武明軒

（東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 上海 201620）

一、量子世界的測量難題

近一個世紀(jì)以來，測量難題一直是科學(xué)的核心，引起了國內(nèi)外科學(xué)家和哲學(xué)家的廣泛辯論。因此，從歷史角度來看，測量難題是神秘而困難的。本文追溯了量子力學(xué)測量困境的起源和內(nèi)涵，為進(jìn)一步地討論這個問題明確了目標(biāo)。

（一）第一個難題：測量結(jié)果難題

當(dāng)赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)時，包括波浪理論和粒子理論在內(nèi)的所有古典物理學(xué)思想都未能對這一新現(xiàn)象作出令人滿意的解釋。光電效應(yīng)是證明經(jīng)典物理學(xué)理論的（由牛頓和麥克斯韋爾表示），但并非完美的第一種方法。一個新的思想正在出現(xiàn)，在這個新思想中，有人綜合了光波和微粒的特性，并提出了“光波和微粒的雙重性”。在隨后的研究中，科學(xué)家將這一概念擴(kuò)大到電子。電子被認(rèn)為是包含所有基本粒子的普遍特性。量子理論最典型的特征，基本上是一種利用傳統(tǒng)物理學(xué)概念來理解量子原理的方法。大多數(shù)科學(xué)家堅決反對這種“二元性”。例如，當(dāng)?shù)虏剂_意在1923年解釋電子時，他將“晶粒波動狀態(tài)”描述為一個相位波。德布羅意認(rèn)為相位波其實只是真實的粒子，而虛擬非物理場沒有輸送能量或運動，它只是引導(dǎo)粒子的移動和負(fù)載的移動，因此測量結(jié)果難題成為“測量難題”最根本的問題?！皽y量難題”的第一個問題源于1926年波函數(shù)的幾率詮釋的提出，測量結(jié)果的統(tǒng)計性，也就構(gòu)成了“測量難題”中最基本的問題。

（二）第二個難題：同時性測量難題

同時衡量困難：對于一對糾纏的量子，如果同時觀測其中一個的位置與另一個的動量，我們能得到什么？當(dāng)我們試圖回答這些問題時，我們面臨以下困難：第一，測不準(zhǔn)原理里的不確定性，在不確定性原則中是否會描述一系列措施的統(tǒng)計范圍或一項措施的準(zhǔn)確性？第二，非統(tǒng)計解釋認(rèn)為，單一措施產(chǎn)生的兩種不確定性之間的關(guān)系自然需要同時測量這兩種不確定性，不確定性原則是同時措施產(chǎn)生的不確定性的限度，完全反對同時采取這一措施。造成這種不確定性的原因在于測量過程的不受控制的干擾：正是因為測量系統(tǒng)和測量設(shè)備只能被忽視，才對每一個觀測引入一個新的不受控制的物質(zhì)。

（三）第三個難題：測量過程難題

測量期間發(fā)生了什么？如果真的存在著從波束中提取，那么，波束究竟是怎么收縮的？其衡量過程中的困難是顯而易見的。第一，波束斷裂導(dǎo)致測量演變中的不連續(xù)，導(dǎo)致不完全的邏輯推理跳躍，甚至動搖量子力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。第二，如果中斷被接受，跳躍是什么？跳躍的性質(zhì)是什么？薛定諤的貓理論也是這方面最極端的挑戰(zhàn)。在貓理論中，貓生死，這只是結(jié)果。這一結(jié)果如何從統(tǒng)計預(yù)測轉(zhuǎn)變?yōu)闇y量過程中確定的現(xiàn)實？這正是衡量的挑戰(zhàn)所提出的問題。第三，在量子力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)框架內(nèi)不可避免地引入常規(guī)儀器。這種方式在測量過程中存在量子交織。量子糾纏是怎么發(fā)生的？如何實現(xiàn)解碼？這反過來又與第二個困境有關(guān)，對此沒有明確的答案。

二、雙時間維構(gòu)想的提出

為了解決上述問題，筆者提出雙時間維的概念，分別是物質(zhì)時間維t和意識時間維T。

我們首先可以嘗試接受這一思想：任何觀測結(jié)果都是意識對物質(zhì)世界的感知，任何物理模型都是意識對物質(zhì)世界的推測，任何所謂的宇宙都只存在于意識的主觀想象中。隨著時間的流逝，觀測者獲得更多觀測結(jié)果，對客觀世界的感知與推測進(jìn)一步加深。其中對客觀世界的推測中的時間維為t維，真正存在時間流逝的時間維為T維。每一個觀測者有對應(yīng)自己的T維，每一個觀測者擁有單獨屬于自己的認(rèn)知。

想象這一場景：設(shè)光子在t1時刻從光源射出，t2時刻到達(dá)光屏，一個觀測者在光屏上看到了光斑。對于該觀測者來說，當(dāng)t1＜T＜t2時，光子的狀態(tài)是未知的，t1＜t＜t2段光子呈概率云狀。當(dāng)T≥t2時，光子的狀態(tài)變?yōu)橐阎?，且可推知此前光子的狀態(tài)，光子在t維上的全段呈實體狀。

