對量子力學(xué)互補性詮釋的理解

1、對量子力學(xué)互補性詮釋的理解量子力學(xué)在本世紀(jì)二十年代就形成了其形式系統(tǒng)，然而它的物理意義，亦即對 它的解釋卻一直眾說紛紜，時至今日仍是物理學(xué)家和哲學(xué)家關(guān)注的一個中心問 題。雖然在其體系形成后不久，玻爾就在玻恩的幾率詮釋和海森堡的測不準(zhǔn)原 理基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)一貫的互補性詮釋并成為被普遍接受的正統(tǒng)詮釋，但互 補思想的確切內(nèi)容卻始終沒有人能說得清，因為玻爾總是把他深奧的思想，深 深藏在晦澀冗長的深思熟慮的句子和事例性的說明之中，而沒有任何現(xiàn)成的條 條款款，這就使得無論接受它的還是反對它的人都給出了各式各樣不同的理 解，所以互補含義亟需澄清。關(guān)于量子力學(xué)詮釋研究的主要問題也都與互補性 詮釋密切相關(guān)（如

2、因果性問題、幾率性問題、關(guān)于測不準(zhǔn)關(guān)系的理解問題、測 量問題、完備性問題等），這些問題的澄清和解決也首先需要正確理解互補性 詮釋。1.互補性詮釋的邏輯結(jié)構(gòu)與互補性詮釋不同的其它詮釋的邏輯結(jié)構(gòu)是，先設(shè)計出某種本體實在的模式， 再將這種本體實在與量子力學(xué)中的某種符號聯(lián)系起來，然后將這種符號按量子 力學(xué)演繹的理論結(jié)果與觀察結(jié)果對照來解釋量子現(xiàn)象和量子理論。在這些解釋 中，觀察結(jié)果不是作為解釋的根據(jù)，而是作為量子力學(xué)演繹的結(jié)果。如隱變量 理論先假設(shè)有因果決定性的亞量子層的隱變量的本體實在，再將這種本體實在 隱變量的統(tǒng)計平均與量子力學(xué)中的可觀察量聯(lián)系起來，量子力學(xué)的理論值就代 表著隱變量的統(tǒng)計平均的演化

3、結(jié)果，它與統(tǒng)計性的結(jié)果相對應(yīng)，這樣隱變量理 論就將觀察結(jié)果和量子力學(xué)的描述解釋為客體的隱變量的統(tǒng)計平均的表現(xiàn)和對 這種統(tǒng)計平均的變化規(guī)律的描述。統(tǒng)計系綜詮釋則先假設(shè)統(tǒng)計分布具有實在的 客觀性，它代表著微觀客體的狀態(tài)和特征，量子力學(xué)描述中的波函數(shù)書的模方就表示客體的這種統(tǒng)計分布，波動方程的解的模方與觀察結(jié)果的統(tǒng)計分布相一 致，表示著客體的統(tǒng)計分布狀態(tài)。互補性詮釋不從一個預(yù)先的本體實在模式的 假設(shè)出發(fā)，而是直接對觀察結(jié)果進行分析和解釋，然后從這種對觀察結(jié)果的分 析中推出客體的實在特點和對它進行描述的符號的意義。當(dāng)然，從一般假設(shè)能 演繹出一個唯一的結(jié)果，而從觀察結(jié)果只能推出客體實在的某些本質(zhì)特征，不

4、 會得出唯一確定的實在模式和對它描述的符號的完全確定的意義。因為觀察結(jié) 果可以由各種不同的符號系統(tǒng)描述，即使只有一套符號，其數(shù)學(xué)演算過程也無 法與實際的物理過程一一對應(yīng)，而只能將演算結(jié)果與觀察結(jié)果對應(yīng)，所以，雖 然觀察是唯一確定的，但關(guān)于它的描述和解釋卻可以有多種。這說明解釋具有 一定的靈活性，允許有各種不同的關(guān)于實在的假設(shè)，但這些假設(shè)的實在并不就 是真實的實在，而只是在某些方面反映著由觀察結(jié)果所表征的實在。互補性詮 釋通過對觀察結(jié)果的認識特點和描述的語義方面的分析，找到對客體和諧一致 的互補描述方式，再從這種描述中找出客體的實在特點，而不是先給出一種實 在的模式或圖景?；パa性詮釋從觀察到的原

