《量子力學的哲學》:根據紐約約翰·威利文學出版公司1974年版譯出。本書 -百科知識中文網

圖書出版信息

副標題:量子力學詮釋的歷史發展
作者:（美）M.雅默（MaxJammer）著/秦克誠譯
出版社:商務印書館
出版年:1989
頁數:628頁
定價:7.00
裝幀:20cm
ISBN:9787100005548

圖書簡介

根據紐約約翰·威利文學出版公司1974年版譯出。本書全面介紹和討論了量子力學的形式體系建立之後，各派學者對這一體系所作的詮釋，對於其中幾個主要的詮釋，從哲學史上追溯了這些概念的歷史根源，並對其邏輯、物理內容和哲學涵義進行分析。

量子力學的哲學基礎

Einstein不但是相對論的奠基人，而且也是量子力學的主要創立者之一，量子力學的哲學基礎是Einstein實證哲學觀的體現。關於光的波粒二象性，Einstein從統計觀點作了解釋，即光的波動性可看作是大量光子運動時表現出的統計規律性，光波振幅大因而光強大的地方，光子到達的機率大，或者嚴格一點說，光子在該處單位體積中出現的機率大，即機率密度大。

微觀粒子遵從的規律是機率性的。Einstein講：“根據目前的量子理論，在輻射損耗的基本過程中，分子要經受一個數量上為hv/c而方向上“隨機”的反衝。”Bohr講“在定態中系統的動力學平衡可以藉助普通力學來討論，但不同定態之間的過渡不能在同樣基礎上考慮。緊接著後一過程的是各向同性輻射器的發射，這個發射的頻率和能量之間的關係由普朗克理論給出。任何觀測都要干涉到現象的進程，〔並需要〕最終棄絕因果定律的經典理想和根本改變我們對物理現實這個問題的態度。每個原子現象都是關閉著的，因而觀察只能基於通過合適的放大裝置獲得的登記。這些裝置具有不可逆功能，象電子穿透乳膠造成的在照相底盤上的永久記號之類。而正規化的量子力學允許這樣一類定義完善的套用，這些套用只採用這些關閉著的現象並必須把它當作經典物理的合理推廣。僅僅因為有忽視與測量方式相互作用的可能性，時間和空間的概念從根本上獲得了意義。從習慣於要求一個直接視覺化的自然描述中，我們必須準備接受不斷擴展的抽象性的需要。最重要的，我們也許可以期待在量子理論和相對論交叉的地方，也就是許多困難仍然沒有解決的地方得到一個驚喜。”

相對論和量子力學的表述形式

在其本身範圍內提供一切可能經驗的適當方法；甚至這兩種理論的表述形式也顯示了深刻的類似性。事實上，在兩種情況下，通過套用多維幾何學和非對易代數學來推廣經典物理理論而得到的驚人的簡單性，本質上是以習見符號i的引用為基礎的。事實上，仔細分析起來，這些表述形式的抽象性，對於相對論和量子理論都是同樣典型的特點；如果相對論被看成經典物理學的一種完滿化，而不被看成在近代物理學發展的促使下徹底修正我們在比較觀察結果時的思維方法的一個根本性的步驟，那不過是一個傳統問題罷了。在原子物理學中，重新審查無歧義套用基本物理概念的基礎必要性，在一定方式上使人想起引導Einstein對一切時空概念的套用進行創造性修正的那種形勢。這種修正通過強調觀察問題的根本重要性，而給我們的世界圖景帶來了如此巨大的統一性。在相對論中，因果描述畢竟是在任一給定的參考系內被保留了下來的，Einstein最不善於拋棄連續性和因果性來標示表面上矛盾著的經驗。在原子能量發生改變的任何原子反應，都涉及在兩個所謂量子定態之間的一種完全的躍遷。這些概念帶來了因果性描述的進一步放棄，因為光譜定律的解釋顯然意味著，處於激發態的一個原子，通常具有躍遷到這一個或那一個較低能態發射光子的可能。但是在量子理論中客體和測量儀器之間的不可控制的相互作用，卻迫使我們甚至在這一方面也要放棄。（3）按照廣義相對論，當沿著引力方向移動一段距離Δq時，時鐘的快慢就會改變，即在一段時間T中的讀數改變一個量ΔT，由下列關係式給出：.在相對論中也能成立的最小作用量原理將成為量子理論進一步發展的指南。(3)

