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摘要：物理學(xué)家對(duì)量子糾纏現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了基于觀念質(zhì)疑、實(shí)驗(yàn)認(rèn)可和具體應(yīng)用這樣一個(gè)從理論闡述到技術(shù)開(kāi)發(fā)的過(guò)程。量子糾纏現(xiàn)象的存在顛覆了許多傳統(tǒng)的哲學(xué)觀念，直接引發(fā)了關(guān)于如何理解“實(shí)在”和“因果性”概念的討論。這些討論深化了我們對(duì)實(shí)在論與反實(shí)在論、因果性與關(guān)聯(lián)、決定論與非決定論、定域性與非定域性、可分離性與不可分離性等概念的理解，揭示了本體論思維方式的局限性。 中國(guó)論文網(wǎng) http://www./4/view-6783253.htm 關(guān)鍵詞：量子測(cè)量；非定域性；實(shí)在；因果性 中圖分類號(hào)：N02 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0257-5833（2014）06-0111-08 物理學(xué)家對(duì)量子糾纏的研究經(jīng)歷了兩個(gè)階段：其一是觀念質(zhì)疑與概念辨析階段。這一階段以愛(ài)因斯坦、波多爾斯基和羅森于1935年聯(lián)名在《物理學(xué)評(píng)論》雜志上發(fā)表的“能認(rèn)為量子力學(xué)對(duì)物理實(shí)在的描述是完備的嗎？”（通常簡(jiǎn)稱“EPR論證”）一文為開(kāi)端，以如何理解量子力學(xué)的基本特征為主線，圍繞如何理解量子糾纏的思想實(shí)驗(yàn)展開(kāi)爭(zhēng)論；其二是實(shí)驗(yàn)證實(shí)與技術(shù)應(yīng)用階段。這一階段以貝爾不等式的提出為契機(jī)，以檢驗(yàn)這個(gè)不等式的一系列實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，以量子信息科學(xué)與量子計(jì)算的迅猛進(jìn)展為核心，把量子糾纏作為一種像能量一樣的物理學(xué)資源，進(jìn)行測(cè)量、轉(zhuǎn)換和純化，來(lái)探索其廣泛的應(yīng)用前景。對(duì)于哲學(xué)研究來(lái)說(shuō)，量子糾纏引發(fā)的哲學(xué)問(wèn)題比過(guò)去任何時(shí)候都更加尖銳與深刻。我們對(duì)這些問(wèn)題的討論，在本質(zhì)上，不是對(duì)傳統(tǒng)哲學(xué)觀念的細(xì)枝末節(jié)的修正或補(bǔ)充，而是蘊(yùn)含著徹底的哲學(xué)革命以及哲學(xué)思維方式的大轉(zhuǎn)變。然而，令人遺憾的是，在國(guó)際學(xué)術(shù)界倍受關(guān)注的這一論題在國(guó)內(nèi)哲學(xué)界卻慘遭冷落，因此，我們有必要對(duì)這一論題進(jìn)行深入探討。本文只是拋磚引玉。 一、量子糾纏的提出與發(fā)展 “量子”（quantum）概念來(lái)源于拉丁語(yǔ)“quantus”，意思是“多少”（how much），意指一個(gè)固定的量，與此相關(guān)的一個(gè)重要常數(shù)稱之為“作用量子”（通常稱為普朗克常數(shù)），用h表示，h取自“Hiete”的第一個(gè)字母，是“幫助”的意思。在物理學(xué)史上，物理學(xué)家通常把普朗克提出作用量子的年代（1900年）確定為是量子時(shí)代的開(kāi)端和機(jī)械力學(xué)時(shí)代的終結(jié)。此后，物理學(xué)家經(jīng)過(guò)二十多年的努力，終于在1925年和1926年確定了量子力學(xué)的形式體系。量子力學(xué)是探討構(gòu)成物質(zhì)基本單元（即亞原子粒子）的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律的學(xué)說(shuō)。我們無(wú)法用儀器直接觀察到微觀粒子的存在狀態(tài)，只能觀察到它們?cè)谔囟y(cè)量設(shè)置中的特定的行為表現(xiàn)，比如，云霧室里的徑跡、蓋革計(jì)算器的響聲、雙縫衍射圖樣等。在這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)，我們過(guò)去熟悉的許多規(guī)律和觀念都失去了效用，“不確定性”主宰著一切。量子力學(xué)最離奇的特征是被愛(ài)因斯坦稱之為“怪異的超距作用”的量子糾纏，我們?cè)诮?jīng)典世界中從來(lái)沒(méi)有遇到過(guò)類似情況。物理學(xué)家理解量子糾纏的過(guò)程，不只是理解量子力學(xué)的過(guò)程，同時(shí)還是澄清舊的哲學(xué)前提、確立新的哲學(xué)觀念的過(guò)程。 與繼往通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象歸納出理論觀念的研究方式不同，物理學(xué)家最初對(duì)量子糾纏的認(rèn)識(shí)并不是直接來(lái)源于所觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，而是來(lái)源于對(duì)量子力學(xué)的形式體系的理解與把握。