劉月生, 韓 鋒

(1.新疆醫(yī)科大學,新疆烏魯木齊 630054; 2.河池學院,廣西宜州 546300)

新測量觀的重大變革
——評成素梅教授的測量哲學

劉月生1, 韓 鋒2

(1.新疆醫(yī)科大學,新疆烏魯木齊 630054; 2.河池學院,廣西宜州 546300)

從量子力學的測量問題引發(fā)出來的“相對測量觀”,是成素梅教授等一批當代科學家和科學哲學家從觀測事實上升到哲學高度提出來的一種“測量哲學”。它在主客體的關系問題上有著革命性的意義。本文分析相對測量觀與經典的“絕對測量觀”的區(qū)別,說明它與“觀控相對論”的一致性。

測量哲學;相對測量觀;經典測量觀;觀控相對論

一、以經典物理學為背景形成的測量觀面臨著重大變革

長期以來人們一直以為,他所面對的被觀測對象(客體)與觀測主體之間存在著明確的分界。事實果真如此嗎?回答是否定的。在經典物理學中,測量儀器是感官的延伸,是測量主體的組成部分,它只是測量主體的感知工具,而測量主體的作用就是被動地感知和記錄測量信息的過程。在這個過程中,主客體分界明確,測量僅僅只是主體被動的形式觀察,測量的結果就是與被觀測對象的物理屬性相對應的物理量的值,這種在經典物理學基礎上建立起來的測量觀,可稱之為經典測量觀,或絕對測量觀。

對量子力學中觀測過程的實際分析,從根本上動搖了上述經典概念。海森堡從光子顯微鏡的理想實驗得到的測不準關系:△X·△Px得到了大量實驗觀測事實的明確肯定,它被以N.玻爾為代表的哥本哈根學派表述成為微觀粒子坐標和動量的互斥互補性。由于粒子的位置和動量都應該是“物理實在”的兩個要素,但卻不能在一個實驗中同時準確地出現,從而被愛因斯坦等人認為這是量子力學不完備的表現。

要解決這個量子力學的完備性問題,就必須回答:為什么會有這個測不準關系?事實上,在經典物理學中的那種“信息的客觀性”是不存在的?！靶畔⒉皇强陀^存在的,而是主體對客體作測量時才共同制造出來的?！盵1]應該認為,在測量之前,像坐標和動量這樣的物理量并非事先就已經存在等待著我們去測量,它們是在測量過程中才產生出來的。測量過程也就是獲得信息的過程,它并不是一個簡單的“反映”過程,而是一個主體對客體的變革過程,信息就是在這個變革過程中產生出來的。

新的測量觀隱含著這樣一個重要的基本假定,即,被觀測值是由測量過程本身所產生的值,而不是在被測量對象的狀態(tài)受到測量相互作用的干擾之前的可觀測量的“本來”值。因為在測量之前,并沒有這樣的值存在。那個等待著我們去把它“發(fā)掘”或者說“反映”出來的東西并不存在,存在的是主體變革客體出現的現象及其規(guī)律。觀察者并不是旁觀者,我們的宇宙是一個人參與的宇宙,觀察者是現象的參與者。

如果我們把測量看作借助于人們所構建的理論框架對被觀測系統(tǒng)實行的某種變革,從而獲得某種信息的過程,那么,成素梅教授所提出的新測量信息觀就是很有意義的了。她認為:在量子力學誕生之前的經典意義上的測量觀,“在某種意義上,被測量的值不是由測量過程本身所產生出的值,而是在被測對象的狀態(tài)受到測量相互作用的干擾之前的可觀察量的值”[2]。經典測量觀認為,在測量之前就存在著某種“代表被測對象所固有的內在特性的值”(本文作者之一劉月生稱它為“結構信息”)。新測量觀則認為不然,“這個值是在測量過程中形成的”(本文作者之一劉月生稱它為“交換信息”)。為了強調這是一個重點突破,她在對比新舊兩種測量觀后指出,在經典測量觀那里,“一種公認的觀點是,認為科學理論所描述的實在、測量所得到的實在與自在存在的實在這三者之間存在著某種等同關系”[2]。

