武明軒

（東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 上海 201620）

一、量子世界的測(cè)量難題

近一個(gè)世紀(jì)以來，測(cè)量難題一直是科學(xué)的核心，引起了國內(nèi)外科學(xué)家和哲學(xué)家的廣泛辯論。因此，從歷史角度來看，測(cè)量難題是神秘而困難的。本文追溯了量子力學(xué)測(cè)量困境的起源和內(nèi)涵，為進(jìn)一步地討論這個(gè)問題明確了目標(biāo)。

（一）第一個(gè)難題：測(cè)量結(jié)果難題

當(dāng)赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)時(shí)，包括波浪理論和粒子理論在內(nèi)的所有古典物理學(xué)思想都未能對(duì)這一新現(xiàn)象作出令人滿意的解釋。光電效應(yīng)是證明經(jīng)典物理學(xué)理論的（由牛頓和麥克斯韋爾表示），但并非完美的第一種方法。一個(gè)新的思想正在出現(xiàn)，在這個(gè)新思想中，有人綜合了光波和微粒的特性，并提出了“光波和微粒的雙重性”。在隨后的研究中，科學(xué)家將這一概念擴(kuò)大到電子。電子被認(rèn)為是包含所有基本粒子的普遍特性。量子理論最典型的特征，基本上是一種利用傳統(tǒng)物理學(xué)概念來理解量子原理的方法。大多數(shù)科學(xué)家堅(jiān)決反對(duì)這種“二元性”。例如，當(dāng)?shù)虏剂_意在1923年解釋電子時(shí)，他將“晶粒波動(dòng)狀態(tài)”描述為一個(gè)相位波。德布羅意認(rèn)為相位波其實(shí)只是真實(shí)的粒子，而虛擬非物理場(chǎng)沒有輸送能量或運(yùn)動(dòng)，它只是引導(dǎo)粒子的移動(dòng)和負(fù)載的移動(dòng)，因此測(cè)量結(jié)果難題成為“測(cè)量難題”最根本的問題?！皽y(cè)量難題”的第一個(gè)問題源于1926年波函數(shù)的幾率詮釋的提出，測(cè)量結(jié)果的統(tǒng)計(jì)性，也就構(gòu)成了“測(cè)量難題”中最基本的問題。

（二）第二個(gè)難題：同時(shí)性測(cè)量難題

同時(shí)衡量困難：對(duì)于一對(duì)糾纏的量子，如果同時(shí)觀測(cè)其中一個(gè)的位置與另一個(gè)的動(dòng)量，我們能得到什么？當(dāng)我們?cè)噲D回答這些問題時(shí)，我們面臨以下困難：第一，測(cè)不準(zhǔn)原理里的不確定性，在不確定性原則中是否會(huì)描述一系列措施的統(tǒng)計(jì)范圍或一項(xiàng)措施的準(zhǔn)確性？第二，非統(tǒng)計(jì)解釋認(rèn)為，單一措施產(chǎn)生的兩種不確定性之間的關(guān)系自然需要同時(shí)測(cè)量這兩種不確定性，不確定性原則是同時(shí)措施產(chǎn)生的不確定性的限度，完全反對(duì)同時(shí)采取這一措施。造成這種不確定性的原因在于測(cè)量過程的不受控制的干擾：正是因?yàn)闇y(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量設(shè)備只能被忽視，才對(duì)每一個(gè)觀測(cè)引入一個(gè)新的不受控制的物質(zhì)。

（三）第三個(gè)難題：測(cè)量過程難題

測(cè)量期間發(fā)生了什么？如果真的存在著從波束中提取，那么，波束究竟是怎么收縮的？其衡量過程中的困難是顯而易見的。第一，波束斷裂導(dǎo)致測(cè)量演變中的不連續(xù)，導(dǎo)致不完全的邏輯推理跳躍，甚至動(dòng)搖量子力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。第二，如果中斷被接受，跳躍是什么？跳躍的性質(zhì)是什么？薛定諤的貓理論也是這方面最極端的挑戰(zhàn)。在貓理論中，貓生死，這只是結(jié)果。這一結(jié)果如何從統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)闇y(cè)量過程中確定的現(xiàn)實(shí)？這正是衡量的挑戰(zhàn)所提出的問題。第三，在量子力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)框架內(nèi)不可避免地引入常規(guī)儀器。這種方式在測(cè)量過程中存在量子交織。量子糾纏是怎么發(fā)生的？如何實(shí)現(xiàn)解碼？這反過來又與第二個(gè)困境有關(guān)，對(duì)此沒有明確的答案。