薛定諤早在1926年創(chuàng)立他的波動(dòng)力學(xué)時(shí)，已經(jīng)意識(shí)到，假如幾個(gè)粒子或光子是在某個(gè)物理過(guò)程中共同產(chǎn)生的，那么，它們之間就會(huì)發(fā)生糾纏。但是，量子糾纏現(xiàn)象真正引起物理學(xué)家的關(guān)注，應(yīng)歸功于愛(ài)因斯坦等人聯(lián)名發(fā)表的EPR論證的文章。在當(dāng)時(shí)的背景下，EPR論證與其說(shuō)是一篇物理學(xué)論文，不如說(shuō)是一篇典型的量子力學(xué)哲學(xué)論文。過(guò)去人們通常認(rèn)為，這篇論文的學(xué)術(shù)價(jià)值在于愛(ài)因斯坦與玻爾就量子力學(xué)的完備性問(wèn)題的爭(zhēng)論，事實(shí)上，從當(dāng)前的發(fā)展來(lái)看，這篇論文更大的學(xué)術(shù)價(jià)值在于技術(shù)應(yīng)用和由此引發(fā)的哲學(xué)討論。量子糾纏這個(gè)概念的提出歸功于薛定諤。1935年10月，薛定諤在《劍橋哲學(xué)學(xué)會(huì)的數(shù)學(xué)進(jìn)展》雜志上發(fā)表了“分離系統(tǒng)之間的概率關(guān)系的討論”一文，在該文中，薛定諤進(jìn)一步推廣了EPR論證的討論，并創(chuàng)造了“糾纏”這一術(shù)語(yǔ)來(lái)描述復(fù)合的量子系統(tǒng)存在的這種特殊關(guān)聯(lián)。 薛定諤在這篇討論性文章中開(kāi)門見(jiàn)山地指出，當(dāng)兩個(gè)系統(tǒng)由于受外力作用經(jīng)過(guò)暫時(shí)的物理相互作用之后再彼此分開(kāi)時(shí)，我們無(wú)法再用它們相互作用之前各自的表達(dá)式來(lái)描述復(fù)合系統(tǒng)的態(tài)，兩個(gè)量子態(tài)通過(guò)相互作用之后已經(jīng)糾纏在一起。實(shí)驗(yàn)表明，不管這兩個(gè)量子系統(tǒng)分離之后相距多遠(yuǎn)，都始終會(huì)神秘地聯(lián)系在一起，其中一方發(fā)生變化，都會(huì)立即引發(fā)另一方產(chǎn)生相應(yīng)的變化。簡(jiǎn)單地說(shuō)，量子糾纏是指，曾經(jīng)相互作用過(guò)的兩個(gè)粒子，在彼此分離之后，對(duì)一個(gè)粒子的任何測(cè)量，都會(huì)影響到另一個(gè)粒子的存在狀態(tài)。薛定諤對(duì)這種特殊情境的另一種表示方式是：一個(gè)整體的最有可能的知識(shí)不一定是它的所有部分的最有可能的知識(shí)，即使它們可能是完全分離的，有能力擁有各自的“最有可能的認(rèn)識(shí)”。這種知識(shí)的缺乏決不是由于這種相互作用是不能夠被認(rèn)識(shí)的，而是由于這種相互作用本身。 用EPR-玻姆的思想實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，在測(cè)量之前，兩個(gè)糾纏粒子都沒(méi)有確定的自旋態(tài)，只有通過(guò)實(shí)際測(cè)量，它們才能擁有確定的自旋態(tài)。理論提供的測(cè)量得到的態(tài)是隨機(jī)的。例如，如果第一次測(cè)量是測(cè)量粒子A在Z方向的自旋，測(cè)量得到粒子A自旋向上或自旋向下的概率是一樣的。只有具體地進(jìn)行一次測(cè)量，才能確定A是自旋向上，還是自旋向下。A的結(jié)果同時(shí)引起了另一個(gè)相互糾纏的粒子B的自旋態(tài)的改變。如果測(cè)量得到A在Z軸上自旋向上，那么，B在Z軸上就是自旋向下，如果測(cè)量得到A在Z軸上自旋向下，那么，B在Z軸上就是自旋向上。這兩個(gè)糾纏粒子的態(tài)的確定是同時(shí)的。從理論上看，量子糾纏是量子力學(xué)形式體系的態(tài)疊加原理應(yīng)用于兩個(gè)以上的子系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)合系統(tǒng)時(shí)體現(xiàn)出來(lái)的現(xiàn)象，是薛定諤方程中的波函數(shù)在位形空間中不可分解的特征造成的。 在量子力學(xué)中，量子糾纏是普遍存在的，而不是例外的規(guī)則。比如，量子糾纏比不確定性原理更明確地說(shuō)明了雙縫實(shí)驗(yàn)。在雙縫實(shí)驗(yàn)中，一束粒子通過(guò)兩個(gè)狹縫射向檢測(cè)屏，能夠產(chǎn)生明暗相間的衍射條紋，體現(xiàn)了這些粒子像經(jīng)典波那樣發(fā)生了相互干涉，如果一次只有一個(gè)粒子通過(guò)狹縫，就不是粒子之間的相互干涉，而是每一個(gè)粒子與自己干涉；如果我們希望通過(guò)儀器檢測(cè)到粒子究竟通過(guò)哪個(gè)狹縫，那么，干涉圖樣就消失了。我們只能要么得到干涉圖樣，要么檢測(cè)到粒子通過(guò)哪一條狹縫，而不能同時(shí)得到兩者。在物理學(xué)家認(rèn)識(shí)到量子糾纏之前，物理學(xué)界通常的解釋是來(lái)自玻爾，玻爾根據(jù)海森堡的不確定原理來(lái)說(shuō)明這一事實(shí)，即粒子的位置確定，它的動(dòng)量就不確定；動(dòng)量確定，位置就不確定。