山西大学科学技术哲学与科学技术史学术论坛　 2007年第8期  总第08期

    2007年11月16日下午“山西大学科学技术哲学与科学技术史学术论坛”第八期，在科学技术哲学研究中心学术报告厅如期举行。本期论坛由科学技术哲学研究中心赵丹老师主讲，题目是“量子测量与量子力学的解释”，科学技术哲学研究中心张培富教授主持，贺天平教授点评。来自校内外的教师、博士生、硕士生以及其它人员参加了本论坛。

一、 赵丹老师主讲的内容

经典文献

　　Jammer, M., 1974. The Philosophy of Quantum Mechanics 
　　Wheeler, J.A., and Zurek, W.H., 1983. Quantum Theory and Measurement
　　D. Albert, 1992. Quantum Mechanics and Experience
　　J. Bell, 2004. Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics 

物理理论的构造

   　 经典力学：               　   　 量子力学：
　物质：经典粒子           　   物质：？
　态： (xi, pi)                  　态：波函数或波矢|Ψ>
　动力学定律：哈密顿方程     动力学定律：薛定谔方程

范式的转变

　　　经典                    　　      量子
　时空精确描述                  玻尔的互补性原理
　因果性原理                    海森堡不确定关系
　严格决定性原理                统计决定性
　连续性原理                    离散的、量子化的

量子力学五大公设

　未经定义原始概念：系统、可观察量和态
　　公设I：态矢量对系统的完备描述
　　公设II：可观察量唯一地对应于自伴算符
　　公设III：几率解释
　　公设IV：薛定谔方程
　　公设V：本征态-本征值关联

态叠加原理（superposition）

　　量子图景的世界区别于经典图景世界的最重要的方面，同时也是所有量子力学中困惑的来源。

双缝实验 波函数（态矢）

薛定谔演化

　　决定性的
　　幺正的
　　线性的

引起问题的三个元素

　　线性动力学演化
　　本征态-本征值规则
　　确定性的测量结果

线性
　　如果演化是 |A> →|B>..
　　且 |C> → |D>…
　　则有： 
　　|A> + |C> → |B> + |D>

本征态-本征值关联

　　处于|Ψ>的系统的可观察量 Â 取值为a，当且仅当|Ψ> 赋予取值为a的概率为1，同时取所有取其他 Â的可能值的概率为0，即处于对应于a值的本征态.
　　 |Ψ> = a|Ψ> 

量子测量

　　1、|ready>M|↑>S   à  |up>M|↑>S

　　2、|ready>M|↓>S   à  |down>M|↓>S

　　3、|ready>M (a1|↑>S+a2|↓>S)=
       
         a1|ready>M|↑>S+a2|ready>M|↓>S 

         à (a1|up>M|↑>S + a2|down>M|↓>S)

薛定谔的猫



测量问题

　　1、量子态在表征上是完备的，即本征态-本征值联系成立
　　2、量子态的演化总是遵循线性演化规律，即薛定谔方程
　　3、测量得到确定的结果
　　Contradiction!

测量难题

　　动力学和塌缩原理是相互冲突的¡-当我们测量时，塌缩原理对所发生的而言似乎是正确的，而动力学似乎很奇怪地是错误的，但是当我们不测量时它似乎又是正确的 (Albert 1992, 79) 

标准解释

　　哥本哈根学派（玻尔，海森堡，狄拉克，冯·诺意曼¡-¡-）
　　两种演化方式：
　　1、非测量时的演化
　　2、测量时的演化
       “量子哲学”对于宏观客体讲是实在论的，而对于微观客体是反实在论的

哥本哈根解释
　　Copenhagen interpretation is mostly regarded as synonymous with indeterminism, Bohr's correspondence principle, Born's statistical interpretation of the wave function, and Bohr's complementarity interpretation of certain atomic phenomena.

