量子論：沒問題的數學，有問題的詮釋 | 展卷_風聞

作者：理查德·德威特（Richard DeWitt）

翻譯：孫天

對於量子事實是什麼，不存在爭議。存在爭議的是如何詮釋這些事實。你更喜歡哪個詮釋，歸根結底通常是個審美問題。也就是什麼樣的古怪特性更得你心。或者，也許更準確地説，什麼樣的古怪特性讓你覺得最不成問題。

量子理論是一個容易讓人迷惑的理論，因此，如果我們想準確地瞭解其概況，就需要非常謹慎。我們的策略是，首先解釋三個相關命題之間的一個關鍵性區別，這三個命題分別是①涉及“量子實體”的經驗事實，②量子理論本身，也就是量子理論的數學核心，以及③與詮釋量子理論有關的命題。

事實、理論和詮釋

在任何關於量子理論的非技術性探討中，至少需要區分三個獨立的命題，分別是①量子事實，也就是涉及量子實體的經驗事實，②量子理論本身，這裏我所指的是量子理論的數學核心，以及③對量子理論的詮釋，這與一系列哲學問題有關，比如什麼樣的現實可以產生量子事實，以及什麼樣的現實可能與量子理論本身保持一致。不幸的是，在通常關於量子理論的非技術性探討中，這些命題往往都被混為一談。舉個例子，經常可以看到有觀點稱量子理論表明西方科學和某些東方哲學在對宇宙的看法上由於觀點相同而融合了。但這其實是錯誤的，或者往好裏説，是相當容易讓人產生誤解的。某些對量子理論的詮釋認為有這樣的融合存在，但是對一個理論的詮釋和理論本身，兩者應該是保持相互獨立的命題。再舉一個例子，同樣經常可以見到有觀點表示量子理論表明宇宙在持續分裂成多重平行宇宙。然而，同樣地，某些對量子理論的詮釋表達了這種情況的存在，但量子理論本身並沒有。

圍繞量子理論的命題非常複雜，這已得到公認。但是，如果我們逐步而又謹慎地探討這個話題，那麼我們就可以很好地概括瞭解量子理論及其相關命題，重點是，這種概括瞭解也會相當準確。我們的第一步將是簡要描述上面提到的三個命題之間的區別。

量子事實

當我談到量子事實時，我所指的只是涉及量子實體的經驗事實。這樣的事實將包括有關電子、中子、質子和其他亞原子粒子的實驗結果；有關光子，也就是光線單元的實驗結果；以及有關放射性衰變時釋放出的粒子等的實驗結果。

在下文中，我們將看到這些事實都非常出人意料，但並不存在爭議，也就是説，對於這些事實是什麼，不存在爭議。存在爭議的是如何詮釋這些事實，比如，什麼樣的現實可以帶來這樣不同尋常的事實。但是，涉及詮釋的命題需要與對量子事實本身的描述區分開來。

值得指出的是，對於什麼物體可以被精確歸為量子實體，我故意保持了模糊。前面提到過的實體，也就是包括電子和質子在內的亞原子粒子和光子及與放射性衰變有關的粒子，都很明確是量子實體。因此，在接下來的大部分討論中，我們討論的量子事實都將是關於這些粒子的事實。但是，請記住，所有物體，包括你、我、桌椅等，都是由這些較小的實體組成的。然而，正常大小的物體是否應該被當作量子實體，存在一定爭議。因此，接下來，我將主要強調的量子事實所涉及的都是不存在爭議的量子實體，比如上面提到的那些粒子。

加入了電子探測器的雙縫實驗

量子理論本身

與大多數自牛頓著作和其他17世紀晚期科學家著作問世以來出現的物理學成果一樣，量子理論是一個以數學為基礎的理論。當我談到“量子理論本身”時，我腦中出現的主要是在量子理論中處於核心地位的數學部分。量子理論的核心數學部分發現於20世紀20年代末期，它與其他物理學分支中的數學差不多。最值得注意的是，量子理論數學是用來預言和解釋前面提到的那些量子事實的。最後，我還想簡要討論的一點是，量子理論數學到目前為止取得了巨大成功。量子理論數學在過去70年中幾乎從來沒有發生過變化，也沒有做出過不正確的預言。在預言和解釋方面，量子理論可以説是我們所遇到過的最成功的理論了。

對量子理論的詮釋

對量子理論的詮釋實際上是一個關於現實的本質的哲學話題，具體來説，對量子理論的多種不同詮釋，其核心都圍繞一個問題，那就是“什麼樣的事實可以同時與量子事實和量子理論本身保持一致”。也就是説，可能量子事實是由某種業已存在的現實造成的，而且鑑於量子理論數學在預言和解釋這些量子事實方面非常成功，那麼認為量子理論數學從某種意義上説與現實有聯繫就是非常合理的。因此，詮釋所圍繞的問題就變成了“什麼樣的現實既與已知量子事實和量子理論數學相一致，又可以導致這些量子事實”。