這樣，“同時性”的問題也得以解決。設(shè)t3時刻觀測者對一對糾纏著的量子中的一個進(jìn)行觀測，則T=t3時，這對量子同時坍縮為實體狀。這里的“同時”是僅相對于該觀測者而言的。對于其他觀察者，這對量子仍為概率云狀，即不存在這一現(xiàn)象：觀測者1對糾纏著的量子中的一個進(jìn)行觀測，以致客觀世界中量子對由概率云狀坍縮為實體狀，而觀測者2藉由客觀世界得知觀測者1對量子對進(jìn)行了觀測。實際上，從唯物主義論來看，客觀物質(zhì)的存在狀態(tài)不應(yīng)由意識“是否得知或推知”來決定；從唯心主義論來看，一個觀測者“是否得知或推知”這一信息不會在不外傳的情況下外傳給另一觀測者。因此，“同時性”問題的存在兩頭說不通。

量子通信與量子計算機是不可能的。實際上，量子糾纏效應(yīng)即使存在也是無法被利用的。假設(shè)有一對彼此糾纏的量子，兩個觀測者分別守住其中的一個，其中一個觀測者擔(dān)任信息的發(fā)送者，另一個擔(dān)任信息的接收者。發(fā)送者通過觀測量子使量子對由概率云狀坍縮為實體狀，接收者得知量子對坍縮為實體狀即表示信息傳遞成功。那么，接收者如何得知量子對是否坍縮為實體狀？沒有任何手段。不觀測則無法獲取信息，觀測則會破壞信息。

如同我們在平面上投射一個四面體而我們只能看到一個四邊形一樣，這并不意味著四邊形本身就是一個四面體。在量子力學(xué)中，沒有任何科學(xué)依據(jù)可以得出這樣的結(jié)論：我們能直接從測試結(jié)果中推斷出狀態(tài)。通過強調(diào)粒子存在的抽象性質(zhì)，這并不否認(rèn)粒子的存在，而是表明粒子存在的真實狀態(tài)是有限的，只是我們不能直接觀察到。我們既不能否認(rèn)它們的存在，也不能找出它們的存在，因為沒有能力觀察它們，所以也不能否認(rèn)根據(jù)常規(guī)范圍內(nèi)的顆粒視覺對量子積聚的質(zhì)疑。筆者對此的解釋是：當(dāng)一個觀測者觀測時，量子對坍縮為實體狀，對于其他觀測者而言仍為概率云狀。

三、對多世界解釋的討論

（一）概率問題

第一，當(dāng)我們談?wù)摳怕蕰r，我們談?wù)摳怕适录母怕省Ｈ绻械目赡苄远即嬖?，那么?dāng)我們談?wù)摳怕蕰r，我們可以談什么？只有當(dāng)一個可能的事件發(fā)生或不發(fā)生，或者其中一個可能發(fā)生而其他可能不發(fā)生時，才討論概率。這種相容性或不相容性是概率概念的基本要素，而多世界解釋的觀點直接就認(rèn)定了這種概率的發(fā)生。

第二，在多世界解釋中，其似乎沒有任何統(tǒng)計證據(jù)，無論是否確認(rèn)，對理論沒有任何影響。因為在宇宙的圖景中，通過多世界解釋，所有的可能性都實現(xiàn)了。在經(jīng)典概率理論中，統(tǒng)計事實可以作為概率理論的基礎(chǔ)。事實上，統(tǒng)計事實本身與概率描述之間存在著概率關(guān)系：隨著統(tǒng)計事實與概率描述狀態(tài)之間的差距的增大，統(tǒng)計事實的實現(xiàn)概率正在下降。如果說世界上任何物質(zhì)任何可能性都會實現(xiàn)，那么又有何概率可言？

在宇宙的多世界解釋中，有一個世界，在這個世界上，所有的電子在X軸上測量時都向上轉(zhuǎn)動，否則，所有的電子干擾實驗將產(chǎn)生與傳統(tǒng)理論相同的結(jié)果。如果存在這樣一個世界，怎么能說有任何統(tǒng)計證據(jù)支持或反對量子理論？誰知道我們世界的現(xiàn)象是不是少數(shù)事故造成的呢？從根本上說，對宇宙的多世界解釋是決定性的，其與不確定概率的要求相矛盾。很難想象在一個決定性的世界里，概率將如何存在，在這個世界上，沒有可能性，只有必要性。此外，在這樣一個世界上發(fā)生事件的概率（如果可以稱之為概率）只能是0或1。

多世界解釋徹底否定了未來的未知性，因此，我們不能以這種方式談?wù)撨@個問題。否則，我們討論其他決定性理論，如統(tǒng)計機械或博姆的機械等，就會導(dǎo)致某種錯誤的結(jié)論。因此，我們根本不能從多世界解釋中談?wù)摳怕省Ｎ覀兛梢钥吹?，在多世界的解釋中，概率問題比量子力學(xué)的其他解釋更嚴(yán)重，甚至更不可調(diào)和。由于這些困難，多世界的解釋處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