强哥本哈根解释

　　1、量子力学是关于单个量子系统的理论
　　2、量子概率的实在性
　　3、测量系统=被测系统+测量仪器
　　4、对观察仪器和观察现象的描述用经典语言
　　5、观察行为的不可逆性
　　6、测量过程中包含了仪器对系统的不可控作用
　　7、互补性-波粒二象性
　　8、在测量中，谈论某种现象的发生是无意义的
　　9、纯量子态是客观的，但不真实

反对者们

　　爱因斯坦、德布罗意、薛定谔 ……

弱哥本哈根解释

　　量子态代表了一个全同地制备的系统之系综
　　1、PIV系综解释：动力学变量的初始值是预先安排列好的（某类型的隐变量解释，定域决定论）
　　2、最小系综解释：不支持有更深层的亚结构存在（ |Ψ> 本身不是实在的元素，态概念的意义仅是作为一种概率的集合）

解决途径：取消下列假设

　　1、量子态在表征上是完备的，即本征态-本征值关联
　　2、量子态总是按照线性动力学规律演化的，即薛定谔方程
　　3、测量产生确定的值

　　解释           理论的性质    态函数的描述对象  概率的性质    理论结构
　　玻尔解释       统计因果性    单个物理系统      基本的        无亚结构
　　PIV解释        严格的因果性  系统的系综        不是基本的    有亚结构
　　最小系综解释   统计因果性    系统的系综        基本的        无亚结构


途径1
　　玻姆的隐变量理论
　　　1、De Broglie 1927
　　　2、Bohm 1952
　　　3、Bohm and Vigier
　　　4、Nelson¡¯s stochastic mechanics
　　　5、Bell 1987
　　　6、Goldstein, Durr and Zanghi 1991

途径2
　　　1、物理上确定的塌缩理论
　　　2、Pearle 1989
　　　3、Pearle and Squires 1994
　　　4、Pearle 1996
　　　5、Ghiradhi, Rimini and Weber 1986
　　　6、Bell 1987
　　　7、Penrose

途径3
　　“多世界”理论
　　　1、Everett 1957
　　　2、deWitt
　　　3、“Many minds”
　　　4、Barbour
　　　5、Rovelli¡′s ‘relational’QM

玻姆-隐变量解释

　　1、De Broglie 1927; David Bohm 1952
　　2、德布罗意-玻姆的观点看起来¡-¡-是如此的自然和简单，以一种清晰和普通的方式解决了波粒二象性的困境，这是一个伟大的神话¡-¡-一般地，它又是如此被忽视 Bell, 1987.

Bohmian Mechanics

　　1、基本理念: 假定存在一些粒子，且它们的速度是由Ψ来决定的¡-  换句话说，Ψ 不是所有的故事，还存在有粒子。

　　2、量子理论是一种统计力学的分支，它只给出被测物理量的平均值。在更深层次上，每个●系统都是按照严格的决定论来运动的。

　　量子势由波函数产生，它通过提供关于整个环境的能动信息来引导粒子运动，正是它的存在导致了微观粒子不同于宏观物体的奇异的运动表现。通俗地讲，这有些类似于雷达波引导轮船的情况，雷达从周围的环境收集信息，然后指引轮船航行，但轮船航行的动力则来自它本身的发动机。

　　●粒子与波函数同时存在，其中波函数被看作是一种存在于数学配置空间中的物理场，满足连续的薛定谔方程，并且从不坍缩，而粒子则由波函数引导进行连续运动，同时具有确定的位置和速度。

多世界解释　　

　　1、1957 年，Everett Ⅲ提出“相对态解释”，后来在此基础上发展了“多世界(many world) 解释”和“多心解释”。

　　2、在这种解释里，为了调和系统演化的连续性和测量过程的突然跳跃这两个方面的矛盾，认为在某一测量结果实现的同时，也实现了其他所有可能的测量结果。 因为,在这一瞬间，同原来状态对应的一个世界，分裂成多个同被测量变量的各个本征态相对应的那么多世界，每一个世界对应着一个可能的测量结果。在这里没有波函数的坍缩，而只有世界的分裂。每一个世界都是同样真实的。我们之所以看到某一个测量结果，是因为我们正好生活在同这一观察结果相对应的世界里。在其他的世界，对应着其他的测量结果，只不过我们看不到就是了。


