量子力學的語境論解釋

山西大學趙丹主持完成的國家社會科學基金項目“量子力學的語境論解釋”（項目批準號為：13CZX023），最終成果為同名專著。課題組成員有：賀天平、程瑞、劉杰、王凱寧。

形而上學是關于存在的研究，存在并不能脫離開物理世界。當代的許多形而上學研究是依靠直覺進行的，是“扶手椅”式的哲學，它所依賴的許多假設是未經(jīng)批判的，與當代物理學的結(jié)論相悖。與此同時，相對論和量子力學等物理學的研究成果為形而上學提供了豐富的靈感和源泉。如何借助量子力學所提供的形而上學靈感，為量子力學的解釋服務，是本研究的宗旨。國外的物理學哲學有時也稱作物理學基礎研究，許多是由物理學家來完成的，從而使得物理學哲學的研究能夠密切關注物理學的最新動態(tài)，能夠及時地將新的思路和新的證據(jù)用于哲學分析中，完成從物理學到形而上學的轉(zhuǎn)化。

本研究關注量子力學研究的新成果——非定域性和語境性，并將其進行形而上學的吸收和升華——提出語境論解釋，再用語境論求解測量問題、解釋波函數(shù)、解釋量子力學的本體論。研究的意義體現(xiàn)在：（1）關注20多年來量子力學哲學研究的焦點，包括波函數(shù)本體與認識的爭論、非定域性和語境性內(nèi)涵的分析、退相干理論的應用、量子本體論的追尋，基于此透徹理解量子力學基礎的原理與論題；（2）以量子力學中普遍接受的非定域性和語境性為出發(fā)點構建新的解釋體系，回避了先前諸多解釋立足點不同引起的爭論，是一種新的嘗試；（3）語境論解釋建立在本體論與認識論的哲學層面，避免了不同解釋在不同本體論承諾與認識論態(tài)度上對問題爭論的盲目性與混淆性。

與量子力學形式體系取得的巨大成功形成鮮明對比的是，量子力學始終缺乏一致的解釋，在理論的預言與經(jīng)驗現(xiàn)象之間存在不可逾越的鴻溝。按照量子力學的預言，通過這種裝置可以把處于疊加裝置的電子與宏觀的貓的狀態(tài)聯(lián)系起來，在薛定諤方程描述的演化之后，電子與貓?zhí)幱诩m纏態(tài)，此時貓就處于一種既死又活的疊加狀態(tài)，可事實上我們進行測量只得到活或死的確定狀態(tài)。對于這一沖突，我們可以像玻爾那樣，只關注經(jīng)驗層面的內(nèi)容，不去談論電子這樣的對象究竟是什么；我們也可以選擇反實在論的立場，把量子力學看作是一種計算或預言的工具，把波函數(shù)看作是一種主體的信念，對量子力學是否描述了物理世界的問題不置可否，回避諸如薛定諤的貓、維格納的朋友等量子測量問題。但我們并不滿足于此，我們想要弄清楚為什么量子理論的預言的疊加性和實驗結(jié)果的確定性之間存在沖突，想要知道量子力學中的波函數(shù)究竟是不是對某個實在對象的描述，想要弄明白電子這樣的量子對象究竟是什么，為什么在雙縫實驗中表現(xiàn)出波粒二象性。

對于上述問題，玻姆給出了他的回答，量子力學并不是所有的故事，僅是決定論世界在某個更高層次的統(tǒng)計表象，粒子在任意時候都擁有確定的位置，粒子的其他特性均是其軌跡的副產(chǎn)物，測量到的是粒子沿著量子勢所允許的路徑的結(jié)果，波函數(shù)在測量中沒有坍縮，僅是“有效坍縮”。埃弗雷特及其后繼者們則認為測量中每一個可能的結(jié)果都真實地存在，只不過是在平行的宇宙中，處于這一個宇宙中的我們看不到而已。吉拉迪、瑞米尼和韋伯給出的坍縮解釋則認為薛定諤方程僅是本質(zhì)上隨機非線性坍縮方程在微觀層面的近似，坍縮的速度取決于粒子數(shù)的大小，對于粒子數(shù)巨大的宏觀對象而言坍縮是超級快的。玻姆解釋要回到經(jīng)典的本體論，多世界解釋在本體論上是冗余的，坍縮解釋存在尾巴，坍縮并不完全。

