北京時(shí)間 10 月 23 日消息，據國外媒體報道，物理學(xué)家知道如何運用量子理論，你每天都在用的手機和計算機為此提供了大量的證據。然而，知道如何使用量子理論與完全理解該理論描述的世界——以及科學(xué)家在該理論中使用的各種數學(xué)工具的確切含義——之間有著(zhù)很大差別。量子態(tài)(quantum state)便是一個(gè)這樣的數學(xué)對象，長(cháng)期以來(lái)物理學(xué)家對其狀態(tài)的爭論一直沒(méi)有停止。

　　量子理論最令人驚奇的特征之一是，它的預測在幾乎所有情況下都是概率性的。如果你在實(shí)驗室中進(jìn)行一個(gè)實(shí)驗，然后用量子理論來(lái)預測可能進(jìn)行的各種測量的結果，那最多也只能得到不同結果的概率。比如，你有 50% 的概率得到一個(gè)結果，同時(shí)又有 50% 的概率得到另一結果。量子態(tài)在量子理論中的作用就是確定(或者至少是編碼)這些概率。如果你知道量子態(tài)，那你就能計算任何可能實(shí)驗中獲得任何可能結果的概率。

　　但是，量子態(tài)最終是否代表了現實(shí)的一些客觀(guān)方面，或者說(shuō)，它是否能成為表征我們所知現實(shí)的一種方式?這個(gè)問(wèn)題可以追溯到量子理論最初誕生的時(shí)候，但最近又成為一個(gè)活躍的話(huà)題，啟發(fā)了一系列新的理論成果甚至一些實(shí)驗測試。

　　要了解為什么量子態(tài)可能會(huì )表征一個(gè)人所知的現實(shí)，請思考另一種使用概率的情況。在你的朋友擲骰子之前，你會(huì )猜想骰子哪一面朝上。如果你的朋友投出一個(gè)標準的 6 面骰子，那通常你會(huì )認為自己的猜測有 17%(或六分之一)的概率是對的。這里的概率就代表了與你有關(guān)的一些東西：你對骰子的了解。打個(gè)比方，如果你在朋友投出骰子時(shí)背過(guò)身去，那她就看到了結果，而你沒(méi)有。對你來(lái)說(shuō)，即使她知道結果，也不會(huì )影響你的不確定狀態(tài)。代表一個(gè)人不確定的概率，即使存在關(guān)于該事物的某些事實(shí)，也會(huì )被認為是認識論的(epistemic)——來(lái)自希臘語(yǔ)中描述知識的一個(gè)詞。

　　這意味著(zhù)，你和你的朋友可以分別給出非常不同的概率，而不會(huì )有任何錯誤。你說(shuō)骰子顯示某個(gè)點(diǎn)數的概率是 17%，而你的朋友已經(jīng)看到了結果，會(huì )說(shuō)概率是 100%。這是因為你們各自知道的信息不同，而這些概率代表了你們各自的認識狀態(tài)。事實(shí)上，唯一不正確的賦值是說(shuō)骰子沒(méi)有任何機會(huì )顯示點(diǎn)數6。

　　在過(guò)去 15 年左右的時(shí)間里，物理學(xué)家們已經(jīng)就量子態(tài)能否用類(lèi)似方式進(jìn)行認知的問(wèn)題展開(kāi)了研究。假設存在有關(guān)世界結構的某些事實(shí)——比如像空間中粒子的排列，或者甚至是骰子游戲中的實(shí)際結果——但你不知道是什么。根據這些方法，量子態(tài)只是表征你對世界結構不完整知識的一種方法。鑒于某些物理情況，量子態(tài)的配置可能存在多種正確方法，這取決于你擁有的信息。

　　以這種方式思考量子態(tài)很有吸引力，因為量子態(tài)會(huì )在你測量物理系統的某些方面時(shí)發(fā)生變化。測量一個(gè)系統通常會(huì )改變它的狀態(tài)，從一個(gè)每個(gè)可能結果都具有非 0 概率的狀態(tài)，變成只有一個(gè)結果發(fā)生、概率為 0 的狀態(tài)。這很像骰子游戲中發(fā)生的情況，結果出來(lái)時(shí)，你就知道骰子顯示的點(diǎn)數是6。因為測量某些事物就改變世界，聽(tīng)起來(lái)實(shí)在很奇怪。但是，如果僅僅只是你的知識發(fā)生變化，那一切就顯得不那么奇怪了。