退相干解释

　　1、基本预设：开放的系统，量子力学的普遍有效性
　　2、退相干效应指一个量子物理学系统，由于与其环境不可避免的相互作用，使得系统所处、由某个观察量的多个本征态相干叠加而成的状态，不可逆地消去了各个干涉项，使系统的行为表现得就像经典物理学系统一样。

问题所在

　“在这些后-哥本哈根解释中，都存在某些问题，他们并不作出新的预言”。但是： 
　　1、为什么理论于什么时候提出重要呢？
　　2、De Broglie 1927 
　　3、GRW 不同于 Copenhagen; 如果Copenhagen是清楚的话， Bohm也是清楚的 ；另外，谁知道呢…

证据对理论的非充分决定性（ Underdetermination ）


二、点评与讨论

　　张培富老师：今天时间过的特别快，为什么呢？当你想把量子力学的一些问题在脑子里想清楚的时候，赵丹老师已经把话题转移到另一个概念和问题上了。你想努力跟上主讲人的思路，但总是存在时间的迟滞问题，就这样一个小时很快就结束了，这是我一个总体感受。一开始我讲今天的主题很抽象、很前沿，赵老师说这已经是很陈旧的话题了，但我们从看到PPT资料和赵老师讲的内容看，大家对它的理解还是很困难的。下面请贺天平老师对赵老师讲的做一个评述，希望这个评述有助于在座的对赵老师刚才讲的话题有一个心得。

　　贺天平老师：赵老师在物理学哲学方面做的非常好，我很钦佩她，她的学术很深厚。不知大家听懂多少，听懂了没有？赵老师作的报告就是物理学哲学里边算是一个较老的问题，但是长期在争论，到现在也没有一个结果，可以说是前沿，也可以说是陈旧，问题的争论非常广泛，从来停息过。从量子力学的诞生一直到现在，争论的人物从大的科学家到知道量子力学的普普通通的人，都在讨论。这是物理学哲学中一个比较热门的话题。所以今天有这样一个报告，应该感谢赵老师，这样的报告是很难讲，拿出来讲，很可能许多人不是很好理解的，所以我就不敢说是点评这个报告，我也是在学习。

　　我举个简单例子，帮助大家理解。

　　假如我是一个宏观世界里的物体，这大家都能看见，我从桌子第一排走到最后一排，这就是一个运动。经典力学里我在这儿坐着，现在是什么样的状态，明天我走到最后一排，它就知道我是怎么走的，后天我走到那儿，它也知道我怎么走的，走的过程也很简单，要不从左边这条道，要不从右边那条道，也可用仪器测量到。但是，假如我是一个微观世界的粒子，在量子力学里边就不一样了，就是以最后一排为界，然后我从这儿到那儿是有一个方程，就是赵老师讲的第4个方程，有一套理论在支撑，这个方程告诉我们，既是从左边去的，又是从右边去的，这与经典力学是不同的，经典力学里是说要不是左，要不是右，只能是一条，我不可能既从左又从右。量子力学里既是左边去的，又是右边去的，所以是叠加的，我们就想确定一下，我们就想测量一下到底是什么样的，我从左边过去的可能性有多大，从右边过去的可能性有多大，这样的话就存在一个测量的问题。它测量的时候，从左边去的话，用一下那个公式大家看一下，这是个许多态的叠加。那么在这个公式里边，如果我们不测量的话，方程告诉我们比较明确，有一套很规范的演化过程，但是如果我们一测量，我想确定从左边还是从右边，那就要归结到第5个公式，就是本征质和本征态关联，这个测量的时候得到一个什么样的结果呢？在测量之前，我既是从左边走又是从右边走，而测量的时候得到一个结果，我只是从左过去，那这样的话，测量之前和测量之后已经不一样了，那么这个时候我们就需要解释它为什么不一样，为什么不是那样的情况。它需5个公式说明，当我们测量的时候，本来我们两个状态都存在，在一个状态里面本来有两个终极，然后一测量，其中就一个在里面了，就左边这个道。