現(xiàn)在物理學(xué)家普遍認(rèn)為，運(yùn)用不確定性原理說(shuō)明雙縫實(shí)驗(yàn)只是一種幸運(yùn)的巧合，事實(shí)上是不充分的，最好應(yīng)用量子糾纏來(lái)說(shuō)明：干涉圖樣的消失是衍射粒子與光子糾纏的結(jié)果。 在有關(guān)量子糾纏的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展方面，1949年吳健雄和薩克諾夫第一次通過(guò)實(shí)驗(yàn)生成了一對(duì)互相糾纏的光子。然而，這個(gè)重大的突破直到1957年才被認(rèn)可。在長(zhǎng)達(dá)40年之后的1997年，維也納小組和羅馬小組分別根據(jù)這種不受空間限制的量子糾纏現(xiàn)象成功地完成了隱形傳輸單粒子量子態(tài)（簡(jiǎn)稱為隱形傳態(tài)）的實(shí)驗(yàn)，2009年，美國(guó)物理學(xué)家實(shí)驗(yàn)證明，在肉眼能夠看到的兩個(gè)超導(dǎo)體之間也存在著糾纏現(xiàn)象。近些年來(lái)，量子糾纏作為一種資源正在得到廣泛的技術(shù)應(yīng)用，成為制造具有超級(jí)計(jì)算能力的量子計(jì)算機(jī)和實(shí)現(xiàn)絕對(duì)保密的量子通訊的理論基礎(chǔ)。 在物理學(xué)的發(fā)展史上，物理學(xué)家對(duì)量子糾纏的認(rèn)知是過(guò)去半個(gè)世紀(jì)以來(lái)最重要的進(jìn)展之一。但從傳統(tǒng)哲學(xué)意義上來(lái)看，兩個(gè)粒子分離之后，還能產(chǎn)生相互影響，這顯然有悖常理。這也向我們提出了究竟如何理解微觀粒子的存在狀態(tài)，如何理解糾纏的微觀粒子之間的這種神秘關(guān)系，如何理解因果性等哲學(xué)問(wèn)題。更加關(guān)鍵的是，我們對(duì)這些問(wèn)題的理解，不得不完全擯棄過(guò)去從經(jīng)驗(yàn)和感官得來(lái)的關(guān)于實(shí)在世界的先入之見(jiàn)，不得不徹底改變?nèi)粘＝?jīng)驗(yàn)和經(jīng)典物理學(xué)蘊(yùn)含的哲學(xué)前提，不得不重新反思自然形成的直覺(jué)經(jīng)驗(yàn)，或者說(shuō)，我們不能用在宏觀概念語(yǔ)境中形成的觀念來(lái)理解量子概念語(yǔ)境中出現(xiàn)的量子現(xiàn)象。量子糾纏不僅挑戰(zhàn)了整個(gè)經(jīng)典概念框架與這個(gè)框架所蘊(yùn)含的物理學(xué)的概念基礎(chǔ)和哲學(xué)前提，而且揭示了當(dāng)我們的認(rèn)識(shí)超出了常識(shí)經(jīng)驗(yàn)的直觀范圍時(shí)，我們只能借助于數(shù)學(xué)來(lái)理解問(wèn)題或只能讓數(shù)學(xué)做我們理解的向?qū)?。正是在這種意義上，量子糾纏徹底顛覆了傳統(tǒng)的哲學(xué)觀念，引發(fā)了一系列我們必須重新思考的哲學(xué)問(wèn)題，其中，最突出的問(wèn)題是關(guān)于“實(shí)在”的問(wèn)題和關(guān)于“因果性”的問(wèn)題。 二、關(guān)于“實(shí)在”的問(wèn)題 “實(shí)在”概念屬于常識(shí)語(yǔ)言。像許多常識(shí)語(yǔ)言一樣，“實(shí)在”概念在日常生活中有許多不同的用法，它的意義是相當(dāng)模糊的，我們通常需要根據(jù)語(yǔ)境來(lái)作出鑒別與區(qū)分，比如，我們會(huì)說(shuō)“這人很實(shí)在”，這里的“實(shí)在”是指“誠(chéng)實(shí)”的意思；我們也會(huì)說(shuō)，“賺錢是最實(shí)在的”，這里的“實(shí)在”是指“重要”的意思；我們還會(huì)說(shuō)“我現(xiàn)在最實(shí)在的是有東西吃”，這里的“實(shí)在”是指“迫切”的意思。在物理學(xué)哲學(xué)的討論中，“實(shí)在”概念是指真實(shí)存在的意思。在真實(shí)存在的意義上，我們一般不會(huì)懷疑自己親眼看到的自然物的實(shí)在性。在當(dāng)代科學(xué)中，物理學(xué)家和化學(xué)家通常用分子結(jié)構(gòu)來(lái)描述這些自然物的基本構(gòu)成，分子依次用原子來(lái)描述，原子用電子、質(zhì)子和原子核來(lái)描述，這些亞原子粒子用夸克來(lái)描述。受這種無(wú)限可分的物質(zhì)觀的引導(dǎo)，物理學(xué)家至今還沒(méi)有因?yàn)檎也坏阶杂煽淇?，而懷疑像電子、光子等亞原子粒子的?shí)在性。但是，我們對(duì)宏觀物質(zhì)的這種可共享的直接或間接的感知性，并不能照搬或延伸外推到微觀粒子的情況。微觀粒子這一名稱雖然仍然沿用了通常的“粒子”術(shù)語(yǔ)，可是，粒子概念的意義已經(jīng)發(fā)生了實(shí)質(zhì)性的變化。 首先，我們根本無(wú)法直接或間接地看到微觀粒子本身，只能通過(guò)特定的測(cè)量設(shè)置感知到它們的行為表現(xiàn)。可是，有些行為表現(xiàn)卻是相互矛盾的：同樣的微觀粒子能夠在一種設(shè)置中表現(xiàn)出粒子性，但在另一種設(shè)置中卻表現(xiàn)出波動(dòng)性。