量子力學的哥本哈根解釋

將Einstein的物理實在觀與光速極限性結合起來，可以得出Einstein可分隔性原理或定域性原理，它可以表述為：不存在瞬時超距作用；若沒有以不大於光速的速度傳遞的物理信號建立聯繫，空間中分離的客體的實在狀態是彼此獨立的。為了論證量子力學的不完備性，早在1935年，Einstein和波多爾斯基、羅森一起提出了一個假想實驗（通稱為EPR理想實驗或EPR論證）。他們考慮兩個自鏇為±1／2的粒子A和B組成的總自鏇為零的體系。設在t0之前的一段時間內兩個粒子之間存在相互作用，然後用不影響每個粒子自鏇的方法使其分開，當t＞t0，二者在空間上相距甚遠，不再有相互作用。按照Einstein可分隔性原理，在這種情況下，對粒子A的測量不應當立即對粒子B發生任何影響。量子力學預言，只要測出A自鏇的某一分量，就能立即得知B自鏇的同一分量值。按照量子力學理論，微觀客體在測量之前一般並不處於確定的本徵態，測量操作得出粒子A自鏇在某一方向上的分量，粒子A本身也就進入取該自鏇分量值的本徵態。可是，相距甚遠的粒子B，既不與粒子A也不與儀器有相互作用，怎么會使自己的自鏇在同一方向上立即取相反的值呢？考慮到上面的敘述對任意方向的自鏇測量都成立，即可以任意改變儀器測量的方位都得到上述結論，問題就變得更為嚴重。這意味著儀器測量A自鏇的事件對粒子B產生了影響，並且這種影響是超光速瞬時傳遞的。這在Einstein看來是不可接受的。Einstein認為，為了消除上述悖論，人們只能肯定下述兩個論斷中的一個：“要么量子力學不完備，要么就必須假設存在超距作用。”我們知道，Einstein斷然維護了定域性原理，否定了量子力學的完備性。為了對EPR論證進行實驗研究，玻姆在50年代首先把EPR理想實驗變成測量質子自鏇和測量光子偏振關聯的方案。這類實驗早先由吳健雄等人做過，結果與量子力學的預言相符。

