新测量观的重大变革——评成素梅教授的测量哲学

刘月生, 韩 锋

(1.新疆医科大学,新疆乌鲁木齐 630054; 2.河池学院,广西宜州 546300)

新测量观的重大变革
——评成素梅教授的测量哲学

刘月生1, 韩 锋2

(1.新疆医科大学,新疆乌鲁木齐 630054; 2.河池学院,广西宜州 546300)

从量子力学的测量问题引发出来的“相对测量观”,是成素梅教授等一批当代科学家和科学哲学家从观测事实上升到哲学高度提出来的一种“测量哲学”。它在主客体的关系问题上有着革命性的意义。本文分析相对测量观与经典的“绝对测量观”的区别,说明它与“观控相对论”的一致性。

测量哲学;相对测量观;经典测量观;观控相对论

一、以经典物理学为背景形成的测量观面临着重大变革

长期以来人们一直以为,他所面对的被观测对象(客体)与观测主体之间存在着明确的分界。事实果真如此吗?回答是否定的。在经典物理学中,测量仪器是感官的延伸,是测量主体的组成部分,它只是测量主体的感知工具,而测量主体的作用就是被动地感知和记录测量信息的过程。在这个过程中,主客体分界明确,测量仅仅只是主体被动的形式观察,测量的结果就是与被观测对象的物理属性相对应的物理量的值,这种在经典物理学基础上建立起来的测量观,可称之为经典测量观,或绝对测量观。

对量子力学中观测过程的实际分析,从根本上动摇了上述经典概念。海森堡从光子显微镜的理想实验得到的测不准关系:△X·△Px得到了大量实验观测事实的明确肯定,它被以N.玻尔为代表的哥本哈根学派表述成为微观粒子坐标和动量的互斥互补性。由于粒子的位置和动量都应该是“物理实在”的两个要素,但却不能在一个实验中同时准确地出现,从而被爱因斯坦等人认为这是量子力学不完备的表现。

要解决这个量子力学的完备性问题,就必须回答:为什么会有这个测不准关系?事实上,在经典物理学中的那种“信息的客观性”是不存在的。“信息不是客观存在的,而是主体对客体作测量时才共同制造出来的。”[1]应该认为,在测量之前,像坐标和动量这样的物理量并非事先就已经存在等待着我们去测量,它们是在测量过程中才产生出来的。测量过程也就是获得信息的过程,它并不是一个简单的“反映”过程,而是一个主体对客体的变革过程,信息就是在这个变革过程中产生出来的。

新的测量观隐含着这样一个重要的基本假定,即,被观测值是由测量过程本身所产生的值,而不是在被测量对象的状态受到测量相互作用的干扰之前的可观测量的“本来”值。因为在测量之前,并没有这样的值存在。那个等待着我们去把它“发掘”或者说“反映”出来的东西并不存在,存在的是主体变革客体出现的现象及其规律。观察者并不是旁观者,我们的宇宙是一个人参与的宇宙,观察者是现象的参与者。

如果我们把测量看作借助于人们所构建的理论框架对被观测系统实行的某种变革,从而获得某种信息的过程,那么,成素梅教授所提出的新测量信息观就是很有意义的了。她认为:在量子力学诞生之前的经典意义上的测量观,“在某种意义上,被测量的值不是由测量过程本身所产生出的值,而是在被测对象的状态受到测量相互作用的干扰之前的可观察量的值”[2]。经典测量观认为,在测量之前就存在着某种“代表被测对象所固有的内在特性的值”(本文作者之一刘月生称它为“结构信息”)。新测量观则认为不然,“这个值是在测量过程中形成的”(本文作者之一刘月生称它为“交换信息”)。为了强调这是一个重点突破,她在对比新旧两种测量观后指出,在经典测量观那里,“一种公认的观点是,认为科学理论所描述的实在、测量所得到的实在与自在存在的实在这三者之间存在着某种等同关系”[2]。