二、雙時(shí)間維構(gòu)想的提出

為了解決上述問題，筆者提出雙時(shí)間維的概念，分別是物質(zhì)時(shí)間維t和意識(shí)時(shí)間維T。

我們首先可以嘗試接受這一思想：任何觀測(cè)結(jié)果都是意識(shí)對(duì)物質(zhì)世界的感知，任何物理模型都是意識(shí)對(duì)物質(zhì)世界的推測(cè)，任何所謂的宇宙都只存在于意識(shí)的主觀想象中。隨著時(shí)間的流逝，觀測(cè)者獲得更多觀測(cè)結(jié)果，對(duì)客觀世界的感知與推測(cè)進(jìn)一步加深。其中對(duì)客觀世界的推測(cè)中的時(shí)間維為t維，真正存在時(shí)間流逝的時(shí)間維為T維。每一個(gè)觀測(cè)者有對(duì)應(yīng)自己的T維，每一個(gè)觀測(cè)者擁有單獨(dú)屬于自己的認(rèn)知。

想象這一場(chǎng)景：設(shè)光子在t1時(shí)刻從光源射出，t2時(shí)刻到達(dá)光屏，一個(gè)觀測(cè)者在光屏上看到了光斑。對(duì)于該觀測(cè)者來說，當(dāng)t1＜T＜t2時(shí)，光子的狀態(tài)是未知的，t1＜t＜t2段光子呈概率云狀。當(dāng)T≥t2時(shí)，光子的狀態(tài)變?yōu)橐阎?，且可推知此前光子的狀態(tài)，光子在t維上的全段呈實(shí)體狀。

這樣，“同時(shí)性”的問題也得以解決。設(shè)t3時(shí)刻觀測(cè)者對(duì)一對(duì)糾纏著的量子中的一個(gè)進(jìn)行觀測(cè)，則T=t3時(shí)，這對(duì)量子同時(shí)坍縮為實(shí)體狀。這里的“同時(shí)”是僅相對(duì)于該觀測(cè)者而言的。對(duì)于其他觀察者，這對(duì)量子仍為概率云狀，即不存在這一現(xiàn)象：觀測(cè)者1對(duì)糾纏著的量子中的一個(gè)進(jìn)行觀測(cè)，以致客觀世界中量子對(duì)由概率云狀坍縮為實(shí)體狀，而觀測(cè)者2藉由客觀世界得知觀測(cè)者1對(duì)量子對(duì)進(jìn)行了觀測(cè)。實(shí)際上，從唯物主義論來看，客觀物質(zhì)的存在狀態(tài)不應(yīng)由意識(shí)“是否得知或推知”來決定；從唯心主義論來看，一個(gè)觀測(cè)者“是否得知或推知”這一信息不會(huì)在不外傳的情況下外傳給另一觀測(cè)者。因此，“同時(shí)性”問題的存在兩頭說不通。

量子通信與量子計(jì)算機(jī)是不可能的。實(shí)際上，量子糾纏效應(yīng)即使存在也是無法被利用的。假設(shè)有一對(duì)彼此糾纏的量子，兩個(gè)觀測(cè)者分別守住其中的一個(gè)，其中一個(gè)觀測(cè)者擔(dān)任信息的發(fā)送者，另一個(gè)擔(dān)任信息的接收者。發(fā)送者通過觀測(cè)量子使量子對(duì)由概率云狀坍縮為實(shí)體狀，接收者得知量子對(duì)坍縮為實(shí)體狀即表示信息傳遞成功。那么，接收者如何得知量子對(duì)是否坍縮為實(shí)體狀？沒有任何手段。不觀測(cè)則無法獲取信息，觀測(cè)則會(huì)破壞信息。

如同我們?cè)谄矫嫔贤渡湟粋€(gè)四面體而我們只能看到一個(gè)四邊形一樣，這并不意味著四邊形本身就是一個(gè)四面體。在量子力學(xué)中，沒有任何科學(xué)依據(jù)可以得出這樣的結(jié)論：我們能直接從測(cè)試結(jié)果中推斷出狀態(tài)。通過強(qiáng)調(diào)粒子存在的抽象性質(zhì)，這并不否認(rèn)粒子的存在，而是表明粒子存在的真實(shí)狀態(tài)是有限的，只是我們不能直接觀察到。我們既不能否認(rèn)它們的存在，也不能找出它們的存在，因?yàn)闆]有能力觀察它們，所以也不能否認(rèn)根據(jù)常規(guī)范圍內(nèi)的顆粒視覺對(duì)量子積聚的質(zhì)疑。筆者對(duì)此的解釋是：當(dāng)一個(gè)觀測(cè)者觀測(cè)時(shí)，量子對(duì)坍縮為實(shí)體狀，對(duì)于其他觀測(cè)者而言仍為概率云狀。

