量子理論和我們所知的現實有關嗎？

摘要： 據國外媒體報道，物理學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——以及科學家在該理論中使用的各種數學工具的確切含義——之間有著很大差別。 量子態（quantum state）便是一個這樣的數學物件，...

量子理論最令人驚奇的特徵之一是，它的預測在幾乎所有情況下都是概率性的。如果你在實驗室中進行一個實驗，然後用量子理論來預測可能進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%的概率得到一個結果，同時又有50%的概率得到另一結果。量子態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，那你就能計算任何可能實驗中獲得任何可能結果的概率。

但是，量子態最終是否代表了現實的一些客觀方面，或者說，它是否能成為表徵我們所知現實的一種方式？這個問題可以追溯到量子理論最初誕生的時候，但最近又成為一個活躍的話題，啟發了一系列新的理論成果甚至一些實驗測試。

要了解為什麼量子態可能會表徵一個人所知的現實，請思考另一種使用概率的情況。在你的朋友擲骰子之前，你會猜想骰子哪一面朝上。如果你的朋友投出一個標準的6面骰子，那通常你會認為自己的猜測有17%（或六分之一）的概率是對的。這裡的概率就代表了與你有關的一些東西：你對骰子的瞭解。打個比方，如果你在朋友投出骰子時背過身去，那她就看到了結果，而你沒有。對你來說，即使她知道結果，也不會影響你的不確定狀態。代表一個人不確定的概率，即使存在關於該事物的某些事實，也會被認為是認識論的（epistemic）——來自希臘語中描述知識的一個詞。

這意味著，你和你的朋友可以分別給出非常不同的概率，而不會有任何錯誤。你說骰子顯示某個點數的概率是17%，而你的朋友已經看到了結果，會說概率是100%。這是因為你們各自知道的資訊不同，而這些概率代表了你們各自的認識狀態。事實上，唯一不正確的賦值是說骰子沒有任何機會顯示點數6。

在過去15年左右的時間裡，物理學家們已經就量子態能否用類似方式進行認知的問題展開了研究。假設存在有關世界結構的某些事實——比如像空間中粒子的排列，或者甚至是骰子游戲中的實際結果——但你不知道是什麼。根據這些方法，量子態只是表徵你對世界結構不完整知識的一種方法。鑑於某些物理情況，量子態的配置可能存在多種正確方法，這取決於你擁有的資訊。

以這種方式思考量子態很有吸引力，因為量子態會在你測量物理系統的某些方面時發生變化。測量一個系統通常會改變它的狀態，從一個每個可能結果都具有非0概率的狀態，變成只有一個結果發生、概率為0的狀態。這很像骰子游戲中發生的情況，結果出來時，你就知道骰子顯示的點數是6。因為測量某些事物就改變世界，聽起來實在很奇怪。但是，如果僅僅只是你的知識發生變化，那一切就顯得不那麼奇怪了。

認為量子態是認識論的另一個原因是，在大多數情況下，沒有辦法通過單個實驗來說明實驗前量子態究竟是什麼。這也類似於骰子游戲中的概率。假設另一個朋友也加入了遊戲，並堅持認為骰子顯示6的概率只有10%，而你還是認為概率是17%。一次實驗能證明誰對誰錯嗎？不能。這是因為，實際的結果——比如說6——其實是與你們兩個人的概率賦值相容的（儘管一個可能更加準確，因為符合多次投擲結果出現的頻率）。在任何特定情況下，都無法判斷你和你的朋友誰是對的。根據量子理論的認知方法，你無法通過實驗區分大多數量子態的原因其實就像骰子游戲：對於與多個量子態相容的實際物理情況，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家，他在2007年發表了一篇後來頗具影響力的論文，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，因為它僅限於極其簡單的系統。也就是說，對於這些系統的任何屬性，最多隻有兩個可能值，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於計算概率的狀態。而且，至少對於那些簡單的系統，玩具理論也可以像量子理論那樣做出許多類似的預測。

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，它的狀態通常也是“無法區分的”，並且這種不可區分性可以通過相同潛在物理情境下狀態的相互相容性來完全解釋。換句話說，玩具理論非常像量子理論，其狀態也具有明確的認識論特徵。由於量子態具有不可區分性，因此對於那些傾向於某種認識論觀點的人來說，還無法接受斯佩肯斯等人將玩具理論作為量子態可能是認識論的強有力證據——問題是他們能否提出一個解釋——除非玩具理論能擴充套件到更加複雜的系統。這也由此啟發了一系列研究，一些物理學家試圖將斯佩肯斯的工作擴充套件到所有的量子現象，另一些則試圖證明這是錯誤的。

