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1、1量子力学中的哲学量子力学中的哲学【摘 要】：介绍了量子力学及其相关的一些可能对哲学有帮助的问题，介绍量子力学 对现代科学的观念带来的巨大的改变，和在哲学方面提出的一些问题，量 子力学的正统解释和计算主义的新解释。【关键词】：量子力学；哲学；计算主义；量子纠缠科学技术哲学是以人类对自然界的总体认识为基础，以科学技术作为主要研究对 象，对科学技术的性质、发展，以及科学技术在社会大系统中的地位等所作的哲学探 讨的理论体系。哲学理论思维较之科学理论思维来说在对世界的把握上就具有最高的 概括性和最高的解释性。反过来，科学可以更好地利用哲学思想对其进行理论和技术 的创新与实践。 “科学发展为哲学研究提供
2、素材，哲学的发展启迪科学思维。 ”量子力学理论形式 体系的建立，超前于人们对它本身的恰当解释 。正是由于这种特殊性，量子力学自诞 生之日起,各种不同观点、不同学派之间的争论就一直未曾间断。毫无疑问，对量子力 学的解释，属于物理学研究的范畴。因此，换一种角度，从哲学上来看待这些争论， 对于理解和认识量子力学，以及加深对哲学中的一些基本概念的理解，都具有重要的 意义。很多敏锐的科学家和哲学家都以自觉的意识到使得他们成功的最重要原因往往并 不是那些具体专业中的直接性材料，而是对这些材料进行处理的方法。爱因斯坦曾经 说过：“如果把哲学理解为在最普遍和最广泛的表达式中对知识的追求，那么，显然， 哲学就可
3、以被认为是全部科学研究之母。可是，科学的各个领域对那些研究哲学的学 者们也发生强烈的影响，此外，还强烈地影响着每一代的哲学思想。我们就根据这种 观点来看看近百年来物理学的发展。 ”物理学家马克斯玻恩说：“科学在每个时期都 和当时的哲学体系互相影响，它向哲学体系提供观测事实，同时从它们得到思想方法。 经典物理学所依靠的十九世纪的哲学，是深深地植根于休谟的观念之中。从它的哲学 发展出两个体系，在经典物理后期支配着整个科学，这就是批判哲学和经验论。 ” “每 一个现代物理学家，都深刻地意识到自己的工作是同哲学思想错综地交织在一起 的，要是对哲学文献没有充分的知识，他的工作就会是无效的。在我自己的一生
4、中， 这是一个最主要的思想。 ”这些学者们虽然在表达上不尽相同，但他们认识的实质是相 同的：即科学与哲学之内在融合的。 量子理论从 1900 年普朗克提出黑体辐射假设，再经过许多科学家的工作，到 1926 年薛定谔（Schrodinger）建立了量子力学的基本方程，后又经许多年的阐释和 不断完善，构建了一个与经典世界根本不同(更加丰富与奇异)的并经受实验检验的富 有成效的崭新理论。 在对时间、 空间、 客观实在等基本观念及其运动规律的理解和 表述方式上同相对论一道构成对经典观念的深刻革命。1 1测不准关系测不准关系量子力学已经成为了物理世界知识的中心部分， 然而正如费曼说没有人理解量子 力学，
5、因为量子力学所描述的世界与我们人类的理性的常识相距太远。也正应为如此， 量子力学也引发了人类对于世界认识的新的哲学思考。2量子力学首先带给人们巨大冲击的是它的测不准关系。 测不准关系是量子力学中 的基本关系，它反映了微观粒子的波粒二象性。坐标和动量就是一组有对易关系的算 符，xph/4, ，这是坐标和动量的测不准关系。这个公式表明， 我们不可能 同时准确的测量出一个粒子的坐标与动量。这个看似简单的关系却引起了人们极大注 意，非决定论在这里取代了决定论。 “事实上描写所有物质的量子力学的全部理论都 取决于不确定原理的正确性。由于量子力学是这样一种成功的理论，我们对于不确定 性原理的信任也就加深了