實際上,這個世界在人們沒有通過某種操作變革它從而認識它之前,如果說它是不依人的主觀意志而客觀存在著的話,那也是一種“自在之物”(物自體),它是一種絕對的東西,本身并不給出什么信息,或者說所有可能被提取的信息都是潛藏著的。主體對客體的認識就是對客體的一種測量操作,一種變革 (這在量子力學中就是一種算符運算)。這種變革使“自在之物”轉化成為“為我之物”,就成為我們所說的現象?，F象并不是純客觀的,它是主客體相互作用的結果。我們可以把這個原理作為我們“觀控相對論”在宏觀領域的認識論原則,就稱為“康德原理”。著名物理學家惠勒說得好:“現象非到被觀察到之時,決非現象。”這就是說,現象取決于主體在做實驗安排時的布置和期望,因而實際上是“我們的思維決定我們能看到什么”。所以倪光炯教授說:“我們想看什么,我們才能夠看到什么?！卑粗袊糯軐W思想的觀點來說,就是“天人合一”。

《禮記·大學》中說:“致知在格物,物格而后知至?！薄案裎镏轮笔侵袊糯寮宜枷氲囊粋€重要概念。這里所說的“格”有兩重意思,一是研究,二是變革,在變革中認識世界。可見,“信息來自變革”這個重要思想,在中國的哲學思想中已經有了悠久的歷史。只是在近代物理學發(fā)展起來以后,人們在新的基點上對它的認識又大大地深化了。中國的學者們從哲學和科學的角度,得到了與康德和中國古代學者們同樣的認識,這不能不說是人類認識史上的一個巨大飛躍,而這只有在科學發(fā)展到今天這樣深入的情況下才有可能。

二、相對測量觀如何可能

成素梅教授從哲學的角度,強調新的相對測量觀對經典的絕對測量觀構成了實質性的挑戰(zhàn):如果說光速 c的發(fā)現,改變了人們對“時間 ”、“空間 ”、“物質 ”、“運動 ”等概念相互關系的理解,由此而確立了相對時空觀,那么,“作用量子”h的發(fā)現,就從根本上改變了人們對“測量 ”(觀測、控制及觀控模式 )、“現象 ”(觀測者參與的經驗世界)和“客觀性”觀念的理解。事實迫使人們必須從主客二分的經典絕對測量觀過渡到多元的、以主體間性來確立整體性的相對測量觀。

作為相對測量觀的倡導者之一,成素梅教授有一句話概括得很好:這種測量觀“必須重新思考理論實在、對象性實在與自在實在之間的關系問題,特別是必須回答理論實體的本體論地位的哲學命題”。因此,“相對于理解科學而言,理解測量要比理解理論更基本、更具體”[2]。

有人曾提出以“退相干綱領”來闡述這里所反映出的核心思想:為了用量子力學術語適當地描述一個物理系統(tǒng)的行為,“必須考慮該系統(tǒng)與它的環(huán)境自由度之間無所不在的相互作用”[3]。這里提出了一種關于量子測量問題的解釋,它認為,與環(huán)境的耦合引起量子振幅脆弱的相位關系很快消失[4]。

