哥本哈根解释测量问题与经典-量子区分

量子基础主义与测量问题

显然，我们生活在一个量子世界，因为一切都是由原子和亚原子粒子构成的。因此，经典物理学似乎仅仅是对所有层次上都是的量子力学的世界的一个有用的近似。这种观点得到了许多现代物理学家的支持，可以称为『量子基础主义』（quantum fundamentalism）（Zinkernagel 2015，2016）。它可以被定义为一个包含两个组分的立场：（1）宇宙中的一切根本上都是量子性质的（本体论组分）（the ontological component）；以及（2）宇宙中的一切最终都可以用量子力学术语来描述（认识论组分）（the epistemological component）。因此，我们可以把量子基础主义定义为这样一种立场，即认为世界上的一切本质上都是量子化的，量子论给了我们对这种本质的字面描述。

量子基础主义背后的基本假设是，形式体系的结构，在这种情况下是波函数，对应于世界是如何构成的。例如，根据波函数的描述，每个量子系统可能是不同态的叠加，因为态矢的组合也是态矢。现在，假设量子物体和测量仪器都是量子系统，都可以用波函数来描述，那么它们的纠缠态也可以用态矢来表示。当然，接下来的挑战是，我们如何才能解释，无论何时当仪器与物体相互作用时，测量设备的指针会进入一个确定的（而不是叠加的）位置——就像经验告诉我们的那样。简而言之，这就是测量问题。

冯诺依曼关于测量过程的区分

哥本哈根解释经常被用来支持约翰·冯·诺依曼『投影假设』（projection postulate）提供的测量问题的解决方案。冯·诺依曼在1932 [1996]年提出，无论何时进行测量，物体和设备的纠缠态都会坍缩到确定的态。这种测量过程——他称之为1类过程（a type 1-process）——无法用量子力学来描述；量子力学只能描述2类过程（a type 2-process）（即用薛定谔方程描述量子系统的发展）。在他对测量问题的讨论中，冯·诺依曼区分了（i）实际观察到的系统；（ii）测量设备；和（iii）实际的观察者。他认为，在测量过程中，实际观察者对正在发生的事情有一种非物理性（a non-physical nature）的主观感知，这种感知将观察者与被观察对象和测量设备区分开来。然而，他坚持认为『心理-物理平行性』（psycho-physical parallelism）是一个科学原则，他将其解释为，存在一种对于主观经验的任何外物理过程（extra-physical process）的物理相关性。因此，在任何我们有主观感知的情况下，我们都必须把世界划分为被观察的系统和观察者。但划分发生的地方在一定程度上是任意的。根据冯·诺依曼的观点，分界线是划在被观察对象的描述（i）和测量设备以及观察者（ii） +（iii）之间，还是画在被观察对象以及测量仪器的描述即（i） + （ii）和观察者（iii）之间，这是取决于语境的。换句话说，冯·诺依曼认为观察者永远不能包含在一个2类过程描述中，但是测量仪器有时可能是一个2类过程的一部分，尽管它对于被观察的对象（i）给出了相同的结果。冯·诺依曼解决测量问题的一个重要结果是，1类过程只在观察者意识存在的情况下才发生。此外，甚至当冯·诺依曼考虑到（i）和（ii）的描述相结合的情况，他也谈到了物理系统（i） + （ii）和抽象的自我（iii）之间的相互作用（Neumann 1932 [1996], Ch VI）。因此，大脑似乎在形成1类过程中起着积极的作用，这与心理-物理平行性是不相容的。

事实上，在心灵哲学中，一个人不可能一致地同时维持心理-物理平行性和大脑与心灵之间相互作用的存在。因此，难怪尤金·魏格纳（1967）继续提出心灵相互作用（the mind’s interaction）的建议，提出导致波函数坍缩的是观察者的心灵。但是维格纳从未解释过精神上的东西如何可能产生像量子系统坍缩这样的物质效应。测量问题导致了著名的“薛定谔的猫”的悖论，以及后来“魏格纳的朋友”的悖论。虽然冯·诺依曼和魏格纳的观点通常与哥本哈根解释联系在一起，但这种观点明显不是玻尔的，我们之后就会看到。

玻尔观点与退相干理论

量子基础主义者必须准备好解释为什么宏观世界看起来是经典的。冯·诺依曼的投影假设的另一种说法是声称，形式体系应该从字面上理解，测量（经典结果）不能描述世界的真实面貌。但是存在本体论代价，这对于一些人来说是重要的。在一种解释中，每当一个系统被观察或与另一个系统交互时，世界被划分为和测量结果一样多的世界。其他基础主义者曾希望『退相干程序』（the decoherence program）能给出一个恰当的解释。

