论muynck的量子力学的经验主义解释

论muynck的量子力学的经验主义解释

1“恩格斯解释”的本质力学描述的“只是现象”和“现象背后的现实”。20世纪40年代至50年代，在逻辑证据和经验主义的影响下，许多物理专家对这个问题做出了真实的回应。即使是今天,当“可观察量”一词被用来指称一个厄密共轭算子表征的物理量时,仍能感觉到经验主义对于量子力学的数学形式的解释的影响。尽管既没有玻尔(NielsBohr)也没有海森堡(WernerHeisenberg)能被认作逻辑实证论者,但他们的“哥本哈根解释”确实是用经验主义的语言“现象”来描述的。特别是,他们对于测量安排的本质作用的强调助长了这样的观念:量子力学只是处理在测量过程中观察到的现象,如照相底片上的斑点或威尔逊云室或气泡室中的径迹。对于量子力学的实证主义解释,爱因斯坦(AlbertEinstein)持批评态度。根据爱因斯坦,“物理学试图在观念上理解独立于观察的实在”,量子力学如果是完备的,就应该是对于微观实在的客观描述,这里“客观性”意指“不依赖于观察者包括其测量仪器”。除了这种“客观实在论”的批评外,经常用来反对“哥本哈根解释”的另一条路径是指向这一解释在描述测量时的不一致性:这一解释不把测量过程看作一个由薛定谔方程描述的物理过程,而是作为一个额外的满足冯·诺依曼的投影假说的心理过程来处理。“多世界解释”的特殊设计,其目的就是试图从理论的形式中把测量排除出去。然而需要指出的是,“多世界解释”的适当性也是可疑的,这种解释对于世界无数次劈裂的假设,始终停留在形而上的层面而难以回到经验和实践层面。为此,发展一种量子力学的新解释似乎就成为一些物理学家的心愿,在这种解释中,“哥本哈根解释”通过测量建立的微观物体和宏观世界之间的关联被适当地考虑。诚然,“哥本哈根解释”远非没有歧义。玻尔关于态矢的观点是一个工具主义者的观点,他把态矢看作“仅仅是用来计算测量结果的工具”,因此反对把一个电子看作是一个在空间中飞行着的波包的实在论观点。但就量子力学的可观察量(“物理量”)而言,玻尔虽然通常避免做任何本体论的承诺,但他的解释又表现为一个实在论的解释,尽管是一个“情境实在论”(contextualistic-realist)的解释,在这种解释中,一个物理量只有在测量安排用来测量这个物理量的情境中,才被很好地定义。海森堡也把一个“测量结果”,即一个量子力学可观察量的值,等同于微观物体的一个性质,尽管这一性质不是测量前或测量中物体所拥有的性质,而是测量后物体所拥有的性质。此外,由于冯·诺依曼的投影假说,这种可观测量的“情境实在论”的解释也被扩展到描述量子力学的态,冯·诺依曼的投影假说也因此成为“哥本哈根解释”的一个重要组成部分,尽管有人可能认为由此获得的解释不属于“哥本哈根解释”。因此,在物理学和物理学哲学家圈内,现在有一个共识,那就是对于“哥本哈根解释”的许多特征应该作一个批评性的讨论,根据费耶阿本德(Feyerabend),这一解释“不是一个单一的观念,而是一个有趣的臆测、独断的宣称和哲学的荒谬的混合体”。①所以,需要放弃或改变其中的一些基本原则,同时保留其中的一些基本原则,以把“哥本哈根解释”转变为一个没有内在逻辑矛盾的统一体。而且,讨论哥本哈根解释,不可能忽略玻尔的观点——与海森堡的观点非常不同。特别是,玻尔与爱因斯坦的讨论,对于“哥本哈根解释”为物理学共同体所接受,产生了重大影响。另外,虽然“哥本哈根解释”的作者之间存在观点上的差异,但是测量在理解量子力学的意义上的基本作用为所有“哥本哈根解释”的作者所强调。把“哥本哈根解释”关心测量的观点忽略为不相关的,是没有根据的,也是不可信的。