实际上,这个世界在人们没有通过某种操作变革它从而认识它之前,如果说它是不依人的主观意志而客观存在着的话,那也是一种“自在之物”(物自体),它是一种绝对的东西,本身并不给出什么信息,或者说所有可能被提取的信息都是潜藏着的。主体对客体的认识就是对客体的一种测量操作,一种变革 (这在量子力学中就是一种算符运算)。这种变革使“自在之物”转化成为“为我之物”,就成为我们所说的现象。现象并不是纯客观的,它是主客体相互作用的结果。我们可以把这个原理作为我们“观控相对论”在宏观领域的认识论原则,就称为“康德原理”。著名物理学家惠勒说得好:“现象非到被观察到之时,决非现象。”这就是说,现象取决于主体在做实验安排时的布置和期望,因而实际上是“我们的思维决定我们能看到什么”。所以倪光炯教授说:“我们想看什么,我们才能够看到什么。”按中国古代哲学思想的观点来说,就是“天人合一”。

《礼记·大学》中说:“致知在格物,物格而后知至。”“格物致知”是中国古代儒家思想的一个重要概念。这里所说的“格”有两重意思,一是研究,二是变革,在变革中认识世界。可见,“信息来自变革”这个重要思想,在中国的哲学思想中已经有了悠久的历史。只是在近代物理学发展起来以后,人们在新的基点上对它的认识又大大地深化了。中国的学者们从哲学和科学的角度,得到了与康德和中国古代学者们同样的认识,这不能不说是人类认识史上的一个巨大飞跃,而这只有在科学发展到今天这样深入的情况下才有可能。

二、相对测量观如何可能

成素梅教授从哲学的角度,强调新的相对测量观对经典的绝对测量观构成了实质性的挑战:如果说光速 c的发现,改变了人们对“时间 ”、“空间 ”、“物质 ”、“运动 ”等概念相互关系的理解,由此而确立了相对时空观,那么,“作用量子”h的发现,就从根本上改变了人们对“测量 ”(观测、控制及观控模式 )、“现象 ”(观测者参与的经验世界)和“客观性”观念的理解。事实迫使人们必须从主客二分的经典绝对测量观过渡到多元的、以主体间性来确立整体性的相对测量观。

作为相对测量观的倡导者之一,成素梅教授有一句话概括得很好:这种测量观“必须重新思考理论实在、对象性实在与自在实在之间的关系问题,特别是必须回答理论实体的本体论地位的哲学命题”。因此,“相对于理解科学而言,理解测量要比理解理论更基本、更具体”[2]。

有人曾提出以“退相干纲领”来阐述这里所反映出的核心思想:为了用量子力学术语适当地描述一个物理系统的行为,“必须考虑该系统与它的环境自由度之间无所不在的相互作用”[3]。这里提出了一种关于量子测量问题的解释,它认为,与环境的耦合引起量子振幅脆弱的相位关系很快消失[4]。

新的相对测量观把这种解释概括为:“量子理论只是对可观察现象之间的关系的描述,而不是对独立存在的量子客体的固有属性的描述。”[2]这样一来,量子理论所描述的实在、量子测量所得到的实在与自在存在的实在之间,就不再具有一一对应关系。而正是这种关于自在实在、对象性实在与科学实在之间关系的理解,才决定性地推动了新测量哲学的发轫。这里的科学实在,也称作“理论实在”,在物理学中更常称作“物理实在”。这是“由人的活动 (实践的和认识的、感性的和理性的)而在科学理论中所描绘出的实在”[5]149。自在实在相当于康德的“自在之物”,它自在地存在着,在我们没有认识它之前,它谈不上任何性质,甚至也构不成现象。对象性实在和科学实在相当于康德的“为我之物”,不过被更细化了。在我们认识它之时,它是对象性实在,是与人 (观测者)发生了直接的或间接的相互作用的实在。而在我们认识它之后,它就成为科学实在,是上升到理论形式的实在。从这种分野上来看,描述现象规律的理论,并不能被认为是“纯客观”的,它既不属于客体 (自在实在),也不属于主体 (观测者),而是主体与客体相互作用的产物。“科学理论既不是完全主观的,也不是自然界本身,而是人与自然界关系的产物。”[5]154