6、。 ” 量子力学彻底抛弃了关于将来的决定论的观点，物理学 出现了本质上的不确定性。希腊第一个哲学著作家阿那克西曼德(Aaximander)说:“真 正的存在物不可能具备任何确定的属性,否则它也会和其它一切事物一样是被产生出来 和必定灭亡的了,.这个不朽的永恒的本原被命名为不确定者(perin),这个在 不确定者身上、在万物母腹中的终极统一,人们只能用否定的方式称谓它” 。 微观粒子具有波粒二象性， 并不是说一个粒子既是波又是粒子，而是说它既不是 波也不是粒子。微观粒子有时候表现的像波，有的时候表现的像粒子，它表现的像什 么取决于观察者以什么样的方式去观察它。也就是说，假设有客观实在这种东西的话
7、， 如果他被思维观察到了，那么它也已经被改变了。这或许可以对认识论带来一些比较 有依据的观点。 微观粒子的波粒二象性并不是一个硬币的两个面， 它们之间的界限是模糊的，并 且可以和精神与物质的关系作一下类比。波粒二象性使人想起了精神肉体的二重 性，又是一种软件硬件的二重性。玻姆说：“习惯上把世界分成主体与客体，内 心世界与外部世界，肉体与灵魂，这种分法已经不恰当了。 ”这样，我们不必再局限于 分析还原的原子论，用一种强烈的整体观来看这个世界，打破了人们的常识所珍视的 关于实在性质的概念。量子因素也挣脱了因果链，因为根据量子论，在没有因的情况 下也可能有果。量子论使得原因与结果之间的界限模糊了，将
8、强烈的整体观念引入了 我们的世界观。 在经典力学中，质点的状态用坐标和速度来描写，质点的运动方程就是我们所熟 知的牛顿运动方程。而在量子力学中，微观粒子的状态则用波函数来描写，决定粒子 变化的方程不再是牛顿运动方程，而是薛定谔方程。(x，y，z)+(8m/h)=E- U(x，y，z)(x，y，z) 首先对它做出解释的是玻恩，他的解释被称作哥本哈根诠释， 也被称作量子力学的正统解释，即波函数代表的是物质出现的几率。这个解释极大地 冲击了人们的世界观，确定性被不确定性代替，物体的轨迹被几率代替，微观、物质 如电子像幽灵一样没有了轨迹， 可以在任何可能的位置出现，我们只能给出它在某处 出现的概率。
9、现在，根据概率公设，对于一个处于任意态a的体系中的量 Q 作一次测量，理 论并不能预言一个确定的值，而只能以概率aqk2预言所有的值 qk。有些物 理学家已经发现量子力学的这个方面是难以接受的。薛定谔通过下面的例子说明了这 个推论的本质。试考虑一只猫关在一个封闭的盒子内，盒子上有一个用极化晶体遮住 的孔，当一束由两个垂直极化分量构成的光射来时，一个分量将被吸收，而另一个分 量将通过这个孔，扣动光子枪的扳机，使枪击发，射向盒内的猫。现在有单个光子通 过孔进入盒内。按照量子力学，击发枪机，光子（只作为一个整体）有 50%的机会通 过晶体，进入盒内，把猫射死，即量子力学不允许人们知道这只猫是已经被杀
10、死了还 是没有杀死，除非人们打开盒子才能发现猫的死活。这个结论是量子力学的一个严格推论。哥本哈根学派把这个结论视作我们所能 期望得到的答案，并且相信量子力学告诉了我们所有我们将能知道的东西。另外，这 种态度还是一种哲学，亦即是我们关于物理理论应该是什么的信念，这也是爱因斯坦 和哥本哈根学派之间争论的根源。 量子力学的哥本哈根解释由于带给了人们观念上的巨大冲击，也招来很多的反对3者。所有对这个解释的反对者在一个论点上都是一致的，他们希望回到经典物理学的 实在的概念，回到哲学上唯物主义的本体论，他们希望回到一个客观实在世界观，这 个世界的最小部分是客观存在的，与我们的主观意识无关。 “然而由于原子
11、现像的本质， 这是不可能的，至少是不完全可能的，我们的任务不应该去阐述原子现象应当是怎样 的那些愿望，我们的任务只能去理解它们”2非定域性非定域性量子纠缠量子纠缠从 19 世纪末到 20 世纪初，量子力学快速发展并完善起来，解决了许多经典理论 不能解释的现象，大量的实验事实及实际应用也证明了量子力学是一个成功的物理理 论。但是关于量子力学的基本原理的理解却存在不同的解释。 众多的物理学家在自己观点的指引下，对量子力学的基本解释提出了自己的看法， 主要有三种:传统解释，PTV 系综解释和统计解释。这三种解释之间既有区别又有联系。上面讲到三种观点之间，是既有联系又有区别，正是由于各方都坚持己见，才
