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多世界解释:量子力学诠释中的一支奇葩

贺天平  2016年11月16日10:25  来源:中国社会科学报

“测量难题与量子力学诠释”是科学哲学长久且不断翻新的话题。20世纪初,量子力学的发现引发物理学革命,“测量难题与量子力学诠释问题”伴随着这场革命应运而生。

问题之根本

根据量子力学标准体系,量子系统遵循两种不同演化方式。在非测量状态下,按照薛定谔方程演化,是熵不变、决定论和连续性的;在测量状态下,量子系统发生突变,是熵增加、非决定论和突变性的。第二种演化使“测量”成为微观世界中难以理解而又神秘的物理现象,导致众所周知的“测量难题”。

事实上,测量难题还包括更多内容。一是测量结果难题:为什么微观世界的测量结果是统计性、不确定的?这个难题源于波函数叠加原理和1926年的几率诠释,薛定谔形象地将它描述成“薛定谔猫论”,即“猫既死又活着”。爱因斯坦对这种结果非常不满,说“上帝不会掷骰子”。二是同时性测量难题:为什么不对应的两个量不能被同时精确测量,而且一个量越精确另一个量越不精确?这个难题源于1927年的测不准原理(也有人称不确定性原理)。三是测量过程难题:为什么多个叠加态在测量瞬间突变成某一确定态,从而导致系统演化上的间断性和逻辑推理的跳跃性?这个难题源于1932年冯·诺依曼的五大公理,又称之为“投影假设”或“波包塌缩”。四是定域性难题:该难题发端于1935年的EPR佯谬,要么量子力学是非定域的,要么是不完备的,到底什么样正等待贝尔实验的验证。

科学家和哲学家以“测量难题”为核心,对传统物理学的认识论基础作了根本性修正,对决定论、因果论和实在论等问题进行了深刻辨析,这一系列问题构成了所谓的“量子力学诠释难题”。通常认为,“测量难题是量子力学诠释的核心困难”。科学家和科学哲学家围绕“测量难题与量子力学诠释”展开了旷日持久的争论。埃里则(A.ELITZUR)2005年就指出先后有哥本哈根解释、标准体系、正统解释、隐变量理论、模态解释等,比较有影响的量子力学解释至少有13种之多。

多世界解释的哲学魅力

多世界解释作为其中之一,具有其他解释没有的哲学魅力。多世界解释坚持了整体论,扬弃了还原论。多世界解释消解了本体实在在空间结构上的机械分割,把整个宇宙视为“整体”,“说子系统的独立态是毫无意义的”;消解了观察者与客体系统之间的划分,观察不是发生于孤立系统之外的一个新的过程,而是系统内部相互作用的特殊情形;认为波动力学既能描述每一个孤立系统,也能描述每一个被观察的系统,建构了数学形式体系与观察经验之间的某种一致性。多世界解释的整体论,坚持无误理论的预设是解决物理实际问题的需要,这恰恰反映出当代科学发展的趋势。

多世界解释坚持了决定论,扬弃了非决定论。根据多世界解释,态函数始终都按照薛定谔方程线性和决定论演化;测量过程不存在从“可能”到“实际”的转变,最后结果依然是各种“可能”的叠加,而不是某一种“可能”,从而消除了突变论;多世界解释进一步证明了玻恩概率是形式体系本身的一个结论,无需给概率以先验解释,从而消除了概率论。需要强调的是,多世界解释坚持了决定论,扬弃了非决定论,并没有恢复严格决定论,因为测不准原理和玻恩概率作为量子力学基本属性是无法或缺的。

多世界解释坚持了一元论,扬弃了二元论。多世界解释用一个态函数刻画整个宇宙,实现了本体上的一元论;所有的系统都按照薛定谔方程演化,实现了演化模式上的一元论;尤其是多世界解释消除了物质与意识的对立,最终弥合了被测系统与观察系统、主体与客体、宏观领域与微观领域的分离。

多世界解释彻底改变了传统的世界观。它超越了传统量子力学的束缚,超越还原论、走向整体论;解构二元论、回归一元论;消解非决定论、坚持决定论。三者环环相扣,相辅相成,推动了量子力学哲学基本理念的更新。

多世界解释的最新进展

多世界解释从“平行世界”发展到“交叉世界”,彻底变革原有理论体系。多世界解释体系认为:波函数可以对世界进行完备性描述;微观的量子规律是普适的,也可以对宏观世界进行描述;所有的世界都是平行的,互不影响,互不作用。所以说,多世界是“平行世界”。2014年,怀斯曼等人在《物理学评论》上发表了多世界解释的最新形式——“交叉世界”。该解释几乎完全颠覆多世界解释的理论体系:世界本身的存在不唯一,有很多和我们一样的世界同时客观存在着;所有的世界和我们所处的世界一样,拥有相同的宇宙结构和物理学特征;不同的世界之间是相互交叉的,而不是平行的;量子效应的存在,原因在于不同世界之间的相互作用。交叉理论给出了一幅关于世界全新的本体论图景,它用极少的假设,推出了微观领域的诸多现象。

多世界解释面临实验验证的责难及辩护。多世界解释目前还没有得到实验证实,难免遭到科学家的质疑。事实上,这不应该成为接受多世界解释的阻碍。一是基于逻辑优越性的辩护。多世界解释完全基于量子理论本身给出解释,没有任何额外的假设,构建了一个客观的理论,比其他诠释具有极大的简洁性。二是基于不可证伪性的辩护。虽说多世界解释不可证实,但也没有被证伪。经验有时候是受理论制约的,不能因为还没观测到理论预言就去否证一个理论,相对论的证实不也被推迟了很多年嘛!三是基于不断修正性的辩护。多世界解释也是一个不断演进的理论,从“相对态解释——德·维特理论——多视域解释——多心灵解释——多历史解释——多纤维理论”的发展,在不断修正和完善中为自己辩护,不久的将来,一定可以找到证实自己的直接依据。

多世界解释是量子力学诠释中的一支奇葩,正如盖尔曼所说,“量子力学的一种适当的哲学描述竟被推迟了这么久,这无疑是由于玻尔对整整一代物理学家洗了脑,使他们以为这一任务早在50年前已经完成了的缘故。”看来,关于“测量难题与量子力学诠释”以及多世界解释本身还有很长的路要走。

(作者为国家社科基金项目“哲学视域下的‘多世界解释’问题研究”负责人、山西大学教授) 

(责编:李叶)