量子纠缠引发的哲学问题

量子纠缠引发的哲学问题作者：成素梅来源：《社会科学》2014年第06期摘要：物理学家对量子纠缠现象的认识经历了基于观念质疑、实验认可和具体应用这样一个从理论阐述到技术开发的过程。

量子纠缠现象的存在颠覆了许多传统的哲学观念，直接引发了关于如何理解“实在”和“因果性”概念的讨论。

这些讨论深化了我们对实在论与反实在论、因果性与关联、决定论与非决定论、定域性与非定域性、可分离性与不可分离性等概念的理解，揭示了本体论思维方式的局限性。

关键词：量子测量；非定域性；实在；因果性中图分类号：N02文献标识码：A文章编号：0257-5833（2014）06-0111-08物理学家对量子纠缠的研究经历了两个阶段：其一是观念质疑与概念辨析阶段。

这一阶段以爱因斯坦、波多尔斯基和罗森于1935年联名在《物理学评论》杂志上发表的“能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？”（通常简称“EPR论证”）一文为开端，以如何理解量子力学的基本特征为主线，围绕如何理解量子纠缠的思想实验展开争论；其二是实验证实与技术应用阶段。

这一阶段以贝尔不等式的提出为契机，以检验这个不等式的一系列实验为基础，以量子信息科学与量子计算的迅猛进展为核心，把量子纠缠作为一种像能量一样的物理学资源，进行测量、转换和纯化，来探索其广泛的应用前景。

对于哲学研究来说，量子纠缠引发的哲学问题比过去任何时候都更加尖锐与深刻。

我们对这些问题的讨论，在本质上，不是对传统哲学观念的细枝末节的修正或补充，而是蕴含着彻底的哲学革命以及哲学思维方式的大转变。

然而，令人遗憾的是，在国际学术界倍受关注的这一论题在国内哲学界却惨遭冷落，因此，我们有必要对这一论题进行深入探讨。

本文只是抛砖引玉。

一、量子纠缠的提出与发展“量子”（quantum）概念来源于拉丁语“quantus”，意思是“多少”（how much），意指一个固定的量，与此相关的一个重要常数称之为“作用量子”（通常称为普朗克常数），用h表示，h取自“Hiete”的第一个字母，是“帮助”的意思。

在物理学史上，物理学家通常把普朗克提出作用量子的年代（1900年）确定为是量子时代的开端和机械力学时代的终结。

此后，物理学家经过二十多年的努力，终于在1925年和1926年确定了量子力学的形式体系。

量子力学是探讨构成物质基本单元（即亚原子粒子）的运动变化规律的学说。

我们无法用仪器直接观察到微观粒子的存在状态，只能观察到它们在特定测量设置中的特定的行为表现，比如，云雾室里的径迹、盖革计算器的响声、双缝衍射图样等。

在这个领域内，我们过去熟悉的许多规律和观念都失去了效用，“不确定性”主宰着一切。

量子力学最离奇的特征是被爱因斯坦称之为“怪异的超距作用”的量子纠缠，我们在经典世界中从来没有遇到过类似情况。

物理学家理解量子纠缠的过程，不只是理解量子力学的过程，同时还是澄清旧的哲学前提、确立新的哲学观念的过程。

与继往通过实验现象归纳出理论观念的研究方式不同，物理学家最初对量子纠缠的认识并不是直接来源于所观察到的实验现象，而是来源于对量子力学的形式体系的理解与把握。

薛定谔早在1926年创立他的波动力学时，已经意识到，假如几个粒子或光子是在某个物理过程中共同产生的，那么，它们之间就会发生纠缠。

但是，量子纠缠现象真正引起物理学家的关注，应归功于爱因斯坦等人联名发表的EPR论证的文章。

在当时的背景下，EPR论证与其说是一篇物理学论文，不如说是一篇典型的量子力学哲学论文。

过去人们通常认为，这篇论文的学术价值在于爱因斯坦与玻尔就量子力学的完备性问题的争论，事实上，从当前的发展来看，这篇论文更大的学术价值在于技术应用和由此引发的哲学讨论。