三個基本假設

1964年，貝爾從定域隱參數理論出發，採用定域實在論的三個基本假設（見下述），證明了一個不等式：｜P（a，b）-P（a，c）｜≤1+P（b，c），其中P（a，b），P（a，c）和P（b，c）分別表示：（1）在a和b方向；（2）a和c方向；（3）b和c方向上分別測量粒子A和B的自鏇投影的乘積AaBb，AABC，AbBc的平均值。這個關係式稱為貝爾不等式。以θ表示a方向和b方向之間的夾角（取小於π的值），由於三維空間各向同性，記P（a，b）=P（θ），可進一步求得｜P（30°）｜≤2／3，｜P（45°）｜≤1／2，｜P（60°）｜≤1／3。貝爾採用的定域實在論的三點基本假設是：第一，實在論，即認為所觀察現象的規律性是由某種獨立於觀察者之外而存在的物理客體引起的；第二，歸納推理法，即認為可以自由運用歸納推理法從一貫的觀察中得出合理的結論；第三，Einstein可分隔性原理或Einstein定域性原理。到70年代，經過維格納等人的簡化推導，特別是斯塔普和德·埃斯帕納等人的工作，人們清楚地認識到，貝爾不等式的本質在於Einstein定域性原理，而與是否具體引入隱參數無關。就是說，只要根據定域實在論的三個基本假設，引入量子力學的可觀測量，就能導出貝爾不等式。如果按照量子力學理論，則可以求得如下的等式，P（θ）]ψ=-cosθ。這就是說，定域實在論斷言實驗結果滿足貝爾不等式，而量子力學則預言實驗結果必將違背這個不等式。到1982年為止完成了十二個實驗，除兩個外，十個實驗的結果都不落在滿足貝爾不等式的廣大區域，而偏偏落在量子力學預言的曲線上。目前，物理學家們已經相當普遍地把違背貝爾不等式作為一個實驗事實接受下來，明確地支持量子力學的普遍有效性，批判了Einstein在“EPR論證”里提出的“定域實在性”的觀點，反映了Einstein沒有認識到量子力學裡非定域關聯的本質。（5）量子測量中的不可逆改變，起因於量子力學的Complementarity：依據標準的“哥本哈根解釋”，物質運動具有粒子和波的雙重屬性——波粒二象性，但在同一個實驗中二者是相互排斥的。例如在雙縫干涉實驗中，測量粒子通過了哪一個縫，等於強調了波粒二象性的粒子特性，與粒子性互補的波動性便被排斥了，干涉條紋便不再存在了。這種由於測量或其它影響導致相干性消失的現象也稱為Quantumdecohernce。僅就量子測量而言，人們稱之為Wavepacketcollapse。玻恩相信：“量子理論詮釋的關鍵在於，必須把彼此矛盾的波動與粒子這兩種描述協調起來”，“波動—粒子二象性是輻射和實物粒子都具有的內稟的和不可避免的性質”，“波動和粒子描述是兩個理想的經典概念，各自有其適用範圍。在特定的物理現象的實驗探索中，輻射與實物都可展現其波動性或粒子性。但這兩種理想的描繪中任何單獨一方，都不能對所研究的現象給出完整的說明”。Heisenberg認為量子理論本身決定什麼東西能被實驗觀測到？對於這種Quantumdecohernce現象的進一步解釋是套用測不準關係：準確知道粒子通過路徑A意味著垂直與A的方向上完全確定粒子的位置到一定精度，由測不準原理知測量將對垂直於路徑A方向上的動量產生一定程度的擾動，從而干擾到達屏上粒子的位置，造成干涉條紋的模糊。測不準關係的解釋表明，通過具有“粒子特徵”的測量（如同時測量動量和坐標），去描述具有波粒二象性的物質運動，會帶來測量的不確定性。（2）對於一個實物粒子的正則坐標q和正則動量p，它們的不確定度滿足△q△p≥h/2，這個關係給出了在微觀世界中套用經典粒子的坐標和動量概念時應受到的限制。每一個單獨粒子自身完全地以類似波動方式行為；從某種意義上講，每個粒子一下通過兩條縫隙並且和自身干涉，一個粒子可得到的不同選擇的可能性有時會完全相互抵消。費因曼質疑了“每個粒子只有一個特定的歷史”，建議一個從某位置到另一位置的粒子沿著通過時空的每一可能的路徑運動。費因曼賦予每一軌道兩個數，一個是大小——波幅，另一個是相位，粒子從A到B的機率是把通過A和B的所有路徑的有關的波求和得到。RichardFeynman認為：未來狀態是由歷史在空間和時間中前進時，有可能走過的所有路逕取某種平均而決定的。

量子力學中的波函式是一種幾率波

代表著通過實驗測量所獲得的所有可能結果的幾率情況。在量子力學中不能同時談論粒子的位置和速度，它們受不確定關係的限制。粒子運動的這個問題沒有意義。我們只能提供互補性的描述，而且這種描述與實驗有關。Heisenberg方程pq-qp=-ih是量子力學的基礎，微觀粒子的運動狀態用波函式來描寫。Einstein曾經把光波的振幅解釋為光子出現的幾率密度，從而使粒子和波的二象性成為可以理解的。這個觀念馬上可以推廣到波函式Ψ上：|Ψ|2必須是電子（或其它粒子）出現的幾率密度”。波函式是時間和坐標的複函數，它由模和幅角兩部分組成，模的平方描寫在該點附近該時刻發現粒子的幾率。由於在全空間發現粒子的幾率為1，波函式要滿足規一化條件。玻恩的幾率波解釋第一次把幾率概念引進基礎物理學，“粒子的運動遵循幾率定律，而幾率本身按因果律傳播”。這裡，幾率的出現並不是由觀察者的無知或理論本身的無能所導致的，而必須看作是自然本身的一種本質特徵。於是，量子力學一般只預言一個事件的幾率，而對這個事件的發生不作任何決定論的斷言。幾個波函式的幅角間發生干涉，在實驗中可以測量，近年甚至發現它有巨觀觀測效應。波函式滿足方程，方程包含波函式對時間的一階微商和對空間的二階微商。

