量子力学论文

量子力学论文1

　　量子力学在本世纪二十年代就形成了其形式系统，然而它的物理意义，亦即对它的解释却一直众说纷纭，时至今日仍是物理学家和哲学家关注的一个中心问题。虽然在其体系形成后不久，玻尔就在玻恩的几率诠释和海森堡的测不准原理基础上，提出了系统一贯的互补性诠释并成为被普遍接受的正统诠释，但互补思想的确切内容却始终没有人能说得清，因为玻尔总是把他深奥的思想，深深藏在晦涩冗长的深思熟虑的句子和事例性的说明之中，而没有任何现成的条条款款，这就使得无论接受它的还是反对它的人都给出了各式各样不同的理解，所以互补含义亟需澄清。关于量子力学诠释研究的主要问题也都与互补性诠释密切相关（如因果性问题、几率性问题、关于测不准关系的理解问题、测量问题、完备性问题等），这些问题的澄清和解决也首先需要正确理解互补性诠释。

　　１．互补性诠释的逻辑结构

　　与互补性诠释不同的其它诠释的逻辑结构是，先设计出某种本体实在的模式，再将这种本体实在与量子力学中的某种符号联系起来，然后将这种符号按量子力学演绎的理论结果与观察结果对照来解释量子现象和量子理论。在这些解释中，观察结果不是作为解释的根据，而是作为量子力学演绎的结果。如隐变量理论先假设有因果决定性的亚量子层的隐变量的本体实在，再将这种本体实在隐变量的统计平均与量子力学中的可观察量联系起来，量子力学的理论值就代表着隐变量的统计平均的演化结果，它与统计性的结果相对应，这样隐变量理论就将观察结果和量子力学的描述解释为客体的隐变量的统计平均的表现和对这种统计平均的变化规律的描述。统计系综诠释则先假设统计分布具有实在的客观性，它代表着微观客体的状态和特征，量子力学描述中的波函数ψ的模方就表示客体的这种统计分布，波动方程的解的模方与观察结果的统计分布相一致，表示着客体的统计分布状态。互补性诠释不从一个预先的本体实在模式的假设出发，而是直接对观察结果进行分析和解释，然后从这种对观察结果的分析中推出客体的实在特点和对它进行描述的符号的意义。当然，从一般假设能演绎出一个唯一的结果，而从观察结果只能推出客体实在的某些本质特征，不会得出唯一确定的实在模式和对它描述的符号的完全确定的意义。因为观察结果可以由各种不同的符号系统描述，即使只有一套符号，其数学演算过程也无法与实际的物理过程一一对应，而只能将演算结果与观察结果对应，所以，虽然观察是唯一确定的，但关于它的描述和解释却可以有多种。这说明解释具有一定的灵活性，允许有各种不同的关于实在的假设，但这些假设的实在并不就是真实的实在，而只是在某些方面反映着由观察结果所表征的实在。互补性诠释通过对观察结果的认识特点和描述的语义方面的分析，找到对客体和谐一致的互补描述方式，再从这种描述中找出客体的实在特点，而不是先给出一种实在的模式或图景。

　　互补性诠释从观察到的原子的稳定性和辐射光谱的不连续性所表征的量子性出发，以量子公设作为其理论的出发点来构建对具有量子性的原子客体的合理描述。量子公设本身意味着过程的非连续性、个体性，也就意味着观察过程中仪器与客体的相互作用过程是不可细分的，观察结果中必然包含了仪器及其对客体的作用。在经典物理中，仪器对客体的作用比客体本身的物理量小得可以忽略，即使不能忽略也能通过对过程的分析将它剔除，但在对原子客体的观察中，仪器对客体的作用与客体的物理量相比拟，其作用过程又是非连续的，所以不可能将仪器的作用剔除，这样，观察结果中就必然包含了观察仪器的作用，而不是代表客体本身的现象，对客体的描述也必然只能是观察下的客体的描述，而不可能是对没有观察的孤立客体本身的描述，所以对客体的任何描述都依赖一定的观察，没有观察，就没有可描述的确定的现象，即使没有对应于客体本身的观察，也必然存在与之相关的其它客体的观察。这不是说，没有观察，现象世界就不存在，而是说，没有观察，确定的客体就不存在，没有观察，世界上可以发生许多事件，但我们却不能确定对它们的描述。

　　观察对描述的重要性和观察中仪器对原子客体的作用的不可分性是原子现象及其描述的特殊性之所在。正是观察的特殊性带来了概念的定义和描述上的新特点，从而带来描述方式的根本改变和实在的新特点。

　　在对原子客体的观察中，仪器与客体间的不可剔除的相互作用，使得对客体的时空确定和态的确定间成为互斥的。当我们通过一种仪器如刚性标尺和时钟对客体进行时空的观察和确定时，观察中仪器的作用和对时空的确定条件，排斥对客体的态进行定义，因为这种确定时空的仪器对客体的作用所带来的客体的态的改变是无法确定的，从而客体在另一种确定它的态的仪器下所确定的对态的定义的条件被破坏，而不再可能对时空观察下的客体进行态的定义。当我们利用另一种仪器对客体的能量和动量进行观察和定义时，由于仪器与客体相互作用的时间的不确定性，使得对客体的时空确定成为不可能。客体的时空标示和态的描述间的互斥，不仅在于时空观察带来的态的不可控制的改变，而且也是定义客体两种属性的条件的互斥的表现。态的定义要求消除除态的观察外的任何观察的外来干扰，而时空的观察必包含有对客体的干扰，两种描述所代表的定义的理想化和观察的理想化的互斥，使得它们不能再统一在一种描述图景中对客体进行时空中的因果描述，只能对客体进行这两种互斥的描述。因为它们都是对客体的描述，并且只有两种描述一起才能构成对客体的全面描述，所以二者是互补的。这就是对原子客体的互补性描述方式。