具体些说,从量子力学看“物理实在”究竟是什么?成素梅教授正确地指出,量子纠缠态的退相干纲领解释已经预设了波函数的几率解释,因此它本身并不能完全解决量子测量问题。在系统与环境的相互作用中,那个环境必须包括作为参与者的观察者。过去,人们一直认为,“物理实在”可以不受观察者以及观测条件的任何“干扰”就能够确定其状态、性质及其量值的客体。量子力学的诞生,使人们意识到观测到的现象以及观测后所得到的数据都并不是纯客观的。在实验过程中,不可能有“无干扰”的观测,观测必然会使客体本身发生改变。要观测就不能无干扰,要无干扰就不能观测。这样一来,通过观测所得到的是由主体和客体相互作用共同产生的现象 (及其规律),这就是量子力学所认为的“物理实在”。在我们认识它之前,它独立于我们的意识之外,是没有任何性质、不包含任何信息的“自在之物”,它是一种绝对的东西,当然也不为我们所知。当我们认识它之时及认识它之后,它便转化为“为我之物”,也就是我们所说的现象。反映出一系列数据,这才是相对的被我们所认识的东西。

实际上,无论个体还是环境,在本质上都是无限的和相互联系着的。环境 (包括观测者)在破坏体系的量子相干性而完成测量的过程中起着关键的作用。仪器当然也是环境的一部分,它的作用以它与待测客体的新的量子关联(纠缠态),来代替 (或者说破坏)原来存在于体系中的量子关联 (纠缠态)[6]。

相对测量观对上述量子测量现象的理解是:量子测量的结果所反映的并不是关于可观测量的存在值,这个值其实并不存在。观测得到的可观察量的值,是既属于量子系统也属于实验设置的。客观性不再是指对客体在被观察之前的内在特性的揭示,那个特性其实也并不存在。客观性已经具有“在主体间性的意义上是有效的”这一新的含义。“客观性”概念的含义所发生的语义上的变化,“它允许你任意地把一个观察者的观点,传达给另一个观察者”,只要能向所有的观察者说明现象具有等量信息的可能性,就能保证这种转换的可行性。

三、相对测量观与“观控相对论”的一致性

作为认识主体的人的作用和地位是不能忽视的。在主体观测和控制客体的过程中,主体与客体的区分往往只具有相对的意义。我们将互补原理、人择原理和康德原理 (或“反身性原理”)建构成为一个“观控相对论”的理论框架,现在看来,这个问题是越来越清楚了。

对于微观现象,我们有互补原理。如果深入地而不是庸俗地理解这一原理,你就不得不承认,这是一个很重要的思想,绝不是一个随随便便、为回避进一步追究而采用的权宜之策。微观客体具有波粒二象性是一个无法否认的观测事实。然而,它表现为粒子性还是波动性,完全取决于实验者的实验布置,这就不能不和人有关,和人的观测有关。

在本质上,波粒二象性与互补原理是同义语,而测不准关系则可看作互补原理的数学表述。因为一个微观粒子有位置,这是客体粒子性的表现;它又有动量,联系着波的特征,这是客体波性的表现。位置不准量和动量不准量都有一个最小限度。它们相互制约着,一个测得越准确,另一个就将测得越不准确。这是什么原因呢?实际上,像这样物理上的可观察量,在没有测量它们之前,并不是本来就存在着、等待着我们去提取的数据。在没有测量它们之前,它只是可能有着由潜变显的可能性;只有测量行为对客体的变革 (或“干扰”),才能使这种可能性变成现实性。这就是说,像这样的物理量,是主体通过客体共同创造的,并不仅仅属于客体[7]。

宇宙学建立在广义相对论的基础上,是研究宇宙的产生、演化、发展的一门近代科学理论。当前宇宙天体的现状和人类对它们的认识,自然衍生出这样一个问题:我们的宇宙,或者一般的,我们所面对的自然界,为什么是现在这个样子的?它的各个自然常数,如,c等,为什么必定是取这样的数值?还有,描述它的各种现象的规律为什么必定是这样的形式?经过仔细分析后得出这样的结论:原来,正是这些规律和这些参数的配合,才使我们这样的人类得以出现和存在。否则,也就没有观察者来观察和提出这个问题了。按照莱布尼兹的说法:“我们这个世界是上帝选择的他所创造的世界中最好的世界。”[8]这就是人择原理。

