量子糾纏引發(fā)的哲學(xué)問題

成素梅

摘要：物理學(xué)家對量子糾纏現(xiàn)象的認(rèn)識經(jīng)歷了基于觀念質(zhì)疑、實(shí)驗(yàn)認(rèn)可和具體應(yīng)用這樣一個從理論闡述到技術(shù)開發(fā)的過程。量子糾纏現(xiàn)象的存在顛覆了許多傳統(tǒng)的哲學(xué)觀念，直接引發(fā)了關(guān)于如何理解“實(shí)在”和“因果性”概念的討論。這些討論深化了我們對實(shí)在論與反實(shí)在論、因果性與關(guān)聯(lián)、決定論與非決定論、定域性與非定域性、可分離性與不可分離性等概念的理解，揭示了本體論思維方式的局限性。

關(guān)鍵詞：量子測量；非定域性；實(shí)在；因果性

中圖分類號：N02

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0257-5833（2014）06-0111-08

物理學(xué)家對量子糾纏的研究經(jīng)歷了兩個階段：其一是觀念質(zhì)疑與概念辨析階段。這一階段以愛因斯坦、波多爾斯基和羅森于1935年聯(lián)名在《物理學(xué)評論》雜志上發(fā)表的“能認(rèn)為量子力學(xué)對物理實(shí)在的描述是完備的嗎？”（通常簡稱“EPR論證”）一文為開端，以如何理解量子力學(xué)的基本特征為主線，圍繞如何理解量子糾纏的思想實(shí)驗(yàn)展開爭論；其二是實(shí)驗(yàn)證實(shí)與技術(shù)應(yīng)用階段。這一階段以貝爾不等式的提出為契機(jī)，以檢驗(yàn)這個不等式的一系列實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，以量子信息科學(xué)與量子計算的迅猛進(jìn)展為核心，把量子糾纏作為一種像能量一樣的物理學(xué)資源，進(jìn)行測量、轉(zhuǎn)換和純化，來探索其廣泛的應(yīng)用前景。對于哲學(xué)研究來說，量子糾纏引發(fā)的哲學(xué)問題比過去任何時候都更加尖銳與深刻。我們對這些問題的討論，在本質(zhì)上，不是對傳統(tǒng)哲學(xué)觀念的細(xì)枝末節(jié)的修正或補(bǔ)充，而是蘊(yùn)含著徹底的哲學(xué)革命以及哲學(xué)思維方式的大轉(zhuǎn)變。然而，令人遺憾的是，在國際學(xué)術(shù)界倍受關(guān)注的這一論題在國內(nèi)哲學(xué)界卻慘遭冷落，因此，我們有必要對這一論題進(jìn)行深入探討。本文只是拋磚引玉。

一、量子糾纏的提出與發(fā)展

“量子”（quantum）概念來源于拉丁語“quantus”，意思是“多少”（how much），意指一個固定的量，與此相關(guān)的一個重要常數(shù)稱之為“作用量子”（通常稱為普朗克常數(shù)），用h表示，h取自“Hiete”的第一個字母，是“幫助”的意思。在物理學(xué)史上，物理學(xué)家通常把普朗克提出作用量子的年代（1900年）確定為是量子時代的開端和機(jī)械力學(xué)時代的終結(jié)。此后，物理學(xué)家經(jīng)過二十多年的努力，終于在1925年和1926年確定了量子力學(xué)的形式體系。量子力學(xué)是探討構(gòu)成物質(zhì)基本單元（即亞原子粒子）的運(yùn)動變化規(guī)律的學(xué)說。我們無法用儀器直接觀察到微觀粒子的存在狀態(tài)，只能觀察到它們在特定測量設(shè)置中的特定的行為表現(xiàn)，比如，云霧室里的徑跡、蓋革計算器的響聲、雙縫衍射圖樣等。在這個領(lǐng)域內(nèi)，我們過去熟悉的許多規(guī)律和觀念都失去了效用，“不確定性”主宰著一切。量子力學(xué)最離奇的特征是被愛因斯坦稱之為“怪異的超距作用”的量子糾纏，我們在經(jīng)典世界中從來沒有遇到過類似情況。物理學(xué)家理解量子糾纏的過程，不只是理解量子力學(xué)的過程，同時還是澄清舊的哲學(xué)前提、確立新的哲學(xué)觀念的過程。