　　从量子力学诞生之初，就存在解释的问题，包括最初赵老师说的那个到底微观世界的物质是什么，那个时候就需要解释，然后到测量的时候就更离不开解释了，所以它那个量子测量和量子解释是一个无休止的话题，从量子力学诞生以来一直到现在，科学家在争论，物理哲学家也在争论，所以今天这个报告是一个非常有意义的报告，而且在量子力学里边，它就有许多没有说清楚的地方，也就是一直在争论的地方，看《双城记里》描述量子力学的那段话，大致是这样的： 

　　那是最美好的时代，那是最糟糕的时代；
　　那是智慧的年头，那是愚昧的年头；
　　那是信仰的时期，那是怀疑的时期；
　　那是光明的季节，那是黑暗的季节；
　　那是希望的春天，那是失望的冬天；
　　我们全都直奔前方，我们全都直奔相反的方向。

　　我觉得拿这段话描述量子力学诞生之初那段争论的时期是最好的。

　　这个报告还是比较前沿，我为什么现在说它前沿呢？一次高策老师和我交流的时候有一句话，他说科学哲学里的问题实际就是物理学哲学问题，而物理学哲学问题就是量子力学哲学问题，我想加一句，量子力学哲学问题实际就是测量的问题，学了科学哲学以后，大家可以感觉一下，没有任何一个学科比量子力学对哲学的冲击更大，包括相对论，它都没有对哲学这么冲击大，大家感觉到相对论改变它的时空观，改变了经典力学里的许多图景，但它那个冲击要比量子力学淡的多，而且争论的话题也没有量子力学里边的多，所以，我觉得量子测量和量子解释问题现在说它也是很前沿的。我刚才讲的那个例子，可能有各种各样的解释，那玻尔他是怎么解释的，波尔的标准解释里已经认定微观粒子是一个物质波了，就是既是粒子也是波，那么你怎么走过去呢？他就是采取本征质和本征态关联。一个质和一个态关联在一起的，最后我们测量的结果我是从左边过去的，所以当时我那个态就踏步在左边这个道上。那么玻姆怎么说呢？玻姆就不想让量子力学改变了经典物理学现状，他想维持原来的那种决定论和因果论，所以他认为量子力学是不成熟的，不完备的。他认为量子力学后边还有一个变量，只是还没找到，这个变量就叫“隐变量”。如果找到，那么我们就会有一套新的理论，那么这个理论就可以决定性的告诉大家，我从这儿是怎么走到最后一排的，就恢复到了经典力学的轨迹，所以玻姆一直想恢复到决定论状态的。

　　赵老师提到的多世界解释，认为从左边走是一种世界，右边走是另一种世界，这两种世界是平行的，互相不冲突的，就相当于我们现在处于一种世界，这个世界呢，我在这里讲你们在那儿听。同时在某个地方还有一个世界，那个世界有我也有你们，在那个地方，我们很有可能在喝酒，而这两个世界是平行的，是不冲突的。当我们测量的时候，我确定是从第一个世界过去的，还是从第二个世界过去的，它就认为有好多世界。那么这种多世界解释，还有相对态的解释等，我个人认为他们是换汤不换药，就是改变了一下对那个世界的看法，你是一个世界还呢？还是一个态？还是一个……？仅仅是这样的不同。对于退相干解释，我的看法有可能不对，我对退相干不太了解，我觉得这个解释就是为了排除测量过程中宏观仪器对微观粒子的干扰，所以要把相干的东西排除掉，剔出去。所以我从这儿走到那儿，在这个过程中要测量，我是一个微观粒子，但测量时是用一个宏观的仪器测量，它对微观粒子的行为是有影响的，而你这种影响就改变了微观粒子的本质，就是本质的那种运动。所以就要把那种相干的东西，有干扰的都排出去，它就叫“退相干”，对不对？我不知道我举的这个例子大家能不能听明白，是对赵老师讲的一种补充。