在我们人类生活所构筑的这个尺度的时空中,我们用康德原理来说明参与者的认识在认知过程中的重大作用。在我们之外,是否存在一个不依我们人类的主观意志为转移的客观世界?对于这个重要问题的回答,从牛顿到爱因斯坦,一切真诚的科学家的回答是一致的——肯定有。否则,如果一切都是心造的幻影,那么如何回答人类认识结果的共同性?如果不承认世界的客观存在,自然科学也就失去了研究的对象。著名哲学家康德对这个问题的回答是这样的:他在分析我们的认识如何可能时,承认——作为一个假设——在我们之外存在着一个不依我们的主观意志为转移的客观世界,但它在我们认识它之前,只是一个没有任何性质,或者说蕴藏着无限可能性的、与人无关的实体。他把它称为“自在之物”或者“物自体”,它作为认识的必要条件“自在”地存在着,仅此而已。当我们人类 (包括可控地使用他们的仪器)观测和控制它、与它发生相互作用 (或者称为扰动、干扰、变革了它),就产生了现象,“自在之物”就变成了“为我之物”。可见,现象是作为与主体的人有关的,不是属于纯客体——自在之物的,它是主体和客体相互作用的结果。一切自然科学 (也包括社会科学)所研究的对象都是现象,是现象的规律,是“为我之物”的规律,而不是“自在之物”的规律。严格地说,“自在之物”是无所谓规律可言的。在康德看来,“作为物自体的任何对象不可能有什么知识,而只有当它是感性直观的对象,也就是作为现象时,才能有知识”[8]。现象必须从物理学上来研究,而物自体则必须从形而上学上来认识。现象和物自体的划分是一直贯穿在康德的哲学思想中的。

就像哥白尼把天体运动的中心从地球转移到太阳上去一样,康德把自己的这一观点:即把人类认识的中心从物自体转移到现象上去,也称为是一个“哥白尼式的革命”。那么,在自然科学的研究中,把主体从物 (对象)转移到人 (观察者),难道不也是一场“哥白尼式的革命”吗?

在量子力学出现以后,如果用这个观点去看待微观现象,那它的那些令人难以理解的奇特行为就一目了然了。原来,人们过去之所以难以理解,那是因为我们用旧的认识框架去套新的实验事实的结果。这种框套,对宏观经典现象,还不至于出现多大的偏差,但当认识再深入一步,到了微观领域时,就显出了它明显的不适应,发现有问题了。事实上,不是量子现象有问题,而是我们的认识有问题。只要修正我们的认识,事物的本来面目——对量子现象规律的理解,也就自然地顺理成章了。

我们曾在《物理哲学》中借用索罗斯的“反身性原理”来说明参与者的认识在事物进程中的巨大作用。它与这里所说的“康德原理”说的是同一个事情,只是范围略小了一些。美国金融学家 G·索罗斯指出:单纯建立在通过供给和需求相均衡的市场机制来调节价格基础上的古典经济学理论 (亚当·斯密的“看不见的手”)和凯恩斯理论 (国家通过政策干预经济生活)都是有缺陷的,市场的参与者不仅根据现行价格,而且还根据对未来价格的期望来进行决策。一方面,参与者的认识作为决策的依据,影响着事件的进程;另一方面,事件的进程又影响着参与者的认识。这种双向的整体动态过程贯穿于事物发展的始终,暂时的平衡只是相对的[9]。在宏观自然中,和在经济学中一样,主体与客体的作用是相互的。主体作用于客体,同时又被客体所作用。主体和客体的区分在某种意义上来说是相对的。

玻尔最早提出互补性原理来理解量子测量过程,这使他能够超越经典的绝对测量观,为建立相对测量观奠定了牢固的基础。但与此同时,也留下了两个恼人的关于“观控相对界”的问题[10]:

第一,关于在实验设置中物理系统的测量仪器与被测量对象的划界问题。因为对物理现象的量子描述必须进行经典描述,才有可能成为我们能够理解的。所谓波粒二象性悖论,乃是由于试图用宏观经典物理学概念和语言去阐释微观现象所造成的结果,而这种阐释又是不可避免的。对于测不准关系中的坐标和动量等共轭变量也应作如是理解:它们都是描述宏观客体的物理量,对于微观客体,本来就没有这样的量,正是我们的测量产生了这些量和这些量之间的关系。

这样一来,就马上出现了这样的问题:作为被观控的微观客体与对它进行阐释的分界,究竟应该划在哪里?或许,这个观控相对界根本就不存在?如果真是后者,那立即就会出现关于是否主体与客体不可区分的问题。

第二,既然玻尔与海森堡都认为,量子理论只是对可观察量之间的关系的描述,而不是对独立存在的量子客体的固有属性(如果有的话)的描述,那么现象间的关系就既可以看成是量子测量对象 (客体)与测量仪器 (主体)发挥人的主体性作用的“观控”关系,又可以看成量子系统与环境相互作用的主体间性关系。这又引导出关于主体与客体是否不可区分的问题。