我們要進行自然化的形而上學研究，要應用量子力學研究的成果來解釋量子力學本身。不同于玻姆理論的原初本體論，其中粒子及其位置是最為基本的本體圖像，這是源自經(jīng)典力學的自然化的形而上學結(jié)果，雖然引入了非定域性和語境性，但需要引入粒子位置這一附加變量。結(jié)構實在論是從量子力學出發(fā)的自然化的形而上學結(jié)果，但作為量子力學的解釋并不完整，需要補充本體論圖像。我們在結(jié)構實在論的基礎之上，用語境實在作為其本體論圖像。貝爾定理及阿斯佩克特實驗表明，量子力學是非定域性的，在空間上分離的兩個量子系統(tǒng)間存在遠程關聯(lián)，在一端的測量結(jié)果會影響到在另一端的測量結(jié)果�？抡\-斯佩克定理表明，在希爾伯特空間大于3時，量子系統(tǒng)并不能同時賦予不相容的可觀測量以確定的值，再加上斯佩肯斯的制備語境性，表明量子力學中存在語境性，即測量結(jié)果不僅依賴于系統(tǒng)的態(tài)，還依賴于包括測量儀器在內(nèi)的整個語境。在非定域性和語境性的基礎上進行形而上學升華，該成果提出了量子力學的語境論解釋，在本體論上給出的語境實在論，在認識論上認為測量具有語境性，在方法論上認為需要應用語境分析方法。

語境論的量子力學解釋由波函數(shù)的實在性分析、經(jīng)典與量子的關系、不確定關系的語境解釋、測量問題的求解、語境論在量子場論和量子引力中的推廣五部分組成。波函數(shù)在量子力學解釋中至關重要，2012年底PBR（Pusey�睟arrett�睷udolph）定理（一種ψ-本體論定理）的發(fā)表將波函數(shù)的本體與認識之爭推向了高潮。在本體論模型中，如果波函數(shù)是認識的，那么同一本體態(tài)可以與不同的波函數(shù)相容，我們應該能夠檢測到兩個不同的波函數(shù)之間的重疊。波函數(shù)的認識觀點能夠?qū)�測量時發(fā)生的坍縮看作是關于量子系統(tǒng)知識的更新，不受測量問題的困擾。但PBR定理等表明波函數(shù)是本體的。波函數(shù)是本體的，那它是什么？高維空間中的場？三維空間中的多場？時空態(tài)？希爾伯特空間中的向量？或是像玻姆理論那樣把波函數(shù)看作是類似定律那樣的東西？語境論解釋將波函數(shù)看作是語境要素之間的結(jié)構關系，是一種結(jié)構性質(zhì)的本體存在，從而非定域性和語境性能由波函數(shù)自然地體現(xiàn)出來。

語境論解釋承認量子力學的普適性，認為從理論發(fā)展的歷史來看，從經(jīng)典力學到量子力學的發(fā)展是應用對應原理和量子化等理論構建方法的過程，而基于量子力學的基本性，經(jīng)典的表象是由退相干理論來說明的。退相干理論在系統(tǒng)與儀器之外引入了環(huán)境，環(huán)境自由度的參與使得局限于系統(tǒng)與儀器的小語境時發(fā)生退相干，相干項消失，得到確定的測量指針讀數(shù)。

不確定關系的解釋也是語境依賴的，是與量子力學的解釋分不開的。尤其是在能量—時間不確定關系中，量子力學中并不存在時間可觀測量，按照海森堡最初論文中引入的斯特恩-蓋拉赫實驗，不確定關系表示實際測量過程中得到物理量測量結(jié)果精確度之間的限制。當從量子力學體系用標準方差來推出不確定關系時，需要將外部的時間參量轉(zhuǎn)換到量子體系間或內(nèi)部，此時的不確定關系反映的是系統(tǒng)能量的變化與相互作用進程或存在或演化的關系。此外還存在語義學的能量-時間不確定關系，是在構造時間可觀測量的基礎之上做出的。