與繼往通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象歸納出理論觀念的研究方式不同，物理學(xué)家最初對量子糾纏的認(rèn)識并不是直接來源于所觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，而是來源于對量子力學(xué)的形式體系的理解與把握。薛定諤早在1926年創(chuàng)立他的波動力學(xué)時，已經(jīng)意識到，假如幾個粒子或光子是在某個物理過程中共同產(chǎn)生的，那么，它們之間就會發(fā)生糾纏。但是，量子糾纏現(xiàn)象真正引起物理學(xué)家的關(guān)注，應(yīng)歸功于愛因斯坦等人聯(lián)名發(fā)表的EPR論證的文章。在當(dāng)時的背景下，EPR論證與其說是一篇物理學(xué)論文，不如說是一篇典型的量子力學(xué)哲學(xué)論文。過去人們通常認(rèn)為，這篇論文的學(xué)術(shù)價值在于愛因斯坦與玻爾就量子力學(xué)的完備性問題的爭論，事實(shí)上，從當(dāng)前的發(fā)展來看，這篇論文更大的學(xué)術(shù)價值在于技術(shù)應(yīng)用和由此引發(fā)的哲學(xué)討論。量子糾纏這個概念的提出歸功于薛定諤。1935年10月，薛定諤在《劍橋哲學(xué)學(xué)會的數(shù)學(xué)進(jìn)展》雜志上發(fā)表了“分離系統(tǒng)之間的概率關(guān)系的討論”一文，在該文中，薛定諤進(jìn)一步推廣了EPR論證的討論，并創(chuàng)造了“糾纏”這一術(shù)語來描述復(fù)合的量子系統(tǒng)存在的這種特殊關(guān)聯(lián)。

薛定諤在這篇討論性文章中開門見山地指出，當(dāng)兩個系統(tǒng)由于受外力作用經(jīng)過暫時的物理相互作用之后再彼此分開時，我們無法再用它們相互作用之前各自的表達(dá)式來描述復(fù)合系統(tǒng)的態(tài)，兩個量子態(tài)通過相互作用之后已經(jīng)糾纏在一起。實(shí)驗(yàn)表明，不管這兩個量子系統(tǒng)分離之后相距多遠(yuǎn)，都始終會神秘地聯(lián)系在一起，其中一方發(fā)生變化，都會立即引發(fā)另一方產(chǎn)生相應(yīng)的變化。簡單地說，量子糾纏是指，曾經(jīng)相互作用過的兩個粒子，在彼此分離之后，對一個粒子的任何測量，都會影響到另一個粒子的存在狀態(tài)。薛定諤對這種特殊情境的另一種表示方式是：一個整體的最有可能的知識不一定是它的所有部分的最有可能的知識，即使它們可能是完全分離的，有能力擁有各自的“最有可能的認(rèn)識”。這種知識的缺乏決不是由于這種相互作用是不能夠被認(rèn)識的，而是由于這種相互作用本身。

用EPR-玻姆的思想實(shí)驗(yàn)來說，在測量之前，兩個糾纏粒子都沒有確定的自旋態(tài)，只有通過實(shí)際測量，它們才能擁有確定的自旋態(tài)。理論提供的測量得到的態(tài)是隨機(jī)的。例如，如果第一次測量是測量粒子A在Z方向的自旋，測量得到粒子A自旋向上或自旋向下的概率是一樣的。只有具體地進(jìn)行一次測量，才能確定A是自旋向上，還是自旋向下。A的結(jié)果同時引起了另一個相互糾纏的粒子B的自旋態(tài)的改變。如果測量得到A在Z軸上自旋向上，那么，B在Z軸上就是自旋向下，如果測量得到A在Z軸上自旋向下，那么，B在Z軸上就是自旋向上。這兩個糾纏粒子的態(tài)的確定是同時的。從理論上看，量子糾纏是量子力學(xué)形式體系的態(tài)疊加原理應(yīng)用于兩個以上的子系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)合系統(tǒng)時體現(xiàn)出來的現(xiàn)象，是薛定諤方程中的波函數(shù)在位形空間中不可分解的特征造成的。

在量子力學(xué)中，量子糾纏是普遍存在的，而不是例外的規(guī)則。比如，量子糾纏比不確定性原理更明確地說明了雙縫實(shí)驗(yàn)。在雙縫實(shí)驗(yàn)中，一束粒子通過兩個狹縫射向檢測屏，能夠產(chǎn)生明暗相間的衍射條紋，體現(xiàn)了這些粒子像經(jīng)典波那樣發(fā)生了相互干涉，如果一次只有一個粒子通過狹縫，就不是粒子之間的相互干涉，而是每一個粒子與自己干涉；如果我們希望通過儀器檢測到粒子究竟通過哪個狹縫，那么，干涉圖樣就消失了。我們只能要么得到干涉圖樣，要么檢測到粒子通過哪一條狹縫，而不能同時得到兩者。在物理學(xué)家認(rèn)識到量子糾纏之前，物理學(xué)界通常的解釋是來自玻爾，玻爾根據(jù)海森堡的不確定原理來說明這一事實(shí)，即粒子的位置確定，它的動量就不確定；動量確定，位置就不確定。現(xiàn)在物理學(xué)家普遍認(rèn)為，運(yùn)用不確定性原理說明雙縫實(shí)驗(yàn)只是一種幸運(yùn)的巧合，事實(shí)上是不充分的，最好應(yīng)用量子糾纏來說明：干涉圖樣的消失是衍射粒子與光子糾纏的結(jié)果。endprint