相反,我们关于量子世界的所有知识均由测量的方式获得的事实,支持“哥本哈根解释”的直觉:在我们的理论中所详细阐述的对于世界的看法,必定为物体和测量仪器的相互作用所影响。因此,必须认真考虑“哥本哈根解释”的这一基本原则。但是,这并不意味着在哥本哈根的意义上的情境实在论解释也必须被接受。根据Muynck,在一个新的经验主义的解释中,一个量子力学的可观察量意指测量仪器而不是微观物体。这样一个经验主义解释作为替代,在某种程度上能被考虑是一个类“哥本哈根解释”。为了避免误解,需要指出,下文中所提到的“测量仪器”总是指一个微观物体与之进行物理相互作用的物质物体。人类观察者及其意识不在考虑的范围之内。他们的作用被假设发生在测量安排已建立之后,对于测量过程没有任何物理影响。实际上,在量子测量中,一个人类观察者与一个测量仪器的关系,和在经典物理学中人类观察者与测量仪器的关系并无不同:他(她)看一个量子力学测量仪器的(宏观)指针,对于测量结果(指针位置)的影响,正如在经典测量中的一样小。今天,量子测量经常完全自动化,人类观察者的作用甚至可以被限制在看他(她)的打印机产生的图纸上。因此,诸如“心智”、“意识”、“自由意志”和“物理-心理平行主义”将被忽略为与本主题不相关的内容。因此,诸如冯·诺依曼的“无限回归”、“维格纳朋友”、“多心解释”和“主观性”的争端不在本文中讨论。2仪器论与钢的讨论:背景、讨论和解释在爱因斯坦和玻尔关于“量子力学的完备性”的讨论中,有必要区分两种不同的“完备性”观念,这两种观念可以分别被称为“广义上的完备性”和“狭义上的完备性”。第一种观念与亚量子理论的不可能存在相关联,它能被表述为:不存在比量子力学更能详细地描述物理实在的亚量子理论(广义上的完备性)。根据Muynck,相信“广义上的完备性”的一个原因,可能是一个实证主义者对于形而上观念的恐惧,拒斥隐参量,因为它们不可观察,具有形而上的特征。按照费耶阿本德的说法,玻尔接受冯·诺依曼的不可能存在使量子形式完备的隐参量的“证明”,就有这种嫌疑。然而,这并不是爱因斯坦挑战玻尔的“完备性”观念时的争端。爱因斯坦挑战玻尔的“完备性”观念的争端相当不同,它可以表述为:一个粒子的量子力学描述不可能通过同时确定其位置和动量的精确值来完成,因为测量仪器的干扰影响不允许这样一个同时精确的测量值(狭义上的完备性)。因此,玻尔把量子力学看作是一个完备的理论的原因,并不是对于形而上观念的恐惧。而是由于普朗克常数h表征的“作用量子”的存在,使得不可能同时精确地确定一个粒子的位置和动量。对玻尔来说,由于在微观物体和测量仪器之间有一个不可能消失的相互作用,从而在二者之间不可能作出一个严格的区分,因此构成一个不可分割的整体,自身显示作一个“量子现象”(这被称为玻尔的量子公设)。由于这一事实,位置和动量都被规定有一定的范围,它们满足海森堡的不确定关系。因此玻尔和爱因斯坦的争端是围绕量子力学自身的特征展开的,完全与隐参量的问题不相关(隐参量问题实际上超越了量子力学的范围)。而“狭义上的完备性”作为玻尔和爱因斯坦之间争端之所在,其顶峰是EPR“佯谬”的提出,EPR提议可以看作是爱因斯坦一方为防止玻尔求助于测量相互作用来反驳其观点的最后尝试。这样看来,爱因斯坦和玻尔关于量子力学完备性的讨论,与量子力学是否是一个“万有理论”,是否不会被其他更复杂的理论所超越,一点也不相关。与之相关的问题是,量子力学的解释,即一个量子力学的可观察量的实在论的解释,是否是一个客观的(objectivistic)(爱因斯坦)或情境的(contextualistic)(玻尔)的解释。