退相干理论认为纠缠不仅存在于物体和测量之间，还作为包含环境的东西而存在。如果玻尔知道退相干的想法，他可能不会反对，正如几位作者指出的，退相干是他（玻尔）的观点的自然动态延伸，即测量是一个不可逆的放大过程（Schlosshauer and Camilleri 2015, 2017; Bächtold 2017, Tanona 2017; and Dieks 2017）。然而，人们普遍认为退相干并不能解决测量问题（Bacciagaluppi，2016；Zinkernagel 2011）。这可能看起来好像冯·诺依曼的投影假设必须作为一个动力学因素重新引入，以解释为什么只有一个测量结果出现。然而，正如迪克斯（Dieks 2017）所认为的，玻尔的解释可以被理解为非坍缩解释（a non-collapse interpretation），因为“叠加没有独立于其通过经典描述的实验的解释的经验意义，所以不需要用另一种数学状态来代替。我们只需要正确解读这些公式。”尽管如此，对于玻尔在多大程度上反对量子基础主义还没有一个普遍的共识。

本体论基础主义or认识论基础主义

玻尔一再强调，设备和对象之间的认识论区别是必要的，因为这是一个人能够从功能上理解测量的唯一方式。测量仪器的认知目的是产生与设备本身分离的对象的信息。人们还普遍认为，玻尔并没有把测量设备的经典世界视为沿着微观和宏观分界线在认识上与量子对象分离的东西。他有时会将量子力学描述应用到测量设备的某些部分。唐·霍华德（1994）因此得出结论，玻尔不仅是一个本体论的量子基础主义者，而且事实上也是一种认识论的。他认为，人们可以使玻尔的要求——即测量仪器和实验结果必须用辅以经典物理学术语的日常语言描述——与本体论的量子基础主义相一致。他认为这意味着玻尔必须以不同于学者通常认为的方式来理解经典概念的使用。他用称为“混合”（mixtures）的量子态重新解释了玻尔。霍华德认为，对于一个设备与一个对象相互作用的实验语境，玻尔并没有把它们理解为处于纠缠态，而是处于分离的混合态。结果是设备和对象以确定的的量子态存在，因为这种态可以表示为设备和对象的波函数的积。

但是，正如马克西米利安·施洛斯豪尔（Maximilian Schlosshauer）和克里斯蒂娜·卡米莱里（Kristian Camilleri）（2008「Other Internet Resources」，2011）所指出的，这并不能解决测量问题。霍华德没有解释在什么情况下人们可以从一个处于非分离态的量子系统暨测量设备（system-cum-measuring apparatus）转变为分离态的混合（状态）。因此，人们不能确定测量仪器是否处于确定的状态，其指针是否在确定的位置。一些哲学家似乎认为玻尔是一个本体论的而不是认识论的量子基础主义者。例如，“玻尔相信量子力学的基本和普遍性质，并将仪器的经典描述视为纯粹的认识论举动，它表达了一个事实，即给定的量子系统正被用作测量装置”（Landsman 2007）；同样，“玻尔的著作给人留下的印象是，『量子-经典区分』（the quantum-classical divide）是量子力学认识论结构的必要组成部分”（Schlosshauer and Camilleri 2008「Other Internet Resources」， 2015）。所以克拉斯·兰德斯曼（Klaas Landsman 2006，2007）接受了霍华德的建议，即玻尔是一个本体论的量子基础主义者，但他拒绝玻尔应该被视为一个认识论的量子基础主义者。兰德斯曼认为，玻尔持有这样的观点，即测量仪器应该用经典术语来描述，因为像经典物理学中的任何测量结果总是有一个确定的值。然而，兰德斯曼同意玻尔把所有的对象理解为本质上是量子力学对象。

然而，似乎霍华德和兰德斯曼都忽略了玻尔在本体论问题上的观点的实用主义性质。玻尔不止一次提到，物理学不是要发现自然的本质，而是要以一种明确的方式描述现象。玻尔思想的显著特征是：（1）描述测量结果对经典概念的需要；（2）由于系统和测量仪器的纠缠而导致的不可分离性（non-separability）；（3）测量互补属性的语境性（the contextual nature）；以及（4）量子形式体系的象征性特征（the symbolic character）。如果想要理解玻尔对经典量子问题的解决方案，就必须考虑所有四个组成部分。根据玻尔的说法，我们在量子力学中面临着“在原子对象的行为和与测量仪器的相互作用之间的任何明显的分离的不可能性，而测量仪器正是用来定义这些现象出现的条件”（APHK, p. 210）。这肯定是一个由量子力学单独描述的非经典特征。在对EPR论文的回应中，玻尔强烈反对这种形式的相互作用可以被视为一种机械影响。这种影响在于描述的条件，即，使应用经典概念有意义的实验条件。但是在测量过程中，出于实用的原因，我们需要将系统与测量设备和环境分开。实用的理由似乎相当清楚。任何实验的结果总是会产生一个确定的值，所以量子形体系体系描述的对象和测量设备的纠缠只持续到对象和设备之间的相互作用停止。量子形式体系可以预测这些相互作用的统计结果，但它对于对象的轨迹一无所说。

