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量子力学多世界解释:这个世界的你是穷光蛋 另一个世界是亿万富翁(文中有赠书活动)

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量子力学多世界解释:这个世界的你是穷光蛋 另一个世界是亿万富翁(文中有赠书活动)

雪花又一年 2018-05-03 15:05:00 浏览311 评论0

摘要: 具体赠书事宜请联系北京联合出版社客服,以下是出版社客服微信。 摘 要         本文追溯了量子力学多世界解释产生的理论渊源,指出多世界解释在进一步解释相对态解释时误解了其最初的含义,并对相对态解释的基本内容和辩护进行了深入的分析,最后分析了多世界解释从形式体系推导出解释的逻辑依据。

具体赠书事宜请联系北京联合出版社客服,以下是出版社客服微信。


摘 要


        本文追溯了量子力学多世界解释产生的理论渊源,指出多世界解释在进一步解释相对态解释时误解了其最初的含义,并对相对态解释的基本内容和辩护进行了深入的分析,最后分析了多世界解释从形式体系推导出解释的逻辑依据。从逻辑上讲,德威特导出多世界解释的论证方式是有很大问题的,也不符合埃弗雷特的原意。




        多世界解释作为相对态解释的一种解读,将相对态解释中的分支解读为“世界分裂”,在学界引起了极大的争议,多世界解释的支持者必须对“世界分裂”的真实含义作出进一步的说明,但是从目前看很难对此给出合理的说明和论证。


        在笔者看来,要想深入理解多世界解释中“分裂”一词的含义,必须追溯到其来源即相对态解释,在两种解释的对比中方能澄清其根本内涵。


 

       而事实上,目前几乎所有关于相对态解释的解读都不符合埃弗雷特(H.Everett)的本意,其原因主要有两点:


        其一,埃弗雷特的表述本身充满着很多含混的地方,无法给出前后一致的描述。


        其二,虽然相对态解释的数学形式没有太大的问题,但是一旦试图给出实在性的解释和描述,就必须要澄清“分支”这一核心概念的真实含义,而在理论的基本框架下很难给出一个逻辑严密的解释。


        正如希利(R.Healey)所指出的:“埃弗雷特的量子力学解释本身也需要一个解释。”①本文试图对埃弗雷特最初的解释和辩护进行详细的梳理,还原其理论发展中的一些细节,澄清多世界解释推导的内在逻辑。


被“误解”的相对态解释


        首先我们必须要澄清相对态解释与多世界解释之间的关系。现在,对于该理论的名称,人们普遍使用的是多世界解释这一称谓。


        然而多世界解释作为相对态解释的一种解读,在相对态解释的数学基础上加入了一种独特的形而上学的理解:假设多个本体世界存在。


        这样便在客观上造成了人们对相对态解释直观上的误解,似乎这个理论预言有很多世界的存在。


 

       这种误解产生了很负面的影响:一方面使得学界产生了巨大的非议,大量的讨论围绕着多世界展开;另一方面也使普通大众对整个量子力学都产生了较大的误解,该题材被大量的不加考证地用到了很多科普读物以及影视作品之中。


        1957年,埃弗雷特在其博士论文②中,首先提出了相对态解释。


        后来,德维特(B.Dewitt)将相对态解释为多世界解释,之后,其他学者又发展出多历史解释和多心灵解释等。


        但是,人们习惯上并不对这些解释进行明确的区分,而是经常用多世界解释来泛指。


        目前从该理论的发展来看,很多研究者并不赞成将相对态解释解读为本体的世界分叉,名称上也通常使用相对态解释或者埃弗雷特主义来指代。


        多世界解释这一用法,虽然最初在传播该理论时非常吸引人们的注意,但是它却代表了对相对态解释非常极端的解读,极易引起人们的误解。


        在德维特之后,围绕相对态解释又产生了多种解读。


        相比于多世界解释的客观层面的本体世界分裂,多心灵解释将分支解读为主观层面的意识分裂,与本体世界无关。


        虽然这两种解释都是完全基于相对态进行的解读,但是和埃弗雷特的本意却有很大差距。


        多历史解释则结合了相对态、量子退相干原理以及一致性历史解释的观点,将分支解读为某种潜在的未实现的可能历史集合,在与外界环境的相互作用下,可能的历史状态消失,只有一个真实的实在历史显现。