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關於量子理論詮釋的最後幾點意見

我們在前面強調過，量子理論詮釋肯定受制於已知量子事實，而且應該至少會與量子理論數學保持一致。然而，正如我們已經看到的，量子事實本身就相當奇怪，而量子理論數學與常識性的現實也不一致。在很大程度上説，正是由於這些原因，所有量子理論解釋通常都與常識相當矛盾。唯一例外的是愛因斯坦的詮釋（編注：愛因斯坦關於量子論的觀點主要體現在其與玻爾的數次論辯及其1935年的EPR佯謬文章中），但是在前面我們也提到過了，這個詮釋已經站不住腳了。

我們必須看到，對於詮釋問題，秉持工具主義態度是很常見的。也就是説，如果你用工具主義態度來對待量子理論，那就不會遭遇詮釋問題。（編注：此種工具主義態度體現在David Mermin的 “Shut up and calculate” 一語中，此語曾被誤傳為出自Richard Feynman之口。）從工具主義角度來看，量子理論是一個便於做出預言的工具，就像托勒密的本輪被當作是一個便於做出預言的數學工具。但是，如果面對的問題是理論背後的現實，那麼工具主義者將會採取不可知主義態度。同樣地，這也是一種看待量子理論的值得尊重的態度。確實，關於這個態度有很多值得討論之處，而且這也是物理學家進行研究時，至少是在他們的工作時間內，可採用的最為實用的態度。

但是，對我們這些不是物理學家的人來説，甚至是對結束了一天的工作、離開實驗室後的物理學家來説，有一個問題自古希臘時期就在西方思想中佔據一席之地，讓人難以拒絕，那就是：我們究竟生活在怎樣的宇宙中？這個問題的答案一直為每個時代的尖端科學所左右，量子理論當然是我們的歷史上最重要和最成功的理論之一。因此，量子理論自然會影響我們目前如何認識自己所處的宇宙。然而，值得注意的是，當前的量子理論詮釋所展示的宇宙，與我們一直所認為的宇宙相比，是相當不同的。

標準詮釋（編注：即哥本哈根詮釋）的各個版本、玻姆詮釋（編注：即經玻姆發展了的pilot wave理論，此理論最早由Louis de Broglie提出，在玻姆手中得到了發展，是一種隱變量理論。）和多世界詮釋都有一些吸引人的方面，也都有一些方面不那麼吸引人，因此，我們很有必要花些時間來對每種詮釋的優勢與劣勢進行總結。

我們在前面看到了，標準詮釋的優勢是，它是一個極簡主義者的詮釋，也就是説，這種詮釋與標準數學相當接近，而且看起來也相當一致。比如，如果數學指出，在某個特定環境下，某個電子並沒有確定的位置，那麼情況就是這樣，我們只需要接受“宇宙並不是由具有確定屬性的實體所組成的”這一觀點。

然而，正如我們所看到的，在通常量子理論數學所展示的情境裏，標準詮釋的支持者確實加入了波函數的坍縮。坍縮據推測出現在測量發生的時候，這使標準詮釋的支持者面對與測量問題相關的難題時無法給出很好的答案。測量時到底發生了什麼？由於測量過程只是一個物理過程，與我們不算作測量的過程相比，並不是不同類型的過程，那麼測量過程和非測量過程之間怎麼可能存在任何真正的差異？同樣地，如果所有物體都由量子實體組成，那麼測量設備與其所測量的量子系統之間怎麼可能存在真正的差異？這些問題都是測量問題的變型，或者換個更好的説法，它們是從不同側面來看待測量問題。波函數的坍縮給標準詮釋的支持者提出了難題，而這些支持者也確實無法很好地回答這些問題。

相比之下，玻姆詮釋避免了測量問題，這是其值得注意的優勢。根據玻姆詮釋，不存在波函數的坍縮，因此這一詮釋的支持者也就不需要面對前面提到的難題。根據玻姆詮釋，測量設備與其所測量的量子系統之間不存在根本性差異，神秘的波函數坍縮不存在，測量問題也不存在。

然而，人們廣泛認為玻姆詮釋無法很好地與愛因斯坦相對論保持一致。愛因斯坦相對論是現代物理學的核心分支，這可能就是玻姆詮釋的一個嚴重缺陷。因此，玻姆詮釋儘管有優勢，但也有明顯缺陷。