爱因斯坦确信一个正确的物理理论必须产生一个客观实在论的描述,而不仅仅是一个与观察者甚至与一个测量仪器相互作用的实在论的描述。在他看来,月亮在没人看它时确实在那儿。物质的性质,像电的传导性、辐射性,等等,似乎不依赖于我们的观察,我们应该尽力设计理论,以使这种性质描述独立于任何观察。这种思想是建立在这样一种观念基础之上的,那就是EPR论文中引入的“物理实在的要素”:在没有任何方式干扰这个系统的前提下,与一个物理量相对应的值能被确定地预测(概率为1)。这种观念的无歧义性为玻尔所挑战,因为它的非情境性,忽略了整个实验安排,而这一点在讨论量子现象时是必须加以考虑的。由于EPR文中的“物理实在的要素”是作为一个“量子力学的测量结果”而提出的,因此,它可能等同于玻尔提出的“量子现象”。因此,根据Muynck,没有隐参量理论,没有“广义上的完备性”被卷入。就认为可能卷入隐参量理论而言,问题恰恰是量子力学的可观察量本身能否充当隐参量的角色。在这个意义上,一个可观察量的很好定义的值,能被归因于一个粒子,粒子在被测量前,独立于测量。事实上,我们可以考虑这样的可能性,即认为玻尔在把一个情境意义加于量子力学方面是正确的,而当爱因斯坦的“物理实在的要素”被看作一个非量子力学的概念时,可能给出一个明确的无歧义的意义。然而,人们通常忽视后者的可能性,这样,玻尔关于“在狭义上完备”的争端的胜利,通常被误认为是关于“在广义上完备”的胜利,从而公然抨击爱因斯坦的“物理实在要素”的引入是一个形而上的企图。但是,我们有什么理由认为量子力学可能“在广义上完备”呢?不可否认,量子力学有一个很大的适用范围,并且不清楚在哪种物理情境下,这一理论的边界可以呈现在我们眼前。但这对于经典的力学理论也是真的,包括麦克斯韦的场论——这一理论实际上包含了100年前所有已知的物理学。也就是说,“在广义上完备”的观念并不适用于在过去发展的任何物理学理论。诚然,20世纪的物理学已被量子力学和相对论占据了统治地位,经典理论被看作仅当质量足够大、速度与光速相比足够小时,才是正确的。量子力学似乎不被很好地理解,人们不能期望一些与经典力学相似的事情发生在量子力学中,例如,对于量子测量过程,可监控的时间非常短暂,这与经典测量完全不同。事实上,爱因斯坦、玻尔和海森堡对于量子力学可能不得不被更高层级的理论所超越这一问题,都持开放的态度。根据Muynck,如果量子力学“在广义上完备”的观念能被根本上归于“哥本哈根解释”,那是因为这个解释不是一个一致的理论,而是起源于不同来源的一组观念的集合。其中一个来源是科学的经验主义哲学,这种哲学在20世纪前半叶居于统治地位。依某一种基础主义(fundamentalist)的形式(常被指称为反实在论),经验主义哲学不但鼓吹应该警惕没有建立在观察基础上的理论概念,而且宣称与这种概念相应的物体是不存在的(例如原子)。如果仔细考察,把这种建议应用于原子,对于它们的实验发现可能将是一个障碍。尽管对于我们能够想到的每个理论观念都假定其物理存在,可能是不可取的,然而相反的态度似乎确实同样是徒然的。作为促进科学的一种方式,“形而上的恐惧”有它的边界。有时,一个想象的跳跃可能是有益的。迄今,我们的经验是:在某种理论描述的现象背后,存在大量的将由更深层次的理论所描述的新物理学。正如一个弹球的行为虽由刚体的经典理论所适当地描述。然而,我们需要固态物理学来考虑它的原子构成。用类推法,我们不难知道,把量子力学假设为“万有理论”,永远不会被更具包容性的(亚量子)理论所超越是相当轻妄的。尽管在当前我们没有关于量子力学的适用范围的边界的任何实验暗示,但是量子力学“在广义上完备”的观念从一个方法论的观点来看是不恰当的。