　　量子公设所蕴涵的仪器与客体的不可避免的相互作用是互补性诠释的一个逻辑起点，作用量子的公式所包含的波粒二象性是互补性诠释的另一逻辑起点。

　　时空和能量动量描述的互补性意味着经典的粒子图象和波动图象都不完全适于原子客体，它们只是诠释两种原子现象的不同尝试。在这种诠释中，经典概念的局限性以互补的方式表现出来。在粒子图象中，因果要求的满足必伴随对时空描述的放弃；在波动图象中，时空传播规律的描述必伴随因果描述的放弃而只能代之以统计的考虑。如果我们不把时空描述和因果描述看作互补的而坚持经典的时空概念，我们就必会面对光和物质有时表现象波有时又象粒子的矛盾，所以，光和物质粒子的本性不是经典描述的粒子或波，而是时空和因果的互补描述的波粒二象性，即其时空描述遵循波动的叠加规律、其因果描述遵循粒子的守恒定律的两种图象的互补。任何将客体看作经典波或经典粒子的解释都是行不通的。如薛定谔将原子客体看作经典电磁波的电磁波解释，就遇到波包的扩散、波是位形空间而不是真实空间的波以及波函数与测量与所选择的非对易的可观察量有关等问题，这些问题恰恰反映了经典波概念对原子客体描述的局限性。统计系综诠释虽把原子客体看作粒子，但却不是经典的能够对它作时空描述的粒子，而是只能对粒子系综的统计规律进行描述的粒子，因果描述和时空描述的互补性被包含在系综的能量、动量和时间空间的统计散差具有反比性的特殊统计性中。隐变量理论虽然为量子力学描述建立了一个亚量子层的因果描述，但它对可观察的量子层的描述与量子力学的统计描述完全一样，而且在其亚量子层的因果描述中也加入了与经典描述不同的隐变量与测量的相关性。所以，因果描述和时空描述的互补性是不可避免的，用经典的粒子图象或波动图象来解释所有原子现象都会遇到逻辑困难，因而必须将它们加以修正并使它们互补起来。

　　２．对量子力学描述的统计性的理解

　　统计性是量子力学描述的一个基本特点，统计或几率概念是量子理论的基本概念，理解它是理解量子力学的关键所在，各种诠释的主要分歧也在于此。按照互补性诠释，统计性是量子性的必然结果，或者说统计性是逻辑地包含在量子概念之中的。因为作用量子的存在本身就意味着原子过程不再是因果连续的，而是非连续的个体性过程，对于这种过程不可能进行因果描述，而只能对个体事件进行统计描述，而且量子公设还意味着观察对原子客体状态的不可控制的改变，从而使我们无法通过观察建立起客体运动变化的因果规律。量子概念中所蕴涵的时空的确定和能量动量的确定间的互斥关系，也使我们不可能给出客体的一个初始状态而对客体进行因果性的描述和预言，所以，量子性必意味着描述的统计性，对非连续的原子过程只能进行几率描述。描述恰当地反映了原子过程的非连续的变化的可能性而不是因果连续变化的必然性，它对原子客体的物理量的描述不再是具有唯一确定值，而是按一定的统计分布具有一系列的值，这些值及其统计分布就是对原子客体的这一物理属性的描述，而量子力学对原子客体的物理量的值谱和统计分布的变化规律的描述就是对原子客体的统计变化规律的描述。这种由量子公设带来的统计描述也必然包含描述的互补性，只有通过时空描述和能量动量描述的互补性才能理解对原子客体的统计描述的这些特点。量子力学描述中波函数按薛定谔方程随时间的演化，往往给人一种感觉，它就是对客体的态或客体的统计性（或趋向性）的因果变化的描述。其实，薛氏方程并不能满足人们对因果描述的追寻，虽然我们可以从波函数中找到关于客体的所有属性的描述，但是波函数的随时间的演化并不代表客体的状态的因果变化，因为波函数与客体的行为并无对应关系，只有波函数的模方才代表客体的几率，波动方程只是以恰当的数学形式包含了对客体满足叠加原理的波动属性的描述，而这种描述的合理性是以客体作为粒子出现的几率对波函数的诠释来达到的，波动方程的解不是描述代表客体的波，而是描述代表客体的粒子的几率，波动方程描述中对量子描述的互补性就表现在这里。所以波动方程并不表示对客体的因果描述，而是以波动描述形式对粒子几率进行描述的波－粒互补性的表现。

　　３．对测不准关系的理解

　　测不准关系是量子力学中的一个重要内容，它是量子力学形式体系的一个直接数学结论，所以接受量子力学的人都能接受它，但对于这个数学公式的理解却千差万别。由于测不准关系表现为对物理量的测量的限制关系，所以，不少早期的量子力学教科书把它作为量子力学的一个核心内容和逻辑基础或操作基础，但是，正如Karl R.Popper所指出的，从薛定谔方程可导出测不准关系而从测不准关系导不出薛氏方程，这说明测不准关系应是某种基础的推论。在互补性诠释看来，测不准关系是量子公设所蕴涵的波粒二象性的结果，它表现的是经典概念的可定义的精确度间的互补关系。玻尔从关于作用量子的基本公式ＥＴ＝Ｉλ＝ｈ出发，从其中所蕴涵的经典概念的矛盾推出关于这些经典概念的可定义的最大精确度间的普遍反比关系即测不准关系，从而使这个关系代表了时空和因果描述间的互补性的一种简单的符号化表示，测不准关系中共轭物理量的测量精确度间的反比关系恰当地反映了两物理量的互斥互补关系。

　　海森堡把他所发现的测不准关系看作是对经典概念的适用性的限制和对经典物理量的可确定程度的限制，并且正是由于这种不确定性导致因果律的失效和量子力学的统计描述，这种解释带有明显的操作论和实证论倾向，是一种只讲其然而不讲其所以然的解释。互补性诠释则给出了其所以然的说明，是对测不准关系的更深层的理解，避免了上述操作解释的弊端。如海森堡把物理量的测量的不确定度解释为测量的操作结果，而不是不同概念的可定义和可观察的互补性的结果，就会导致由于我们测量和认识能力的限制，使我们对本来可能存在精确值和因果性的客体只能作有限精确度和统计描述的实证论的和不可知论的问题。测不准关系所表征的一种物理量的测量中仪器的作用导致另一种物理量的不确定，证明了互补性诠释的仪器对客体的不可控制作用的说法，但是这种仪器的干扰作用是对原子客体进行描述所必需的，也是量子力学描述中所包含的，而不是对客体进行描述所要排除的。