根據(jù)傳統(tǒng)的本體論理解，粒子性與波動(dòng)性很難統(tǒng)一于同一個(gè)對(duì)象，在經(jīng)典物理學(xué)中，它們是兩種不同的存在形態(tài)。但在量子力學(xué)中，這兩種完全不同的存在形態(tài)竟然是通過(guò)同一個(gè)微觀粒子表現(xiàn)出來(lái)的。于是，量子物理學(xué)家率先卷入了關(guān)于微觀粒子在測(cè)量之前究竟是粒子還是波的爭(zhēng)論。薛定諤持有波動(dòng)實(shí)在觀，認(rèn)為波是基本的，粒子是波包形成的；玻恩持有粒子實(shí)在觀，認(rèn)為粒子是基本的，波是統(tǒng)計(jì)分布形成的；德布羅意和玻姆倡導(dǎo)的波一粒子綜合的觀點(diǎn)則試圖通過(guò)隱變量來(lái)理解波粒二象性。量子物理學(xué)家對(duì)微觀粒子是什么的討論是建立在相信這些粒子是實(shí)在的意義上進(jìn)行的。就像愛(ài)丁頓相信“普通的桌子”與“科學(xué)的桌子”都同樣存在一樣，科學(xué)家相信，宏觀對(duì)象與微觀對(duì)象都具有實(shí)在性，因?yàn)檫@是他們從事科學(xué)研究的基本前提。他們之間的爭(zhēng)論是關(guān)于如何認(rèn)識(shí)與理解這些粒子的存在狀態(tài)的爭(zhēng)論。 與此不同，在科學(xué)實(shí)在論與反實(shí)在論的討論中，科學(xué)哲學(xué)家在論證他們對(duì)待科學(xué)的態(tài)度時(shí)，也需要在如何理解微觀粒子的問(wèn)題上表明自己的態(tài)度。他們通常把這些亞原子的微觀粒子統(tǒng)稱為“理論實(shí)體”，即由科學(xué)理論描述出來(lái)的實(shí)體。科學(xué)實(shí)在論者認(rèn)為，理論實(shí)體與通常的自然物一樣都是實(shí)在的；反實(shí)在論者則認(rèn)為，理論實(shí)體只是一種理論構(gòu)造，是為了解釋經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)象的一種工具，并不是真實(shí)存在的，并以“燃素”和“以太”為例，證明這些曾經(jīng)被認(rèn)為是存在的實(shí)體，卻被后來(lái)的科學(xué)認(rèn)識(shí)所推翻?？茖W(xué)實(shí)在論者與反實(shí)在論者關(guān)于理論實(shí)體是否具有實(shí)在性的爭(zhēng)論，可以被看成是延續(xù)了19世紀(jì)末和20世紀(jì)初馬赫與玻爾茲曼關(guān)于原子是否真實(shí)存在的爭(zhēng)論?？茖W(xué)哲學(xué)家把理論實(shí)體是否真實(shí)存在的問(wèn)題看成是科學(xué)是否是對(duì)世界的真理性描述的一個(gè)重要前提。 這樣，在對(duì)待微觀粒子的問(wèn)題上，就出現(xiàn)了兩個(gè)不同層次的討論：關(guān)于微觀粒子以什么方式存在的討論與關(guān)于微觀粒子是否真實(shí)存在的討論。這也相應(yīng)地帶來(lái)了兩個(gè)不同層面的問(wèn)題：討論如何存在的問(wèn)題，屬于認(rèn)識(shí)論的范疇；討論是否存在的問(wèn)題，則屬于本體論的范疇。根據(jù)這一區(qū)分，我們不難看出，量子物理學(xué)家之間討論的是認(rèn)識(shí)論的實(shí)在論問(wèn)題，而科學(xué)哲學(xué)家之間討論的是本體論的實(shí)在論問(wèn)題。他們分別屬于兩個(gè)不同的陣營(yíng)。認(rèn)識(shí)論的實(shí)在論是在認(rèn)識(shí)論意義上進(jìn)行的討論，這些討論總是會(huì)隨著科學(xué)的不斷進(jìn)步逐漸明朗化，而本體論的實(shí)在論是在本體論意義上進(jìn)行的討論，在很大程度上，屬于形而上學(xué)的問(wèn)題，既是關(guān)乎信念的問(wèn)題，也是一個(gè)框架問(wèn)題。 某些科學(xué)哲學(xué)家以“燃素”和“以太”曾經(jīng)在化學(xué)與物理學(xué)的發(fā)展史上起到過(guò)積極作用后來(lái)卻被證明是不存在的為由，得出科學(xué)只是在解決經(jīng)驗(yàn)問(wèn)題，而不是對(duì)實(shí)在世界的真理性認(rèn)識(shí)，這實(shí)際上是把科學(xué)家關(guān)于認(rèn)識(shí)論問(wèn)題的研究當(dāng)作本體論問(wèn)題來(lái)理解，所得出的結(jié)論。從整體意義上看，這些科學(xué)哲學(xué)家的思維方式仍然沿襲了傳統(tǒng)的自然哲學(xué)的思維方式。自然哲學(xué)的思維方式是一種典型的本體論化的思維方式。在經(jīng)典科學(xué)的思維方式中，認(rèn)識(shí)論的思維方式與本體論的思維方式并沒(méi)有被明確地區(qū)分開(kāi)來(lái)，許多經(jīng)典物理學(xué)家也都持有本體論化的思維方式，例如，牛頓的著作就取名為《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》。