三、對(duì)多世界解釋的討論

（一）概率問題

第一，當(dāng)我們談?wù)摳怕蕰r(shí)，我們談?wù)摳怕适录母怕?。如果所有的可能性都存在，那么?dāng)我們談?wù)摳怕蕰r(shí)，我們可以談什么？只有當(dāng)一個(gè)可能的事件發(fā)生或不發(fā)生，或者其中一個(gè)可能發(fā)生而其他可能不發(fā)生時(shí)，才討論概率。這種相容性或不相容性是概率概念的基本要素，而多世界解釋的觀點(diǎn)直接就認(rèn)定了這種概率的發(fā)生。

第二，在多世界解釋中，其似乎沒有任何統(tǒng)計(jì)證據(jù)，無論是否確認(rèn)，對(duì)理論沒有任何影響。因?yàn)樵谟钪娴膱D景中，通過多世界解釋，所有的可能性都實(shí)現(xiàn)了。在經(jīng)典概率理論中，統(tǒng)計(jì)事實(shí)可以作為概率理論的基礎(chǔ)。事實(shí)上，統(tǒng)計(jì)事實(shí)本身與概率描述之間存在著概率關(guān)系：隨著統(tǒng)計(jì)事實(shí)與概率描述狀態(tài)之間的差距的增大，統(tǒng)計(jì)事實(shí)的實(shí)現(xiàn)概率正在下降。如果說世界上任何物質(zhì)任何可能性都會(huì)實(shí)現(xiàn)，那么又有何概率可言？

在宇宙的多世界解釋中，有一個(gè)世界，在這個(gè)世界上，所有的電子在X軸上測(cè)量時(shí)都向上轉(zhuǎn)動(dòng)，否則，所有的電子干擾實(shí)驗(yàn)將產(chǎn)生與傳統(tǒng)理論相同的結(jié)果。如果存在這樣一個(gè)世界，怎么能說有任何統(tǒng)計(jì)證據(jù)支持或反對(duì)量子理論？誰知道我們世界的現(xiàn)象是不是少數(shù)事故造成的呢？從根本上說，對(duì)宇宙的多世界解釋是決定性的，其與不確定概率的要求相矛盾。很難想象在一個(gè)決定性的世界里，概率將如何存在，在這個(gè)世界上，沒有可能性，只有必要性。此外，在這樣一個(gè)世界上發(fā)生事件的概率（如果可以稱之為概率）只能是0或1。

多世界解釋徹底否定了未來的未知性，因此，我們不能以這種方式談?wù)撨@個(gè)問題。否則，我們討論其他決定性理論，如統(tǒng)計(jì)機(jī)械或博姆的機(jī)械等，就會(huì)導(dǎo)致某種錯(cuò)誤的結(jié)論。因此，我們根本不能從多世界解釋中談?wù)摳怕?。我們可以看到，在多世界的解釋中，概率問題比量子力學(xué)的其他解釋更嚴(yán)重，甚至更不可調(diào)和。由于這些困難，多世界的解釋處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

（二）不相容性

如上所述，概率的概念中原本就暗含著不相容性。人們普遍認(rèn)為，兩個(gè)不相容的概率事件中只有一個(gè)會(huì)發(fā)生。這顯然與多世界解釋相矛盾，因?yàn)樵诙嗍澜缃忉屩酗@示為重疊狀態(tài)的所有可能的事件在數(shù)學(xué)上是不相容的，并被解釋為概率性。他們意識(shí)到這就是發(fā)生的事情，如果多世界解釋與如此廣泛接受的假設(shè)發(fā)生沖突，那么它的可信度肯定會(huì)受到損害。

（三）證據(jù)效力

關(guān)于證據(jù)，統(tǒng)計(jì)證據(jù)似乎不足以說明量子力學(xué)的許多領(lǐng)域，因?yàn)樵谒枥L的宇宙圖景中，所有可能性都是實(shí)現(xiàn)的，并且涵蓋了所有的可能性。在常規(guī)概率理論中，統(tǒng)計(jì)事實(shí)可以作為概率理論的基礎(chǔ)，因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)事實(shí)本身與概率描述之間存在著概率關(guān)系。如果所有的可能性都實(shí)現(xiàn)了，怎能說這種關(guān)系還存在呢？