　　Popper的统计系综诠释认为，测不准关系的含义是两个正则共轭变量的标准偏差之积有一下限ｎ／４π，它不象互补性诠释的测不准关系是从对理想实验的分析得到的，而是量子力学形式体系的逻辑数学推论，而且由于现在实际的对测不准关系的实验检验还不能达到个体粒子测量所要求的精确度，而往往是对许多粒子的统计平均的偏差的测量，所以统计系综诠释显得比互补性诠释有更坚实的经验支持。我认为，也许统计系综诠释较互补性诠释在数学上更严密，但互补性诠释对量子性的描述特点的分析显得更深刻。

　　４．对描述的完备性问题的回答和理解

　　完备性问题和测量问题是量子力学诠释之争的两个焦点问题，近几十年量子力学的基础研究主要围绕这两个问题展开且使问题不断演化，并挖掘出不少新的内容，互补性诠释无论对这两个问题的提出还是发展都有着直接的影响，而它对这两个问题的解释也成为互补性诠释本身的重要内容。

　　完备性问题是爱因斯坦与玻尔论战的第三次交锋中在著名的Ｅ－Ｐ－Ｒ论文中提出的。文中通过一个Ｅ－Ｐ－Ｒ实验论证了量子力学的描述不是对实在的完备描述。此文引起的首先是关于何为实在的讨论，后来讨论的焦点转移到关于Ｅ－Ｐ－Ｒ关联究竟意味着非局域性、非因果性还是不可分离性的问题。

　　Ｅ－Ｐ－Ｒ的论文从没有干扰而能预言的客体的物理属性为物理实在这一实在概念出发，通过大家所熟知的Ｅ－Ｐ－Ｒ实验，论证了量子力学描述不是对实在的完备描述。简述如下：相互作用后的两粒子，按量子力学描述，可以通过对第一个粒子的两非对易物理量的测量而不加干扰地得到对第二个粒子的同样的两非对易物理量的预言，既然是不加干扰且两粒子相距无限远，第二个粒子的两非对易量虽对应于第一个粒子的不同时的两次测量，但却是同时属于第二个粒子的物理实在，否则就得假设两粒子间具有超距作用；Ｅ－Ｐ－Ｒ又认为，完备描述应同时对同时存在的物理实在进行描述，但量子力学的描述却将对非对易的两个物理实在的描述看作互补的，即对一个进行精确描述时对另一个则不能进行同时的精确描述，所以Ｅ－Ｐ－Ｒ得出结论说，量子力学蕴涵着Ｅ－Ｐ－Ｒ悖论，其原因是量子力学描述不完备。

　　大量实验证实了Ｅ－Ｐ－Ｒ关联的存在，也证明了量子力学描述的成功，但如何解决Ｅ－Ｐ－Ｒ悖论却仍有两条道路可以选择，这便是修正Ｅ－Ｐ－Ｒ的两个前提，或者修正实在概念，或者修正分离原理（包括局域性原理和可分离性原理），前者是玻尔对Ｅ－Ｐ－Ｒ的回答，后者是隐变量实在论者对Ｅ－Ｐ－Ｒ关联的解释，虽然实在概念不同（一个是必包含有观察的实在；一个是不包含观察干扰的实在），但却都包含了仪器与客体的状态、客体与其有相互作用的其它客体的状态的相关。

　　互补性诠释通过修正实在概念，即认为实在必包含有观察的干扰来解决Ｅ－Ｐ－Ｒ悖论。正如互补性诠释的逻辑前提中所认为的，任何描述必是对观察的描述，任何预言也必是对观察的预言，任何实在也必是观察的实在而不是独立自在的实在，观察的作用必包含在实在之中，观察的作用不仅意味着仪器对客体的直接的物理作用，而且意味着一种仪器所特有的对仪器和所观察客体的整体的反映方式和描述方式，所以客体的描述和实在必与进行观察的仪器的类型相关，无论是直接的观察还是象Ｅ－Ｐ－Ｒ实验中的间接观察。这就是量子力学中的相对性，即客体状态与仪器的相对性。所以Ｅ－Ｐ－Ｒ实验中对第二个粒子的非对易物理量的预言所对应的是不同的测量，因而仍是不同时的实在，对它们的描述也是互补的描述而不能是同时的描述，所以这与量子力学描述并无矛盾。Ｅ－Ｐ－Ｒ关联所反映的是仪器类型和描述预言类型及实在类型的必然联系和仪器作用的不可细分所带来的仪器与客体实在的不可分，对第二个粒子的描述与对第一个粒子测量的关联，恰恰表明了观察和描述类型一致的要求和仪器与所描述客体实在的不可分性，不是仪器或第一个粒子对第二个粒子的超距作用使第二个粒子的实在发生了改变，而是它们的实在本身就是一个不可分的整体，它们的状态必然相关而不是独立的，所以互补性诠释在新的实在概念中包含了对可分离性原理的否定，解决了Ｅ－Ｐ－Ｒ悖论。其实，互补性诠释虽然是在对Ｅ－Ｐ－Ｒ悖论的回答中明确了它的新的实在概念，但它的仪器与客体的实在的不可分性，仪器与客体状态、描述的不可分性早在como演讲中作为互补性诠释、互补描述的逻辑前提就已经提出来了，难怪戈革先生说玻尔提前八年预先回答了Ｅ－Ｐ－Ｒ佯谬。