量子力學用方程

可惜到目前為止,人們只找出這個級數的前幾項(不超過10階).
高速運動粒子的波函式滿足狄拉克方程，它包含波函式對時間和對空間的一階方程和狄拉克方程都是關於波函式的線性齊次微分方程。對滿足方程的波函式，幅角增加一個常數值，方程仍然滿足，即狄拉克方程滿足整體規範變換。把狄拉克方程中的普通微商改成協變微商，它在局域規範變換下保持不變，直接保證了電荷守恆。局域規範不變的狄拉克方程和Maxwell方程描寫了相對論帶電粒子與電磁場的相互作用，此方程組二次量子化後得到量子電動力學，它的預言在極高的精度下與實驗驚人地符合，從而證明了用這種方法處理帶電粒子與電磁場的相互作用是正確的。史蒂芬·霍金也指出:"也許就不存在粒子的位置和速度，只有波。只不過我們企圖將波硬套到我們預想的位置和速度的觀念中而已。由此導致的不一致乃是表面上不可預見性的原因"(《時間簡史》P154)。量子力學的主要特徵並不是非對易代數，而是幾率振幅的存在，後者是全部原子過程的基礎，它的物理內容由它的表述形式的統計規律的能力包羅盡，這種規律支配著在用平常語言指明的條件下得到的觀察結果。由波動力學得到的物理推論在本質上是統計性的，這種統計性通過Born對普遍碰撞問題的光輝處理得到了澄清。（3）符號式量子力學表述形式的適當物理解釋，只在於和個體現象有關的肯定的或統計性的預見，而這些個體現象是在用經典物理概念定義了的條件下出現的。當處理一個全新的經驗領域中建立秩序的工作時，我們幾乎不能對任何習見的原理有所信任，不論這種原理多么廣闊，我們只能避免邏輯上的矛盾，而在這一方面量子力學的數學表述形式肯定應該滿足這一要求。（3）物理學總是預先假定：世界是存在我們之外的，不依賴於任何觀測行為，但是量子力學認為世界並非存在於我們之外和獨立於所有的觀測行為。Bell基於定域實在論和存在隱變數的觀點，分析了自鏇單態下的兩個自鏇為0.5的粒子，對於這兩個粒子的自鏇沿不同方向的投影的關聯，他得出了一個著名的不等式（Bell不等式）。根據這個不等式，可以在實驗上檢驗究竟是正統量子力學正確，還是定域實在論正確。A.Aspect等人的實驗觀測以及後來所有有關實驗都證明，量子力學的預言是正確的，而定域實在論給出的不等式和隱變數的觀點與實驗相悖，筆者認為出現這一現象的根本原因在於觀察者所用的測量儀器激發的場——相對時空影響了絕對時空的結構，Einstein忽視了相對時空的影響。

實證哲學觀的局限性

進行了長達近30年的論爭

由於Einstein的哲學觀後半生發生了很大的變化，因此對量子力學產生了懷疑，Bohr和Einstein關於量子力學的哲學基礎進行了長達近30年的論爭，其實他們都在不同程度上，企圖運用經典物理學的概念去理解和在不同程度上，企圖運用經典物理學的概念去理解或者說明量子力學的基本原理。