　　张培富老师：谢谢贺老师的点评，请赵老师对贺老师的点评作一些回答或作一些解释。

　　赵丹老师：我觉得他理解的更深，他已经做了十多年了，我只是开头，向他学习。他说的通俗，大家能够听懂很多，在我这儿就听不太懂，讲的太专了。对退相干解释呢，大家有兴趣的话，可以看一些书，它实际就是把这个所有的，把整个宇宙看作一个整体，在这个整体当中，它是支撑方程演化的。但是在这个方程，在这个系统当中，它有些小的系统，这些小系统或者对我们测量的这部分系统产生干扰，所以说使得系统量子的相干性消失，从而处于一个确定的状态，从量子到经典的转变过程是通过一种动力学上的理论计算来得到的。

　　张培富老师：从论坛开始到现在，这是一次最具挑战性的讲座，讲者既要科学、客观、准确地把量子力学及其量子测量解释讲给大家，而另一方面又要使大家听得清楚、听得明白，很难，是吧！即便对于理论物理专业的学生，本科生四年之后，让你来讲量子力学的理论体系，我接触过的好多，还是讲不清楚的，而在座的大部分不是学物理的，可想而知这困难……，所以说今天这个讲座，无论是讲者还是听者都有挑战，而对于我们的主评人也是一个挑战。我们看到贺天平老师也尽可能通俗的以这样一个方式，总体上做了一个陈述，最后在退相干这个问题上也与赵老师发生了一些分歧。我想先问一个问题，赵老师你是如何看待量子力学的各种解释，或者你更倾向于哪一种？这么多样的解释现状是否支持了反实在论的观点？

　　赵丹老师：许多人对这些解释进行过一个投票，夺世界解释接受的人更多些。我自己觉得更倾向于量子力学本身在它将来会被更高级、更全面的理论替代。这么多解释到现在为止，玻尔的比较通俗，采用了很多象波粒二象性的术语，它用了量子的语言，又用了经典的语言，尽管他本身也有很多矛盾的地方；而这个多世界解释，它假设了那么多世界的存在，就大家想的话，似乎是不可能，怎么会是这个样子？玻姆更倾向于经典的那套决定性的理论的时候，提出来了一种理论，但隐变量至今也没找到。所以说，这几个我都不大倾向，我更倾向于量子力学本身在它将来会被更高级更全面的替代……。

　　玻尔他自己是实证主义，但他存在一种反实在论的倾向，他只说我测量到的，我看见的是这样子它就是这样子的，而我不去追究我没看到时候它是什么样子的。玻姆自己是一种实在论，提供了一个主体的图景；多世界解释中也是一种本体论，而在多世界它又是一种反实在的唯心论，而它并没有支持实在论和反实在论，而关键在于采取哪种不同解释观念，更多的是一种信仰，只要你信仰，你就可以从实在论的角度解释它，信仰反实在论你就可以从反实在论解释它，这是我的一些看法。

　　贺天平老师：你觉得实在论和反实在论是一种信仰，这个观点我是赞成的，但你说的投票，多世界解释得到票数最多，我也看到过。玻姆他没有解决自己的问题，没有找到这个隐变量，所以得不到大家的认可。然后多世界解释呢，它自己也被动，这个被动实际上很简单，就是说你既然认为多个世界同时存在，那么这里边就有一个同一性的悖论，是什么意思？就是认为两个世界都存在，那么我存在这个世界也存在于那个世界，我这两个人是一个人，既然是一个人，那你又存在于不同的世界，而且这个世界我在这儿坐着，那个世界我在那儿喝酒，那是一个人吗？你说不是一个人又存在不同的世界，而且你要说我是一个人，那我同时做的事情又不一样。多世界解释在一些问题上是解释不清楚的。赵老师同意不同意？多世界解释更倾向于从宇宙这个大的层次来说明现状是什么？在宇宙学的层面上解释力强，所以很多人更倾向。你说的那个同一的话，至少觉得你在这儿讲课的思维与你在那儿喝酒是不一样的，虽然是同一的，就象两个克隆出来的人一样，他的思想是不一样的。同一性的问题，它有一个范式，有一个公式在里边，只有你认为是同一的它所有的性质就是同一的，只要性质不一样就不是同一的，所以如果你多世界解释认为合理，而且就这个薛定谔猫，在这个世界是活的，在那个世界是死的，你说它是不是个猫？多世界解释在这个问题上实际上是回答不了的，所以从某种程度上来说，我也倾向于认为多个世界存在。但是它在解释量子力学测量这个问题上，它不是一个最好的答案。我的观点和赵老师差不多，现在我们还不能说量子力学是最完备的，在去年我的论文里也引用了别人的话，很可能以后还会有更成熟的理论出来，来给我们一个最好的答案。