　　５．对测量问题的回答和理解

　　测量问题顾名思义就是关于测量过程的解释和描述问题，由于在微观测量中仪器对客体的作用使客体发生了不可忽略的改变，从而使微观测量不再象经典宏观的测量那样可以忽略仪器对客体的作用，直接将客体对仪器作用产生的仪器上的读数当作客体本身的状态，微观测量的结果是测量后客体的状态，它与测量前客体的状态不同。由测量引起的客体状态的突变叫波包收缩，如何解释和描述波包收缩亦即测量过程中客体状态的变化就是量子力学的测量问题。在量子力学描述中，描述客体状态的ψ（ｘ）的变化有两种方式，一种是按薛定谔方程随时间的因果演变，另一种是测量时突变为所测力学量的一个本征态ψ［，ｎ］（ｘ），也就是客体由各种可能值的几率分布变为按一定几率实现的确定值，如果测量前的统计分布 ，测量后的统计分布 ，其中各本征态的相干项消失了。为什么测量时客体状态要变为本征态？为什么相干项消失？这些问题成为量子力学测量问题的中心问题。各种测量理论大都力图通过分析仪器与客体的相互作用过程，并以薛定谔方程来描述这一过程以求找到问题的解答。互补性诠释认为，波包收缩和干涉项的消失是由一种描述方式向互补的另一种描述转换的结果，这种结果的出现是由互补的两种描述的定义的条件不同和观测中仪器和客体的相互作用关系不同造成的。

　　首先，ψ（ｘ）所表示的是如果测量客体的位置，其位置分布将是怎样的，而不是说测量前客体的状态是怎样的，｜ψ（ｘ）｜［２］表示的是在ｘ处找到粒子的几率。算符ｘ在坐标表象中对应于确定值ｘУ谋菊骱数是δ（ｘ－ｘВ，将ψ（ｘ）按ｘ的本征函数展开即 ，虽然包含有干涉项，但对于ｘ［，ｉ］处的几率｜ψ（ｘ［，ｉ］）｜［２］与 是一样的，因为除ｘВ郏ｎ］＝ｘ［，ｉ］时δ函数不为零外其余都为零，所以干涉项根本就不存在，｜ψ（ｘ）｜［２］本身就是指测量位置时测得各种位置数值的几率。

　　其次，双缝实验中双缝后的波函数ψ（ｘ）是两缝的波函数之和即ψ（ｘ）＝ψ［，Ａ］（ｘ）＋ψ［，Ｂ］（ｘ）但当测定究竟粒子穿过哪一个缝时就会使干涉项消失，这是因为ψ（ｘ）＝ψ［，Ａ］（ｘ）＋ψ［，Ｂ］（ｘ）所蕴涵的测量条件和描述方式与｜ψ（ｘ）｜［２］＝｜ψ［，Ａ］（ｘ）｜［２］＋｜ψ［，Ｂ］（ｘ）｜［２］所蕴涵的不同，前者是在双缝后的屏幕上测得的干涉情况，后者是在各单个缝后测得衍射的相加，由于在测粒子是否穿过一个缝时，测量仪器对客体的作用使客体的互补物理量发生了改变，如测粒子动量时就会使它的位置发生不可控制的改变而引起位置的一个不准量，这种不准量将引起相等的条纹位置的不准量，从而不再出现任何干涉效应。所以这里的干涉项的消失不是客体测量前的自身状态向测量后状态的突变，而是观察干涉效应向寻求粒子轨道的描述的转变，是一种观测条件下的态向另一种观测条件下的态的转变，它所表现的是互补性现象在互斥的实验装置下的不同表现。

　　对于一般力学量Ｑ，ψ（ｘ，ｔ）可按Ｑ的本征值所对应的本征函数展开， 其中ｕ［，ｎ］（ｘ）为Ｑ的本征值Ｑ［，１］、Ｑ［，２］…Ｑ［，ｎ］的本征函数，按量子力学，当测量到本征值Ｑ［，１］时，系统就处于本征态ｕ［，１］（ｘ），其几率是｜ａ［，１］（ｔ）｜［２］，但在观测到确定数值前，量子力学给出的是ψ（ｘ，ｔ）而不是Ｑ［，１］和ｕ［，１］（ｘ），但实际上，所给出的预言和实际测得Ｑ［，１］的几率｜ａ［，１］（ｔ）｜［２］是一致的， ，由于ｕ［，ｎ］（ｘ）是正交归一函数系，ｕ［＊，ｍ］（ｘ）ｕ［，ｎ］（ｘ）＝０，当ｍ≠ｎ时，所以干涉项不出现， ，这就是说，ψ（ｘ，ｔ）给出的就是测量时各本征值出现几率的分布，对客体状态的由ψ（ｘ，ｔ）到ｕ［，ｎ］（ｘ）的转变只是对客体测量后所有可能状态的几率分布的集合预定到其中一个状态元素按相同几率实现的描述变化，而并不对应客体本身的在有无测量的不同条件下的状态的变化。

　　所以按照互补性诠释，由ψ（ｘ，ｔ）到ｕ［，ｎ］（ｘ）的波包收缩不是测量引起的测量前后客体状态的变化。测量肯定会引起客体的变化，但这种变化已经包含在ψ（ｘ，ｔ）中，而且不同类型的测量会引起不同的变化，这由所测得的不同类型的本征值和本征函数表现出来，如果 中有干涉项，那么新的测量所引起的变化还会表现在干涉项的消失上。因此，波包收缩中干涉项的消失是由互斥的测量导致的由一种描述向互补的另一种描述的转换造成的，而波包收缩中由对许多可能值的预言到其中一个值的实现的波函数的变化，只是预言条件的变化引起的统计预言的变化，而不对应客体本身的状态变化。

　　由此可见，在测量的波包收缩过程中，引起客体状态变化的是不同的测量的实验条件和它们对客体的不同类型的作用，关于客体知识的变化引起的是对客体的统计预言条件的变化，而不是客体本身的状态变化，所以，这里没有任何主体的作用，也不需要引入主体意识的最后一瞥。冯．诺意曼之所以需要引入人的最后一瞥，是因为他把仪器在测量中的作用当作一个纯粹的量子客体，而没有看到在仪器身上所必须兼有的使确定的观察结果和经典概念的适当运用成为可能的特性，这样一来，就象冯氏所分析的那样，我们的观察和描述就必然要无限后退，直至求助于意识的最后一瞥。