當(dāng)科學(xué)發(fā)展到微觀領(lǐng)域時(shí)，量子物理學(xué)家之間的分歧，在很大程度上，也是自然哲學(xué)的本體論化的思維方式與量子力學(xué)的認(rèn)識(shí)論思維方式之間的分歧，比如，愛(ài)因斯坦與玻爾之間的爭(zhēng)論就是如此。 玻恩把科學(xué)哲學(xué)家認(rèn)為微觀粒子是理論虛構(gòu)的觀點(diǎn)說(shuō)成是一種極端的主觀主義或“物理學(xué)的唯我論”。玻恩認(rèn)為，在科學(xué)研究中，“實(shí)在”概念是無(wú)法放棄的。哲學(xué)家輕易放棄“實(shí)在”概念是因?yàn)樗麄兓煜恕皩?shí)在”概念的用法，把“實(shí)在”概念理解為是需要提供關(guān)于研究對(duì)象的一切細(xì)節(jié)，也就是說(shuō)，我們只有知道微觀粒子的詳細(xì)運(yùn)動(dòng)情況和一切屬性，才能認(rèn)為它們不是抽象的虛構(gòu)。這是一種誤解?？茖W(xué)哲學(xué)家否認(rèn)微觀粒子的實(shí)在性依據(jù)的是邏輯推理，而邏輯推理的一致性只能是一個(gè)否定標(biāo)準(zhǔn)，不是一個(gè)肯定標(biāo)準(zhǔn)。也就是說(shuō)，任何一個(gè)科學(xué)理論，如果沒(méi)有邏輯的一致性，那么一定無(wú)法被接受，但反之則不然，沒(méi)有一個(gè)科學(xué)理論只是因?yàn)檫壿嫼侠矶唤邮??？茖W(xué)哲學(xué)家否定電子、光子等微觀粒子的存在性的根源在于把“真實(shí)的”這個(gè)概念解釋為“知道所有的細(xì)節(jié)”。這與“實(shí)在”概念的日常用法不相符。簡(jiǎn)單地否定微觀粒子的實(shí)在性的觀點(diǎn)是相當(dāng)表面的，沒(méi)有觸及到物理學(xué)遇到的和迫使我們修改的基本概念的實(shí)際困難。 另一方面，高能物理學(xué)的當(dāng)前發(fā)展也向我們通常堅(jiān)信的無(wú)限分割的物質(zhì)觀提出了挑戰(zhàn)。因?yàn)闊o(wú)限分割的物質(zhì)觀的目標(biāo)是最終找到某種不變的構(gòu)成物質(zhì)的基本“單元”。這一理想源于古希臘的原子論思想?？墒?，到目前為止，物理學(xué)家分割亞原子粒子的唯一方法是，讓這些粒子在高能碰撞中猛烈相撞，但根據(jù)當(dāng)前的理論與手段，他們不可能得到比這個(gè)更小的“單元”。因?yàn)槲⒂^粒子相碰撞之后的碎片仍然是同類粒子，而且，它們是從碰撞過(guò)程所包含的能量中創(chuàng)生出來(lái)的。這些微觀粒子不能再被看成是一個(gè)靜態(tài)的研究對(duì)象，而必須被設(shè)想為是動(dòng)態(tài)的，一個(gè)包含著能量的過(guò)程，能量則表現(xiàn)為粒子的質(zhì)量，甚至從純能量中也能產(chǎn)生出粒子。因此，我們?cè)谟^察亞原子粒子時(shí)，既看不到任何物質(zhì)，也看不到任何基本結(jié)構(gòu)，只能看到一些不斷地相互變換的動(dòng)態(tài)圖像，比如，要么是波動(dòng)行為，要么是粒子行為。目前，盡管物理學(xué)家還不能對(duì)亞原子粒子的機(jī)制提供令人滿意的理論，但這些觀念已經(jīng)足以從根本意義上顛覆了通常的物質(zhì)觀和粒子觀。這也印證了庫(kù)恩所闡述的前后相繼的兩個(gè)理論“范式”是不可通約的觀點(diǎn)。 其次，量子糾纏賦予了微觀粒子非定域性的特征，這是傳統(tǒng)的粒子概念根本沒(méi)有的特征，就像時(shí)空彎曲、質(zhì)能轉(zhuǎn)化、時(shí)間膨脹和長(zhǎng)度收縮是相對(duì)論的基本假設(shè)的結(jié)果，因而是典型的相對(duì)論性效應(yīng)一樣，非定域性也是量子力學(xué)的基本假設(shè)的結(jié)果，是獨(dú)特的量子效應(yīng)。這種量子效應(yīng)從根本意義上顛覆了傳統(tǒng)的經(jīng)典實(shí)在觀。在量子力學(xué)之前，物理學(xué)家普遍接受的觀點(diǎn)是，粒子的存在是定域的，遵守分離性假設(shè)。分離性假設(shè)是指，在空間上彼此分離的兩個(gè)粒子總是能夠擁有各自獨(dú)立的狀態(tài)，即一個(gè)粒子狀態(tài)的變化，不會(huì)影響到另一個(gè)粒子。這也是EPR論證的一個(gè)前提假設(shè)和尋找隱變量量子論的動(dòng)力所在。從日常經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)典物理學(xué)的情況來(lái)看，粒子只有遵守分離性假設(shè)，才能確保它們?cè)跁r(shí)空中的獨(dú)立性。粒子的定域性是分離性假設(shè)成為可能的一個(gè)前提條件，而分離性假設(shè)確保了物理系統(tǒng)的個(gè)體性。量子糾纏現(xiàn)象卻表明，在奇特的量子世界里，相互糾纏的兩個(gè)粒子，即使遠(yuǎn)隔萬(wàn)里，也能產(chǎn)生相互影響，而這種影響是即時(shí)的，竟然與距離無(wú)關(guān)。 我們只能通過(guò)數(shù)學(xué)來(lái)理解這種怪異的現(xiàn)象。從物理學(xué)史的發(fā)展來(lái)看，雖然物理學(xué)家通過(guò)數(shù)學(xué)公式推論出物理現(xiàn)象，并不是一件新穎的事情，比如，在電磁學(xué)理論的發(fā)展中，位移電流概念和電磁波概念的提出，都是先從麥克斯韋方程組推論出來(lái)之后，才得到實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。