量子纠缠这个概念的提出归功于薛定谔。

1935年10月，薛定谔在《剑桥哲学学会的数学进展》杂志上发表了“分离系统之间的概率关系的讨论”一文，在该文中，薛定谔进一步推广了EPR论证的讨论，并创造了“纠缠”这一术语来描述复合的量子系统存在的这种特殊关联。

薛定谔在这篇讨论性文章中开门见山地指出，当两个系统由于受外力作用经过暂时的物理相互作用之后再彼此分开时，我们无法再用它们相互作用之前各自的表达式来描述复合系统的态，两个量子态通过相互作用之后已经纠缠在一起。

实验表明，不管这两个量子系统分离之后相距多远，都始终会神秘地联系在一起，其中一方发生变化，都会立即引发另一方产生相应的变化。

简单地说，量子纠缠是指，曾经相互作用过的两个粒子，在彼此分离之后，对一个粒子的任何测量，都会影响到另一个粒子的存在状态。

薛定谔对这种特殊情境的另一种表示方式是：一个整体的最有可能的知识不一定是它的所有部分的最有可能的知识，即使它们可能是完全分离的，有能力拥有各自的“最有可能的认识”。

这种知识的缺乏决不是由于这种相互作用是不能够被认识的，而是由于这种相互作用本身。

用EPR-玻姆的思想实验来说，在测量之前，两个纠缠粒子都没有确定的自旋态，只有通过实际测量，它们才能拥有确定的自旋态。

理论提供的测量得到的态是随机的。

例如，如果第一次测量是测量粒子A在Z方向的自旋，测量得到粒子A自旋向上或自旋向下的概率是一样的。

只有具体地进行一次测量，才能确定A是自旋向上，还是自旋向下。

A的结果同时引起了另一个相互纠缠的粒子B的自旋态的改变。

如果测量得到A在Z轴上自旋向上，那么，B在Z 轴上就是自旋向下，如果测量得到A在Z轴上自旋向下，那么，B在Z轴上就是自旋向上。

这两个纠缠粒子的态的确定是同时的。

从理论上看，量子纠缠是量子力学形式体系的态叠加原理应用于两个以上的子系统构成的复合系统时体现出来的现象，是薛定谔方程中的波函数在位形空间中不可分解的特征造成的。

在量子力学中，量子纠缠是普遍存在的，而不是例外的规则。

比如，量子纠缠比不确定性原理更明确地说明了双缝实验。

在双缝实验中，一束粒子通过两个狭缝射向检测屏，能够产生明暗相间的衍射条纹，体现了这些粒子像经典波那样发生了相互干涉，如果一次只有一个粒子通过狭缝，就不是粒子之间的相互干涉，而是每一个粒子与自己干涉；如果我们希望通过仪器检测到粒子究竟通过哪个狭缝，那么，干涉图样就消失了。

我们只能要么得到干涉图样，要么检测到粒子通过哪一条狭缝，而不能同时得到两者。

在物理学家认识到量子纠缠之前，物理学界通常的解释是来自玻尔，玻尔根据海森堡的不确定原理来说明这一事实，即粒子的位置确定，它的动量就不确定；动量确定，位置就不确定。

现在物理学家普遍认为，运用不确定性原理说明双缝实验只是一种幸运的巧合，事实上是不充分的，最好应用量子纠缠来说明：干涉图样的消失是衍射粒子与光子纠缠的结果。

在有关量子纠缠的实验进展方面，1949年吴健雄和萨克诺夫第一次通过实验生成了一对互相纠缠的光子。

然而，这个重大的突破直到1957年才被认可。

在长达40年之后的1997年，维也纳小组和罗马小组分别根据这种不受空间限制的量子纠缠现象成功地完成了隐形传输单粒子量子态（简称为隐形传态）的实验，2009年，美国物理学家实验证明，在肉眼能够看到的两个超导体之间也存在着纠缠现象。