　　認為量子態(tài)是認識論的另一個(gè)原因是，在大多數情況下，沒(méi)有辦法通過(guò)單個(gè)實(shí)驗來(lái)說(shuō)明實(shí)驗前量子態(tài)究竟是什么。這也類(lèi)似于骰子游戲中的概率。假設另一個(gè)朋友也加入了游戲，并堅持認為骰子顯示 6 的概率只有 10%，而你還是認為概率是 17%。一次實(shí)驗能證明誰(shuí)對誰(shuí)錯嗎?不能。這是因為，實(shí)際的結果——比如說(shuō)6——其實(shí)是與你們兩個(gè)人的概率賦值相容的(盡管一個(gè)可能更加準確，因為符合多次投擲結果出現的頻率)。在任何特定情況下，都無(wú)法判斷你和你的朋友誰(shuí)是對的。根據量子理論的認知方法，你無(wú)法通過(guò)實(shí)驗區分大多數量子態(tài)的原因其實(shí)就像骰子游戲：對于與多個(gè)量子態(tài)相容的實(shí)際物理情況，存在一些不同概率。

　　羅伯特·斯佩肯斯(Robert Spekkens)是加拿大圓周理論物理研究所的理論物理學(xué)家，他在 2007 年發(fā)表了一篇后來(lái)頗具影響力的論文，其中提出了一種模擬量子理論的“玩具理論”(toy theory)。玩具理論與量子理論不同，因為它僅限于極其簡(jiǎn)單的系統。也就是說(shuō)，對于這些系統的任何屬性，最多只有兩個(gè)可能值，例如它們的顏色只有“紅”或“藍”，或者它們的方向只有“上”或“下”。但是，與量子理論一樣，玩具理論也包括了可能用于計算概率的狀態(tài)。而且，至少對于那些簡(jiǎn)單的系統，玩具理論也可以像量子理論那樣做出許多類(lèi)似的預測。

　　斯佩肯斯的玩具理論令人興奮，因為就像在量子理論中一樣，它的狀態(tài)通常也是“無(wú)法區分的”，并且這種不可區分性可以通過(guò)相同潛在物理情境下?tīng)顟B(tài)的相互兼容性來(lái)完全解釋。換句話(huà)說(shuō)，玩具理論非常像量子理論，其狀態(tài)也具有明確的認識論特征。由于量子態(tài)具有不可區分性，因此對于那些傾向于某種認識論觀(guān)點(diǎn)的人來(lái)說(shuō)，還無(wú)法接受斯佩肯斯等人將玩具理論作為量子態(tài)可能是認識論的強有力證據——問(wèn)題是他們能否提出一個(gè)解釋——除非玩具理論能擴展到更加復雜的系統。這也由此啟發(fā)了一系列研究，一些物理學(xué)家試圖將斯佩肯斯的工作擴展到所有的量子現象，另一些則試圖證明這是錯誤的。

　　到目前為止，看起來(lái)反對者已經(jīng)占了上風(fēng)。例如，理論物理學(xué)家馬修·普西(Matthew Pusey)、喬納森·巴雷特(Jonathan Barrett)和特里·魯道夫(Terry Rudolph)于 2012 年在《自然-物理學(xué)》(Nature Physics)發(fā)表的一篇論文引起了廣泛討論，文中提出，如果物理實(shí)驗總是可以彼此獨立地建立，那么對于描述這些實(shí)驗的“正確”量子態(tài)，就不存在任何的不明確性。其他量子態(tài)是錯誤的，這就好比，對于一個(gè)事實(shí)上最終顯示點(diǎn)數 6 的骰子，認為投出 6 的概率是 0 就是錯誤的。

　　2014 年，喬納森·巴雷特、埃里克·卡瓦爾康蒂(Eric Cavalcanti)、雷蒙德·拉爾(Raymond Lal)和歐文·馬羅尼(Owen Maroney)在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上發(fā)表了另一篇文章，指出沒(méi)有辦法在不違反量子理論預測的前提下，將斯佩肯斯的玩具理論擴展到屬性可以具有 3 個(gè)或更多值的系統——例如顏色有“紅”、“綠”和“藍”，而不是只有“紅”和“藍”。他們甚至提出了能夠說(shuō)明量子理論的預測與任何認識論觀(guān)點(diǎn)必須做出的預測之間的區別，到目前為止，已經(jīng)進(jìn)行的實(shí)驗都與標準的量子理論一致。換句話(huà)說(shuō)，你似乎無(wú)法將量子態(tài)解釋為認知論，因為任何認為量子態(tài)是認識論的理論，其做出的預測都與量子理論不同。

