多世界解释VS哥本哈根解释
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8卷 第8期2 0 1 2年 8月 自然辩证法研究Studies in Dialectics of
Nature Vol.28,No.8Aug.,2012·科学哲学· 文章编号:1000-8934(2012)08-0001-06
多世界解释VS哥本哈根解释
张 丽
(北京大学哲学系,北京100871;重庆大学马克思主义理论教研部,重庆400044
) 摘要:
作为相关态解释的自然推论,量子测量的多世界解释理论从诞生以来即被边缘化。
半个世纪以后该理论逐渐成为一个倍受争议和关注的理论热点,
甚至也被称为新标准解释,这是值得深思的。
本文详细探讨多世界解释对于哥本哈根解释的超越,重点分析多世界解释地位确立的原因。
关键词:相关态解释;多世界解释;哥本哈根解释;退相干中图分类号:N031 文献标识码:A
收稿日期:2012-04-09
基金项目:国家社科基金项目“当代西方物理学哲学的前沿与特征分析研究”(09CZX011);中央高校基本科研专项“量子测量中的多世界解释理论研究”(CDJSK100044
)。
作者简介:张丽(1972—)
,女,黑龙江汤原人,哲学博士,副教授,主要研究方向:物理学哲学和物理学史。
迄今关于量子测量的诸多解释中比较有影响力
的至少在一打以上,其中多世界解释并不是最新的。
该解释理论有过漫长的沉默期,但当前却成为一个倍受争议和关注的理论热点。
无论是哲学家还是物理学家,无论是其支持者抑或是反对者都不再无视它的存在。
2007年7月5日《Nature
》杂志的封面选用了漫画家帕肯斯(David Parkins)的图片以纪念该理论提出五十周年,并以题为:“多世界理论的现代追随者”来专门纪念量子物理学上这个非常重要的年份。
该期刊对此做了特别报道,马克·布查纳(Mark
Buchanan)报告了现代人对于多世界理论的反映,明确指出虽然对于上个世纪五十年代的大多数物理学家来说,这个理论显得太荒诞,但多世界理
论现在却赢得了很多追随者。
〔1〕1事实上从20世纪70年代,基于量子宇宙学的重大进展,多世界理论就逐渐被接受,而在众多的反对者中除玻姆理论外,也提不出真正有力的对立理论。
宇宙学家夏默(Dennis Sciama)对于这种局面做了很好的概括,
即每当谈到怎么解释量子力学的时候,辩论水平顿时降为零。
在这种情形中,多世界解释面临最多的是来自对哥本哈根解释的一种执拗而又不合逻辑的向往,虽然几乎没有什么人还信任哥本哈根解释。
无论我们是否愿意,在某种程度上目前多世界解释无疑已经(或正在)成为新的正统解释。
尤其是在量子物理学家、量子信息学家、数学家乃至物理学哲学家那里,虽然该解释仍有待进一步
的发展,但是,其致力于彻底解决量子测量问题的强大的解释力和信心,以及其坚持以客观路径解释量子测量问题的策略都奠定了其在量子测量问题中的重要地位。
哥本哈根解释作为一个标准解释的正统地位早已改变,但是作为一代神话的哥本哈根解释就如同一面镜子,关于量子测量问题的各种解释都会不自觉地与它比较,多世界解释更不能例外。
本文把多世界理论作为与哥本哈根解释相对立或相互竞争的理论展开分析,但从根本上来看,多世界解释与哥本哈根解释之间的关系,更确切地说应该是一种完善和超越而不是对立和彻底否定。
在哥本哈根解释中,一个系统的量子会发生突变即波函数塌缩,
当该系统被观察(或测量的时候)只有一个碰巧被观察到的结果。
而且根据哥本哈根解释,其他状态的可能性都简单地消失了。
他们最基本的分歧就出现在这里,多世界理论则认为那些其余的部分仍然存在着,只是不在我们的分支中而已。