新的相對測量觀把這種解釋概括為:“量子理論只是對可觀察現象之間的關系的描述,而不是對獨立存在的量子客體的固有屬性的描述。”[2]這樣一來,量子理論所描述的實在、量子測量所得到的實在與自在存在的實在之間,就不再具有一一對應關系。而正是這種關于自在實在、對象性實在與科學實在之間關系的理解,才決定性地推動了新測量哲學的發(fā)軔。這里的科學實在,也稱作“理論實在”,在物理學中更常稱作“物理實在”。這是“由人的活動 (實踐的和認識的、感性的和理性的)而在科學理論中所描繪出的實在”[5]149。自在實在相當于康德的“自在之物”,它自在地存在著,在我們沒有認識它之前,它談不上任何性質,甚至也構不成現象。對象性實在和科學實在相當于康德的“為我之物”,不過被更細化了。在我們認識它之時,它是對象性實在,是與人 (觀測者)發(fā)生了直接的或間接的相互作用的實在。而在我們認識它之后,它就成為科學實在,是上升到理論形式的實在。從這種分野上來看,描述現象規(guī)律的理論,并不能被認為是“純客觀”的,它既不屬于客體 (自在實在),也不屬于主體 (觀測者),而是主體與客體相互作用的產物。“科學理論既不是完全主觀的,也不是自然界本身,而是人與自然界關系的產物。”[5]154

具體些說,從量子力學看“物理實在”究竟是什么?成素梅教授正確地指出,量子糾纏態(tài)的退相干綱領解釋已經預設了波函數的幾率解釋,因此它本身并不能完全解決量子測量問題。在系統(tǒng)與環(huán)境的相互作用中,那個環(huán)境必須包括作為參與者的觀察者。過去,人們一直認為,“物理實在”可以不受觀察者以及觀測條件的任何“干擾”就能夠確定其狀態(tài)、性質及其量值的客體。量子力學的誕生,使人們意識到觀測到的現象以及觀測后所得到的數據都并不是純客觀的。在實驗過程中,不可能有“無干擾”的觀測,觀測必然會使客體本身發(fā)生改變。要觀測就不能無干擾,要無干擾就不能觀測。這樣一來,通過觀測所得到的是由主體和客體相互作用共同產生的現象 (及其規(guī)律),這就是量子力學所認為的“物理實在”。在我們認識它之前,它獨立于我們的意識之外,是沒有任何性質、不包含任何信息的“自在之物”,它是一種絕對的東西,當然也不為我們所知。當我們認識它之時及認識它之后,它便轉化為“為我之物”,也就是我們所說的現象。反映出一系列數據,這才是相對的被我們所認識的東西。

實際上,無論個體還是環(huán)境,在本質上都是無限的和相互聯(lián)系著的。環(huán)境 (包括觀測者)在破壞體系的量子相干性而完成測量的過程中起著關鍵的作用。儀器當然也是環(huán)境的一部分,它的作用以它與待測客體的新的量子關聯(lián)(糾纏態(tài)),來代替 (或者說破壞)原來存在于體系中的量子關聯(lián) (糾纏態(tài))[6]。

相對測量觀對上述量子測量現象的理解是:量子測量的結果所反映的并不是關于可觀測量的存在值,這個值其實并不存在。觀測得到的可觀察量的值,是既屬于量子系統(tǒng)也屬于實驗設置的?？陀^性不再是指對客體在被觀察之前的內在特性的揭示,那個特性其實也并不存在。客觀性已經具有“在主體間性的意義上是有效的”這一新的含義?！翱陀^性”概念的含義所發(fā)生的語義上的變化,“它允許你任意地把一個觀察者的觀點,傳達給另一個觀察者”,只要能向所有的觀察者說明現象具有等量信息的可能性,就能保證這種轉換的可行性。

三、相對測量觀與“觀控相對論”的一致性

作為認識主體的人的作用和地位是不能忽視的。在主體觀測和控制客體的過程中,主體與客體的區(qū)分往往只具有相對的意義。我們將互補原理、人擇原理和康德原理 (或“反身性原理”)建構成為一個“觀控相對論”的理論框架,現在看來,這個問題是越來越清楚了。