5、子的穩(wěn)定性和輻射光譜的不連續(xù)性所表征的量子性出 發(fā)，以量子公設(shè)作為其理論的出發(fā)點來構(gòu)建對具有量子性的原子客體的合理描 述。量子公設(shè)本身意味著過程的非連續(xù)性、個體性，也就意味著觀察過程中儀 器與客體的相互作用過程是不可細分的，觀察結(jié)果中必然包含了儀器及其對客 體的作用。在經(jīng)典物理中，儀器對客體的作用比客體本身的物理量小得可以忽 略，即使不能忽略也能通過對過程的分析將它剔除，但在對原子客體的觀察 中，儀器對客體的作用與客體的物理量相比擬，其作用過程又是非連續(xù)的，所 以不可能將儀器的作用剔除，這樣，觀察結(jié)果中就必然包含了觀察儀器的作 用，而不是代表客體本身的現(xiàn)象，對客體的描述也必然只能是觀察下的客體

6、的 描述，而不可能是對沒有觀察的孤立客體本身的描述，所以對客體的任何描述 都依賴一定的觀察，沒有觀察，就沒有可描述的確定的現(xiàn)象，即使沒有對應(yīng)于 客體本身的觀察，也必然存在與之相關(guān)的其它客體的觀察。這不是說，沒有觀 察，現(xiàn)象世界就不存在，而是說，沒有觀察，確定的客體就不存在，沒有觀 察，世界上可以發(fā)生許多事件，但我們卻不能確定對它們的描述。觀察對描述的重要性和觀察中儀器對原子客體的作用的不可分性是原子現(xiàn)象及 其描述的特殊性之所在。正是觀察的特殊性帶來了概念的定義和描述上的新特 點，從而帶來描述方式的根本改變和實在的新特點。在對原子客體的觀察中，儀器與客體間的不可剔除的相互作用，使得對客體的 時空

7、確定和態(tài)的確定間成為互斥的。當(dāng)我們通過一種儀器如剛性標(biāo)尺和時鐘對 客體進行時空的觀察和確定時，觀察中儀器的作用和對時空的確定條件，排斥 對客體的態(tài)進行定義，因為這種確定時空的儀器對客體的作用所帶來的客體的 態(tài)的改變是無法確定的，從而客體在另一種確定它的態(tài)的儀器下所確定的對態(tài) 的定義的條件被破壞，而不再可能對時空觀察下的客體進行態(tài)的定義。當(dāng)我們 利用另一種儀器對客體的能量和動量進行觀察和定義時，由于儀器與客體相互 作用的時間的不確定性，使得對客體的時空確定成為不可能。客體的時空標(biāo)示 和態(tài)的描述間的互斥，不僅在于時空觀察帶來的態(tài)的不可控制的改變，而且也 是定義客體兩種屬性的條件的互斥的表現(xiàn)。態(tài)的定

8、義要求消除除態(tài)的觀察外的 任何觀察的外來干擾，而時空的觀察必包含有對客體的干擾，兩種描述所代表 的定義的理想化和觀察的理想化的互斥，使得它們不能再統(tǒng)一在一種描述圖景 中對客體進行時空中的因果描述，只能對客體進行這兩種互斥的描述。因為它 們都是對客體的描述，并且只有兩種描述一起才能構(gòu)成對客體的全面描述，所 以二者是互補的。這就是對原子客體的互補性描述方式。量子公設(shè)所蘊涵的儀器與客體的不可避免的相互作用是互補性詮釋的一個邏輯 起點，作用量子的公式所包含的波粒二象性是互補性詮釋的另一邏輯起點。時空和能量動量描述的互補性意味著經(jīng)典的粒子圖象和波動圖象都不完全適于 原子客體，它們只是詮釋兩種原子現(xiàn)象的不

9、同嘗試。在這種詮釋中，經(jīng)典概念 的局限性以互補的方式表現(xiàn)出來。在粒子圖象中，因果要求的滿足必伴隨對時 空描述的放棄；在波動圖象中，時空傳播規(guī)律的描述必伴隨因果描述的放棄而 只能代之以統(tǒng)計的考慮。如果我們不把時空描述和因果描述看作互補的而堅持 經(jīng)典的時空概念，我們就必會面對光和物質(zhì)有時表現(xiàn)象波有時又象粒子的矛 盾，所以，光和物質(zhì)粒子的本性不是經(jīng)典描述的粒子或波，而是時空和因果的 互補描述的波粒二象性，即其時空描述遵循波動的疊加規(guī)律、其因果描述遵循 粒子的守恒定律的兩種圖象的互補。任何將客體看作經(jīng)典波或經(jīng)典粒子的解釋 都是行不通的。如薛定諤將原子客體看作經(jīng)典電磁波的電磁波解釋，就遇到波 包的擴散、