它保留了哥本哈根解释中的有强大说服力的因素,或者说保留了量子力学最本质的东西,比如概率以及冯·诺意曼形式体系等,并以客观的形式完善了哥本哈根解释中关于波函数塌缩的理论。
具体而言,多世界解释对哥本哈根解释的超越主要可以归纳为以下三方面。
1 以普适性克服二元论思想
哥本哈根解释坚持的是物理理论的二元论思想,带有不彻底性。
它认为微观量子世界和日常宏
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观世界之间有着严格的界限,从而我们既需要量子力学来描述微观世界,同时也需要经典力学来说明宏观世界。
至于二者的关系,哥本哈根解释认为,对于微观世界的把握需要借助于宏观仪器和观察者的特殊作用。
所以,经典力学的地位更基本。
因而,量子力学是脆弱的,是非基本的,只是适用于微观领域的封闭系统,一旦对微观世界进行测量,那么微观客体的本性———量子叠加性,就会以“波函数随机塌缩”的形式消失。
就会得到确定的观测结果。
所以,在微观世界向宏观世界过渡的时候,引入了波函数随机塌缩,并把波函数看做几率波,至于是什么引起波函数塌缩,则最后归结为观察者的特殊地位。
以主观性因素来解决测量问题,并归结为心灵问题,从而把量子测量问题视为一个哲学问题。
正如斯奎尔斯在《量子世界的奥秘》中所概括的:哥本哈根解释......是非常含混不清的,并且它也回答不了什么问题。
几年后,斯奎尔斯进一步补充说,它象“符文咒语”似的空话,说的是“我们并不真正懂得的量子力学”,量子力学的适当描述被推迟的这么久是玻尔对整整一代物理学家洗了脑。
〔2〕210在这种二元论思想下,物理学家们都把哥本哈根解释当作一个已经完成的唯一解释,是最好的答案,从而满足于在这个舒适的环境中不动脑筋,因为玻尔已经回答了这些问题,或者告诉我们不必再追问这些问题。
〔3〕118但是哥本哈根解释中的物理理论二元论思想是违背物理原则的,因为“物理学希望达到的是用一个框架来说明和解释所有的物理现象,与物件的大小无关。
”〔4〕85同时,哥本哈根解释也并不能够在微观与宏观之间给出明确的界限。
相反,在多世界理论看来,任何人为设置的附加条件都不是“应该的”,在“宏观世界”和“微观世界”之间的界限并不符合物理学规律。
这里就涉及到量子论的中心悖论,即“精神在决定实在的过程中所扮演的独特的角色”〔5〕152,这是哥本哈根解释所坚持的。
按照哥本哈根解释,观察的行为使叠加在一起的电子的潜在实在,凝聚成单一的具体的实在,而离开了观察者的原子本身不能作出任何选择。
多世界理论则从实在论角度把波函数看做是一种真实的物理存在,而且整个宇宙都可以用波函数来描述。
量子力学是普遍适用于整个宇宙的,绝不仅仅限于微观量子世界,“我们也是量子世界的一部分”。
〔1〕16当我们对量子世界进行测量的时候,微观世界的本性———量子叠加性并没有以“波函数随机塌缩”的形式消失,而是扩散到包括微观系统、测量仪器、观察者乃至周围环境在内的整个系统中,形成量子叠加态,即退相干过程。
从而,对于局部的观察者来说,无法感觉的微观粒子的量子叠加态,而感受到确定的测量结果。
在这一点上,退相干的过程起到了与“波函数随机塌缩”同样的效用。
但本质上的区别在于,按照退相干过程,从微观世界到经典世界的过渡是客观、自然的物理过程,而按照哥本哈根解释的“波函数随机塌缩”,则是主观、非自然的过程。
伴随着退相干理论的发展,量子性成为宇宙的普遍属性。
量子性不仅仅适用于微观领域,而且适用于宏观系统乃至宇观系统,适用于整个宇宙(由于退相干理论指出宏观系统都不是封闭的,存在着与环境的相互作用,以此说明宏观系统量子态的脆弱性)。
我们可以在逻辑学和动力学上,从量子力学原理推导出经典物理学,可以统一地描述微观、宏观物理世界,并不需要依靠互补性原理,求助于经典物理学的概念去描述微观量子世界,从而把客观实在的世界还给物理学。