在有關(guān)量子糾纏的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展方面，1949年吳健雄和薩克諾夫第一次通過實(shí)驗(yàn)生成了一對互相糾纏的光子。然而，這個重大的突破直到1957年才被認(rèn)可。在長達(dá)40年之后的1997年，維也納小組和羅馬小組分別根據(jù)這種不受空間限制的量子糾纏現(xiàn)象成功地完成了隱形傳輸單粒子量子態(tài)（簡稱為隱形傳態(tài)）的實(shí)驗(yàn)，2009年，美國物理學(xué)家實(shí)驗(yàn)證明，在肉眼能夠看到的兩個超導(dǎo)體之間也存在著糾纏現(xiàn)象。近些年來，量子糾纏作為一種資源正在得到廣泛的技術(shù)應(yīng)用，成為制造具有超級計算能力的量子計算機(jī)和實(shí)現(xiàn)絕對保密的量子通訊的理論基礎(chǔ)。

在物理學(xué)的發(fā)展史上，物理學(xué)家對量子糾纏的認(rèn)知是過去半個世紀(jì)以來最重要的進(jìn)展之一。但從傳統(tǒng)哲學(xué)意義上來看，兩個粒子分離之后，還能產(chǎn)生相互影響，這顯然有悖常理。這也向我們提出了究竟如何理解微觀粒子的存在狀態(tài)，如何理解糾纏的微觀粒子之間的這種神秘關(guān)系，如何理解因果性等哲學(xué)問題。更加關(guān)鍵的是，我們對這些問題的理解，不得不完全擯棄過去從經(jīng)驗(yàn)和感官得來的關(guān)于實(shí)在世界的先入之見，不得不徹底改變?nèi)粘＝?jīng)驗(yàn)和經(jīng)典物理學(xué)蘊(yùn)含的哲學(xué)前提，不得不重新反思自然形成的直覺經(jīng)驗(yàn)，或者說，我們不能用在宏觀概念語境中形成的觀念來理解量子概念語境中出現(xiàn)的量子現(xiàn)象。量子糾纏不僅挑戰(zhàn)了整個經(jīng)典概念框架與這個框架所蘊(yùn)含的物理學(xué)的概念基礎(chǔ)和哲學(xué)前提，而且揭示了當(dāng)我們的認(rèn)識超出了常識經(jīng)驗(yàn)的直觀范圍時，我們只能借助于數(shù)學(xué)來理解問題或只能讓數(shù)學(xué)做我們理解的向?qū)?。正是在這種意義上，量子糾纏徹底顛覆了傳統(tǒng)的哲學(xué)觀念，引發(fā)了一系列我們必須重新思考的哲學(xué)問題，其中，最突出的問題是關(guān)于“實(shí)在”的問題和關(guān)于“因果性”的問題。

二、關(guān)于“實(shí)在”的問題

“實(shí)在”概念屬于常識語言。像許多常識語言一樣，“實(shí)在”概念在日常生活中有許多不同的用法，它的意義是相當(dāng)模糊的，我們通常需要根據(jù)語境來作出鑒別與區(qū)分，比如，我們會說“這人很實(shí)在”，這里的“實(shí)在”是指“誠實(shí)”的意思；我們也會說，“賺錢是最實(shí)在的”，這里的“實(shí)在”是指“重要”的意思；我們還會說“我現(xiàn)在最實(shí)在的是有東西吃”，這里的“實(shí)在”是指“迫切”的意思。在物理學(xué)哲學(xué)的討論中，“實(shí)在”概念是指真實(shí)存在的意思。在真實(shí)存在的意義上，我們一般不會懷疑自己親眼看到的自然物的實(shí)在性。在當(dāng)代科學(xué)中，物理學(xué)家和化學(xué)家通常用分子結(jié)構(gòu)來描述這些自然物的基本構(gòu)成，分子依次用原子來描述，原子用電子、質(zhì)子和原子核來描述，這些亞原子粒子用夸克來描述。受這種無限可分的物質(zhì)觀的引導(dǎo)，物理學(xué)家至今還沒有因?yàn)檎也坏阶杂煽淇耍鴳岩上耠娮?、光子等亞原子粒子的?shí)在性。但是，我們對宏觀物質(zhì)的這種可共享的直接或間接的感知性，并不能照搬或延伸外推到微觀粒子的情況。微觀粒子這一名稱雖然仍然沿用了通常的“粒子”術(shù)語，可是，粒子概念的意義已經(jīng)發(fā)生了實(shí)質(zhì)性的變化。