10、波是位形空間而不是真實空間的波以及波函數(shù)與測量與所選擇的非 對易的可觀察量有關(guān)等問題，這些問題恰恰反映了經(jīng)典波概念對原子客體描述 的局限性。統(tǒng)計系綜詮釋雖把原子客體看作粒子，但卻不是經(jīng)典的能夠?qū)λ?時空描述的粒子，而是只能對粒子系綜的統(tǒng)計規(guī)律進行描述的粒子，因果描述 和時空描述的互補性被包含在系綜的能量、動量和時間空間的統(tǒng)計散差具有反 比性的特殊統(tǒng)計性中。隱變量理論雖然為量子力學(xué)描述建立了一個亞量子層的 因果描述，但它對可觀察的量子層的描述與量子力學(xué)的統(tǒng)計描述完全一樣，而 且在其亞量子層的因果描述中也加入了與經(jīng)典描述不同的隱變量與測量的相關(guān) 性。所以，因果描述和時空描述的互補性是不可避免的，

11、用經(jīng)典的粒子圖象或 波動圖象來解釋所有原子現(xiàn)象都會遇到邏輯困難，因而必須將它們加以修正并 使它們互補起來。2 .對量子力學(xué)描述的統(tǒng)計性的理解統(tǒng)計性是量子力學(xué)描述的一個基本特點，統(tǒng)計或幾率概念是量子理論的基本概 念，理解它是理解量子力學(xué)的關(guān)鍵所在，各種詮釋的主要分歧也在于此。按照 互補性詮釋，統(tǒng)計性是量子性的必然結(jié)果，或者說統(tǒng)計性是邏輯地包含在量子 概念之中的。因為作用量子的存在本身就意味著原子過程不再是因果連續(xù)的， 而是非連續(xù)的個體性過程，對于這種過程不可能進行因果描述，而只能對個體 事件進行統(tǒng)計描述，而且量子公設(shè)還意味著觀察對原子客體狀態(tài)的不可控制的 改變，從而使我們無法通過觀察建立起客體運

12、動變化的因果規(guī)律。量子概念中 所蘊涵的時空的確定和能量動量的確定間的互斥關(guān)系，也使我們不可能給出客 體的一個初始狀態(tài)而對客體進行因果性的描述和預(yù)言，所以，量子性必意味著 描述的統(tǒng)計性，對非連續(xù)的原子過程只能進行幾率描述。描述恰當(dāng)?shù)胤从沉嗽?子過程的非連續(xù)的變化的可能性而不是因果連續(xù)變化的必然性，它對原子客體 的物理量的描述不再是具有唯一確定值，而是按一定的統(tǒng)計分布具有一系列的 值，這些值及其統(tǒng)計分布就是對原子客體的這一物理屬性的描述，而量子力學(xué) 對原子客體的物理量的值譜和統(tǒng)計分布的變化規(guī)律的描述就是對原子客體的統(tǒng) 計變化規(guī)律的描述。這種由量子公設(shè)帶來的統(tǒng)計描述也必然包含描述的互補 性，只有通過

13、時空描述和能量動量描述的互補性才能理解對原子客體的統(tǒng)計描 述的這些特點。量子力學(xué)描述中波函數(shù)按薛定諤方程隨時間的演化，往往給人 一種感覺，它就是對客體的態(tài)或客體的統(tǒng)計性（或趨向性）的因果變化的描 述。其實，薛氏方程并不能滿足人們對因果描述的追尋，雖然我們可以從波函 數(shù)中找到關(guān)于客體的所有屬性的描述，但是波函數(shù)的隨時間的演化并不代表客 體的狀態(tài)的因果變化，因為波函數(shù)與客體的行為并無對應(yīng)關(guān)系，只有波函數(shù)的 模方才代表客體的幾率，波動方程只是以恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)形式包含了對客體滿足疊 加原理的波動屬性的描述，而這種描述的合理性是以客體作為粒子出現(xiàn)的幾率 對波函數(shù)的詮釋來達到的，波動方程的解不是描述代表客體的