在这个意义上,多世界理论对于量子力学的解释就不再是一种空泛的“学究式”的争论,而真正成为量子力学的一部分了。
多世界解释通过退相干理论取消波函数塌缩,坚持了演化模式的一元论。
消除了波函数塌缩引起的突变,坚持了决定论,符合严格的因果关系。
2 以量子态实在论取代实证论
多世界理论一直坚持从物理性、客观性的立场来解决量子测量问题,没有任何附加的假说。
它用物理学自身的因素打破了哥本哈根解释关于微观世界与经典世界的二元论思想,解决了量子世界与经典世界的关系问题。
它肯定量子叠加态是整个物理世界“最本真”的状态,坚持量子态是一种客观的、不可见的、独立于表征的实在。
整个宇宙都可以用薛定谔方程来描述,而且从来没有波函数的塌缩过程。
更不会由观察者的主观性“一瞥”所引起。
在宇宙中普遍存在的量子实在对微观、宏观世界提供了一个统一的描述,从而为我们提供的是一个客观的实在论图景。
多世界解释在微观、宏观乃至宇观领域中,都坚持以客观的确定性来保证世界的真实确定性,尤其是对于日常宏观世界的确定性。
其研究目的是对于量子力学实体的研究,传承的是传统的探究物理实在的思想观念,是客观的、决定论的,最终是要理解真实的客观世界。
而哥本哈根解释从经典物理学所描绘的世界依赖于观察者出发,以经典物理学为根本确立其实在观,从而把实在性建立在观察的基础上,相信的是眼见为实。
由于对量子态的描述需要借助于宏观测量仪器和观察者,所以量子态应该被看做是微观粒子
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自然辩证法研究 第28卷 第8期
与测量仪器之间的一种关系,至多我们可以接受这种关系是实在的。
在他们看来“根本就没有什么量子世界,仅仅只有一个抽象的量子物理描述。
“建立在可观察量之间的互相排斥关系是量子理论的基础”。
〔6〕92在玻尔看来,科学的概念必定要依赖于我们的经验,如果坚持认为物理学的任务是“发现自然是怎样的”?那就错了。
“物理学关心的只是我们关于自然能说什么。
”〔7〕277-294强调的只是一种主观的确定性,而这种“主观的确定性”并不能够对深层的物理实体的确定性做描述,而只能够试图说明为什么宏观世界看起来是确定的。
〔8〕1271对此费米曾作出恰当的评价,即玻尔的本质描述中不存在实在论。
而只有明显的实证论,甚至认为只有依赖测量发生,才会产生真实值〔9〕217。
依据哥本哈根解释,量子力学只是适用于“未观察到”的物理实在,因为在观察的瞬间,波函数就塌缩了,在本质上摒弃了多值的真实存在,与真正的量子解释不相容。
所以,在哥本哈根解释中,量子理论根本不可能反映客观实在,该解释描述的并不是真实的量子世界,充其量只是关于量子世界的知识。
而知识是依赖于认识主体的。
正如诺贝尔物理学奖得主魏格纳(Eugene Wigner)所描述的:“不考虑观察者的意识就不可能以完全一致的方式建立量子力学的定律……正是外部世界的研究得出人的意识是最高实在这个结论。
”〔10〕122这里强调的是意识决定了实在。
但正如我们所看到的,沿着这个思路出现的状况就是“魏格纳的朋友”,即必须有别人观察我,使我的波函数消失……最终导致出现一个宇宙意识来观察这个宇宙。
而詹姆斯·吉恩斯则赤裸裸地宣称“宇宙更像是一个巨大的思维,而不是一架巨型的机器。
”〔10〕122关于这一解释最大胆的表述来自惠勒,他说“我完全赞成莱布尼兹(Leibniz)说的话:‘这个世界也许是一个幻觉,存在也许只是一个梦,但是这个梦或幻觉对我来说已足够真实了,如果很好地利用理智,我们就绝不会受到它的欺骗。
’”〔10〕126这里明显地体现了惠勒所秉持的意识决定着存在、意识是一种主宰的论调。