首先，我們根本無法直接或間接地看到微觀粒子本身，只能通過特定的測量設(shè)置感知到它們的行為表現(xiàn)?？墒?，有些行為表現(xiàn)卻是相互矛盾的：同樣的微觀粒子能夠在一種設(shè)置中表現(xiàn)出粒子性，但在另一種設(shè)置中卻表現(xiàn)出波動性。根據(jù)傳統(tǒng)的本體論理解，粒子性與波動性很難統(tǒng)一于同一個對象，在經(jīng)典物理學(xué)中，它們是兩種不同的存在形態(tài)。但在量子力學(xué)中，這兩種完全不同的存在形態(tài)竟然是通過同一個微觀粒子表現(xiàn)出來的。于是，量子物理學(xué)家率先卷入了關(guān)于微觀粒子在測量之前究竟是粒子還是波的爭論。薛定諤持有波動實(shí)在觀，認(rèn)為波是基本的，粒子是波包形成的；玻恩持有粒子實(shí)在觀，認(rèn)為粒子是基本的，波是統(tǒng)計分布形成的；德布羅意和玻姆倡導(dǎo)的波一粒子綜合的觀點(diǎn)則試圖通過隱變量來理解波粒二象性。量子物理學(xué)家對微觀粒子是什么的討論是建立在相信這些粒子是實(shí)在的意義上進(jìn)行的。就像愛丁頓相信“普通的桌子”與“科學(xué)的桌子”都同樣存在一樣，科學(xué)家相信，宏觀對象與微觀對象都具有實(shí)在性，因?yàn)檫@是他們從事科學(xué)研究的基本前提。他們之間的爭論是關(guān)于如何認(rèn)識與理解這些粒子的存在狀態(tài)的爭論。

與此不同，在科學(xué)實(shí)在論與反實(shí)在論的討論中，科學(xué)哲學(xué)家在論證他們對待科學(xué)的態(tài)度時，也需要在如何理解微觀粒子的問題上表明自己的態(tài)度。他們通常把這些亞原子的微觀粒子統(tǒng)稱為“理論實(shí)體”，即由科學(xué)理論描述出來的實(shí)體?？茖W(xué)實(shí)在論者認(rèn)為，理論實(shí)體與通常的自然物一樣都是實(shí)在的；反實(shí)在論者則認(rèn)為，理論實(shí)體只是一種理論構(gòu)造，是為了解釋經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)象的一種工具，并不是真實(shí)存在的，并以“燃素”和“以太”為例，證明這些曾經(jīng)被認(rèn)為是存在的實(shí)體，卻被后來的科學(xué)認(rèn)識所推翻?？茖W(xué)實(shí)在論者與反實(shí)在論者關(guān)于理論實(shí)體是否具有實(shí)在性的爭論，可以被看成是延續(xù)了19世紀(jì)末和20世紀(jì)初馬赫與玻爾茲曼關(guān)于原子是否真實(shí)存在的爭論。科學(xué)哲學(xué)家把理論實(shí)體是否真實(shí)存在的問題看成是科學(xué)是否是對世界的真理性描述的一個重要前提。

這樣，在對待微觀粒子的問題上，就出現(xiàn)了兩個不同層次的討論：關(guān)于微觀粒子以什么方式存在的討論與關(guān)于微觀粒子是否真實(shí)存在的討論。這也相應(yīng)地帶來了兩個不同層面的問題：討論如何存在的問題，屬于認(rèn)識論的范疇；討論是否存在的問題，則屬于本體論的范疇。根據(jù)這一區(qū)分，我們不難看出，量子物理學(xué)家之間討論的是認(rèn)識論的實(shí)在論問題，而科學(xué)哲學(xué)家之間討論的是本體論的實(shí)在論問題。他們分別屬于兩個不同的陣營。認(rèn)識論的實(shí)在論是在認(rèn)識論意義上進(jìn)行的討論，這些討論總是會隨著科學(xué)的不斷進(jìn)步逐漸明朗化，而本體論的實(shí)在論是在本體論意義上進(jìn)行的討論，在很大程度上，屬于形而上學(xué)的問題，既是關(guān)乎信念的問題，也是一個框架問題。

某些科學(xué)哲學(xué)家以“燃素”和“以太”曾經(jīng)在化學(xué)與物理學(xué)的發(fā)展史上起到過積極作用后來卻被證明是不存在的為由，得出科學(xué)只是在解決經(jīng)驗(yàn)問題，而不是對實(shí)在世界的真理性認(rèn)識，這實(shí)際上是把科學(xué)家關(guān)于認(rèn)識論問題的研究當(dāng)作本體論問題來理解，所得出的結(jié)論。從整體意義上看，這些科學(xué)哲學(xué)家的思維方式仍然沿襲了傳統(tǒng)的自然哲學(xué)的思維方式。自然哲學(xué)的思維方式是一種典型的本體論化的思維方式。在經(jīng)典科學(xué)的思維方式中，認(rèn)識論的思維方式與本體論的思維方式并沒有被明確地區(qū)分開來，許多經(jīng)典物理學(xué)家也都持有本體論化的思維方式，例如，牛頓的著作就取名為《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》。當(dāng)科學(xué)發(fā)展到微觀領(lǐng)域時，量子物理學(xué)家之間的分歧，在很大程度上，也是自然哲學(xué)的本體論化的思維方式與量子力學(xué)的認(rèn)識論思維方式之間的分歧，比如，愛因斯坦與玻爾之間的爭論就是如此。endprint