這種情況完全不同于“以太”和“燃素”概念的情況?！耙蕴焙汀叭妓亍备拍钍亲鳛榻忉屍渌F(xiàn)象的一個(gè)額外的本體論假定提出的，而不是從數(shù)學(xué)公式中推演出來(lái)的。量子糾纏的情況類似于位移電流和電磁波的情況。所不同的是，量子糾纏現(xiàn)象極大地違背了直覺(jué)與經(jīng)典的觀念，它不再是我們熟悉的三維空間和四維時(shí)空中的存在，而是普通人根本無(wú)法理解的抽象的希爾伯特空間中的存在。 希爾伯特空間是一個(gè)無(wú)限維的空間。量子力學(xué)描述的現(xiàn)象就是在這樣的一個(gè)無(wú)限維的空間中的現(xiàn)象，而實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得的結(jié)果是這些現(xiàn)象在四維空間（三維的空間加一維時(shí)間）里的投影。這樣，微觀粒子的粒子性與波動(dòng)性只是它們受制于測(cè)量環(huán)境的一種行為表現(xiàn)。已經(jīng)完成的量子延遲實(shí)驗(yàn)足以表明，在量子測(cè)量中，微觀粒子與測(cè)量?jī)x器也是相互糾纏的，這就是為什么微觀粒子在發(fā)射出來(lái)之后，還能根據(jù)測(cè)量設(shè)置表現(xiàn)出相應(yīng)的粒子性或波動(dòng)性的原因所在。因此，我們不能根據(jù)觀察到的微觀粒子的當(dāng)前狀態(tài)來(lái)推斷它們?cè)诒粶y(cè)量之前的存在狀態(tài)。 這就像當(dāng)我們把一個(gè)四面體投影到一個(gè)平面上看到一個(gè)四邊形時(shí)，并不能由此斷定，這個(gè)四面體原本就是一個(gè)四邊形一樣。在量子力學(xué)中，我們也不能把實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果直接地推斷為是測(cè)量之前的存在狀態(tài)。這種推斷沒(méi)有科學(xué)依據(jù)。強(qiáng)調(diào)微觀粒子存在的抽象性，并不是否認(rèn)它的實(shí)在性，而是表明，微觀粒子的真實(shí)存在狀態(tài)是有限的人永遠(yuǎn)無(wú)法直接觀察到的。我們既不能由于觀察不到，就否定它們的存在，也不能基于經(jīng)典框架中的粒子觀質(zhì)疑量子糾纏。在量子世界里，數(shù)學(xué)符號(hào)和物理手段成為我們能夠深入到現(xiàn)象背后的實(shí)在當(dāng)中思考這種實(shí)在的一種必不可少的方法。量子物理學(xué)家接受量子糾纏的案例，再一次印證了海森堡在提出他的不確定性原理時(shí)引用的愛(ài)因斯坦的觀點(diǎn)：是理論決定了我們所觀察的內(nèi)容。物理學(xué)家通過(guò)數(shù)學(xué)能夠把握世界，這既是人類智慧的展現(xiàn)，也揭示了我們的日常語(yǔ)言的貧乏。 三、關(guān)于“因果性”的問(wèn)題 量子糾纏引發(fā)的另一個(gè)更加深刻的哲學(xué)問(wèn)題是關(guān)于“因果性”的問(wèn)題。因果性問(wèn)題是人類認(rèn)識(shí)史上一個(gè)古老而常新的論題，也是一個(gè)重要的認(rèn)識(shí)論問(wèn)題。從亞里士多德的四因說(shuō)，到休謨的心理習(xí)慣論，再到康德的先驗(yàn)哲學(xué)，都涉及對(duì)因果性問(wèn)題的探索。從理論上說(shuō)，如果A引起B(yǎng)，那么，A是B的原因，B是A的結(jié)果。然而，在日常生活中，我們通常認(rèn)為具有因果關(guān)系的大多數(shù)事件之間并沒(méi)有必然的因果聯(lián)系，比如，我們常說(shuō)“吸煙會(huì)導(dǎo)致肺癌”，但并非所有的吸煙者最終都會(huì)得肺癌，也不是所有的肺癌都是由于吸煙導(dǎo)致的，不吸煙者也會(huì)得肺癌。因此，我們需要把因果性、決定性、規(guī)律性、概率與關(guān)聯(lián)等概念區(qū)分開(kāi)來(lái)。有因果性的決定性和非因果性的決定性，也有決定論的因果性和非決定論的因果性。非因果性的決定性所呈現(xiàn)的只是不同事件之間的純粹關(guān)聯(lián)，非決定論的因果性揭示了一種統(tǒng)計(jì)因果性。除此之外，在事件之間的關(guān)系中，還有確定性的關(guān)聯(lián)和統(tǒng)計(jì)性的關(guān)聯(lián)之間的區(qū)別。比如，日夜交替就是一個(gè)確定性的關(guān)聯(lián)，但白天不是黑夜到來(lái)的原因，黑夜也不是白天出現(xiàn)的原因，而是受天氣運(yùn)行規(guī)律支配的兩種互相關(guān)聯(lián)的結(jié)果。再比如，地震預(yù)報(bào)通常只能給出統(tǒng)計(jì)性的預(yù)言，至于這種統(tǒng)計(jì)性的關(guān)聯(lián)是屬于因果性還是非因果性的，則依賴于我們掌握的科學(xué)理論所能達(dá)到的程度。 在科學(xué)研究中，科學(xué)家最早認(rèn)識(shí)的因果性是決定論的因果性。這種決定論的因果性植根于牛頓力學(xué)的思維方式中，通過(guò)動(dòng)力學(xué)理論體現(xiàn)出來(lái)。