根據量子力學哥本哈根解釋

動量和坐標測不準關係是引起Quantumdecohernce的一個重要原因，但最近德國Rampe小組的冷卻原子布拉格散射實驗表明，測不準關係不是Quantumdecohernce的唯一起因，而測量儀器和被測系統通過相互作用，形成的量子Entangledstate是問題的核心。在他們的實驗中，原子質心的動量擾動，可以被降低到忽略不計的程度，只須用原子的內態標記原子的空間路徑，原子的干涉條紋便消失了。Rampe小組的冷卻原子布拉格散射實驗從一個側面表明，測不準關係只是物質固有屬性——波粒二象性的一個方面的體現，而不是由“主觀介入”引起的。（2）Rampe小組的冷卻原子布拉格散射實驗進一步說明哥本哈根量子力學解釋的局限性，Mach的實證哲學導致量子力學理論必須引入“主觀介入”，微觀概念不再具有“客觀性”，從而量子微觀世界不會獨立於主體之外。有人甚至由此得出“月亮在無人看它時確實不存在”的荒謬結論。Einstein反對這樣一種觀點：如果一些測量儀器的目的是要規定現象的時空參照系，那么對於客體和測量儀器間的動量交換及能量交換的控制就要被排除。Einstein提出了一種論證：當把相對論的要求考慮在內的話，這樣的控制是可能的。筆者認為，Einstein的這一觀點是錯誤的，相對時空總會影響絕對時空的結構，但是儀器也是客觀實在，儀器和微觀粒子間的相互作用也不過是客觀世界中的相互作用，簡單地把儀器說成是觀察者，並推斷說觀察者對微觀粒子的影響大到不可控制，會帶來一些看上去不可逾越的困難。方程具有時間反演的“可逆性”，但在測量過程中Wavepacketcollapse的“跳躍”卻是時間反演不可逆的。因此，從原則上講，就不可能“推導”出時間反演不可逆的結果。StephenHawking曾經提出過量子相干性喪失的可能性，因為電磁空間具有分立結構。要想從方程推導出Wavepacketcollapse，就必須對儀器的巨觀和經典性質加以強調，不可單純由方程得到。可以證明，在巨觀極限下，如果僅關心較短的時間演化，恢復Quantumdecohernce的量子跳躍來不及發生,方程為量子態提供了完全決定性的時間演化，方程加上量子力學的系綜解釋，的確可以說明Wavepacketcollapse這一Quantumdecohernce現象，“主觀介入”可以排除。（2）對量子描述賦予客觀的物理實在：量子態。據《自然》雜誌最近報導，現在卡爾-赫斯和沃爾特-菲力浦提供了有力的證據證明Einstein的懷疑是正確的——在量子理論背後的確有另一套規律在起作用。在1935年，Einstein與另外兩個物理學家一起做了一個“思想實驗”，通過這次試驗他們發現，根據量子理論可以推導出一種奇怪的長距離作用——對於一個粒子的測量會影響到另外一個粒子，不論它們的距離有多遠。由於這一奇怪的現象，Einstein認為有更為基本的理論隱藏於量子力學背後。他提出了“隱藏變數”——那些可以改變數子的不確定性的量，但是這些量是不能被直接測量的。科學家現在發現，如果“隱藏變數”有隨時間變化的性質而且相互關聯，Einstein的懷疑就是正確的。例如，倫敦的鐘表和紐約的鐘表會同時鏇轉，但並不相互影響。但是它們所顯示的時間確實是相互關聯的。

“貓”的佯謬

於1935年提出了後來稱為“貓”的佯謬。大意如下：構想在一個盒子裡裝者一個貓，一隻毒藥瓶，一個放射源，還有一些傳動裝置。構想放射源在每一秒的時間內有1/2的機率放射一個粒子，這個粒子通過一些傳動裝置使毒藥瓶打翻，毒藥被釋放，貓被毒死。而如果沒有粒子被放射，則貓仍然活者。按照哥本哈根學派對於態函式的理解，我們可以構想用一個態函式φ描寫被關在盒子了的貓。我們先蓋上盒子。經過一秒的時間，貓有1/2的幾率活者，也有1/2的幾率死了。在我們沒有揭開蓋子時，貓處於一種半死半活的狀態。一旦我們揭開蓋子，相當於“測量”貓的死活，我們只能看到一種狀態，貓要么死了，要么活者，這相當於貓的兩種不同的“本徵態”。的本意是想用這個佯謬來說明測量過程波包的收縮，而且這裡的態是巨觀的態——死貓與活貓，它本質上是兩個巨觀可區分的態相干疊加，涉及量子力學的基本問題。對這樣一個問題進行研究，將有助於對量子力學的解釋進行探討。世界是有波函式描寫的，不是一個個可觀察物理量。