玻恩把科學(xué)哲學(xué)家認(rèn)為微觀粒子是理論虛構(gòu)的觀點(diǎn)說成是一種極端的主觀主義或“物理學(xué)的唯我論”。玻恩認(rèn)為，在科學(xué)研究中，“實(shí)在”概念是無法放棄的。哲學(xué)家輕易放棄“實(shí)在”概念是因?yàn)樗麄兓煜恕皩?shí)在”概念的用法，把“實(shí)在”概念理解為是需要提供關(guān)于研究對象的一切細(xì)節(jié)，也就是說，我們只有知道微觀粒子的詳細(xì)運(yùn)動情況和一切屬性，才能認(rèn)為它們不是抽象的虛構(gòu)。這是一種誤解。科學(xué)哲學(xué)家否認(rèn)微觀粒子的實(shí)在性依據(jù)的是邏輯推理，而邏輯推理的一致性只能是一個否定標(biāo)準(zhǔn)，不是一個肯定標(biāo)準(zhǔn)。也就是說，任何一個科學(xué)理論，如果沒有邏輯的一致性，那么一定無法被接受，但反之則不然，沒有一個科學(xué)理論只是因?yàn)檫壿嫼侠矶唤邮?。科學(xué)哲學(xué)家否定電子、光子等微觀粒子的存在性的根源在于把“真實(shí)的”這個概念解釋為“知道所有的細(xì)節(jié)”。這與“實(shí)在”概念的日常用法不相符。簡單地否定微觀粒子的實(shí)在性的觀點(diǎn)是相當(dāng)表面的，沒有觸及到物理學(xué)遇到的和迫使我們修改的基本概念的實(shí)際困難。

另一方面，高能物理學(xué)的當(dāng)前發(fā)展也向我們通常堅信的無限分割的物質(zhì)觀提出了挑戰(zhàn)。因?yàn)闊o限分割的物質(zhì)觀的目標(biāo)是最終找到某種不變的構(gòu)成物質(zhì)的基本“單元”。這一理想源于古希臘的原子論思想?？墒?，到目前為止，物理學(xué)家分割亞原子粒子的唯一方法是，讓這些粒子在高能碰撞中猛烈相撞，但根據(jù)當(dāng)前的理論與手段，他們不可能得到比這個更小的“單元”。因?yàn)槲⒂^粒子相碰撞之后的碎片仍然是同類粒子，而且，它們是從碰撞過程所包含的能量中創(chuàng)生出來的。這些微觀粒子不能再被看成是一個靜態(tài)的研究對象，而必須被設(shè)想為是動態(tài)的，一個包含著能量的過程，能量則表現(xiàn)為粒子的質(zhì)量，甚至從純能量中也能產(chǎn)生出粒子。因此，我們在觀察亞原子粒子時，既看不到任何物質(zhì)，也看不到任何基本結(jié)構(gòu)，只能看到一些不斷地相互變換的動態(tài)圖像，比如，要么是波動行為，要么是粒子行為。目前，盡管物理學(xué)家還不能對亞原子粒子的機(jī)制提供令人滿意的理論，但這些觀念已經(jīng)足以從根本意義上顛覆了通常的物質(zhì)觀和粒子觀。這也印證了庫恩所闡述的前后相繼的兩個理論“范式”是不可通約的觀點(diǎn)。

其次，量子糾纏賦予了微觀粒子非定域性的特征，這是傳統(tǒng)的粒子概念根本沒有的特征，就像時空彎曲、質(zhì)能轉(zhuǎn)化、時間膨脹和長度收縮是相對論的基本假設(shè)的結(jié)果，因而是典型的相對論性效應(yīng)一樣，非定域性也是量子力學(xué)的基本假設(shè)的結(jié)果，是獨(dú)特的量子效應(yīng)。這種量子效應(yīng)從根本意義上顛覆了傳統(tǒng)的經(jīng)典實(shí)在觀。在量子力學(xué)之前，物理學(xué)家普遍接受的觀點(diǎn)是，粒子的存在是定域的，遵守分離性假設(shè)。分離性假設(shè)是指，在空間上彼此分離的兩個粒子總是能夠擁有各自獨(dú)立的狀態(tài)，即一個粒子狀態(tài)的變化，不會影響到另一個粒子。這也是EPR論證的一個前提假設(shè)和尋找隱變量量子論的動力所在。從日常經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)典物理學(xué)的情況來看，粒子只有遵守分離性假設(shè)，才能確保它們在時空中的獨(dú)立性。粒子的定域性是分離性假設(shè)成為可能的一個前提條件，而分離性假設(shè)確保了物理系統(tǒng)的個體性。量子糾纏現(xiàn)象卻表明，在奇特的量子世界里，相互糾纏的兩個粒子，即使遠(yuǎn)隔萬里，也能產(chǎn)生相互影響，而這種影響是即時的，竟然與距離無關(guān)。