在牛頓力學(xué)中，只有物理狀態(tài)的變化是有原因的，這種原因就是外界的影響，通常用“力”來(lái)表示，稱之為物理系統(tǒng)與外界的相互作用。這樣，在近代物理學(xué)文獻(xiàn)中，物理學(xué)只討論動(dòng)力學(xué)方程，而沒(méi)有提及原因概念，比如牛頓第二定律。這種決定論的因果性觀念與常識(shí)相符。物理系統(tǒng)可以在“最少受干擾”的理想狀態(tài)下存在，被當(dāng)作封閉系統(tǒng)來(lái)對(duì)待。物理學(xué)家可以只討論它的“純粹形態(tài)”及其變化。而日常生活中的研究對(duì)象則復(fù)雜許多，無(wú)法做到這一點(diǎn)。但是，隨著牛頓力學(xué)的成功應(yīng)用，這種決定論的因果性觀念并沒(méi)有遭人質(zhì)疑。熱力學(xué)涉及到大量分子的運(yùn)動(dòng)情況，物理學(xué)家不得不引入統(tǒng)計(jì)方法來(lái)思考問(wèn)題，但是，在觀念上，這種統(tǒng)計(jì)方法只被當(dāng)作是一種權(quán)宜之計(jì)，在分子層次上，由于假定每個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)仍然遵守力學(xué)規(guī)律，而保留了決定論的因果性的觀念。拉普拉斯妖形象地描述了這種決定論的因果性的圖景：如果有一個(gè)全知全能的智者能夠知道世界的整個(gè)初始狀態(tài)，那么，就能預(yù)言未來(lái)世界的所有變化。這種觀點(diǎn)非常狹窄地解釋了因果性概念，并把因果性與決定論等同起來(lái)，認(rèn)為存在著從系統(tǒng)的初始狀態(tài)單義地確定其未來(lái)狀態(tài)的自然律。 相對(duì)論力學(xué)的產(chǎn)生，雖然帶來(lái)了時(shí)空觀的變革，但是，并沒(méi)有破壞這種窄化了的決定論的因果性觀念，只是對(duì)這種觀念附加了限制性條件。狹義相對(duì)論的基本假設(shè)之一是光速不變?cè)恚杭垂庠谒袇⒄障抵械膫鞑ニ俣榷际遣蛔兊模蛘哒f(shuō)，對(duì)所有的觀察者都是一樣的。這意味著，在不同的參照系中，任何能量或信號(hào)的傳遞速度都不能超光速。已知兩個(gè)事件，只有當(dāng)它們的空間間隔△x和時(shí)間間隔△t滿足不等式△x 直到量子力學(xué)產(chǎn)生之后，這種決定論的因果性觀念才受到實(shí)質(zhì)性的挑戰(zhàn)。不僅不確定性成為世界的本質(zhì)特征，而且量子糾纏現(xiàn)象體現(xiàn)出的非定域性是否與相對(duì)論的定域性相矛盾，成為討論的重點(diǎn)。因?yàn)閮蓚€(gè)相互糾纏的粒子，一個(gè)粒子的存在狀態(tài)的改變，會(huì)同時(shí)影響另一個(gè)粒子的存在狀態(tài)。然而，根據(jù)狹義相對(duì)論，“同時(shí)性”概念并不是絕對(duì)的，而是相對(duì)的，在一個(gè)參照系中同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在其他參照系中是不同時(shí)的，即觀察者對(duì)事件A有多晚發(fā)生是不一致的。根據(jù)這種觀點(diǎn)，如果兩個(gè)類空分離的事件在一個(gè)參照系中是同時(shí)發(fā)生的，那么，我們總能找到一個(gè)參照系，在這個(gè)參照系中，事件A先于事件B發(fā)生，也能找到一個(gè)參照系，在這個(gè)參照系中，事件B先于事件A發(fā)生，即感知次序發(fā)生顛倒。這樣，如果我們認(rèn)為這兩個(gè)事件之間有某種因果關(guān)系，那么，就有可能出現(xiàn)結(jié)果在原因之前的情況：即被影響的事件發(fā)生時(shí)，產(chǎn)生影響的事件才會(huì)發(fā)生，這是一種逆向因果性（backward causality），因此產(chǎn)生了因果悖論的情況。 避免因果悖論的最直觀的途徑是接受存在著超光速的因果聯(lián)系。但是，從當(dāng)代科學(xué)的發(fā)展來(lái)看，我們還沒(méi)有用這種超光速的因果聯(lián)系傳遞任何超光速信號(hào)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。即使退一步講，假如超光速的因果聯(lián)系使類空分離的事件發(fā)生了改變，為了避免因果悖論，也只會(huì)有兩種情況：其一是一定存在著一個(gè)首選的參照系，在這個(gè)參照系中，所有的逆向因果關(guān)系都被看成是類似于一種視錯(cuò)覺(jué)；其二是這種改變一定呈現(xiàn)出某種對(duì)稱性，我們只能說(shuō)兩個(gè)事件互為因果，而不能說(shuō)一個(gè)事件引起另一個(gè)事件。因此，通過(guò)只允許原因不能逆向傳播的參照系，才可能避免因果悖論。 問(wèn)題在于，即使消除這種因果悖論，還有一個(gè)更基本的問(wèn)題是，如何使量子力學(xué)與相對(duì)論一致起來(lái)。這關(guān)系到洛倫茲不變性的問(wèn)題，即所有的參照系都是等價(jià)的問(wèn)題。物理學(xué)定律在洛倫茲變換下具有協(xié)變性，也就是說(shuō)，物理學(xué)定律遵守相對(duì)性原理，這是相對(duì)論的一個(gè)本體論支柱。