14、波，而是描述代 表客體的粒子的幾率，波動方程描述中對量子描述的互補性就表現(xiàn)在這里。所 以波動方程并不表示對客體的因果描述，而是以波動描述形式對粒子幾率進行 描述的波-粒互補性的表現(xiàn)。3 .對測不準(zhǔn)關(guān)系的理解測不準(zhǔn)關(guān)系是量子力學(xué)中的一個重要內(nèi)容，它是量子力學(xué)形式體系的一個直接 數(shù)學(xué)結(jié)論，所以接受量子力學(xué)的人都能接受它，但對于這個數(shù)學(xué)公式的理解卻 千差萬別。由于測不準(zhǔn)關(guān)系表現(xiàn)為對物理量的測量的限制關(guān)系，所以，不少早 期的量子力學(xué)教科書把它作為量子力學(xué)的一個核心內(nèi)容和邏輯基礎(chǔ)或操作基 礎(chǔ)，但是，正如Karl R.Popper所指出的，從薛定諤方程可導(dǎo)出測不準(zhǔn)關(guān)系而 從測不準(zhǔn)關(guān)系導(dǎo)不出薛氏方程，這說明

15、測不準(zhǔn)關(guān)系應(yīng)是某種基礎(chǔ)的推論。在互 補性詮釋看來，測不準(zhǔn)關(guān)系是量子公設(shè)所蘊涵的波粒二象性的結(jié)果，它表現(xiàn)的 是經(jīng)典概念的可定義的精確度間的互補關(guān)系。玻爾從關(guān)于作用量子的基本公式ET=I X = h出發(fā)，從其中所蘊涵的經(jīng)典概念的矛盾推出關(guān)于這些經(jīng)典概念 的可定義的最大精確度間的普遍反比關(guān)系即測不準(zhǔn)關(guān)系，從而使這個關(guān)系代表 了時空和因果描述間的互補性的一種簡單的符號化表示，測不準(zhǔn)關(guān)系中共軛物 理量的測量精確度間的反比關(guān)系恰當(dāng)?shù)胤从沉藘晌锢砹康幕コ饣パa關(guān)系。 海森堡把他所發(fā)現(xiàn)的測不準(zhǔn)關(guān)系看作是對經(jīng)典概念的適用性的限制和對經(jīng)典物 理量的可確定程度的限制，并且正是由于這種不確定性導(dǎo)致因果律的失效和量 子力

16、學(xué)的統(tǒng)計描述，這種解釋帶有明顯的操作論和實證論傾向，是一種只講其 然而不講其所以然的解釋?；パa性詮釋則給出了其所以然的說明，是對測不準(zhǔn) 關(guān)系的更深層的理解，避免了上述操作解釋的弊端。如海森堡把物理量的測量 的不確定度解釋為測量的操作結(jié)果，而不是不同概念的可定義和可觀察的互補 性的結(jié)果，就會導(dǎo)致由于我們測量和認識能力的限制，使我們對本來可能存在 精確值和因果性的客體只能作有限精確度和統(tǒng)計描述的實證論的和不可知論的 問題。測不準(zhǔn)關(guān)系所表征的一種物理量的測量中儀器的作用導(dǎo)致另一種物理量 的不確定，證明了互補性詮釋的儀器對客體的不可控制作用的說法，但是這種 儀器的干擾作用是對原子客體進行描述所必需的，

17、也是量子力學(xué)描述中所包含 的，而不是對客體進行描述所要排除的。Popper的統(tǒng)計系綜詮釋認為，測不準(zhǔn)關(guān)系的含義是兩個正則共軛變量的標(biāo)準(zhǔn)偏 差之積有一下限n/4 n，它不象互補性詮釋的測不準(zhǔn)關(guān)系是從對理想實驗的 分析得到的，而是量子力學(xué)形式體系的邏輯數(shù)學(xué)推論，而且由于現(xiàn)在實際的對 測不準(zhǔn)關(guān)系的實驗檢驗還不能達到個體粒子測量所要求的精確度，而往往是對 許多粒子的統(tǒng)計平均的偏差的測量，所以統(tǒng)計系綜詮釋顯得比互補性詮釋有更 堅實的經(jīng)驗支持。我認為，也許統(tǒng)計系綜詮釋較互補性詮釋在數(shù)學(xué)上更嚴密， 但互補性詮釋對量子性的描述特點的分析顯得更深刻。4 對描述的完備性問題的回答和理解完備性問題和測量問題是量子力