對于微觀現象,我們有互補原理。如果深入地而不是庸俗地理解這一原理,你就不得不承認,這是一個很重要的思想,絕不是一個隨隨便便、為回避進一步追究而采用的權宜之策。微觀客體具有波粒二象性是一個無法否認的觀測事實。然而,它表現為粒子性還是波動性,完全取決于實驗者的實驗布置,這就不能不和人有關,和人的觀測有關。

在本質上,波粒二象性與互補原理是同義語,而測不準關系則可看作互補原理的數學表述。因為一個微觀粒子有位置,這是客體粒子性的表現;它又有動量,聯(lián)系著波的特征,這是客體波性的表現。位置不準量和動量不準量都有一個最小限度。它們相互制約著,一個測得越準確,另一個就將測得越不準確。這是什么原因呢?實際上,像這樣物理上的可觀察量,在沒有測量它們之前,并不是本來就存在著、等待著我們去提取的數據。在沒有測量它們之前,它只是可能有著由潛變顯的可能性;只有測量行為對客體的變革 (或“干擾”),才能使這種可能性變成現實性。這就是說,像這樣的物理量,是主體通過客體共同創(chuàng)造的,并不僅僅屬于客體[7]。

宇宙學建立在廣義相對論的基礎上,是研究宇宙的產生、演化、發(fā)展的一門近代科學理論。當前宇宙天體的現狀和人類對它們的認識,自然衍生出這樣一個問題:我們的宇宙,或者一般的,我們所面對的自然界,為什么是現在這個樣子的?它的各個自然常數,如,c等,為什么必定是取這樣的數值?還有,描述它的各種現象的規(guī)律為什么必定是這樣的形式?經過仔細分析后得出這樣的結論:原來,正是這些規(guī)律和這些參數的配合,才使我們這樣的人類得以出現和存在。否則,也就沒有觀察者來觀察和提出這個問題了。按照萊布尼茲的說法:“我們這個世界是上帝選擇的他所創(chuàng)造的世界中最好的世界。”[8]這就是人擇原理。

在我們人類生活所構筑的這個尺度的時空中,我們用康德原理來說明參與者的認識在認知過程中的重大作用。在我們之外,是否存在一個不依我們人類的主觀意志為轉移的客觀世界?對于這個重要問題的回答,從牛頓到愛因斯坦,一切真誠的科學家的回答是一致的——肯定有。否則,如果一切都是心造的幻影,那么如何回答人類認識結果的共同性?如果不承認世界的客觀存在,自然科學也就失去了研究的對象。著名哲學家康德對這個問題的回答是這樣的:他在分析我們的認識如何可能時,承認——作為一個假設——在我們之外存在著一個不依我們的主觀意志為轉移的客觀世界,但它在我們認識它之前,只是一個沒有任何性質,或者說蘊藏著無限可能性的、與人無關的實體。他把它稱為“自在之物”或者“物自體”,它作為認識的必要條件“自在”地存在著,僅此而已。當我們人類 (包括可控地使用他們的儀器)觀測和控制它、與它發(fā)生相互作用 (或者稱為擾動、干擾、變革了它),就產生了現象,“自在之物”就變成了“為我之物”?？梢?現象是作為與主體的人有關的,不是屬于純客體——自在之物的,它是主體和客體相互作用的結果。一切自然科學 (也包括社會科學)所研究的對象都是現象,是現象的規(guī)律,是“為我之物”的規(guī)律,而不是“自在之物”的規(guī)律。嚴格地說,“自在之物”是無所謂規(guī)律可言的。在康德看來,“作為物自體的任何對象不可能有什么知識,而只有當它是感性直觀的對象,也就是作為現象時,才能有知識”[8]?，F象必須從物理學上來研究,而物自體則必須從形而上學上來認識?，F象和物自體的劃分是一直貫穿在康德的哲學思想中的。

就像哥白尼把天體運動的中心從地球轉移到太陽上去一樣,康德把自己的這一觀點:即把人類認識的中心從物自體轉移到現象上去,也稱為是一個“哥白尼式的革命”。那么,在自然科學的研究中,把主體從物 (對象)轉移到人 (觀察者),難道不也是一場“哥白尼式的革命”嗎?