如果所有的參照系實(shí)際上不是等價(jià)的，那么，物理學(xué)定律似乎就向我們掩蓋了事實(shí)真相。在愛(ài)因斯坦的相對(duì)論產(chǎn)生之前，洛倫茲等人就持有這種觀點(diǎn)，他們雖然已經(jīng)推論出狹義相對(duì)論的數(shù)學(xué)形式，但由于缺乏愛(ài)因斯坦的概念遠(yuǎn)見(jiàn)，而沒(méi)有真正創(chuàng)立狹義相對(duì)論。如果我們拋棄洛倫茲不變性，而接受上面提到的首選參照系，那么，我們?cè)诤艽蟪潭壬纤艞壍木褪菒?ài)因斯坦的概念遠(yuǎn)見(jiàn)。然而，這種概念遠(yuǎn)見(jiàn)卻與實(shí)驗(yàn)事實(shí)相符，也是愛(ài)因斯坦進(jìn)一步提出廣義相對(duì)論的前提。因此，接受有超光速的因果聯(lián)系是不可取的。 假如我們不接受有超光速的因果聯(lián)系的話，我們就把研究的目標(biāo)集中在澄清愛(ài)因斯坦的定域性概念、貝爾的定域性概念和量子力學(xué)的非定域性概念之間的區(qū)別與聯(lián)系的問(wèn)題上。貝爾強(qiáng)調(diào)說(shuō)，他在《論EPR悖論》一文中假設(shè)的是定域性，不是決定論，決定論是一個(gè)推斷，不是一個(gè)假設(shè)。也就是說(shuō)，根據(jù)貝爾的觀點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)否定的是定域性，而不是決定論。這樣，就相應(yīng)地帶來(lái)了一系列需要進(jìn)一步澄清的概念問(wèn)題：貝爾定理的前提假設(shè)是什么？貝爾的定域性概念與愛(ài)因斯坦的定域性是否具有相同的內(nèi)涵？量子力學(xué)的非定域性是否意味著微觀信息是超光速傳播的？或者說(shuō)，量子力學(xué)的非定域性概念是否就是對(duì)愛(ài)因斯坦的定域性概念的否定？這些問(wèn)題從20世紀(jì)80年代開(kāi)始受到了物理哲學(xué)界的普遍關(guān)注，一直到現(xiàn)在還在討論之中。 一種觀點(diǎn)認(rèn)為，貝爾的定域性是指測(cè)量和觀察；愛(ài)因斯坦的定域性是指物理系統(tǒng)的存在狀態(tài)。量子力學(xué)的非定性意味著量子力學(xué)是不完備的，有可能找到一個(gè)比量子力學(xué)更基本的理論，使量子力學(xué)成為這個(gè)理論的一種極限情況。 另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，貝爾所理解的定域性是概率的愛(ài)因斯坦的定域性。還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，定域性不是貝爾不等式成立的唯一前提條件，可以從兩個(gè)獨(dú)立的假設(shè)――分離性假設(shè)和定域作用假設(shè)――推論出貝爾不等式。這里的“定域作用假設(shè)”是指，只有以小于光速的速度傳播的物理效應(yīng)才能改變彼此分離的客體的實(shí)在態(tài)。實(shí)驗(yàn)否定的是分離性假設(shè)，量子力學(xué)的非定域性是指非分離性，而不是指非定域的相互作用。因此，得不出信息的超光速傳播的結(jié)論。 其實(shí)，從物理學(xué)史的發(fā)展來(lái)看，這種狀況類似于17世紀(jì)末18世紀(jì)初，在引力傳遞機(jī)制問(wèn)題上，圍繞“超距作用”的觀點(diǎn)所展開(kāi)的爭(zhēng)論。直到19世紀(jì)法拉第確立了場(chǎng)概念之后，才最終否定了超距作用的觀點(diǎn)。我們對(duì)空間上分離的兩個(gè)量子系統(tǒng)之間的這種糾纏現(xiàn)象的理解，也不能用傳統(tǒng)的因果相互作用來(lái)理解。因?yàn)檫@兩個(gè)量子系統(tǒng)之間的即時(shí)關(guān)聯(lián)是一種不依賴于任何相互作用的非定域性關(guān)聯(lián)。所以，我們不能運(yùn)用傳統(tǒng)的思維方式來(lái)理解這種關(guān)聯(lián)。 結(jié)語(yǔ) 總之，試圖澄清量子糾纏現(xiàn)象發(fā)生的內(nèi)在機(jī)制并不是一個(gè)哲學(xué)問(wèn)題，而是一個(gè)物理學(xué)問(wèn)題，但是，試圖通過(guò)在量子糾纏概念的理解與發(fā)展中提供的認(rèn)識(shí)論啟示來(lái)理解科學(xué)，就變成了一個(gè)典型的科學(xué)哲學(xué)問(wèn)題。量子糾纏是量子力學(xué)的理論體現(xiàn)所蘊(yùn)含的，物理學(xué)家對(duì)這一現(xiàn)象的接受到應(yīng)用的過(guò)程，也是他們努力澄清量子糾纏的意義與揭示其運(yùn)行機(jī)制的過(guò)程?？梢韵胂?，量子糾纏的未來(lái)很可能會(huì)像電磁波的今天一樣，在各個(gè)領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用。而哲學(xué)家澄清量子糾纏引發(fā)的哲學(xué)問(wèn)題的過(guò)程，則是一個(gè)令傳統(tǒng)的哲學(xué)觀念脫胎換骨的過(guò)程。 |
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