我們只能通過數(shù)學(xué)來理解這種怪異的現(xiàn)象。從物理學(xué)史的發(fā)展來看，雖然物理學(xué)家通過數(shù)學(xué)公式推論出物理現(xiàn)象，并不是一件新穎的事情，比如，在電磁學(xué)理論的發(fā)展中，位移電流概念和電磁波概念的提出，都是先從麥克斯韋方程組推論出來之后，才得到實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。這種情況完全不同于“以太”和“燃素”概念的情況。“以太”和“燃素”概念是作為解釋其他現(xiàn)象的一個額外的本體論假定提出的，而不是從數(shù)學(xué)公式中推演出來的。量子糾纏的情況類似于位移電流和電磁波的情況。所不同的是，量子糾纏現(xiàn)象極大地違背了直覺與經(jīng)典的觀念，它不再是我們熟悉的三維空間和四維時空中的存在，而是普通人根本無法理解的抽象的希爾伯特空間中的存在。

希爾伯特空間是一個無限維的空間。量子力學(xué)描述的現(xiàn)象就是在這樣的一個無限維的空間中的現(xiàn)象，而實(shí)驗(yàn)測量獲得的結(jié)果是這些現(xiàn)象在四維空間（三維的空間加一維時間）里的投影。這樣，微觀粒子的粒子性與波動性只是它們受制于測量環(huán)境的一種行為表現(xiàn)。已經(jīng)完成的量子延遲實(shí)驗(yàn)足以表明，在量子測量中，微觀粒子與測量儀器也是相互糾纏的，這就是為什么微觀粒子在發(fā)射出來之后，還能根據(jù)測量設(shè)置表現(xiàn)出相應(yīng)的粒子性或波動性的原因所在。因此，我們不能根據(jù)觀察到的微觀粒子的當(dāng)前狀態(tài)來推斷它們在被測量之前的存在狀態(tài)。

這就像當(dāng)我們把一個四面體投影到一個平面上看到一個四邊形時，并不能由此斷定，這個四面體原本就是一個四邊形一樣。在量子力學(xué)中，我們也不能把實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果直接地推斷為是測量之前的存在狀態(tài)。這種推斷沒有科學(xué)依據(jù)。強(qiáng)調(diào)微觀粒子存在的抽象性，并不是否認(rèn)它的實(shí)在性，而是表明，微觀粒子的真實(shí)存在狀態(tài)是有限的人永遠(yuǎn)無法直接觀察到的。我們既不能由于觀察不到，就否定它們的存在，也不能基于經(jīng)典框架中的粒子觀質(zhì)疑量子糾纏。在量子世界里，數(shù)學(xué)符號和物理手段成為我們能夠深入到現(xiàn)象背后的實(shí)在當(dāng)中思考這種實(shí)在的一種必不可少的方法。量子物理學(xué)家接受量子糾纏的案例，再一次印證了海森堡在提出他的不確定性原理時引用的愛因斯坦的觀點(diǎn)：是理論決定了我們所觀察的內(nèi)容。物理學(xué)家通過數(shù)學(xué)能夠把握世界，這既是人類智慧的展現(xiàn)，也揭示了我們的日常語言的貧乏。

三、關(guān)于“因果性”的問題

量子糾纏引發(fā)的另一個更加深刻的哲學(xué)問題是關(guān)于“因果性”的問題。因果性問題是人類認(rèn)識史上一個古老而常新的論題，也是一個重要的認(rèn)識論問題。從亞里士多德的四因說，到休謨的心理習(xí)慣論，再到康德的先驗(yàn)哲學(xué)，都涉及對因果性問題的探索。從理論上說，如果A引起B(yǎng)，那么，A是B的原因，B是A的結(jié)果。然而，在日常生活中，我們通常認(rèn)為具有因果關(guān)系的大多數(shù)事件之間并沒有必然的因果聯(lián)系，比如，我們常說“吸煙會導(dǎo)致肺癌”，但并非所有的吸煙者最終都會得肺癌，也不是所有的肺癌都是由于吸煙導(dǎo)致的，不吸煙者也會得肺癌。因此，我們需要把因果性、決定性、規(guī)律性、概率與關(guān)聯(lián)等概念區(qū)分開來。有因果性的決定性和非因果性的決定性，也有決定論的因果性和非決定論的因果性。非因果性的決定性所呈現(xiàn)的只是不同事件之間的純粹關(guān)聯(lián)，非決定論的因果性揭示了一種統(tǒng)計因果性。除此之外，在事件之間的關(guān)系中，還有確定性的關(guān)聯(lián)和統(tǒng)計性的關(guān)聯(lián)之間的區(qū)別。比如，日夜交替就是一個確定性的關(guān)聯(lián)，但白天不是黑夜到來的原因，黑夜也不是白天出現(xiàn)的原因，而是受天氣運(yùn)行規(guī)律支配的兩種互相關(guān)聯(lián)的結(jié)果。再比如，地震預(yù)報通常只能給出統(tǒng)計性的預(yù)言，至于這種統(tǒng)計性的關(guān)聯(lián)是屬于因果性還是非因果性的，則依賴于我們掌握的科學(xué)理論所能達(dá)到的程度。endprint