　　当然，从量子现象的普遍性上讲，仪器也与微观客体一样具有量子性，但量子性又必须通过我们的宏观观察和经典概念来观察和描写，所以，仪器又是认识的一个逻辑起点，它必须能够直接被观察且能用经典概念进行描述。只有这样我们才能通过仪器来观察和描述微观客体。仪器的这种既是量子客体又是宏观客体的二重性是互补描述的基础。我们的认识必须从直接观察和由这种观察而定义的概念开始，但又必须对超出这种直接观察和日常概念框架的新现象进行逻辑一致的描述，这就必然导致概念框架和描述方式的改变。如果没有仪器的直接可观察性，就不能得到任何微观客体的经验、现象和可描述的东西，而如果没有仪器与客体的一致性，仪器也就不可能对客体的信息进行反映记录，所以，仪器的二重性是认识微观客体的必然要求。这并不会引起宏微分界问题（即把世界分为宏观和微观两个截然分裂的世界的问题），而只意味着一个可直接认识，而另一个则需借助于宏观仪器的观察，因为量子性是客观物体具有的普遍特性，只是由于这种特性超出了日常概念的理解范围而必须借助于对日常概念的修正来达到对它的理解。量子性的认识特殊性并不在于它的微观尺度，而在于它的非连续的、个体的观察条件与我们建立日常概念时的连续的、无限可分的观察条件不同，这种不同就需要我们对各概念的适用条件和相互关系进行修正。实际上，宏观客体的观察也一样需要借助于我们建立概念时的观察，这里不是宏观微观的不同，也没有二者的截然分界，只有所描述现象在多大程度上与我们建立概念的观察条件的符合程度的不同，所以，微观描述一方面是对经典描述的修正，一方面又以经典概念为基础，这不是一个逻辑矛盾，而是意味着微观描述必须以可直接理解的经典概念为起点，通过对这些概念在新的观察条件下适用程度和相互关系的修正来达到对微观现象的合理描述，这不是互补性诠释的矛盾，而是理解量子概念与经典描述的矛盾所必需的。

　　对于企图用量子理论来描述测量过程以求得到一个统一的描述的做法，互补性诠释认为是不会有结果的。因为我们对微观现象的观察和描述必须借助于我们的日常的观察和概念，而这种观察和概念建立的条件是无法形式化的。

　　主要参考文献

　　郏保荨〔６：《原子论与自然的描述》，北京：商务印书馆，１９６４。

　　郏玻荨〔６：《原子物理学和人类知识》，北京：商务印书馆，１９７８。

　　郏常荨〔６：《原子物理学和人类知识续编》，北京：商务印书馆，１９７８。

　　郏矗荨〔６：《尼尔斯·玻尔集》，北京：商务印书馆，科学出版社，１—９卷。

量子力学论文2

　　1 引言

　　近年来，许多人著书立说，认为当代物理学与东方哲学(包括中国与印度)之间存在着某种相似性。在本文中，作者将着重讨论它与中国哲学，特别是易哲学的共同点。易哲学主要源出于《易传》，该书是约在公元前3世纪编成的，传统的看法是由儒家编纂的，但从它的内容来看应该推测是由道家编纂的。

　　简单地把量子力学与易哲学做直接的类比，只能给出它们之间相同性的肤浅描述。为了把这种无定形的直觉变成为一种有价值的、具有透彻性的思想，必须要在本体论的层面上对二者进行深入的分析比较。本文作者试图在这一工作的基础上，融合量子力学与易哲学这两方面的思想成果，建立起一个崭新的哲学观，这一哲学观将会较好地对量子力学做出哲学上的诠释，同时也包含对易经哲学中的主要哲学思想进行科学化与形式化的转变。

　　2 量子力学的本体论表述

　　2.1 玻尔的哲学观

　　从经典物理学到量子力学，这一过渡对物理学观念产生了深远的影响。现在人们已清楚地认识到，经典物理学的原理仅适用于有限的范围，而且只是一种近似。经典力学的标准哲学诠释混淆了物理的现象与本体论的概念，并且与量子力学是不相容的。

　　尼尔斯·玻尔是在量子论出现时期的一位偏好哲学的著名物理学家。他对量子理论引起的哲学问题进行过深刻思考。玻尔关于量子力学的哲学观既深刻又有局限性，这源于他的方法学。他的方法学的中心部分是关于物理学概念体系的分析。他尖锐地指出，西方本体论的概念是对经验现象产生的概念体系的不适当的外推。玻尔的哲学观的局限在于，他的方法学过份强调了物理学中的经验基础而忽视了他分析中暴露出的量子力学含有的思想体系的内涵。

　　在他著名的科莫演讲中，玻尔陈述了量子论的基础：或许可以用所谓“量子假设”来表述，即一个基本的不连续性或更确切地说是分立性，存在于任何原子过程中。这对经典理论来说是完全陌生的，这一分界以普朗克的量子运动为标志。据此，他做出以下结论：量子假设表明，有关原子现象的任何观察，都不可避免地包含观察者与观察媒介的相互作用。

　　2．2 相互作用原理

　　当然，玻尔自己很小心地避开了本体论的话题，也拒绝提出任何本体的假设，因为这样的假设违背了他的方法论的原则。虽然如此，因为上面说过量子力学包涵着新的思想材料，我们可以看见他的立场很含蓄地赞成了本体实体的存在。这是因为他的立场既要把观察描述成一种相互作用又要把在不同实验条件下对同一被观察物得出的现象的描述，作为对这一被观察物的互补性的信息。

　　需要一种新的本体论的原则，来描述本体与现象之间的关系。这个原则可取之于两个来源，一个是玻尔对观察与相互作用的观念；另一个是假设现象是本体与观测仪器相互作用的结果。这导致了相互作用原理：