        环境对系统施加了不可控的影响,单一历史状态在未显现之前没有优先地位。


        由于退相干原理为测量过程相干态的消失给出了原理性的说明,一定程度上消解了相对态解释中的一些矛盾,并对其给出了有效的补充,从而超越了有着浓重形而上学意味的多世界解释,并给出了一个物理主义的解读。


        埃弗雷特最初只是试图从波动力学本身作为出发点,建立相应的经验解释,围绕相对态的形式体系本身进行讨论,而不预先引入任何形而上学的假设。


        为了避免误解,埃弗雷特多次对原先的初稿进行了删减,删除了很多关于世界分裂的内容,以及一些容易引起歧义的论证,最后仅剩原稿的三分之一。


        为了避免极端的解释,埃弗雷特对于相对态实在性的解释非常含糊,在被人直接质问时,埃弗雷特要么闪烁其词,要么用一套固定的说辞进行回应,始终没有正面肯定回答。


        而德维特对这个问题的解释却彻底得多,他将相对态进行了彻底的本体实在的解读,认为每个分支都对应着一个真实的世界,在一次测量后,叠加态的所有可能状态都实现了,其他的态并没有因塌缩而消失,而是存在另外的世界,其中有和我们一样的测量仪器和观测者,测得了不同的结果。


        尽管因德维特离奇而大胆的解读,多世界解释得到了迅速传播。但是,从埃弗雷特给赖布朗德(L.Leblond)③的回信中可以看出,多世界解释并不符合他的本意,但他并未公开指出。其原因大概有两点:


        一方面是出于对德维特的感激,是德维特的解读极大地推动了相对态解释的传播。


        另一方面埃弗雷特博士毕业后,放弃了物理学研究,转而从事博弈论的应用研究,不想卷入学术纠纷。


        在写博士论文时,埃弗雷特就强调,他的解释是对传统解释的补充而非反叛,同时也极力避免和正统解释观点上的冲突。


        另外,从埃弗雷特的文本中可以看出,他更喜欢用分支、元素、相对态等词语来表述他的理论,而不是现在普遍流行的世界分裂、平行宇宙等。


        因此,本文试图纠正这一错误的认识,系统论述相对态解释与多世界解释的不同,并对其核心内容进行比较。


相对态解释的基本内容及埃弗雷特的辩护


        埃弗雷特从来没有想过要推翻传统的量子力学解释,而是从测量难题入手,来对传统解释进行补充。


        在他看来,传统解释在处理测量问题时有很多困难,特别是冯·诺伊曼将测量前后两个过程进行了严格的区分,测量前波函数处于连续演化的叠加态,测量后则突然塌缩到了一个随机的状态。


        一方面,传统解释完全无法解释这两种完全不同的动力学过程为何会在一次测量中同时出现。


        另一方面,传统解释无法对观测者在测量中的地位给出明确定位。


        对此,埃弗雷特在他的相对态解释中给出了完整的解答。


        首先,在整体思路上,传统解释试图从哲学上来解决测量难题,将其看作一个认识论问题;玻姆的隐变量解释认为量子力学的形式体系是不完备的,需要添加隐变量来进行补充;而在埃弗雷特看来量子力学的形式体系是完备的,只需基于波动力学的基本形式,便可构建完整的解释体系,并解决测量难题。


        他试图从波动力学出发,“将概率作为一种主观呈现,使理论与经验相符合。最终的理论在客观上是连续的、因果的,而在主观上是不连续的、概率的”④。


        其次,为了更好地描述人的经验,埃弗雷特将观测者的状态也作为一个变量,带人波动力学方程中。他认为波函数也可以描述观测者这样的宏观物体,不存在微观和宏观的区分。


        这样,用一个宇宙波函数便可以描述包括被测物体、测量仪器以及观测者在内的所有的事物,被测物体和观测者作为一个整体进入到方程中,不需要再对两者进行区分。


        最后,方程中的宇宙波函数,作为一个整体,在薛定谔方程中线性地、决定性地演化,没有两类演化,也没有塌缩。


        在一次测量之后,“不存在单个的测量态,而是一个组合系统的叠加态,其中每一个观测态都有一个确定的、相对的客体系统态与之对应”⑤。


        相比于德维特的多世界的解释,埃弗雷特希望用一种简单明确的语言来解释波函数的特征,不包含任何先验的主观假设和形而上学。


        埃弗雷特主要从以下几个方面来对相对态解释进行了辩护。


        第一,在基本理论层面持逻辑经验主义的观点,反对形而上学。1957年,埃弗雷特在写给德维特的信中,明确地表达了自己对物理学理论的本质和目的的看法。“首先,必须澄清我对物理学理论的一般看法。