（二）不相容性

如上所述，概率的概念中原本就暗含著不相容性。人們普遍認(rèn)為，兩個不相容的概率事件中只有一個會發(fā)生。這顯然與多世界解釋相矛盾，因為在多世界解釋中顯示為重疊狀態(tài)的所有可能的事件在數(shù)學(xué)上是不相容的，并被解釋為概率性。他們意識到這就是發(fā)生的事情，如果多世界解釋與如此廣泛接受的假設(shè)發(fā)生沖突，那么它的可信度肯定會受到損害。

（三）證據(jù)效力

關(guān)于證據(jù)，統(tǒng)計證據(jù)似乎不足以說明量子力學(xué)的許多領(lǐng)域，因為在它所描繪的宇宙圖景中，所有可能性都是實現(xiàn)的，并且涵蓋了所有的可能性。在常規(guī)概率理論中，統(tǒng)計事實可以作為概率理論的基礎(chǔ)，因為統(tǒng)計事實本身與概率描述之間存在著概率關(guān)系。如果所有的可能性都實現(xiàn)了，怎能說這種關(guān)系還存在呢？

（四）不確定性

概率與不確定性有關(guān)，在事件發(fā)生之前，概率是不確定的。最初意義上的不確定性來自客觀世界本身，或者從主觀意義上來自對未來的無知，但在對決定性世界的多語文解釋中，很明顯，世界本身沒有不確定性。對于那些相信多波解釋并對量子力學(xué)有良好理解的觀察家來說，任何量子實驗都可以在眾所周知的多波宇宙中進(jìn)行。因此，沒有世界本身的不確定性或?qū)ξ磥淼臒o知，我們在這里談?wù)摳怕仕坪鹾翢o意義。

此外，還有另一個問題：如果測量人員在提出結(jié)果時閉上眼睛，他就真的對結(jié)果一無所知。人們普遍認(rèn)為，這種無知狀態(tài)在經(jīng)歷之前并不存在。如何獲得不存在的無知狀態(tài)？這也不符合一般人的理解。許多研究人員認(rèn)為，多世界解釋并不能解決概率沖突的問題，而只是暫時轉(zhuǎn)移或掩蓋這個問題。他的默認(rèn)觀察是一個系數(shù)，這直接導(dǎo)致了本質(zhì)的問題，因為很明顯，在每一個時刻，我們都需要有足夠的時間達(dá)到概率的統(tǒng)一，也就是說，要么是0要么是1?，F(xiàn)在的我固定在世界的分支，似乎不再是我，至少不是我的全部。每一個現(xiàn)實世界都有一個系數(shù)，這顯然是一個能量守恒問題，也就是說，現(xiàn)實世界每一個分支的總能量隨著世界的分裂而減少，或者整個宇宙的總能量消失。因此，多世界解釋的基本思想就處在兩難的處境，我們不可能完全解決一個困難的問題，而只能對問題不斷改進(jìn)。這使我們的工作變得困難。

總之，多世界解釋的數(shù)學(xué)理論是正確的，但理論解釋是錯誤的，因為它的標(biāo)準(zhǔn)是，世界分支的重量是否能夠承擔(dān)基本的概率功能。他對這一理論的解釋是錯誤的，而且缺少最基本的東西。多世界解釋最初打算使用世界分支權(quán)重來表達(dá)世界的現(xiàn)實，實際上從分裂概率的角度和潛在分裂概率的角度來說，現(xiàn)實的世界雖然可能存在分裂，但是其理論本身無效。歸根結(jié)底，多世界解釋的疑難問題徹頭徹尾都是從德維特對最為基本的概率守恒原則，無論后面學(xué)者怎樣去修正都未必能真正地解決概率守恒的問題。

四、結(jié)論

量子力學(xué)中的哲學(xué)問題超出了科學(xué)的范疇。是的，這是哲學(xué)問題，不是科學(xué)問題。

帶著唯物主義色彩的多世界解釋容不下意識，除非承認(rèn)那無限種可能只有一種會得到落實。所有的意識全都落入到那個得到落實的可能中，這種從無限種可能中選擇一個進(jìn)行落實的能力即是意識。但是，這違背了多世界解釋的根本性問題。

帶著唯心主義色彩的雙時間維構(gòu)想容不下物質(zhì)，因為一個絕對公正的不容多個人意識認(rèn)知彼此背離的客觀世界必是唯一的、精確的、絕對的。然而，這樣的客觀世界是無法誕生出可以做出自由選擇的意識的。

物質(zhì)與意識的關(guān)系真是奇妙。筆者曾有這樣一個有趣的想法或可分享：意識是起源，物質(zhì)是根基，意識誕生物質(zhì)，物質(zhì)決定意識。意識是一個個獨立的靈魂，自由、不完善、不絕對。物質(zhì)是意識所達(dá)成共識的總和，所有的意識不得違背這一共識。沒有人知道存在或不存在，于是物質(zhì)存在空缺，這種空缺允許了變數(shù)的存在。