在量子力學出現以后,如果用這個觀點去看待微觀現象,那它的那些令人難以理解的奇特行為就一目了然了。原來,人們過去之所以難以理解,那是因為我們用舊的認識框架去套新的實驗事實的結果。這種框套,對宏觀經典現象,還不至于出現多大的偏差,但當認識再深入一步,到了微觀領域時,就顯出了它明顯的不適應,發(fā)現有問題了。事實上,不是量子現象有問題,而是我們的認識有問題。只要修正我們的認識,事物的本來面目——對量子現象規(guī)律的理解,也就自然地順理成章了。

我們曾在《物理哲學》中借用索羅斯的“反身性原理”來說明參與者的認識在事物進程中的巨大作用。它與這里所說的“康德原理”說的是同一個事情,只是范圍略小了一些。美國金融學家 G·索羅斯指出:單純建立在通過供給和需求相均衡的市場機制來調節(jié)價格基礎上的古典經濟學理論 (亞當·斯密的“看不見的手”)和凱恩斯理論 (國家通過政策干預經濟生活)都是有缺陷的,市場的參與者不僅根據現行價格,而且還根據對未來價格的期望來進行決策。一方面,參與者的認識作為決策的依據,影響著事件的進程;另一方面,事件的進程又影響著參與者的認識。這種雙向的整體動態(tài)過程貫穿于事物發(fā)展的始終,暫時的平衡只是相對的[9]。在宏觀自然中,和在經濟學中一樣,主體與客體的作用是相互的。主體作用于客體,同時又被客體所作用。主體和客體的區(qū)分在某種意義上來說是相對的。

玻爾最早提出互補性原理來理解量子測量過程,這使他能夠超越經典的絕對測量觀,為建立相對測量觀奠定了牢固的基礎。但與此同時,也留下了兩個惱人的關于“觀控相對界”的問題[10]:

第一,關于在實驗設置中物理系統(tǒng)的測量儀器與被測量對象的劃界問題。因為對物理現象的量子描述必須進行經典描述,才有可能成為我們能夠理解的。所謂波粒二象性悖論,乃是由于試圖用宏觀經典物理學概念和語言去闡釋微觀現象所造成的結果,而這種闡釋又是不可避免的。對于測不準關系中的坐標和動量等共軛變量也應作如是理解:它們都是描述宏觀客體的物理量,對于微觀客體,本來就沒有這樣的量,正是我們的測量產生了這些量和這些量之間的關系。

這樣一來,就馬上出現了這樣的問題:作為被觀控的微觀客體與對它進行闡釋的分界,究竟應該劃在哪里?或許,這個觀控相對界根本就不存在?如果真是后者,那立即就會出現關于是否主體與客體不可區(qū)分的問題。

第二,既然玻爾與海森堡都認為,量子理論只是對可觀察量之間的關系的描述,而不是對獨立存在的量子客體的固有屬性(如果有的話)的描述,那么現象間的關系就既可以看成是量子測量對象 (客體)與測量儀器 (主體)發(fā)揮人的主體性作用的“觀控”關系,又可以看成量子系統(tǒng)與環(huán)境相互作用的主體間性關系。這又引導出關于主體與客體是否不可區(qū)分的問題。

從玻爾凸顯微觀物理學中不能保證在“現象”(客體)與“觀察”(主體)之間達到明確區(qū)分的困難中,我們看到他借用了心理學上的自我意識過程分析,那里同樣存在著主、客體間邊界是可變的與相對的困難問題。如果說心理學的感覺主體有可能成為事實上自我意識的一部分,從而限制了客觀地進行自我認識的可能性,那么,量子觀測中的觀察儀器也就與觀測主體和觀測客體共同構成了一個不可分離的整體。觀控相對界在這里將主體和客體緊密地聯(lián)系了起來,使得觀測到的現象規(guī)律,既不完全屬于客體,也不完全屬于主體,而成為它們之間相互作用的產物。