        在我看来,任何物理学理论都是一个逻辑结构(模型),包含自身所处理的符号和规则,其中的一些要素和感觉世界相联系。如果这种联系是同构的(isomorphism),至少同态(homomorphism),我们就可以说这个理论是正确的,或是可信的。任何理论的基本要求是逻辑的一致性和经验的适当性。


        但是,并非所有理论都满足此条件,其他标准如:有效性、简单性、统合性等都必须依赖于以上要求。


        不用问理论是否为真或实在,能做的只是去拒绝那些与经验感觉不同构的理论。”⑥


        接着,埃弗雷特进一步论述,将理论推广至“作为对世界形而上学的描述”是一种方法论错误。


        在此,埃弗雷特持逻辑经验主义的观点,认为理论仅仅在逻辑和经验层面进行讨论,不应当与“实在”等形而上学的本体相混淆。


        第二,支持模型实在论。埃弗雷特认为,科学无法对实在作出最终的说明,无法描述自在实在,而只能在科学自身构建的模型中认识实在。“当一个理论取得成功(经验上)并且有坚实基础,这个模型便倾向于与‘实在’(reality)本身相符,理论作为模型的本质便被掩盖了,经典物理学的发展为此做了一个极好的展示。


        经典物理学本质上与我们头脑中虚构出的其他理论一样,我们仅仅是对它更有信心。因此,说经典物理学比其他更实在是错误的。”⑦


        “一旦我们认为物理学理论本质上仅仅是一个经验世界的模型,我们就必须放弃任何寻求正确的理论的企图。可能存在很多不同的模型都与经验相符。”⑧


        在此,埃弗雷特的观点与建构论者的观点相似,他试图将科学理论局限在模型中,仅从逻辑与经验相符两方面进行验证,而其他评价标准,诸如简单性、完备性、统合性都可以还原到这两个标准。


        而关于实在论等形而上学讨论都应当从物理理论中排除出去,交给哲学家们去讨论。“理论物理学的目标仅仅是提供有用的模型,且随着时间的推移新的模型会淘汰掉旧的模型。”⑨


        而德维特的解释则一开始就试图给相对态解释一个实在论的解释,试图将相对态中的分支对应到实在世界中,从而产生了多世界解释。


        由此看来,德维特的解释与埃弗雷特的解释之所以不同,就在于他们各自对实在的理解完全不同。


        德维特理解的实在是在经典实在的层面上的,与爱因斯坦的观点类似,而埃弗雷特理解的实在仅是模型意义上的。


        或者更直接地讲,埃弗雷特本质上是反实在的,他多次使用reality一词都仅仅是局限在自己理论的框架下,而不是与经典的实在定义相对应来理解的。


        第三,站在实用主义的立场。从根本上讲,埃弗雷特是一个实用主义者,在量子力学中之所以会出现各种各样的悖论和争议,究其根源都是人们过度关注物理学现象的形而上学解释。


        在埃弗雷特看来,一个实用主义者不应当把精力放在形而上的层面,因为最终不可能有结果,认识论是无法统一的,每个人都坚持不同的信仰和价值判断;而物理学作为一门追求客观知识的学问,应当排除这种先天的价值预设,并将所有关于理论的评价和分析归结到两个明确无歧义的标准,即逻辑一致性和经验适当性,而且其他的标准都必须最终还原到这两个标准。


        在对一个理论的整体评价中,应当遵守“成本—效益”原则,在对两个理论相比较之中,取逻辑更强、解释更多经验的那一个;对于某一个理论也尽量使用最少的假设,得到最多的经验验证。


        这种认识论与他长期研究博弈论有很大的关系。


        不过,埃弗雷特并没有对他的相对态解释结合这些原则作更多的解释,只是就一般意义讨论物理学理论的一般特征,但是从他这些对物理学根本层面的认识中,我们基本可以推测出他对相对态解释的看法。