多世界詮釋同樣因為避免了測量問題而具有巨大優勢。在這裏，同樣不存在波函數的坍縮，因此也就沒有伴隨坍縮而來的各種難題。除此之外，這種詮釋是一個真正的極簡主義者詮釋。也就是説，表面看起來，這種詮釋接受了本標準數學所表達的情境。如果量子理論數學表明，涉及量子實體的系統處於態疊加狀態，那就是這樣吧。你、我和我們周圍的所有物體只是其中一個態的組成部分，無數個這樣的態組成了複雜的態疊加，把一切事物都納入其中。這是數學所展示的，多世界詮釋的支持者就這樣按字面意思來接受了。

然而，多世界詮釋的優勢也是其劣勢，因為這個詮釋很有可能是所有詮釋中最反直覺的一個。很難想象現實會像多世界詮釋所展示的那樣不同，也就是現實是由無數個與你、我和我們周圍所有物體相對應的存在所組成的。同樣困難的是想象組成現實的並不是我們所處的這個單一確定的世界，而是無數個態形成的態疊加，而我們所處的世界只是其中一個態。因此，簡言之，與其他詮釋一樣，多世界詮釋也是既有優點也有缺陷。

也許，此時我們可以更好地理解為什麼用工具主義態度來看待量子理論如此普遍。讓我們花一點時間來回顧一下歷史上的某些理論。在西方歷史（也就是有記載的歷史）的大部分時間裏，托勒密理論是解釋天文學數據最好的理論。然而，正如我們看到的，這個理論需要本輪。很難想象行星如何真的沿那麼小的一個圓圈進行運動，也就是説，很難用現實主義態度來看待本輪。由於認為行星真的按托勒密體系所描述的軌跡運動是非常困難的，天文學家們通常都採用工具主義態度來看待托勒密體系中的本輪。

至於開普勒關於行星運動的觀點，也就是行星沿橢圓形軌道以變化的速度運行的觀點，用現實主義態度來對待這個觀點所展現的行星運動是很容易的（過去和現在都是如此）。但是這個關於行星運動的觀點只表明行星是這樣運動的，但並沒有更完整地解釋為什麼行星會這樣運動。牛頓物理學似乎對行星運動進行了解釋：橢圓形軌道是根據慣性定律和萬有引力定律得出的。

然而，如果用現實主義態度，牛頓的萬有引力概念似乎涉及一個神秘的“超距作用”。同樣地，很難想象怎麼可能真的存在這樣神秘的“超自然”力量。同時，從很大程度上説，正是基於這些原因，牛頓本人更傾向於用工具主義態度來看待重力。（重申一下，從小到大都接受牛頓世界觀教育的人通常用現實主義態度來對待重力，但這非常有可能是因為他們從小就接受了重力概念，因此通常不會察覺到重力的某些奇特之處。）

在本文中，我們看到了量子理論同樣不能與常識性的現實保持一致。因此，通常用工具主義來看待量子理論，其實只是延續了一個已經長期存在的傾向，也就是在看待那些無法得出完備的現實主義詮釋的理論時，通常採用工具主義態度。

但是，如果我們確實想思考現實問題，也就是我們所感興趣的是搞清自己身處什麼樣的世界，那麼值得注意的是，每個現有的詮釋都有某些方面不那麼有説服力。正如開頭提到的，不僅僅對哪個詮釋是正確的（如果真的有一個是正確的）不存在共識，甚至關於哪個詮釋更可取都沒有共識。你更喜歡哪個詮釋，通常説到底基本上是個審美問題，也就是什麼樣的古怪特性更得你心，或者，也許更準確地説，什麼樣的古怪特性讓你覺得最不成問題。

結  語

不可否認，這是很長的討論。但是，對於像量子理論這樣如此複雜的話題，這很正常。回到我們開始提到的，重點是要把量子事實、量子理論數學和量子理論詮釋之間的區別始終印在腦中。

在探討過程中，我們看到了，量子事實是令人驚訝的，但是對於量子事實是什麼不存在爭議。量子理論數學是波數學的一個變型，而且在物理學中並不少見。

最有爭議和難以理解的命題圍繞詮釋問題出現，也就是什麼樣的現實與已知事實相一致的問題，以及什麼樣的事實與量子理論數學（或者，在玻姆詮釋的例子裏，與標準量子理論數學的一個替代選項）相一致的問題。正如我們看到的，通常的詮釋（除了愛因斯坦的詮釋，不過這個詮釋已經站不住腳了）所展示的現實，沒有一個與我們在過去2500年裏已有的現實有任何相似之處。

本文經出版社授權摘自《世界觀: 現代人必須要懂的科學哲學和科學史》（機械工業出版社，2018.11），發表時有刪節及少量修改。

作者簡介理查德·德威特（Richard DeWitt），美國費爾菲爾德大學（Fairfield University）教授。他利用豐富的課堂教學經驗對《世界觀》一書的文稿進行反覆打磨，並配以豐富的圖表補充説明。同時，作者具有將複雜的技術概念分解成讀者可理解的語言的獨特能力，讀來令人大開腦洞。

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