现在,众所周知,在量子力学教科书中所呈现的量子力学的标准形式,是不能在量子力学的范围内描述所有的测量可能的。由于这一原因,至少在教科书中,量子力学不可能是“在广义上完备的”。因此,在发展一种量子力学的新的“哥本哈根解释”中,“在广义上完备”的观念将不会被需要。3质量量的标准:从“刚性”到“亚量子”从弹球的比喻中,我们还将获悉另一种经验。众所周知,一种广泛的假设是:与量子力学形成对照,经典力学产生一个关于实在的客观的描述,丝毫不需要提及观察。然而,根据弹球的例子,我们知道这通常不是真的。刚性不是弹球的一个客观的属性。由于它的原子构成,一个弹球只在某种情形下才表现为一个刚体。如果撞击足够猛烈,它可能开始振动,甚至可能破裂。因此,刚体理论只在一定实验的范围内适用。因此只有一个情境的意义,非常相似于玻尔的关于量子力学的可观察量的情境意义的观点。至于爱因斯坦希望一个客观的描述可能在经典的范式中有它的起源的说法,似乎是没有根据的。而且,与玻尔关于量子力学的可观察量的论点相类似,对于一个弹球的刚体描述而言,情境显然由整个实验安排决定。这说明“一个弹球的刚性”是一个情境属性,即使根本不对它进行观察。而且,如果量子力学是“在广义上完备的”,那么爱因斯坦对于量子力学的描述的客观性要求可能被证明是正确的,尽管这似乎是一个太过强硬的要求。然而,爱因斯坦的“客观性”要求,与“在广义上完备”的争端不相关。上文已提及,实际上,爱因斯坦与玻尔的争论是关于量子力学“在狭义上的完备性”。对爱因斯坦来说,独立于观察者存在的世界的性质将依赖于它的被观察是不能接受的。当然,假定一个弹球的刚性将依赖于它的被观看,或假设月亮在没有观察者观看它时将是不存在的,是荒谬的。但弹球的例子能告诉我们这个难题如何被解决,既适用于经典力学也适用于量子力学。由于这个目的,假定这些理论“在广义上不完备”是有利的。根据Muynck,考虑一个弹球之所以是刚性的物理原因是重要的,即使它由振荡原子组成。这个原因当然是由于在球内原子间有紧密的约束力,因此振荡很小,以至于在刚体理论适用的宏观观察水平,它们不被察觉。事实上,我们应该在“实在”和我们关于“实在的描述”之间做出区分。一个弹球不是一个“真的”刚性物体;但是我们能把它描述为一个刚性物体,只要它如刚性物体一样行为。因此,就刚性是球的性质而言,它是一个情境性质。考虑原子振荡就可以使这一点变得清楚。而且,这也表明,对于这些振荡的一个描述而言,我们需要一个不同于刚体理论的理论。刚体理论的情境意义是明显的,因为当这些原子振荡不能再被忽略时,“刚性”的概念就失去了它的意义。实际上,我们应该区分两种“刚性”的概念,刚体理论的“刚性”的概念是完全不同于一个原子的固态理论的“刚性”概念的。对于量子力学而言,情形可能相类似。关于位置和动量的亚微观的(隐参量)概念,可能不同于相应的量子力学的概念。玻尔可能是正确的,如同刚性一样,量子力学的可观察量也只有一个情境意义。如果是这样,那么为了产生爱因斯坦所渴望的客观的描述,一个亚量子理论将是必需的。爱因斯坦对于量子力学本身产生这样一个描述的要求,可能是一个徒然的过分要求。一些迹象表明,情形可能确实是这样。因此,尽管在玻尔-爱因斯坦讨论之时,量子力学的可观察量的值,能否被作为客观的属性赋予微观物体(这种可能性被“哥本哈根解释”在一个可疑的基础上予以否定),是一个开放性的问题,但我们现在确信这样一种赋予是不可能的。因此,在测量前,通常不可能假定一个自由粒子有一个确定的量子力学的动量值。这是“哥本哈根解释”的一个基本原则,特别被约当(Jordan)所倡导,但通常感觉这种解释具有决定论或说非决定论争端的意味。众所周知,爱因斯坦反对非决定论的观点。