近些年来，量子纠缠作为一种资源正在得到广泛的技术应用，成为制造具有超级计算能力的量子计算机和实现绝对保密的量子通讯的理论基础。

在物理学的发展史上，物理学家对量子纠缠的认知是过去半个世纪以来最重要的进展之一。

但从传统哲学意义上来看，两个粒子分离之后，还能产生相互影响，这显然有悖常理。

这也向我们提出了究竟如何理解微观粒子的存在状态，如何理解纠缠的微观粒子之间的这种神秘关系，如何理解因果性等哲学问题。

更加关键的是，我们对这些问题的理解，不得不完全摈弃过去从经验和感官得来的关于实在世界的先入之见，不得不彻底改变日常经验和经典物理学蕴含的哲学前提，不得不重新反思自然形成的直觉经验，或者说，我们不能用在宏观概念语境中形成的观念来理解量子概念语境中出现的量子现象。

量子纠缠不仅挑战了整个经典概念框架与这个框架所蕴含的物理学的概念基础和哲学前提，而且揭示了当我们的认识超出了常识经验的直观范围时，我们只能借助于数学来理解问题或只能让数学做我们理解的向导。

正是在这种意义上，量子纠缠彻底颠覆了传统的哲学观念，引发了一系列我们必须重新思考的哲学问题，其中，最突出的问题是关于“实在”的问题和关于“因果性”的问题。

二、关于“实在”的问题“实在”概念属于常识语言。

像许多常识语言一样，“实在”概念在日常生活中有许多不同的用法，它的意义是相当模糊的，我们通常需要根据语境来作出鉴别与区分，比如，我们会说“这人很实在”，这里的“实在”是指“诚实”的意思；我们也会说，“赚钱是最实在的”，这里的“实在”是指“重要”的意思；我们还会说“我现在最实在的是有东西吃”，这里的“实在”是指“迫切”的意思。

在物理学哲学的讨论中，“实在”概念是指真实存在的意思。

在真实存在的意义上，我们一般不会怀疑自己亲眼看到的自然物的实在性。

在当代科学中，物理学家和化学家通常用分子结构来描述这些自然物的基本构成，分子依次用原子来描述，原子用电子、质子和原子核来描述，这些亚原子粒子用夸克来描述。

受这种无限可分的物质观的引导，物理学家至今还没有因为找不到自由夸克，而怀疑像电子、光子等亚原子粒子的实在性。

但是，我们对宏观物质的这种可共享的直接或间接的感知性，并不能照搬或延伸外推到微观粒子的情况。

微观粒子这一名称虽然仍然沿用了通常的“粒子”术语，可是，粒子概念的意义已经发生了实质性的变化。

首先，我们根本无法直接或间接地看到微观粒子本身，只能通过特定的测量设置感知到它们的行为表现。

可是，有些行为表现却是相互矛盾的：同样的微观粒子能够在一种设置中表现出粒子性，但在另一种设置中却表现出波动性。

根据传统的本体论理解，粒子性与波动性很难统一于同一个对象，在经典物理学中，它们是两种不同的存在形态。

但在量子力学中，这两种完全不同的存在形态竟然是通过同一个微观粒子表现出来的。

于是，量子物理学家率先卷入了关于微观粒子在测量之前究竟是粒子还是波的争论。

薛定谔持有波动实在观，认为波是基本的，粒子是波包形成的；玻恩持有粒子实在观，认为粒子是基本的，波是统计分布形成的；德布罗意和玻姆倡导的波一粒子综合的观点则试图通过隐变量来理解波粒二象性。

量子物理学家对微观粒子是什么的讨论是建立在相信这些粒子是实在的意义上进行的。

就像爱丁顿相信“普通的桌子”与“科学的桌子”都同样存在一样，科学家相信，宏观对象与微观对象都具有实在性，因为这是他们从事科学研究的基本前提。

他们之间的争论是关于如何认识与理解这些粒子的存在状态的争论。

与此不同，在科学实在论与反实在论的讨论中，科学哲学家在论证他们对待科学的态度时，也需要在如何理解微观粒子的问题上表明自己的态度。

他们通常把这些亚原子的微观粒子统称为“理论实体”，即由科学理论描述出来的实体。