　　现象是由于本体与观测媒介相互作用的结果。

　　相互作用原理将全面的现实分为两个领域：一个领域是本体现实，它与实验媒介相互作用，这一现实是独立存在于相互作用之外的；另一领域是指相互作用的结果，这是被称为现象的现实，相互作用使得这一现实可以被实验所感觉到。从这一理解出发，本体论的中心问题是探索这一本体现实的性质。

　　2．3 通向本体论的三个步骤

　　建立量子力学的本体论哲学体系可以分为三个步骤。第一个步骤是给出这一概念的形式化的数学结构。薛定谔方程中的波函数概念是量子力学的中心形式化概念。玻恩的几率诠释符合了使波包与实验统一起来的需求，但是创造一个本体论的独立实在的概念需要完全不同的方法。由于薛定谔方程可以用来描述观测之间的真实变化过程，而符合薛氏方程的波包的量子力学的干涉有物质的结果，所以本文作者认为，薛氏方程所描述的波包概念是一个比较合适的用以建立本体论概念的形式化概念。

　　第二步，我们必须考虑，假如有实体满足该描述，为了真正的存在，它们还要满足什么样的其他条件。在目前情形下，我们必须考虑波包应具有怎样的本体性的性质才能得以存在，这即是说一个单独的波包不能做一个本体实体，我们必须考虑要加上怎样更多的性质去构成一个完备的本体实体。这一考虑的结果将会给波包一个实在性的诠释。具有波包的数学结构的真实存在，将与我们通常所认为的自然实体有着截然的不同。这一诠释需要一个全新的概念体系的框架。因此，诠释的问题，便是在波包的数学结构基础上，创造一个全新的范畴体系，来表达一个合适的本体实体概念。这一概念必须承认，实体在孤立时是非局域性的，而当与一个实验媒介发生系列相互作用后，便会成为局域的。根据这一要求，本文作者提出一个新的概念就是“双波包”的概念。双波包由正弦元波包与相调节子波包构成。这些概念将在下一章节里加以阐明。

　　第三步，是要建立一个普遍的哲学体系，使我们能够理解现实的一切，它将包含而又超出我们一开始所讨论的所有科学问题。这将导致对精神一类性质的问题的哲学探索，以及对双波包体系的哲学上的思考。后一问题是本文的主要重点，并将在“3”讨论，出于适当的动机，将在“2．5”对精神和意识问题做出一个粗略的描述。

　　2．4 双波包

　　本体实体必须是某种真实波包，从而波包的形式体系可以用来描述它。构成这一波包的波可以认为是一组单色正弦元波。这样的波包是量子力学的群包的本体论的诠释。它所组成的各个单色正弦波不是真正的本体实体，但是为了构成真实的波包，它们必须具有一种似实非实的存在性质。它们没有现象上的存在，是因为它们自己本身不能有量子力学的干涉从而产生局域化而被观测到。可以说本体实体的原料不是正弦波而是正弦波之间的量子力学的干涉。

　　构成这波包的波，必然有很复杂的相互关联，这样波与波之间的干涉才能建立并保持下来。进一步，它们还必须具有一些特别的性质来造成它们的粒子现象。如果粒子现象是由于波包里的波之间的干涉被重新调节而形成的一个极限小结构，那么，这就可以用相关联的重新调节来解释群包的塌缩，就是粒子的出现。所以，在波包形成与塌缩时，便会通过相关联来建立或调节构成波之间的干涉。

　　在量子力学中，没有任何力可以在波包中调节一个单独的元波。所有的量子力学的力都表现于不可分割的基本粒子之间，不表现于一个基本粒子之内。因此，本文作者认为本体性的干涉实际上是通过一种比量子力学的力更复杂精巧的调节来实现。借鉴电磁相互作用与强相互作用中的光子与胶子概念，可以把这些干涉相应地解释为一种本体性的实体，即所谓的相调节子，因为它调节正弦元波的相位。

　　为构成一个波包，一大群的相调节子必须一齐配合起作用。所以，我们提出这大群调制子构成一个调节波包。没有相调节子来调节一群正弦元波，这群正弦元波就不能构成一个波包。因此正弦波包的存在依靠着相调节子波包的作用。所以本文作者认为，一个基本的本体实体，是由一对双波包构成的，它包含密切相关的正弦元波包与相调节子波包。双波包概念是建立在形式化量子理论基础上的本体论的中心概念。

　　2．5 精神与意识

　　相互作用原理和双波包的本体论提供了一个基础，可以用来建立一个关于意识的解释性体系，而这一点用其他的量子论诠释是无法达到的。首先，我们利用相互作用原理把意识经验解释为本体现实与经验媒介、我们的感官相互作用的结果。这样的相互作用的概念是由相调制波包的相互作用的概念扩展而来的。其次，双波包的本体论让我们可以假定相互作用是相调节子波包，而非量子力学的群波包。因此，意识是本体实体的相调节子与人类的器官的相互作用结果。意识现象与它的相应本体现实分子的关系，与物质实体与它的相应本体现实分子的关系类似。当然，在进入相互作用中的本体现实分子的性质必须被诠释为如下两种不同的情形：进入物理作用的是正弦元波包，它是量子力学的群波包，可用薛定谔方程描述；有意识现象做结果的是相调节子波包，它不能用量子力学来描述。但是只是通过量子力学概念体系就能够发挥这个概念。在这两个范围内相互作用必然有性质上的不同。在物质的方面相互作用是波包的塌缩。在意识的方面，可以类似地称之为相调节子波包的塌缩。可是由于我们没有一个关于相调节子波包的决定性概念，这样说必然依旧相对地不明朗。无论怎样，这种概念在区分相互作用的来源与结果上有着重要的用处，正像在量子力学中一样。正如物质实体是现象，意识也是现象。它是本体实体与人类的器官的相互作用的结果，就像量子力学的粒子是本体实体与观察媒介的相互作用的结果一样。