他的“上帝不掷骰子”的断言可解释为这样一种表达:确信在一个理想测量中,能对一个量子力学的测量结果的观察做出解释,是因为这个可观察量在测量前有值。这时常被称为“可信测量”原则。看来好像,至少关于量子力学的测量结果的客观性争端,玻尔可能战胜了爱因斯坦,尽管能否把这种胜利延伸至决定论与非决定论的争端是可疑的。4亚量子要素的可能解释“量子力学的测量结果”和“物理实在的亚量子要素”之间的区分,将在我们把“哥本哈根解释”从许多特征中解放出来,以还原它的可信度的企图中,扮演十分重要的作用。这些特征之一是“非决定论”,大意是:一个量子力学测量的测量结果,不能通过假设它是微观物体在测量前所拥有的性质来解释。例如,根据约当,在对一个粒子的位置测量前,一个粒子“既不在这儿,也不在那儿”。①约当的“突然创生”的哲学,对那些赞同爱因斯坦,相信一个适当的物理学理论必定会告诉我们关于客观实在的一些东西的人来说,是一个争论的主题。在此,“哥本哈根解释”可能低估了量子力学解释实在的某些特征的能力。海森堡在他的“测量的干扰理论”中,甚至没有始终地追随约当,而是与“可信测量”原则相一致。他允许位置不会被位置的一个测量所干扰,干扰仅仅发生在同时测量这些相互干扰的位置和动量可观量之时,由此表明,可观察量在测量前必定与测量后具有相同的值。在一个量子力学的测量的确告诉了我们测量前实在的一些东西的意义上,海森堡的建议可能是正确的。当然,这与约当的论点相反。然而由于贝尔定理,这在爱因斯坦的意义上不可能是真的。贝尔定理拒斥独立于测量、同时精确的值能被赋予互不相容的可观察量的观念。这表明至少冯·诺依曼是正确的,而隐参量理论不可能正确。在这种所谓的隐参量理论中,实际上是量子力学的可观察量本身扮演着隐参量的角色,因此,把这种理论看作是一个“量子力学可观察量的客观实在论解释”,而不是一个隐参量理论或许更可取。显然,量子力学可观察量不能充当爱因斯坦的“物理实在的要素”的角色。然而,这并不暗示更精致的隐参量理论(亚量子)理论也将是不可能的,也不意味着“物理实在的要素”完全不存在。很可能一个量子力学的测量产生了一个不可能由量子力学描述,然而却必须由一个亚量子理论来描述的,先前就存在的“物理实在的要素”的证据。因此,在一个位置测量进行之前,一个粒子可能有一个位置,只不过,它不由量子力学的位置可观察量描述。根据Muynck,对于两个可观察量之间关联的测量,可能会为存在“物理实在的亚量子要素”,提供甚至更为有力的论据。例如,考虑一个自由粒子,其中动量可观察P(t)和P(t′)对于时间t和t′的所有值都对易。因此,根据量子力学的数学形式,对于一个自由粒子的连续两次的动量测量,将产生相同的测量结果。连续两次的动量测量结果之间的极好关联,能通过动量守恒,并结合这样的事实:由于动量算符P(t)和P(t′)对易,因此对这些可观察量的测量不相互干扰,而以一种自然的方式得以解释。测量结果的这种极好的关联,如果不被还原到测量现象背后微观实在的某些特征,它们将完全不被解释。正因为如此,如果我们想要对EPR实验中两个不同粒子的量子力学可观察量的一个相似的极好关联做出解释,我们就需要承诺被测物理量是粒子在测量前所拥有的客观性质,否则,必将引入远距离测量之间的非定域影响,而这与狭义相对论不相容。在Muynck看来,尽管哈密顿算符的值(相似于刚体理论的刚性概念)不扮演“物理实在的要素”的角色,但这并不意味它们不能指称实在的一些方面,这些方面实际上为对相应的可观察量的测量所探测。因此,一个粒子的量子力学的动量可能指称某一亚量子“动量”的观念,在某种程度上以相似于原子的固态理论的和刚体理论的“刚性”观念之间的关系的方式,而与量子力学的观念发生联系。