在科學(xué)研究中，科學(xué)家最早認(rèn)識的因果性是決定論的因果性。這種決定論的因果性植根于牛頓力學(xué)的思維方式中，通過動力學(xué)理論體現(xiàn)出來。在牛頓力學(xué)中，只有物理狀態(tài)的變化是有原因的，這種原因就是外界的影響，通常用“力”來表示，稱之為物理系統(tǒng)與外界的相互作用。這樣，在近代物理學(xué)文獻(xiàn)中，物理學(xué)只討論動力學(xué)方程，而沒有提及原因概念，比如牛頓第二定律。這種決定論的因果性觀念與常識相符。物理系統(tǒng)可以在“最少受干擾”的理想狀態(tài)下存在，被當(dāng)作封閉系統(tǒng)來對待。物理學(xué)家可以只討論它的“純粹形態(tài)”及其變化。而日常生活中的研究對象則復(fù)雜許多，無法做到這一點(diǎn)。但是，隨著牛頓力學(xué)的成功應(yīng)用，這種決定論的因果性觀念并沒有遭人質(zhì)疑。熱力學(xué)涉及到大量分子的運(yùn)動情況，物理學(xué)家不得不引入統(tǒng)計方法來思考問題，但是，在觀念上，這種統(tǒng)計方法只被當(dāng)作是一種權(quán)宜之計，在分子層次上，由于假定每個分子的運(yùn)動仍然遵守力學(xué)規(guī)律，而保留了決定論的因果性的觀念。拉普拉斯妖形象地描述了這種決定論的因果性的圖景：如果有一個全知全能的智者能夠知道世界的整個初始狀態(tài)，那么，就能預(yù)言未來世界的所有變化。這種觀點(diǎn)非常狹窄地解釋了因果性概念，并把因果性與決定論等同起來，認(rèn)為存在著從系統(tǒng)的初始狀態(tài)單義地確定其未來狀態(tài)的自然律。

相對論力學(xué)的產(chǎn)生，雖然帶來了時空觀的變革，但是，并沒有破壞這種窄化了的決定論的因果性觀念，只是對這種觀念附加了限制性條件。狹義相對論的基本假設(shè)之一是光速不變原理：即光在所有參照系中的傳播速度都是不變的，或者說，對所有的觀察者都是一樣的。這意味著，在不同的參照系中，任何能量或信號的傳遞速度都不能超光速。已知兩個事件，只有當(dāng)它們的空間間隔△x和時間間隔△t滿足不等式△xc△t，意味著它們相距很遙遠(yuǎn)，它們之間的光信號沒有時間從一個事件傳播到另一個事件，這兩個事件被稱為是類空分離的事件，類空分離的事件是在光錐外的事件。因此，類空分離的兩個事件之間不可能產(chǎn)生因果性的相互影響。對于兩個類空事件來說，沒有任何影響能超光速傳播，這就是著名的定域性原理。

直到量子力學(xué)產(chǎn)生之后，這種決定論的因果性觀念才受到實(shí)質(zhì)性的挑戰(zhàn)。不僅不確定性成為世界的本質(zhì)特征，而且量子糾纏現(xiàn)象體現(xiàn)出的非定域性是否與相對論的定域性相矛盾，成為討論的重點(diǎn)。因?yàn)閮蓚€相互糾纏的粒子，一個粒子的存在狀態(tài)的改變，會同時影響另一個粒子的存在狀態(tài)。然而，根據(jù)狹義相對論，“同時性”概念并不是絕對的，而是相對的，在一個參照系中同時發(fā)生的兩個事件，在其他參照系中是不同時的，即觀察者對事件A有多晚發(fā)生是不一致的。根據(jù)這種觀點(diǎn)，如果兩個類空分離的事件在一個參照系中是同時發(fā)生的，那么，我們總能找到一個參照系，在這個參照系中，事件A先于事件B發(fā)生，也能找到一個參照系，在這個參照系中，事件B先于事件A發(fā)生，即感知次序發(fā)生顛倒。這樣，如果我們認(rèn)為這兩個事件之間有某種因果關(guān)系，那么，就有可能出現(xiàn)結(jié)果在原因之前的情況：即被影響的事件發(fā)生時，產(chǎn)生影響的事件才會發(fā)生，這是一種逆向因果性（backward causality），因此產(chǎn)生了因果悖論的情況。

避免因果悖論的最直觀的途徑是接受存在著超光速的因果聯(lián)系。但是，從當(dāng)代科學(xué)的發(fā)展來看，我們還沒有用這種超光速的因果聯(lián)系傳遞任何超光速信號的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。即使退一步講，假如超光速的因果聯(lián)系使類空分離的事件發(fā)生了改變，為了避免因果悖論，也只會有兩種情況：其一是一定存在著一個首選的參照系，在這個參照系中，所有的逆向因果關(guān)系都被看成是類似于一種視錯覺；其二是這種改變一定呈現(xiàn)出某種對稱性，我們只能說兩個事件互為因果，而不能說一個事件引起另一個事件。因此，通過只允許原因不能逆向傳播的參照系，才可能避免因果悖論。