何祚庥

由於所有負能態被填滿的狀態相當於真空，負能態上因跑掉一個電子而留著的空穴就相當於出現了一個正能粒子，因此自然界只存在兩種electriccharge。微觀粒子的運動和巨觀質點一樣，在每個時刻都有確定的位置、速度、加速度。但是由於時空量子的存在，一束電子流經過雙縫或晶體會發生干涉、衍射，具有波動性，波粒二象性類似於Brownmotion，巨觀質點的波動性不明顯，微觀粒子的波動性是“場的時空本質”的表現形式，貓佯謬並不存在，因為對於巨觀測量講，對應於每一個確定的輻射，不存在幾率問題。何祚庥認為：“引入波粒二象性或幾率解釋是各種佯謬出現的本質。”（2）出現在量子力學基本規律的量不能指望描述物理實在本身，它們描述的只是物理實在顯現的幾率（1）。根據測不準關係，物理實在（絕對時空）永遠測不到，因此二十世紀Einstein與哥本哈根學派之間的論爭可以告一段落。現代量子力學除了對於定域性和測量問題進行爭論外，量子現象的一些新領域仍然要進行探索和理解，例如量子傳態(quantumteleportation)，量子計算，包括玻色——Einstein凝聚在內的巨觀量子系統，多粒子糾纏態等等，依然不斷地提出一些新的數學方程式以及新的解釋，例如包括用正算符取值測度（positive-operatorvaluedmeasures）和最大對稱算符(maximalsymmetricoperators)去描述觀察量，消相干(decoherence)和超選擇定則(superselectionrules)等等。

改變的性質的強烈暗示必須來自廣義相對論

Planck講：“科學家全部活動的支柱是他們對世界圖景的實在性深信不疑。由於這樣一種無可懷疑的事實，就很難不擔心：如果Mach的思維經濟原理真的成為認識論的中心的話......科學的發展就要受到致命的阻礙。”Einstein講：“有一個獨立於知覺之外的客觀世界是一切自然科學的基礎（1）。當有人試圖把理論的量子描述看成單個物理系統或事件的完備描述時，他會陷入矛盾之中（4）”RogerPenrose認為，量子力學中兩個基本過程U和R的非一致性（U服從完全決定性的方程，而R為隨機的態矢量縮減，只要人們認為進行了一次“觀測”，則必須經歷這樣一個過程）。它只有在某種激進的新理論的框架中才能被解決，而這兩種過程U和R被認為是對於包容更廣的、更精確的單獨過程的不同的（而且非常優越的）近似。其改變的性質的強烈暗示必須來自廣義相對論。

人擇原理

可以釋義作：“我們看到的宇宙之所以這樣，乃是因為我們的存在。”從相對論和量子力學基礎上提出的人擇原理也是實證哲學觀的體現。實證哲學從形上學出發，但最終導致走向唯心主義的泥坑。從時空的相對性與絕對性原理可知，波粒二象性、量子力學中兩個基本過程U和R的非一致性是絕對時空與相對時空共同作用的結果，迄今為止場論還不能為物質的分子結構和量子現象提供解釋。

參考文獻

1、《物理學的進化》Einstein和英費爾德著周肇威譯上海科學技術出版社1962年
2、《物理教學》2001年第6期2——7頁華東師範大學出版社
3、《尼耳斯.玻爾哲學文選》［丹麥］N.Bohr著戈革譯商務印書館1999年
4、《Einstein晚年文集》Einstein著方在慶韓文博何維國譯海南出版社2000年3月第1版
5、《物理》第31卷第3期179頁