18、學(xué)詮釋之爭的兩個焦點問題，近幾十年量子力 學(xué)的基礎(chǔ)研究主要圍繞這兩個問題展開且使問題不斷演化，并挖掘出不少新的 內(nèi)容，互補性詮釋無論對這兩個問題的提出還是發(fā)展都有著直接的影響，而它 對這兩個問題的解釋也成為互補性詮釋本身的重要內(nèi)容。完備性問題是愛因斯坦與玻爾論戰(zhàn)的第三次交鋒中在著名的E-P-R論文中 提出的。文中通過一個E-P-R實驗論證了量子力學(xué)的描述不是對實在的完 備描述。此文引起的首先是關(guān)于何為實在的討論，后來討論的焦點轉(zhuǎn)移到關(guān)于 E P R關(guān)聯(lián)究竟意味著非局域性、非因果性還是不可分離性的問題。E-P-R的論文從沒有干擾而能預(yù)言的客體的物理屬性為物理實在這一實在 概念出發(fā)，通過大家所熟知

19、的E-P-R實驗，論證了量子力學(xué)描述不是對實 在的完備描述。簡述相互作用后的兩粒子，按量子力學(xué)描述，可以通過對第一 個粒子的兩非對易物理量的測量而不加干擾地得到對第二個粒子的同樣的兩非 對易物理量的預(yù)言，既然是不加干擾且兩粒子相距無限遠，第二個粒子的兩非 對易量雖對應(yīng)于第一個粒子的不同時的兩次測量，但卻是同時屬于第二個粒子 的物理實在，否則就得假設(shè)兩粒子間具有超距作用；E P R又認為，完備 描述應(yīng)同時對同時存在的物理實在進行描述，但量子力學(xué)的描述卻將對非對易 的兩個物理實在的描述看作互補的，即對一個進行精確描述時對另一個則不能 進行同時的精確描述，所以E P R得出結(jié)論說，量子力學(xué)蘊涵著E

20、P R悖論，其原因是量子力學(xué)描述不完備。大量實驗證實了E P R關(guān)聯(lián)的存在，也證明了量子力學(xué)描述的成功，但如 何解決E P R悖論卻仍有兩條道路可以選擇，這便是修正E P R的兩 個前提，或者修正實在概念，或者修正分離原理（包括局域性原理和可分離性 原理），前者是玻爾對E P R的回答，后者是隱變量實在論者對E P R關(guān)聯(lián)的解釋，雖然實在概念不同（一個是必包含有觀察的實在；一個是不包 含觀察干擾的實在），但卻都包含了儀器與客體的狀態(tài)、客體與其有相互作用 的其它客體的狀態(tài)的相關(guān)?；パa性詮釋通過修正實在概念，即認為實在必包含有觀察的干擾來解決E P -R悖論。正如互補性詮釋的邏輯前提中所認為的，任

21、何描述必是對觀察的描 述，任何預(yù)言也必是對觀察的預(yù)言，任何實在也必是觀察的實在而不是獨立自 在的實在，觀察的作用必包含在實在之中，觀察的作用不僅意味著儀器對客體 的直接的物理作用，而且意味著一種儀器所特有的對儀器和所觀察客體的整體 的反映方式和描述方式，所以客體的描述和實在必與進行觀察的儀器的類型相 關(guān)，無論是直接的觀察還是象E P R實驗中的間接觀察。這就是量子力學(xué) 中的相對性，即客體狀態(tài)與儀器的相對性。所以E P R實驗中對第二個粒 子的非對易物理量的預(yù)言所對應(yīng)的是不同的測量，因而仍是不同時的實在，對 它們的描述也是互補的描述而不能是同時的描述，所以這與量子力學(xué)描述并無 矛盾°E-P-R關(guān)聯(lián)所反映的是儀器類型和描述預(yù)言類型及實在類型的必然 聯(lián)系和儀器作用的不可細分所帶來的儀器與客體實在的不可分，對第二個粒子 的描述與對第一個粒子測量的關(guān)聯(lián)，恰恰表明了觀察和描述類型一致的要求和 儀器與所描述客體實在的不可分性，不是儀器或第一個粒子對第二個粒子的超 距作用使第二個粒子的實在發(fā)生了改變，而是它們的實在本身就是一個不可分 的整體，它們的狀態(tài)必然相關(guān)而不是獨立的，所以互補性詮釋在新的實在概念 中包含了