問題在于，即使消除這種因果悖論，還有一個更基本的問題是，如何使量子力學(xué)與相對論一致起來。這關(guān)系到洛倫茲不變性的問題，即所有的參照系都是等價的問題。物理學(xué)定律在洛倫茲變換下具有協(xié)變性，也就是說，物理學(xué)定律遵守相對性原理，這是相對論的一個本體論支柱。如果所有的參照系實(shí)際上不是等價的，那么，物理學(xué)定律似乎就向我們掩蓋了事實(shí)真相。在愛因斯坦的相對論產(chǎn)生之前，洛倫茲等人就持有這種觀點(diǎn)，他們雖然已經(jīng)推論出狹義相對論的數(shù)學(xué)形式，但由于缺乏愛因斯坦的概念遠(yuǎn)見，而沒有真正創(chuàng)立狹義相對論。如果我們拋棄洛倫茲不變性，而接受上面提到的首選參照系，那么，我們在很大程度上所放棄的就是愛因斯坦的概念遠(yuǎn)見。然而，這種概念遠(yuǎn)見卻與實(shí)驗(yàn)事實(shí)相符，也是愛因斯坦進(jìn)一步提出廣義相對論的前提。因此，接受有超光速的因果聯(lián)系是不可取的。

假如我們不接受有超光速的因果聯(lián)系的話，我們就把研究的目標(biāo)集中在澄清愛因斯坦的定域性概念、貝爾的定域性概念和量子力學(xué)的非定域性概念之間的區(qū)別與聯(lián)系的問題上。貝爾強(qiáng)調(diào)說，他在《論EPR悖論》一文中假設(shè)的是定域性，不是決定論，決定論是一個推斷，不是一個假設(shè)。也就是說，根據(jù)貝爾的觀點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)否定的是定域性，而不是決定論。這樣，就相應(yīng)地帶來了一系列需要進(jìn)一步澄清的概念問題：貝爾定理的前提假設(shè)是什么？貝爾的定域性概念與愛因斯坦的定域性是否具有相同的內(nèi)涵？量子力學(xué)的非定域性是否意味著微觀信息是超光速傳播的？或者說，量子力學(xué)的非定域性概念是否就是對愛因斯坦的定域性概念的否定？這些問題從20世紀(jì)80年代開始受到了物理哲學(xué)界的普遍關(guān)注，一直到現(xiàn)在還在討論之中。

一種觀點(diǎn)認(rèn)為，貝爾的定域性是指測量和觀察；愛因斯坦的定域性是指物理系統(tǒng)的存在狀態(tài)。量子力學(xué)的非定域性意味著量子力學(xué)是不完備的，有可能找到一個比量子力學(xué)更基本的理論，使量子力學(xué)成為這個理論的一種極限情況。

另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，貝爾所理解的定域性是概率的愛因斯坦的定域性。還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，定域性不是貝爾不等式成立的唯一前提條件，可以從兩個獨(dú)立的假設(shè)——分離性假設(shè)和定域作用假設(shè)——推論出貝爾不等式。這里的“定域作用假設(shè)”是指，只有以小于光速的速度傳播的物理效應(yīng)才能改變彼此分離的客體的實(shí)在態(tài)。實(shí)驗(yàn)否定的是分離性假設(shè)，量子力學(xué)的非定域性是指非分離性，而不是指非定域的相互作用。因此，得不出信息的超光速傳播的結(jié)論。

其實(shí)，從物理學(xué)史的發(fā)展來看，這種狀況類似于17世紀(jì)末18世紀(jì)初，在引力傳遞機(jī)制問題上，圍繞“超距作用”的觀點(diǎn)所展開的爭論。直到19世紀(jì)法拉第確立了場概念之后，才最終否定了超距作用的觀點(diǎn)。我們對空間上分離的兩個量子系統(tǒng)之間的這種糾纏現(xiàn)象的理解，也不能用傳統(tǒng)的因果相互作用來理解。因?yàn)檫@兩個量子系統(tǒng)之間的即時關(guān)聯(lián)是一種不依賴于任何相互作用的非定域性關(guān)聯(lián)。所以，我們不能運(yùn)用傳統(tǒng)的思維方式來理解這種關(guān)聯(lián)。

結(jié)語

總之，試圖澄清量子糾纏現(xiàn)象發(fā)生的內(nèi)在機(jī)制并不是一個哲學(xué)問題，而是一個物理學(xué)問題，但是，試圖通過在量子糾纏概念的理解與發(fā)展中提供的認(rèn)識論啟示來理解科學(xué)，就變成了一個典型的科學(xué)哲學(xué)問題。量子糾纏是量子力學(xué)的理論體現(xiàn)所蘊(yùn)含的，物理學(xué)家對這一現(xiàn)象的接受到應(yīng)用的過程，也是他們努力澄清量子糾纏的意義與揭示其運(yùn)行機(jī)制的過程。可以想像，量子糾纏的未來很可能會像電磁波的今天一樣，在各個領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用。而哲學(xué)家澄清量子糾纏引發(fā)的哲學(xué)問題的過程，則是一個令傳統(tǒng)的哲學(xué)觀念脫胎換骨的過程。

（責(zé)任編輯：周小玲）