　　那么，這些結果是否排除了量子態(tài)是我們的一個(gè)思想特征?既是也不是。反對認知論觀(guān)點(diǎn)的論據是在思考物理理論的特定框架中得到證明的數學(xué)命題。這一框架最初由斯佩肯斯及其合作者開(kāi)發(fā)出來(lái)，作為解釋認知論觀(guān)點(diǎn)的一種方式，包括了若干基礎性的假設。假設之一是，世界總是處于某種實(shí)體狀態(tài)，這是一種確定的、獨立于我們所知的物理狀態(tài)，它可能與量子態(tài)一致，也可能不一致;另一個(gè)假設是，一個(gè)物理理論做出的預測可以通過(guò)標準概率理論的方法進(jìn)行表示。這些假設沒(méi)有爭議，但并不意味著(zhù)它們是對的?！蹲匀?物理學(xué)》和《物理評論快報》上那兩篇論文的結果表明，在這個(gè)框架中，沒(méi)有任何理論可以像斯佩肯斯的玩具理論一樣是認識論性質(zhì)的，同時(shí)可以和量子理論達成一致。

　　這是不是最終的結論，取決于你對這一框架的看法。在這個(gè)問(wèn)題上，許多人有不同的意見(jiàn)。

　　例如，牛津大學(xué)的物理學(xué)家和哲學(xué)家、2014 年《物理評論快報》論文的作者之一歐文·馬羅尼在一封電子郵件中說(shuō)，“最合理的準認識論模型”——能夠與斯佩肯斯的框架相容的模型——“正在被排除”。同樣的，美國查普曼大學(xué)的物理學(xué)家馬特·萊弗(Matt Leifer)就量子態(tài)的認識論觀(guān)點(diǎn)寫(xiě)了許多文章，他表示，甚至 2012 年《自然-物理學(xué)》論文的結果就已經(jīng)下了定論——只要你愿意接受他們的獨立性假設(對此萊弗說(shuō)，他“經(jīng)常傾向于這么做”)。

　　斯佩肯斯本人更為謹慎。他同意這些結果對量子態(tài)的認識論觀(guān)點(diǎn)產(chǎn)生了重要的限制。但他強調，這些結果都在他的框架內得到了證明。而且，作為這一框架的創(chuàng )建者，他很快就指出了其局限性，例如對概率的假設。因此他認為，量子態(tài)的認識論觀(guān)點(diǎn)有很好的潛力，但如果想要奏效，就需要重新審視大多數物理學(xué)家一直想要毫無(wú)疑問(wèn)接受的物理理論的基本假設。

　　然而，似乎很清楚的一點(diǎn)是，物理學(xué)家在量子理論的基礎問(wèn)題上取得了實(shí)際進(jìn)展。許多物理學(xué)家似乎很愿意將量子態(tài)含義的問(wèn)題視為僅僅是解釋性的，或者更糟糕的，“哲學(xué)性”的，因為它們與大多數量子物理學(xué)家擔心的問(wèn)題無(wú)關(guān)，比如設計新的粒子加速器或建造更好的激光器。將一個(gè)問(wèn)題稱(chēng)為“哲學(xué)性的”，會(huì )使它看起來(lái)好像不屬于數學(xué)或實(shí)驗物理學(xué)的范疇。

　　然而，對認知論觀(guān)點(diǎn)的研究表明，這種做法有多么錯誤。斯佩肯斯和他的合作者設法對量子態(tài)進(jìn)行了解釋?zhuān)⑵滢D化為精確的假說(shuō)——一個(gè)之后被數學(xué)和實(shí)驗結果所駁斥的假說(shuō)。這并不意味著(zhù)認識論觀(guān)點(diǎn)已經(jīng)死亡，但的確迫使其主張者提出新的假說(shuō)。這毫無(wú)疑問(wèn)是一種進(jìn)步，無(wú)論在科學(xué)上還是在哲學(xué)上。

　　作者簡(jiǎn)介：詹姆斯·歐文·韋瑟爾(James Owen Weatherall)是加州大學(xué)歐文分校的邏輯和科學(xué)哲學(xué)教授。他最近的著(zhù)作《虛空：關(guān)于虛無(wú)的奇怪物理學(xué)》(Void： The Strange Physics of Nothing)(耶魯大學(xué)出版社，2016)對物理學(xué)中的虛空結構進(jìn)行了探索，總結了從 17 世紀到當代的研究歷程。
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