对此,惠勒更具体的表达是“不只是我们适应宇宙,宇宙也适应我们,……(我们正生活在一个)“参与式的宇宙之中”。
〔10〕292很明显,秉持这一解释路径我们将会得出宇宙之所以存在是因为有一位神在观察它、整个宇宙都被意识主宰以及意识决定了存在性质的结论。
可以看出,哥本哈根解释的本体论图像不明晰,只针对可观察量而非实在。
随着现代宇宙学的进展,物理学家们在自身的研究领域中做出了拯救实在论的努力。
多世界理论就是其一。
多世界理论认为量子态应该被看作某种物理真实,即量子态实在
论(quantum state realism),它仍坚持玻恩的概率规则,分歧在于它否认其他可能性会简单消失,恰恰相反,它认为当一个可能性实现的时候,其他的可能性并没有消失,而是共存于其他的世界中,即为多世界。
这些多世界之间的地位是平等的、没有哪一个是更真实的。
在该解释中,宇宙波函数被视为唯一的终极实在。
3 多世界取代单一经典世界
依据哥本哈根解释的“波函数随机塌缩”过程,仅仅有一种可能性会成为现实态,其他的可能性都随机塌缩掉了。
所以在宏观世界中观察量子态,就只会得到一个确定的结果,即我们生活于其中的单
一、经典世界。
虽然量子世界本身充满了多样性,具
有无数可能性,但是测量会“控制”量子的选择,把无数种可能性转化成为一种唯一的现实性。
即观察行为会使概率函数产生突然的变化,从而在所有可能事件中它选择了实际发生的。
实际的观察行为就是从“可能”到“实际”发生的转换。
从哥本哈根学派的虔诚信徒罗森菲尔德毫不吝啬地对玻尔的赞美中,我们不难发现哥本哈根学派对该处理方式的满意程度。
他认为这种处理方式使我们的科学视野和哲学视野得到了惊人的扩展,从而给我们提供了更丰富、更和谐的世界观。
很明显,哥本哈根解释所展示的世界图景是建立在其互补哲学基础上的,的确是和谐的。
但哥本哈根学派从来也没有被普遍性地认为是对真实世界的描述。
此外,他们获得这个单一的世界图景的途径是建立在其绥靖哲学的基础上的,是缺乏科学基础的。
与此相反,多世界理论的捍卫者们则完全从量子理论的客观性出发,彻底抛开对量子理论的人为设定的附加性假说。
他们认为量子力学是普适性的,从而量子力学的形式体系完全可以真正、完整地描述客观实在的事物。
在宏观领域中,量子态的叠加并没有消失,而是在测量的过程中,被测量的粒子测量仪器(包括观察者内)发生分裂。
随着时间的变化,态矢量将会沿着互相垂直的方向分解。
所以,宇宙将连续分裂成为互相不可观察的,但却是同样真实的多个世界,即宇宙分裂成为平行宇宙。
而波函数则被看作是整个宇宙的终极实在,从而在整体论的意义上,使由许多世界组成的实在获得了决定论的结果。
该理论为恢复实在所付出的代价是实在的多重性。
在这种实在中,宇宙不断分叉,变成众多的“平行宇宙”。
这些平行宇宙在物理学上不是连通的,但都是同样实在的。
观察者的精神也随着宇宙
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多世界解释VS哥本哈根解释
的分叉而分成无数的副本。
就像德义奇所说的“我们的宇宙仅仅是更大的多重宇宙的一小部分,我们宇宙中的一切———包括你、我、每一个原子以及每一个星系,在其他宇宙中都有着对应体。
”〔1〕16作为一种量子理论,它“声称一切可能的量子宇宙都可以同时存在。
该理论声称,宇宙在每个量子交汇点上分裂一次”〔10〕,一切可能发生的事都在多枝状的实在的某一个枝上发生着。
在本体论的意义上,形成了树一样的、分叉的世界的结构———多世界。
很明显,多世界解释是埃弗雷特相关态解释的一个自然结论而不是前提,这个世界观是确立在当前最好的科学理论上的一个“自然”的过程。
埃弗雷特不是第一个对哥本哈根解释中的波函数塌缩假设(collapse postulate)提出批评的物理学家。