动量守恒能被比喻为一个弹球的表面球形守恒——由原子的相对位置的近似保持而造成。鉴于在标准条件下,这些特征精确地与我们的观察结果相对应,由更为详细的理论给出的一个描述,可能会阐明在非标准条件下这些特征与我们的观察结果所产生的那些重要的偏差。我们知道,爱因斯坦不情愿把完备性赋予量子丝毫不源于他对于经典力学的决定论的偏爱,而是源于这样一种观念:我们的物理学理论必须告诉我们一些独立于测量的客观存在。尽管这一理想可能不适用于所有物理学理论(例如刚体理论),且特别不适用于量子力学,然而赞同玻尔的看法,即假定量子力学至少可以告诉一些关于与一个测量仪器相互作用的情境实在的东西,并不过于牵强。当然,这也不意味着没有其他的解释能被尝试。在“哥本哈根解释”中,通常通过援引冯·诺依曼的投影假说,即假设一个动量测量把量子态投影到被测可观量的一个本征态,来试图解释连续的被测动量值之间的严格的关联。然而,冯·诺依曼的投影假说不适用。而且,作为一种解释,投影假说与“能量守恒”相比较,似乎不是非常有理,因为“动量守恒”可能告诉了我们物体在没有与一个测量仪器相互作用时的一个性质的某些东西(“物理实在的要素”)。与之形成对照,似乎明显的是,如果量子力学的可观察量只有一个情境意义,那么爱因斯坦式的客观存在的性质,必定是一个非量子力学的性质。当然,对上面讨论的关于连续的量子力学测量结果的关联不做出任何解释是可能的,包括不对EPR关联做出解释也是可能的。根据Muynck,这将适宜于量子力学的一种严格的经验主义观点,这种观点为范·夫拉森(vanFraassen)所持有。根据这种观点,一个物理学理论只是用来描述现象,而没有解释它们的任何必要性。然而,从采纳了冯·诺依曼的投影假说这一点来看,“哥本哈根解释”显然不持有这种严格的经验论观点。“哥本哈根解释”不戒除解释,相反,它似乎钟情于解释,以至于它愿意接受一个像冯·诺依曼的投影假说那样可疑的过程,作为解释在连续或联合测量中关联的一种方式。在设计量子力学的一种新的“哥本哈根解释”过程中,同样应该保持物理学理论提供解释的要求,当然,像刚体理论一样,量子力学不可能解释所有事情。特别地,它不解释为什么当对一个量子力学可观察量进行测量时,会获得某一个测量结果。如果存在可以解释这一测量结果何以出现的理论,那么它一定是一个更复杂的(亚量子)理论。同样,要解释何以弹球的刚性源于球中原子之间紧密的约束力,必须求助于亚刚体理论来描述。因此,如果量子力学不是“广义上完备的”,我们可以希望亚量子理论将有朝一日被发现。这里,亚量子(隐参量)理论可能通过允许不同层次的论述而被阐明,而完全没有方法论上的令人不快。5狭义上完备的观念量子力学是否“完备”的问题,经常被用波函数或态矢来说明。爱因斯坦对此非常清楚,他说:“Ψ函数应该被理解为一个系综的描述,而不是单个系统的描述。”他认为我们不能产生一个比统计描述更精确的描述,因为我们对于一个粒子的位置和动量的精确值无知。根据“哥本哈根解释”,这样一个系综解释不适合于量子力学,因为与不允许一个物体的位置和动量的值同时被很好地定义的“在狭义上完备”的观念不一致。根据“哥本哈根解释”,考虑本质上的非决定论是“在狭义上完备”的结果,波函数必须被看作是对单个物体的一个基本的概率描述(与统计描述相对)。哥本哈根的单个物体的解释和爱因斯坦的系综解释之间的差异,标志着他们关于量子力学的测量结果的解释所持的根本不同的态度。有时,一个系综解释和一个单个物体解释之间的差异,被按照一个认识论解释和一个本体论解释之间的区分来刻画,并把它们与“关于我们的知识的描述”和“实在的描述”的区分相并列。然而,根据Muynck,这是一种潜在地引人误入歧