12、有 了著名的爱因斯坦与玻尔之间的论战，量子纠缠才被爱因斯坦以一个悖论的疑问提出。 量子纠缠就此提出。 1927 年九月，玻尔在科摩会议中首度公开地演讲他的互补原理， 由于他采用了大量的哲学语言来阐释互补原理，使大家感到震惊与困惑。当时大多数 人对于测不准关系及互补原理的深刻内涵还不大明了。几个星期后在布鲁塞尔举行的 第五届 solvya 会议，包括玻尔、爱因斯坦、玻恩、薛定愕、海森堡等世界最著名的科 学家都出席了这项盛会。玻尔在会议中重述了他在科摩会议上的观点。由于爱因斯坦 并未参加科摩会议，这还是他首次听到玻尔亲自阐述互补原理和对量子力学的诠释。 下面是量子纠缠（非定域性）的具体解释： 非定
13、域性(即量子非定域性)可定义为4：在量子相干尺度内，一个微观系统的性 质不仅与所在局域的时空性质有关，而且也与另一处于类空间隔的微观系统的性质或 时空的性质有关。这意味着，如果两个微观系统之间具有量子非定域性 ，那么这两个 微观系统之间可能有相互作用，也可能没有相互作用，但一定有某种相互关联，关联 的具体方式需要自然科学的详尽研究。 量子非定域性意味着微观世界存在内部时空。在量子力学中，完备本征函数形成 了希尔伯特空间(即内部时空)，微观粒子是由希尔伯特空间决定的。内部时空不同于 外部时空。事物既可以在外部时空运动，也可以在内部时空运动。在一定条件下，外 部时空可以反映内部时空的状态。比如，斯
14、特恩-盖拉赫实验表明了自旋的存在，即从 原子的空间分布读出内部状态自旋的存在。内部时空决定了量子非定域性或量子纠缠。量子力学的著名悖论，爱因斯坦波多斯基罗森悖论，即 EPR 悖论。这是一个 思想实验，最终导致了一个悖论，被爱因斯坦用来攻击量子力学的不完备性，结果却 导出了一条令人匪夷所思原理，即量子纠缠的超距作用。EPR 实验具有非常重要的科 学和哲学意义。根据量子纠缠我们可知，在空间上距离很远的具有纠缠态的两个粒子 它们之间的作用是瞬时的，超距的。超距作用再一次以更加强有力理论进入了我们的 视野，超距这一作用以人类的常识来看是不能理解的在面对理性建立起来的理论却使 我们陷入了混乱，面对迷茫的
15、量子力学，我们接受了一个又一个的远离常识的理论， 不知是兴奋，还绝望。 近二十几年来，把实在看成计算的新观念正在形成和发展，这种新观念所代表的 思潮就是计算主义， “计算主义不再认为构成世界的基本性单位是实体的粒子，取而 代之的是计算或信息流。 ”这样，计算主义在本体论的意义上为我们提供了一种新的世 界图景。令我们惊奇的是，计算主义在对量子力学的解释上又一次展示了其理论的诱 人之处。4“赛格林提出了量子力学的一条基本的概念性原理，即每个基元系统携带 1 比特 的信息。在他看来一个系统只携带 1 比特信息仅仅意指它只能携带关于一个提问的答 案或只表征一个命题的真值。 ” 这样依据这样一条既简单又
16、平凡的原理，赛格林能够 说明量子力学中那些最令人困惑的现象。比如在不确定性原理中，我们只能确定一个 粒子的坐标或者动量，因为粒子只含 1 比特的信息，所以我们只能确定一个状态，而 不会再有其它信息去确定另一个状态。赛格林也进一步用这个基本原理对量子纠缠现 象做出了解释。 中国科技大学微尺度物质科学国家实验室量子物理与量子信息研究部最近通过实 验，成功制备出超纠缠光子薛定谔猫态，纠缠量子比特数目最高达到十个，再次刷新 了纠缠态制备的世界纪录。此前的最大光子薛定谔猫态是六个光量子比特的纠缠态， 也是这个研究部创造的。同时，该工作还演示了薛定谔猫态在超精细位相测量方向的 应用。 “在经典状态下，一个个独立的光子各自携带信息，通过发送和接收装置进行信 息传递。但是在量子状态下，两个纠缠的光子互为一组，互相关联，并且可以在一个 地方神秘消失，不需要任何载体的携带，又在另一个地方瞬间神秘出现。量子态隐形 传输利用的就是量子的这种特性，我们首先把一对携带着信息的纠缠的光子进行拆分， 将其中一个光子发送到特定