但是他的确“开辟了从量子力学方程体系本身获得关于宇宙波函数的内在一致的理论的新领地”。
〔11〕101埃弗雷特力图完善哥本哈根解释的思想在其致狄维特的回信中表达的十分清楚,“哥本哈根解释是不完备的、没有希望的,因为它先验地依赖于经典物理学,并且在哲学上也是荒诞的,因为宏观世界中的实在概念在微观世界中却完全被否定了。
”〔11〕102-103
虽然最初多世界理论也像一个怪诞的假说(Bi-zarre Hypothesis)而不受重视,但这种“怪诞”却有本质上的差异。
正如我们所看到的,多世界理论恰恰是建立在严整的量子力学形式体系内部的,是一个自然的结论。
相比于哥本哈根解释,多世界解释是简单和严肃性的,它不要求波函数随意消失,只是波函数不断分裂为其他的波函数,形成分叉的树,其中每一个都代表一个完整的宇宙,但是大多数情况下,由于环境微扰使这些波函数之间失去相干性(波包塌缩与环境微扰等价)。
4 多世界解释地位确立的
原因剖析
近年来,物理学家们围绕量子测量解释问题曾经有过多次投票,投票的结果显示多世界解释理论稳步上升的地位,以致于有人宣称多世界解释已经取得“新正统解释”地位。
〔12〕85当然,从科学史的角度看,单凭几次投票结果并不能对科学理论作出简单的判断。
但是至少有以下四点可以说明这种态度的转化,这是有据可依的。
第一,弦理论和宇宙学的发展。
现代物理学的发展,尤其是弦理论和宇宙学的发展在一定程度上作出了对平行宇宙的预言,使人们逐渐增加对平行宇宙的包容性。
由于广义相对论成功地预言了许多观测现象,所以象类似于黑洞问题等无法观察到的现象,我们也会认真对待。
同理,对于量子力学的发展也是如此,量子力学也成功地预言了大量观测现象,我们也应该严肃地对待量子力学的其他预言,包括多世界。
在过去的几十年里,完善量子测量解释理论大致沿着三条路径发展,其一是沿着哥本哈根解释路径,提出修订薛定谔方程,使得微观系统的叠加态在遇到宏观系统时,自动产生塌缩效果,而不再提及塌缩;其二是玻姆隐变量理论,这也是理论家们发展自恰的量子理论的努力,也是非塌缩理论。
但是由于其数学结构以及无法实验等特性,使得该解释只受到为数不多的理论物理学家的接受。
普遍的评价是在量子力学解释中,埃弗雷特的路径要优越于玻姆;路径之三就是埃弗雷特的多世界理论。
虽然三条路径都有其相应的支持者,但是在所有的量子力学解释中,惟有多世界解释最受弦理论家、量子引力、量子信息和量子宇宙学家欢迎,有越来越多的科学家支持多世界理论,包括著名物理学家费曼、盖尔曼、温伯格和霍金(Stephen WilliamHawking,1942-)。
前三位都是诺贝尔物理学奖得主。
费曼始终强调塌缩过程只能够通过薛定谔方程来说明,而不能附加;温伯格进一步断言,“最终的途径能够是将薛定谔方程认真地当作是对测量过程的描述……,我更喜欢这种最终步骤。
”〔13〕85-87而霍金更是众所周知的多世界迷。
第二,新的实验依据。
对这些实验证据可以从两个方面来考察,一方面通过不断发现否定波函数塌缩的证据有助于澄清各种解释(否定塌缩解释);另一方面,凭借越来越精湛的物理实验,实验家们通过利用原子束缚和量子光学技术在包含越来越多粒子的系统中观测到量子叠加态(保守的记录是超过一千个粒子)。
诚如美国约克大学的数学家萨德白瑞(Tony Sundbery)所说“多世界理论正慢慢地成为物理学的主流,其中部分原因在于我们看到在没有塌缩假设的前提下量子理论在越来越大的系统中依然成立。
”〔1〕16确实,在多原子的系统中已经观察到不塌缩的叠加态(如C-60分子),而有些小组正在尝试含有10亿亿或更多原子系统中制造出量子叠加态,这些系统与宏观系统是非常接近的。
此外,量子计算机的研制相当于在平行世界中实施并行计算。