        埃弗雷特的主要目的是在既定的形式体系的基础上作出一定的修正,以消除测量难题带来的矛盾;而在进一步的解释方面没有进展,且很含糊。


        从上文分析中可以看出,埃弗雷特似乎仅仅在相对态的框架下发展其理论,反对再作进一步的形而上学解释。但也有研究资料表明,他似乎曾试图将其理论解释为分裂的观测者(splitting observers),也试图解释为多世界(many worlds),不过最终还是放弃了。⑩


多世界解释推理的逻辑分析


        从某种意义上讲,关于理论的解释都是建立在理论形式体系的基础之上的,要理解多世界解释的推导逻辑,必须要从根本上澄清德维特和埃弗雷特各自对于形式体系与解释内在关联的认识。


        埃弗雷特认为:“纯波动力学的数学形式可以产生自身的理论解释,不需要添加任何形而上学的假设。”(11)


        德维特接受了埃弗雷特这一假定,并将其看作一个元定理,作为整个解释的基础。在他看来多世界解释是量子力学的数学形式自然产生的解释。


        这个观点虽然最初来源于埃弗雷特,但俩人对其理解并不相同。因为从逻辑上看,上述所谓元定理本身就是矛盾的。


        纯粹的数学形式推导出的只能是数学定理,无论如何也推导不出唯一的解释。形式体系和解释的关系是非充分决定的,解释本身必然会包含人们的主观理解,是形而上的。


        解释的形成需要数学形式加上某种解释原则,这种原则通常是预设的、非数学的、无法进一步证明的,取决于人们对于理论更深层次的理解。


        从多世界解释的发展脉络来看,这种预设的解释原则很明显。相对态解释预设波函数可以对包括测量仪器、观测者甚至整个宇宙进行完备的描述;多世界解释预设数学形式等同于实在,多心灵解释预设身心二元论,多历史解释预设世界本体的唯一性,最新的“突现世界解释”(the emergent-world interpretation)预设量子态是最基本的实体。(12)


        其中,相对态—多世界—突现世界,三种解释分别体现了对于上述元定理的三种截然不同的理解。


        在多世界解释中,德维特几乎全部接受了埃弗雷特关于相对态解释的内容,包括其理论的基本假设以及结论,但是德维特无法忍受埃弗雷特关于理论对应的实在解释的闪烁其词。


        于是,他对相对态解释进行了一个彻底的本体论解释,将多个实在世界的存在作为其理论的核心特征,认为每一次测量后世界都进行了一次分裂,并将理论重新命名为“多世界解释”。


        在多世界解释的框架下,德维特重新对“薛定谔的猫”的理想实验进行了解读。在冯·诺伊曼的解释中,突出了观测者对实验结果的决定性作用。


        在人没有打开盒子时,宏观状态的猫和微观状态下的放射源的状态纠缠在一起,波函数没有塌缩,于是猫处于既死又活的叠加状态。


        而一旦打开盒子,波函数会立即塌缩到一个确定的状态,要么放射出一个粒子激发毒气,猫死;要么不放射,猫活。


        我们要么看到死猫,要么看到活猫,仅仅有一种状态发生。


        从直观上看,似乎就是因为观测者那“上帝的一瞥”,使得波函数塌缩,使放射源“被迫”在放射和不放射粒子之间作出“选择”。


 

       原子是如何感知人的观测的呢?


        从观测行为的结果上看,似乎是人的观测改变了原子的状态,人的行为决定了这一切。


        这样,人的观测行为本身将主观因素引入了系统,看起来猫的死活不取决于打开前原子的客观状态,而是决定于打开盖子的瞬间。


        在多世界解释的框架下,这个主观决定客观的悖论便消失了。因为在观测后,宇宙波函数分裂,对应地世界也分裂为两个,其中一个世界中猫死,另一个世界中猫活。


        人的观测只是客观地记录自己所处世界中猫的客观状态。然而虽然多世界解释避免了波函数的塌缩,但却带来一个更加严重的问题:就因为观测者的“一瞥”整个世界瞬间分裂为两个。


        世界分裂的机制是什么呢?德维特没有回答。


        我们为什么感觉不到另一个世界的存在呢?德维特认为两个世界分裂之后各自演化,不会再互相影响。就这点来看,很难讲多世界解释要优于正统解释,很多学者认为多世界解释如何优于其他解释论证,在笔者看来是很牵强的。