量子測量問題是量子測量中的核心內(nèi)容，因而求解量子測量問題也成為語境論解釋的重要論題之一。在語境論下求解測量問題，需要以語境實在為本體論基礎、以測量的語境性為認識論平臺，通過放棄本征態(tài)—本征值關聯(lián)的語義規(guī)則，給測量結(jié)果的確定性以一個說明，從而以一種非坍縮的方式消解測量問題。測量前后波函數(shù)的不同形式，并非是坍縮的結(jié)果，而是語境邊界移動的結(jié)果，就像退相干理論中對環(huán)境自由度求跡，只關注系統(tǒng)和儀器得到混合態(tài)一樣。語境論解釋承認主體的作用，但并不認為理論是主觀的。語境論是建立在語境實在基礎上的實在論解釋，把語境作為基本的本體，將物理客體及其間的關系、主體及其背景信念等作為語境要素，語境要素間的結(jié)構關系通過波函數(shù)描述，語境是測量與客體呈現(xiàn)的必要平臺，語境的邊界隨著測量的不同而不同，導致客體的不同呈現(xiàn)。

量子力學解釋一般針對的是非相對論的量子力學。相對論的量子力學是指把狹義相對論與量子力學相結(jié)合而形成的理論，即量子場論。量子場論框架下的粒子物理學標準模型在實驗上得到了成功的檢驗，而將廣義相對論與量子力學結(jié)合起來的量子引力理論目前尚存在巨大的困難。作為更大框架下的量子理論，量子場論和量子引力理論對于量子力學的解釋也起著重要的約束作用。語境論解釋如何直面這些量子理論的約束與挑戰(zhàn)，如何引申與推廣到更為廣泛的量子理論中，是量子力學的語境論解釋未來發(fā)展的關鍵。

“語境論”在量子力學中并非第一次提出，玻爾在1938年引入“現(xiàn)象”描述量子實驗的完備配置時，“他頭腦中激進的修正似乎是一種語境主義”，玻姆的量子勢表述的也是環(huán)境對粒子的非定域性影響。量子力學的語境論解釋是把量子力學中的非定域性和語境性進行形而上學化的結(jié)果，在對量子力學進行實在論解釋的基礎上避免了附加變量或多余本體的引入，同時語境實在論是結(jié)構主義實在論哲學的進一步發(fā)展，語境的實在超越了傳統(tǒng)的實體實在，引入結(jié)構實在，又用語境中的要素避免了本體的結(jié)構實在論中關系的空洞性。

當前，在有限的經(jīng)驗下尚不能根據(jù)經(jīng)驗判定哪一種量子力學的解釋體系是正確的，在此情形下，語境論解釋作為一種實在論的解釋，與量子力學所揭示的非定域性和語境性保持了一致，且不需要引入其他附加的變量或本體，是具有一定優(yōu)勢的。未來，與量子力學的開放性相一致，語境論解釋也是開放的，我們將始終保持開放的心態(tài)，隨時準備著吸納科學理論新的成果，調(diào)整語境論解釋。

該成果的學術價值和應用價值如下。（1）把關注點集中于近年來討論的核心論題上，并且國外最新研究的模式和成果的引介及批判性分析，是對國內(nèi)物理學哲學研究視野和內(nèi)容的拓展，有利于國內(nèi)與國際同步開展研究和討論，對原創(chuàng)性的語境論解釋進行論證和構建，這是一種積極的嘗試，是對國內(nèi)研究立足物理學中的原生問題、進行原創(chuàng)性哲學思考并提出原創(chuàng)性哲學觀念的鼓舞；（2）該成果是在充分理解物理學成果的基礎上展開的哲學分析，是把量子力學理論“玄之又玄”的預言與現(xiàn)實經(jīng)驗發(fā)生在三維空間中的確定結(jié)果相聯(lián)系起來的研究，有利于利用物理學哲學研究的成果豐富科學哲學乃至一般哲學，同時哲學分析的高度又把包括量子場論和量子引力在內(nèi)的量子理論置于全面的視野中審視，便于形成完整的理解；（3）以量子力學中普遍接受的非定域性和語境性為出發(fā)點構建新的解釋體系，是應用科學成果進行形而上學研究的結(jié)果，以語境作為量子本體的基礎，將波函數(shù)看作語境元素間的結(jié)構關系，回避了先前諸多解釋立足點不同引起的爭論，避免了不同解釋在不同本體論承諾與認識論態(tài)度上對問題爭論的盲目性與混淆性，是一種新的實在論解釋途徑。