第三,退相干理论的支持。
目前普遍认为虽然退相干还不能提供一种唯一确定的量子力学解释,但作为标准量子力学的应用,
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却可以对量子力学的诸多解释起到丰富与审查作用,现有解释必须符合退相干效应。
前文曾提及退相干理论的出现和发展在很大程度上解决了首选基问题。
这里稍加补充,恰如退相干理论的重要代表朱瑞克所说的“采用这一观点的领域可以自恰地把量子理论推向它的逻辑极限,而这个机会正是埃弗雷特给予我们的。
”〔1〕16巴伯(J.Bub)则直言“来自环境退相干方面的新近技术成果的支持,意味着新正统解释的形成。
当前形成这样的共识,即一种现代的、确定版本的哥本哈根解释出现了,在这里玻尔———爱因斯坦争论的问题可以得到清晰的理解。
新的正统解释由许多内容综合而成,其中包括环境引起的退相干这一物理现象。
”〔14〕212埃弗雷特解释是从客观实在论立场对哥本哈根解释的完善而不是对立。
巴伯在此所指的现代的、确定版本的新正统解释就是埃弗雷特解释。
退相干理论表明“薛定谔方程自身具有一种审查机制,即退相干效应......只有与外界不发生相互作用的情况下,量子叠加态才是可观测的”。
我们知道哥本哈根解释的基本立足点是二元论的,退相干理论的发展表明预设一个经典世界是不必要的。
“基于退相干理论的进步,可以合理推断,渗透进一些附加的解释结构,退相干能够对于量子力学如何过渡到经典世界给出完整、一致的回答。
”〔15〕67经典世界可以从量子力学中产生出来,这对哥本哈根解释造成极大冲击。
“如果退相干理论是成功的,对玻尔解释的打击就是来自量子物理自身的”〔16〕。
以量子扑克牌为例,由于与空气、光子等不断的相互作用引起退相干,量子干涉性扩散到外界环境中,使整个宏观世界都形成叠加态,针对这个观察者出现的是正面向上,而对于另外的观察者出现反面向上的确定状态。
它们之间由于前文提及的粗粒化过程,几乎丧失干涉性。
依据奥卡姆剃刀原则,它们之间的联系可以忽略,以此说明为什么我们不能够观察到平行宇宙的存在。
第四,广义相对论的量子化问题。
简单的讲就是广义相对论的量子化问题发展趋势与埃弗雷特解释之间具有一致性。
确切地说,这正是埃弗雷特提出解释的初衷。
从某种意义上讲,没有量子力学的出现,就没有现代哲学的转变。
目前,现代宇宙学又处在一个大变革之中———宇宙学中必须要有量子力学,但有了量子力学,宇宙学又难以自洽。
1957年埃弗雷特首次提出多世界解释的出发点就是致力于以“严肃”的方式解决量子引力问题,虽然该解释还面临着诸如概率问题以及不解释性和缺乏预见性等问题。
但是作为目前唯一允许量子力学在宇宙学基础中发挥严肃作用的解释,它正逐渐为越来越多的宇宙学家们所认可和接受。
在这样一个实证主义盛行的时代,超越了哥本哈根解释的多世界理论是值得期待的。
多世界理论与哥本哈根解释对比表
解释多世界解释/相关态解释哥本哈根解释
在测量解释中的地位新正统解释正统解释
成为正统解释的时间2000以后1925———2000测量问题的定位物理问题心灵问题/哲学问题求解策略非塌缩理论塌缩理论
观察者地位没有特殊地位的物理系统主观意识引起波函数塌缩
量子力学的适用性适用于整个宇宙/普适性、根本性微观领域/物理理论的二元论
与退相干理论关系一致不明确波函数的本性波函数是终极客观实在解释工具哲学倾向量子态实在论实证主义蕴涵的世界图景多世界/开放系统单一经典世界/封闭系统解释力强弱强较弱
有无附加条件无有缺点多余的本体论不能划定日常世界与微观世界边界
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5 多世界解释VS哥本哈根解释 。