　　现在，我们有了一个关于精神哲学的全新的概念体系。我们可以称其最高范畴为相调节子领域中的“心”或“灵”，它相应于传统上西方哲学对心与灵的理解。但我们必须注意，传统的解释有严重缺陷，因为人们把关于心和灵的本体的因素与意识的现象的因素混淆在一块了。现象的因素必须从本体论概念中抽出来，归到现象性的自我，即意识。心或灵概念中剩下的本体论的内容应该被诠释为一个相调节子波包系统。进一步地，相调节子除在解释量子力学的现实诠释上有重要作用外，它既给心以自然诠释也使心的概念自然化，并将它扩大到整个自然界。

　　总之，量子力学的双波包本体论使本体实体与现象实体之间有了本质上的区分。现象实体是本体实体与经验媒介相互作用的结果。本体实体与现象实体，都各有两个领域。现象实体的两个领域是意识和物质实体。本体实体的两个领域是物质的正弦元波包和非物质的相调节子波包。

　　3 中国的本体论与量子力学

　　3．1 双波包的本体论与西方本体论概念

　　现在我们必须把我们的注意力转向建立一个解释现实的普遍的哲学概念体系。纵观西方哲学概念，没有类似双波包理论的。西方哲学有二元论的传统，其中以笛卡尔为最。但是二元论与这里提到的双波包的二元性有根本上的不同。在二元论中，物质与精神两个领域是截然隔离的。这就是说，物质与精神这两个领域中的每一个别的实体，都有着独立的本体的存在。但是在双波包理论中，正弦元波包与相调节子波包只能互相关联地存在以构成独立存在的真实波包。在这里要强调，由逻辑观点来说正弦元波包与调节子波包是先于存在的，但它们本身不是这一本体论的真实存在，仅仅是构成真实存在的某种前提性的东西。

　　3．2 双波包本体论与阴阳

　　笛卡尔的二元论深刻地影响了现代西方哲学和科学，但双波包本体论与它在结构上是完全不相同的。与双波包类似的本体论却主导了中国哲学近20xx年，这就是易哲学。这种哲学根源于阴阳的原理；阴阳是《易经》中有关变化过程的东西。在阴阳及其变化的观念基础上形成了《易传》的宇宙论体系，这是此后所有哲学的基础，也是此后大多数儒家的本体论的基础。

　　阴阳的概念，来源于对自然现象中呈现的对立两方面的观察，并认为这是自然界存在与运行的基本动力。例如，男人与女人的对立被认为是产生生命与维系自然物种的力量。光与暗、热与冷代表循环变化的动力。当《易经》演变成为一个哲学体系时，阴与阳便成为本体论上的二元性的宇宙的原则。

　　这就是双波包与阴阳之间的类同之处。纯的阴与阳可以被认为是正弦元波与相调节子波。正弦元波与相调节子波单独地并不构成真实的存在，只有它们的混合交织才能构成波包，波包又构成双波包，就是构成真实实体。这十分近似于对阴阳的本体论解释的原理。阴和阳并不单独构成真实世界。自然中没有任何东西是纯阴或纯阳的。所有存在之物都是阴与阳相互交织的杂交体。本体现实是由两个不同的似实非实的领域组成，这两个领域的成分本身又不是真实的实体。这一命题是两者比拟的核心；但这抽象命题在两种不同的体系中却有着两种不同的具体内容。

　　3．3 复杂性的两个层次

　　在《易经》体系里，八卦(经卦)有三爻，六十四卦(别卦)有六爻，别卦由两经卦组成，这是另外一项类比的根据。在双波包本体论与《易经》哲学中，真实存在的基本成分都是由两个部分组成：一个双波包包含了正弦元波包和相调节子波包，而一个有六爻的别卦是由二个有三爻的经卦组成的。这便产生了两个层次上的现象的复杂性，在《易经》中这一点被十分清楚地阐明了。把这一点应用到双波包情形上，对于一个深刻的哲学问题会产生十分有趣的观点。

　　《易经》把现实组成描述为两个阶段，其中基本的具体物象是由有三爻的经卦结构揭示出的，而事件以及关于变化运动的规律是由有六爻的别卦的结构揭示出的。《易传·系辞传(下)》说：“八卦成列，象在其中矣。因而重之，爻在其中矣。”

　　从双波包实在论的观点看，不同程度的复杂性的区分是十分有意义的。但是把这种区分看成是现象与变化之间的不同是错误的。最好是区分两个不同层次的复杂性的现象的领域，每一个层次又包含了相应的变化规则。

　　在20世纪，好多西方哲学家试图将意识现象归并到物质现象，两个层次的复杂性对这个归并方案导致了一个既新颖又深刻的观点。这一方案对西方的唯物论哲学家们一直是一个难于应付的问题。“现象”这个概念，在普通语言中，比在经典物理学中，是丰富多了。现象的本质在物理上处理为位置与动量这些东西，但是对某种层次的现象的彻底性的分析，并不适合去解释有目的的行为与主观经验这类现象。

　　使复杂性的层次性原理适应双波包理论的概念体系便会产生以下的解释。正弦元波包与物理中的物质联系在一起，相调节子波包与意识联系在一起。物理学的原理仅仅是作用在整个现象范围的一部分；而作用在这个有限的物理范围的原理比之作用在整个现象现实的原理要有限得多。任何包含人在内的变化必须包含相调节子对正弦元波的影响。这表明，物理只是现象现实的一部分的描述，在目的性可以被概括进描述之前需要引伸到相调节子范围。

　　双波包理论与易哲学的两种复杂性的二层次的原理有两个重要不同的地方。第一，组成《易经》的六爻别卦与两个三爻的经卦的性质是一样的，但是，组成双波包的两个成分是不同的，互补性的。第二，在《易经》的体系中阴阳的互相交织组成三爻经卦，经卦是独立的真正的现象，阴阳是现象界的原始原料，可是，在双波包理论中，正弦元波包与相调节子波包不是真正现象，只是现象界的原始原料，现象界是由它们的交织构成的。