        另外,多世界解释还有很多致命的问题,如首选基问题、概率问题等,本文暂不涉及。


        总之,德维特所持的观点是一种极端的数学实在论,认为所有的数学形式都是与实在世界一一对应的,他将埃弗雷特所说的数学形式可以自然生成自己的解释,简单地理解为数学等同于实在。


        而在最新的突现世界理论中,华莱士试图将波函数看作类似经典电磁波的实体,然后推导出世界存在的本质,而不仅仅是位形空间中的一个数学符号。


        他假设量子态是构成世界最基本的实体,是和经典引力场和电磁场一样的客观存在,整个世界是从量子态中突现出来的。


        在对波函数进行实在解释时,华莱士与德维特有很大的不同,他并不坚持一定要对波函数解释为分支世界,或者说他并不是从某种形而上学出发,断定波函数与实在世界的直接联系,而是试图从波函数出发导出世界的存在。


        量子力学是描述量子态的动力学基础,如果说德维特的论证是自上而下的,那么华莱士的论证便是自下而上的;他并不试图对世界作出任何断言,而是从波函数作为最基本本体出发,世界从波函数突现或生成,世界的呈现作为一种表象,其根源是波函数作为一种实在的作用场而起根本性之作用。


        这样,量子态是一种最基本的实体(和电磁场和引力场类似),便作为一个先验假设出现在论证中。


        如此看来,单纯一句形式体系生成自己的解释,似乎并不能引导我们作出唯一可信的解释,尽管形式体系本身是解释的必要基础,是不可或缺的,但并非充分条件。


        解释本身除了需要依据客观的数学形式,更重要的是依赖于人们对于理论的深层次的理解,仅从表象的数学形式中洞察背后的规律性,往往会走上歧途。


        当然,通过“深层理解”作出的假设也一样存在问题,必然会带有很强的主观性。


        在解释世界的过程中,尽管有科学的形式作为依据,但是个人的形而上学的观念往往会发生更重要的作用。


        从上文分析可以看出,对于同一个形式体系,在不同的解释框架下,发展出了完全不同的世界图景。



        多世界解释单从形式体系看,与相对态解释完全相同,但却作出了世界分裂的断言。


        在对相对态解释本身的考察中可以看出,埃弗雷特只是试图修正量子力学的形式体系,以消解传统解释的矛盾之处;而德威特在形式体系导出其解释这一元定理的前提下,从相对态推出多世界解释,此外没有其他依据。


        单从逻辑上讲,德威特导出多世界解释的论证方式是有很大问题的,也和埃弗雷特的原意相悖。


作者简介:乔笑斐,张培富,山西大学科学技术哲学研究中心。

人大复印:《科学技术哲学》2017 年 01 期

原发期刊:《哲学动态》2016 年第 201610 期 第 106-110 页

关键词:多世界解释/ 相对态解释/ 形式体系/ 埃弗雷特/


注释:

①R.Healey,How Many Worlds?,,18,1984,pp.591~616.

②H.Everett,On the Foundation's of Quantum Mechanics,PHD thesis,Princeton University,Department of Physics,1957.

③⑨J.Barrett,Everett's Pure Wave Mechanics and the Notion of Worlds, European Journal for Philosophy of Science,2,2011,p.293,p.287.

④⑥⑦⑧H.Everett,The Theory of the Universal Wave Function,The Many-worlds Interpretation of Quantum Mechanics,B.S.DeWitt,& N.Graham(eds.),Princeton University Press,1973,p.10,p.134,p.134,p.111.

⑤H.Everett,Letter from Hugh Everett III to Bryce DeWitt dated May 31,1957,Forthcoming in the UCISpace Everett Archive Funded by NSF Award No.SES-0924135.

⑩B.DeWitt,Quantum Mechanics and Reality,Physics Today,23,1970,pp.30~35.

(11)贺天平:《量子力学多世界解释的哲学审视》,《中国社会科学》2012年第1期。

(12)D.Wallace,The Emergent Multiverse:Quantum Theory According to the Everett Interpretation,Oxford University Press,2011.


原文发布时间为:2017-12-11
本文作者:量子君
本文来源:量子科学,如需转载请联系原作者。

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