如果我們一定要把在主體與客體之間有確定的分界線,看成是有可能進行客觀觀察的前提條件,看成是有可能認識客觀世界的前提條件,即是有可能客觀地獲得關于物理世界的感覺經驗的前提條件的話,那么,在這個意義上,我們就不可能說量子系統(tǒng)的特性是獨立于觀察主體而存在的?；蛘哒f,不能夠把量子測量的結果解釋為是對客體的內在屬性的反映[2]。

總之,玻爾提出互補性原理來詮釋量子測量過程,在量子力學發(fā)展史上應該說是一個很大的進步。經過 20世紀一大批科學家和科學哲學家的深入思考,匯流為量子測量的整體性解釋,人們終于搞清楚了:量子測量的結果只是對依賴于測量語境的量子系統(tǒng)的某種相對特性的反映。這種相對特性由于與特定測量主體無關,因而應該被承認是客觀的。

由此推之,客觀性不再是指對客體在被觀察之前的內在特性的揭示,而是具有“在主體間性的意義上是有效的”這一新的含義。在量子理論中,這種客觀性是由允許你任意地把一個觀察者的觀點,傳達給另一個觀察者這種變換來保證的。

最后,我們想再次強調,在量子測量的整體性解釋的完善過程中,從相對測量觀必然會達到“觀控相對論”的進一步探索。

[1] 倪光炯,王炎森.物理與文化——物理思想與人文精神的融合:第二版[M].北京:高等教育出版社,2009:288.

[2] 成素梅.從測量解釋理論到測量哲學的興起[J].河池學院學報,2007(1).

[3] 李宏芳.退相干和量子力學的解釋[J].河池學院學報,2009(3).

[4] [英 ]安東尼·黑,帕特里克·沃爾特斯.新量子世界[M].長沙:湖南科學技術出版社,2005:27.

[5] 成素梅.科學與哲學的對話 [M].太原:山西科學技術出版社,2003.

[6] 倪光炯,陳蘇卿.高等量子力學:第二版 [M].上海:復旦大學出版社,2004:458.

[7] 倪光炯,等.改變世界的物理學 [M].上海:復旦大學出版社,1998:468.

[8] 楊祖陶,鄧曉芒.康德三大批判精粹 [M].北京:人民出版社,2001:編譯者導言.

[9] 韓鋒.物理哲學——觀控相對論的元物理學[M].香港:天馬出版有限公司,2006:65.

[10] 劉月生,王德奎.觀控相對界與信息范型——兼評兩種量子力學的新解釋[J].河池學院學報,2004(4).

The Sign ificant Reform of NewM easurement Viewpo int— Comment on Cheng Su-mei’M easurement Philosophy

L IU Yue-sheng1,HAN Feng2

(1.XinjiangMedicine University,Urumqi 830054,China;2.HechiUniversity,Yizhou,Guangxi 546300,China.)

The"RelativeMeasurementViewpoint"caused by the problems of Quantum Mechanics is a kind of"Measurement Philosophy",which is put forward by professor Cheng Su-mei and a group of contemporary scientists and science-philosophers through observation to facts then progressed to the degree of philosophy. It has a revolutionary significance both in subjectively and in objectively.This thesis analyzed the difference between the"RelativeMeasurementViewpoint"and the classical"Absolute MeasurementViewpoint",indicating that it is consistentwith"The Theory ofObservocontrol Relativity".

Measurement Philosophy;The RelativeMeasurementViewpoint;ClassicalMeasurementViewpoint;The Theory of Observocontrol Relativity

N031

A

1007-8444(2010)06-0742-05

2010-05-10

劉月生 (1938-),男,安徽樅陽人,教授,主要從事科學技術哲學研究。

責任編輯:王榮江