　　3.4 关于自然概念的含义

　　自然的含义在西方科学中与在易哲学中是不同的，在西方物理学中，自然是与能测量的自然属性联系在一起的，例如位置与动量，所以意识与目的的范畴被完全排斥在外。西方方法学的优点在于分离测量过程，这使得科学得以诞生。它的缺点是丢弃了现实中的一个十分重要的部分。

　　孕育了科学的哲学背景现在却成了它的绊脚石，因为它使科学与一个包括意识在内的全面世界不能相容。量子力学把经典物理的物质的本体论粉碎了。我们应当更进一步，希望能在量子力学的体系中发掘出能包含目的性在内的关于自然的观念。《易经》的一种方法做到了这一点，难以为西方的想象力所接受。双波包的本体论也做到了这一点，它是以科学哲学的理论方式来叙述的。

　　基于这一观点，可以得出结论：自然的概念应该包含目的性。物理学不包含它的原因在于它是限制于双波包的正弦波包的范围。双波包的哲学体系的相调节子波包却潜在的蕴涵了目的性的因素。这样自然化目的性的结果相似于《易经》的自然概念。可是在易经的体系中，三爻的经卦跟六爻的别卦都有目的性，不过是两个层次的。物理学的伟大成就证明自然界有一个非目的性的层次。这表明，在这个方面双波包理论的二层次的结构比《易经》优越。

　　3．5 道的三个层面

　　关于自然的广义概念中，易经哲学强调一种整体性的原理，其中一个抽象的单一的自然的规则“道”可以在自然界中不同的实体与结构中有不同的表现。《易传·说卦》中说：“是以立天之道，曰阴与阳。立地之道，曰柔与刚。立人之道，曰仁与义。”道的三个自然层面可以解释为，一个统一的规则概括了物理、生命和目的性过程。这一点与西方的观念截然不同。西方哲学家对此进退两难：要么把目的性现象看成是物理过程(唯物主义)；要么把物理过程看成是目的性现象(唯心主义)；要么认为二者是完全地不相容(二元论)。为了把这一统一的原理引进现代的西方科学框架中，需要对非决定论与目的性做出新的解释，这将给予它们一个共同的基础核心。

　　3.6 非决定论

　　双波包的本体理论既可以把自然的概念由物质现象扩大到意识现象，也可以对非决定论提出新的解释。在量子力学中，从决定论转换到非决定论，不会给出更深的哲学意义。

　　这是因为，量子力学不过是简单的而已。如果能给出一个物理上的解释，一个选择可以怎样从一些可能性中做出，那么在量子力学观念上这将不是非决定论了。可是相调节子的假设提出选择过程在量子力学描述的领域之外受到影响。

　　在双波包中，正弦元波包领域与相调节子波包领域在本体论上是截然分开的。相调节子波包对一个事件的影响，从本体论上而言，是在量子力学描述范围之外的。所以，这样讲并不矛盾：在物理上是非决定论的，但在更广的整个现实范围里却遵从某一选择。在这一意义上，物理现实只是本体的现实的一个部分而量子力学是它的完全性描述。这意味着，量子力学在玻尔与爱因斯坦争论的意义上是完全的，因为在它的范围内它是完整的；但在一个本体论的意义上说，它又是不完全的，因为它只是描述了本体现实的一个部分而已。

　　在单个粒子的量子体系中，选择由相调节子波包所决定，它从由波函数塌缩而致的可能性中做出选择，而这一塌缩过程在标准的量子力学看来是纯随机的。在两个粒子的情形中，例如在贝尔实验中所描述的那样，两个粒子的量子力学的干涉纠缠在一起以至两个事件的结果是相干的。这两个粒子的相调节波包也纠缠在一起了，这是一些相调节波包构成复杂组织的根据。在更复杂的系统中，相调节子波包之间的相互关联变得更强，逐渐地导致了生命、行为、意识和目的性。在更复杂的系统中，选择变得更复杂，更有效。量子力学的可能的观察结果的选择变为完全目的性的自由意志过程。这需要建立一系列的新概念，量子力学的选择是其中一个极端，自由意志是另一极端。这一系列新生的概念可以延伸至

　　包括意识与目的性，覆盖所有层次，而且必须在双波包的基础上给它们自然的诠释。

　　3．7 目的性概念的广义化

　　在这一诠释下，相调节子在十分复杂的物理体系中于不同层次上发生作用。第一，它们有着纯物理的功能，用以调节正弦元波构成真实实在，也作为最基本的选择。第二，在包含生命在内的十分复杂的物理体系中，从无生命物质到生物体的构成过程，是一个更高级的规则；这是由相互关联的相调节子所构成的(关于所有的有关的物理粒子)。最后，考虑到人类行为的适应性和意识以及目的性的出现，更高级的相调节子过程必须构造出来。

　　在现代科学思想体系中，关于现象过程的三个层面的特性可以概括为一个单一的普遍的规则，它实现并应用在不同的形式中：物质实体的存在与稳定；生命从物质中演化出来；目的性行为从生命中产生出来。除了语言上的不同外，这一规则与道的三个层面的特性有共同之处，它们都给出了自然的一个图景，并且都强调一个单一的规则作用在不同的体系中，体现出不同的特性。

　　4 结论

　　通常对东方哲学与现代物理学之间的相似性所做的论述仅仅有微小的价值。应当努力去构造一个全新的概念体系，这个体系从东方哲学与现代物理学两方面吸取营养并加以综合与改造。基于量子力学中某些最具革命性的观念(有别于经典的西方哲学)，本文作者构造出一个关于量子论的本体论的诠释。这一本体论诠释与易哲学在某些方面显示了共同性。双波包本体论的概念体系融合并深化了科学与易哲学的概念因素。它对易哲学思想赋予科学概念体系的表述，也对科学观念赋予本体的含义。这样，双波包本体论从两方面吸取观念并加以转化，融合成一个统一的本体论图像。