　　张培富老师：这是不是又回到了玻尔的哥本哈根学派和爱因斯坦的对话中了，爱因斯坦一直坚信量子力学是不完备的，所出现的这些问题是认为那些本身不完备性原因造成的，而不是世界本身是这样的。你是不是这样一个观点？

　　贺天平老师：就是量子力学的不完备性，我也倾向于这样，而且量子力学它的问题太多，有很多人在做解释，赵老师提到的这些解释，也是其中的一部分，然而还有更多的解释。实际上我们中国人也提出了一种解释，物理学哲学研究小组提出了一种区位解释。解释越来越多，没有一种解释说明了前面的解释，同时给量子力学一个很满意的答案，这是悲剧啊，那些解释都是半死不活的。

　　贺天平老师：(1)赵老师，我想知道如果让你选出量子力学的关键词，不超过五个的话，你会选择什么？(2)你在你的报告中谈到量子测量难题，或者测量问题，也提到阿尔伯的量子测量难题，我想问的是，你认为量子测量问题到底是哪些问题，是否认为是阿尔伯特谈到的这个冲突的问题？

　　赵丹老师：我先回答第2个问题。阿尔伯特他说的也对，但另一方面我认为更多的就像按照量子力学，它是比较活，而现实中它是死的或活的，就是按照量子力学的语言和我们能观测到的或测量到的是不一致的，这就是测量问题，当然也可以说是阿尔伯特说的那句话，动力学原理对应于量子力学的演化是一致的，是对等的。关于第1个问题，选出关键词的话比较难，首先这个“态”作为一种没有定义的概念，这就是一个很重要的问题，什么是态？态为什么说它就是对量子客体的一种完备的描述，还有就是对几率的解释。再一个是“相干”，它为什么要相干呢？经典力学中是不相干的。另外一个是“定域和非定域性”，这个在量子计算和量子通信中用的比较多。

　　张培富老师：贺老师要让你说五个关键词，你会是哪些?

　　贺天平老师：我选择的时候，绝对有“态”，但是赵丹老师刚才谈到它没有一个定义，我认为它未必也需要一个定义，概念可以是定义，也可以是一个描述，不一定非要给它一个定义，给它一个描述就可以了。其实物理学里，不是从量子力学才开始，以前经典力学里边它也有这样一个词，只是没有那么突出。只是现在还没有更好的词或者更好的办法，然后，就叫这么个“状态”，我们就叫它“态”。     

　　赵丹老师：但是在量子力学中，“态”是决定所有一切的。

　　贺天平老师：所以态是什么？这就需要一个解释，认为它是一个物质波还是什么之类的，所以我认为“物质波”是第二个关键词，如果没有物质波，你对态是说不清楚的，物质波是怎么来测量，怎么来考察它，就需要几率。还有一个就是“测不出原理”，没有测不准原理，量子力学它就形不成。

　　赵丹老师：玻尔认为测不准原理可以从它的互补性中推出来。

　　贺天平老师：可以推出来，但互补性并不是量子力学中一个必需的理论。

　　张培富老师：今天的讨论非常的热烈甚至说有些激烈，希望通过这次论坛有助于大家对量子测量问题的认识和理解。再次谢谢主讲人和主评人，也谢谢各位的参与，下次再见。

                                            （贾林海 供稿）