（四）不確定性

概率與不確定性有關(guān)，在事件發(fā)生之前，概率是不確定的。最初意義上的不確定性來自客觀世界本身，或者從主觀意義上來自對(duì)未來的無知，但在對(duì)決定性世界的多語文解釋中，很明顯，世界本身沒有不確定性。對(duì)于那些相信多波解釋并對(duì)量子力學(xué)有良好理解的觀察家來說，任何量子實(shí)驗(yàn)都可以在眾所周知的多波宇宙中進(jìn)行。因此，沒有世界本身的不確定性或?qū)ξ磥淼臒o知，我們?cè)谶@里談?wù)摳怕仕坪鹾翢o意義。

此外，還有另一個(gè)問題：如果測(cè)量人員在提出結(jié)果時(shí)閉上眼睛，他就真的對(duì)結(jié)果一無所知。人們普遍認(rèn)為，這種無知狀態(tài)在經(jīng)歷之前并不存在。如何獲得不存在的無知狀態(tài)？這也不符合一般人的理解。許多研究人員認(rèn)為，多世界解釋并不能解決概率沖突的問題，而只是暫時(shí)轉(zhuǎn)移或掩蓋這個(gè)問題。他的默認(rèn)觀察是一個(gè)系數(shù)，這直接導(dǎo)致了本質(zhì)的問題，因?yàn)楹苊黠@，在每一個(gè)時(shí)刻，我們都需要有足夠的時(shí)間達(dá)到概率的統(tǒng)一，也就是說，要么是0要么是1。現(xiàn)在的我固定在世界的分支，似乎不再是我，至少不是我的全部。每一個(gè)現(xiàn)實(shí)世界都有一個(gè)系數(shù)，這顯然是一個(gè)能量守恒問題，也就是說，現(xiàn)實(shí)世界每一個(gè)分支的總能量隨著世界的分裂而減少，或者整個(gè)宇宙的總能量消失。因此，多世界解釋的基本思想就處在兩難的處境，我們不可能完全解決一個(gè)困難的問題，而只能對(duì)問題不斷改進(jìn)。這使我們的工作變得困難。

總之，多世界解釋的數(shù)學(xué)理論是正確的，但理論解釋是錯(cuò)誤的，因?yàn)樗臉?biāo)準(zhǔn)是，世界分支的重量是否能夠承擔(dān)基本的概率功能。他對(duì)這一理論的解釋是錯(cuò)誤的，而且缺少最基本的東西。多世界解釋最初打算使用世界分支權(quán)重來表達(dá)世界的現(xiàn)實(shí)，實(shí)際上從分裂概率的角度和潛在分裂概率的角度來說，現(xiàn)實(shí)的世界雖然可能存在分裂，但是其理論本身無效。歸根結(jié)底，多世界解釋的疑難問題徹頭徹尾都是從德維特對(duì)最為基本的概率守恒原則，無論后面學(xué)者怎樣去修正都未必能真正地解決概率守恒的問題。

四、結(jié)論

量子力學(xué)中的哲學(xué)問題超出了科學(xué)的范疇。是的，這是哲學(xué)問題，不是科學(xué)問題。

帶著唯物主義色彩的多世界解釋容不下意識(shí)，除非承認(rèn)那無限種可能只有一種會(huì)得到落實(shí)。所有的意識(shí)全都落入到那個(gè)得到落實(shí)的可能中，這種從無限種可能中選擇一個(gè)進(jìn)行落實(shí)的能力即是意識(shí)。但是，這違背了多世界解釋的根本性問題。

帶著唯心主義色彩的雙時(shí)間維構(gòu)想容不下物質(zhì)，因?yàn)橐粋€(gè)絕對(duì)公正的不容多個(gè)人意識(shí)認(rèn)知彼此背離的客觀世界必是唯一的、精確的、絕對(duì)的。然而，這樣的客觀世界是無法誕生出可以做出自由選擇的意識(shí)的。

物質(zhì)與意識(shí)的關(guān)系真是奇妙。筆者曾有這樣一個(gè)有趣的想法或可分享：意識(shí)是起源，物質(zhì)是根基，意識(shí)誕生物質(zhì)，物質(zhì)決定意識(shí)。意識(shí)是一個(gè)個(gè)獨(dú)立的靈魂，自由、不完善、不絕對(duì)。物質(zhì)是意識(shí)所達(dá)成共識(shí)的總和，所有的意識(shí)不得違背這一共識(shí)。沒有人知道存在或不存在，于是物質(zhì)存在空缺，這種空缺允許了變數(shù)的存在。