从玻尔凸显微观物理学中不能保证在“现象”(客体)与“观察”(主体)之间达到明确区分的困难中,我们看到他借用了心理学上的自我意识过程分析,那里同样存在着主、客体间边界是可变的与相对的困难问题。如果说心理学的感觉主体有可能成为事实上自我意识的一部分,从而限制了客观地进行自我认识的可能性,那么,量子观测中的观察仪器也就与观测主体和观测客体共同构成了一个不可分离的整体。观控相对界在这里将主体和客体紧密地联系了起来,使得观测到的现象规律,既不完全属于客体,也不完全属于主体,而成为它们之间相互作用的产物。

如果我们一定要把在主体与客体之间有确定的分界线,看成是有可能进行客观观察的前提条件,看成是有可能认识客观世界的前提条件,即是有可能客观地获得关于物理世界的感觉经验的前提条件的话,那么,在这个意义上,我们就不可能说量子系统的特性是独立于观察主体而存在的。或者说,不能够把量子测量的结果解释为是对客体的内在属性的反映[2]。

总之,玻尔提出互补性原理来诠释量子测量过程,在量子力学发展史上应该说是一个很大的进步。经过 20世纪一大批科学家和科学哲学家的深入思考,汇流为量子测量的整体性解释,人们终于搞清楚了:量子测量的结果只是对依赖于测量语境的量子系统的某种相对特性的反映。这种相对特性由于与特定测量主体无关,因而应该被承认是客观的。

由此推之,客观性不再是指对客体在被观察之前的内在特性的揭示,而是具有“在主体间性的意义上是有效的”这一新的含义。在量子理论中,这种客观性是由允许你任意地把一个观察者的观点,传达给另一个观察者这种变换来保证的。

最后,我们想再次强调,在量子测量的整体性解释的完善过程中,从相对测量观必然会达到“观控相对论”的进一步探索。

[1] 倪光炯,王炎森.物理与文化——物理思想与人文精神的融合:第二版[M].北京:高等教育出版社,2009:288.

[2] 成素梅.从测量解释理论到测量哲学的兴起[J].河池学院学报,2007(1).

[3] 李宏芳.退相干和量子力学的解释[J].河池学院学报,2009(3).

[4] [英 ]安东尼·黑,帕特里克·沃尔特斯.新量子世界[M].长沙:湖南科学技术出版社,2005:27.

[5] 成素梅.科学与哲学的对话 [M].太原:山西科学技术出版社,2003.

[6] 倪光炯,陈苏卿.高等量子力学:第二版 [M].上海:复旦大学出版社,2004:458.

[7] 倪光炯,等.改变世界的物理学 [M].上海:复旦大学出版社,1998:468.

[8] 杨祖陶,邓晓芒.康德三大批判精粹 [M].北京:人民出版社,2001:编译者导言.

[9] 韩锋.物理哲学——观控相对论的元物理学[M].香港:天马出版有限公司,2006:65.

[10] 刘月生,王德奎.观控相对界与信息范型——兼评两种量子力学的新解释[J].河池学院学报,2004(4).

The Sign ificant Reform of NewM easurement Viewpo int— Comment on Cheng Su-mei’M easurement Philosophy

L IU Yue-sheng1,HAN Feng2

(1.XinjiangMedicine University,Urumqi 830054,China;2.HechiUniversity,Yizhou,Guangxi 546300,China.)

The"RelativeMeasurementViewpoint"caused by the problems of Quantum Mechanics is a kind of"Measurement Philosophy",which is put forward by professor Cheng Su-mei and a group of contemporary scientists and science-philosophers through observation to facts then progressed to the degree of philosophy. It has a revolutionary significance both in subjectively and in objectively.This thesis analyzed the difference between the"RelativeMeasurementViewpoint"and the classical"Absolute MeasurementViewpoint",indicating that it is consistentwith"The Theory ofObservocontrol Relativity".

Measurement Philosophy;The RelativeMeasurementViewpoint;ClassicalMeasurementViewpoint;The Theory of Observocontrol Relativity

N031

A

1007-8444(2010)06-0742-05

2010-05-10

刘月生 (1938-),男,安徽枞阳人,教授,主要从事科学技术哲学研究。

责任编辑:王荣江