到目前為止，看起來反對者已經佔了上風。例如，理論物理學家馬修·普西（Matthew Pusey）、喬納森·巴雷特（Jonathan Barrett）和特里·魯道夫（Terry Rudolph）於2012年在《自然-物理學》（Nature Physics）發表的一篇論文引起了廣泛討論，文中提出，如果物理實驗總是可以彼此獨立地建立，那麼對於描述這些實驗的“正確”量子態，就不存在任何的不明確性。其他量子態是錯誤的，這就好比，對於一個事實上最終顯示點數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、埃裡克·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）上發表了另一篇文章，指出沒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充套件到屬性可以具有3個或更多值的系統——例如顏色有“紅”、“綠”和“藍”，而不是隻有“紅”和“藍”。他們甚至提出了能夠說明量子理論的預測與任何認識論觀點必須做出的預測之間的區別，到目前為止，已經進行的實驗都與標準的量子理論一致。換句話說，你似乎無法將量子態解釋為認知論，因為任何認為量子態是認識論的理論，其做出的預測都與量子理論不同。

那麼，這些結果是否排除了量子態是我們的一個思想特徵？既是也不是。反對認知論觀點的論據是在思考物理理論的特定框架中得到證明的數學命題。這一框架最初由斯佩肯斯及其合作者 ofollow,noindex">開發 出來，作為解釋認知論觀點的一種方式，包括了若干基礎性的假設。假設之一是，世界總是處於某種實體狀態，這是一種確定的、獨立於我們所知的物理狀態，它可能與量子態一致，也可能不一致；另一個假設是，一個物理理論做出的預測可以通過標準概率理論的方法進行表示。這些假設沒有爭議，但並不意味著它們是對的。《自然-物理學》和《物理評論快報》上那兩篇論文的結果表明，在這個框架中，沒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的，同時可以和量子理論達成一致。

這是不是最終的結論，取決於你對這一框架的看法。在這個問題上，許多人有不同的意見。

例如，牛津大學的物理學家和哲學家、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，“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，美國查普曼大學的物理學家馬特·萊弗（Matt Leifer）就量子態的認識論觀點寫了許多文章，他表示，甚至2012年《自然-物理學》論文的結果就已經下了定論——只要你願意接受他們的獨立性假設（對此萊弗說，他“經常傾向於這麼做”）。

斯佩肯斯本人更為謹慎。他同意這些結果對量子態的認識論觀點產生了重要的限制。但他強調，這些結果都在他的框架內得到了證明。而且，作為這一框架的建立者，他很快就指出了其侷限性，例如對概率的假設。因此他認為，量子態的認識論觀點有很好的潛力，但如果想要奏效，就需要重新審視大多數物理學家一直想要毫無疑問接受的物理理論的基本假設。

然而，似乎很清楚的一點是，物理學家在量子理論的基礎問題上取得了實際進展。許多物理學家似乎很願意將量子態含義的問題視為僅僅是解釋性的，或者更糟糕的，“哲學性”的，因為它們與大多數量子物理學家擔心的問題無關，比如設計新的粒子加速器或建造更好的鐳射器。將一個問題稱為“哲學性的”，會使它看起來好像不屬於數學或實驗物理學的範疇。

然而，對認知論觀點的研究表明，這種做法有多麼錯誤。斯佩肯斯和他的合作者設法對量子態進行了解釋，並將其轉化為精確的假說——一個之後被數學和實驗結果所駁斥的假說。這並不意味著認識論觀點已經死亡，但的確迫使其主張者提出新的假說。這毫無疑問是一種進步，無論在科學上還是在哲學上。

作者簡介：詹姆斯·歐文·韋瑟爾（James Owen Weatherall）是加州大學歐文分校的邏輯和科學哲學教授。他最近的著作《虛空：關於虛無的奇怪物理學》（Void： The Strange Physics of Nothing）（耶魯大學出版社，2016）對物理學中的虛空結構進行了探索，總結了從17世紀到當代的研究歷程。