不是物理学对象。谁也不会相信行星或电子本身会对微分方程求积，以确定接下来它们将运行到哪儿。事实上，存在于物理学家笔记本上的波函数，除非有某种隐喻性的含义，否则在实验物理学家的实验室是没有存在余地的。一个物理学理论，就它包含了对于某些对象的结构表征，但不是对象本身而言，就好像一张由符号和色彩组成的城市地图。当这张地图变得废旧时，人们可以用更为精致的、结构表征有所变化的新地图替换。这就意味着物理学理论包括物理概念具有一定的适用性、暂时性和相对性。但是，能否由于物理学理论或概念具有可变性就否定物理实在的客观存在性？我的回答是：不能。

物理学理论作为对于物理实在的结构表征，其宗旨是为了达成人类知识和真实世界之间的联系。在某种程度上，我们不怀疑能籍以心智理解一个物理学理论的数学和逻辑结构。即如果一个理论被发展得很好，在数学和逻辑要素之间有清晰的关系，我们是能够讨论该理论是否逻辑一致、推理严密和形式优美的；而一个理论是否为真，即它与外在真实世界的关系，则是更为微妙的问题，回答就显得有些复杂。通常说来，答案的指向与所站的哲学立场密切相关，量子理论的工具主义、现象主义、经验主义、建构主义、实在论、反实在论，等等，都是企图对这一问题的回答。诚然，即使一个理论被许多实验检验很好地确证，譬如量子力学，然而要相信它在某种程度上是对于真实世界的一个真的描述，也需要有充足的信念。因为决定接受一个理论是对于世界的一个适当的，甚或一个近似真的描述，是一个对它的评估必定超越了数学证据、逻辑严密和实验一致的问题。

然而，如果一个理论有一定的合理性，并且给出了与实验或观察结果合理的相符合的预测，科学家是倾向相信它的逻辑和数学结构在某种程度上表征了真实世界的结构的，即使哲学家将对此保留永久的怀疑。燃素说、热质说作为相对错误的学说已被排除出科学的殿堂；牛顿力学随着相对论力学的诞生也已被限定在宏观低速的范围。即使所有理论最终表明都有某种局限性，物理学家仍然认为牛顿力学是对亚里士多德力学的巨大进步，因为牛顿力学更好地表征了真实世界的结构。同样，相对论是对于牛顿力学的进步，因为时空确实有一个结构，在这个结构中，光以在任何惯性坐标系中都相同的速度运行。而像经典力学和经典电磁学这样的理论，在它们的适用范围内也都运行得非常好。因此，在科学家看来，如果不推想那些得到了实验检验的理论在一定程度上表征了我们所生活的真实世界的一些东西的话，似乎很难理解那些理论何以会与实验符合得那么好。

依据上述分析，量子力学作为一个逻辑一致，推理严密和形式优美的理论，不仅给出了微观现象的一个极好的描述，这个描述是经典力学难以企及的，而且对于宏观现象，原则上讲也给出了和经典力学一样好的描述。因此，如果我们相信真实的世界结构有点像我们最好的理论所表征的，那么，认为量子理论比之前的经典理论更好地描述了真实世界的结构，至少是看似有理的。毕竟经典理论不能解释的许多微观现象，现在都能用量子方法得以理解。虽然将来的研究有可能表明存在一个更为基本的亚量子理论，可以更好地表征我们真实世界的结构。但就目前而言，量子力学的形式体系对于物理实在的结构表征的确要优于经典物理学。因此，放弃经典的实在观，建立一个适应于量子理论的形式体系所表征的物理世界的结构实在观，是符合科学的认识论发展的。

以下几点构成了量子理论对于经典物理实在观的变革：第一，在量子世界，物理对象从不拥有一个完全精确的位置或动量，量子理论以其内禀的不确定性赋予微观量子结构以非定域性；第二，在量子世界，物理学的基本动力学定律是随机的和非完全决定论的，我们不能从世界的现存状态推出一个唯一的未来或过去的事件进程，量子实在的结构特征满足统计性的非充分决定论的因果关系；第三，在量子世界，单一性原则不适用：量子实在可以不同种可供选择的，不相容的方式被描述，所有这些描述不能被合并或比较，因而不存在对于量子实在如一个物理系统或一个物理过程的一个独一无二的，详尽的描述。量子实在具有互补且不相容的结构多重性。宏观量子叠加态作为量子世界的结构要素，也具有结构实在性。

以上三点，特别是第三点，构成了对于量子力学产生之前的经典物理实在观的激进修正。同时，值得强调，对于物理实在的早先观念，仍然存在量子理论的发展保留所没有改变的，或者说至少改变得很少的方面。这些方面主要表现：一是测量在量子力学中的作用，如同在经典力学中一样，不蕴含人类意识的特殊作用。虽然测量会干扰被测系统的量子状态，使得我们看到的是与测量相关的性质，而不是被测系统的自在性质。但是，测量过程仍然是由与其他物理过程相同的基本物理学定律描述的。二是如果我们在测量中一致地使用量子叠加原则，就会明确所谓量子态具有超光速的远程关联是量子纠缠的结果。量子态的纠缠导致了量子结构的不可分离性，量子态内禀的不确定性导致了量子非定域性。不可分离性和非定域性密切相关，它们作为量子实在的结构要素，都与超光速不相关。三是量子力学和经典力学都没有提供一个有利于独立存在的无懈可击的论证。因为相信有一个不依赖于我们的真实的“外在”世界，总的说来是一个信念问题。重要的是，量子力学和经典力学一样，都与一个真实世界的性质和基本定律不依赖于人碰巧相信什么，期望什么，思考什么的观念相一致。

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On Structural Features of Quantum Theory＇s Representing Physical Reality

LI Hong－fang
（School of Philosophy，Wuhan University，Wuhan 430072，Hubei，China）

The discussion of structural features of quantum theory for its representing physical reality is to understand the relation between human knowledge and our real world，and how quantum theory requires us to revise pre－quantum ideas about the nature of physical reality，in particular，to clarify some confusion about the concepts of quantum mechanics and to enrich the research on scientific realism based on the structural reality of quantum theory．

quantum theory；physical reality；structural representing

B028；N02

A

10．3963／j．issn．1671－6477．2010．06．018

2010－06－10

李宏芳（1972－），女，山西省天镇县人，武汉大学哲学学院副教授，哲学博士，主要从事物理学哲学研究。

国家哲学社会科学青年项目（07CZX005）

（责任编辑 易 民）