相对于经典世界的量子世界

玻尔对使用经典概念来描述测量的坚定态度可以看作是他对测量问题的回应。这个问题源于这样一个事实，即量子力学本身不能解释为什么对处于叠加态对象的实验总是产生确定的结果。因此，如果一个人不主张波函数的坍缩、隐变量（理论）或多世界（理论），他就需要用按照时钟和杆等测量设备的经典描述来补充量子力学。亨里克·津克纳格尔（Henrik Zinkernagel 2015，2016）似乎接近玻尔的观点，他认为玻尔与其说解决了（solved）测量问题，不如说消除了（dissolved）测量问题。根据他的解释，玻尔相信有一个量子世界，但只是相对于某一特定的经典描述和某一经典世界而言。经典和量子（本体的和认识的）之间的区别是语境相关的。他认为测量问题最终是本体论量子基础主义（一切都是量子的)的结果）。因为如果一切都是量子的——并且被量子形式体系正确描述了(那么称一切都是量子的还有什么意义呢？)——那么，无论我们描述的仪器是否经典，测量结果都会叠加。人们可以和津克纳格尔一起说，玻尔认为所有的对象都可以被视为量子对象，但是它们不能同时被视为量子对象。

借用两位俄罗斯物理学家朗道（Landau）和利弗席兹（Lifshitz）的概念，津克纳格尔声称，只有测量装置的某些部分与所讨论的对象纠缠在一起，但那些没有纠缠的部分作为一个经典物体存在。依赖于语境，在对象充当测量仪器的情况下，不能将其视为量子对象。在这种情况下，测量设备的经典处理方式为我们提供了一个空间和时间的参照系，原子对象相对于该参照系有位置，经过必要的修改后，它也相对于该参照系有能量和动量。这样的参考框架对于我们定义和测量特定属性的能力是必要的。用玻尔自己的话来说:“在每一种[测量]情况下，一些终极测量仪器，如决定时空坐标框架的天平和时钟，甚至动量和能量的定义都依赖于此，必须总是完全在经典界线上描述，因此必须置于量子力学处理的系统之外”（CC, p. 104）。一个参照系的特点在于，它为一个明确界定的位置或一个明确界定的动量的归属创造了条件，而被经典地处理的测量工具恰恰充当着参照系。玻尔并没有排除量子理论对任何体系的应用。原则上每个系统都可以用量子力学来处理，但是因为我们总是需要一个参照系来描述实验结果，所以并不是所有的系统都可以同时用量子力学来处理。

本体论观点与认识论观点的一致性

在这场辩论中，多拉托（Dorato 2017）强调了一个事实，即通过明确提及爱因斯坦对其狭义相对论的表述，玻尔将量子力学视为一种原则理论（a theory of principle）。这既解释了玻尔对经典物理学领域的认识上的依赖，也解释了他禁止任何从量子对象构建经典对象的尝试。尽管如此，多拉托认为，为了证明他的实体实在论和反工具主义解释的合理性，玻尔还需要假设一些在本体论上不同于量子力学领域的东西，这一要求创造了一个众所周知的问题，即如何以一种非模糊和精确的方式定义经典和量子领域之间的界限。通过跟随津克纳格尔，他声称这个问题在某种程度上被玻尔的『语境论测量理论』（contextualist theory of measurement）所软化。然而，玻尔的『整体论』（holism），即测量装置和量子对象处于纠缠状态，与玻尔的本体论区分的论题存在客观张力，特别是因为这样一个事实，即通过将量子和经典系统之间的相互作用称为不可逆的物理过程，玻尔似乎需要一种关于他想要避免的量子力学的建设性方法。

尽管如此，问题是玻尔在多大程度上真的相信经典世界不仅在认识论上，而且在本体论上也不同于量子世界？如果他没有作出本体论上的区分，他的认识论观点——即测量的结果需要用经典的方式来描述，但在本体论上，仪器就像被研究的对象一样是一个量子对象——之间就不会有矛盾。因此，当玻尔认为量子力学是经典物理学的合理概括时，他总是认为它是保证量子力学认识论有效性的一种方式，而不是拯救经典本体论的一种方式。直接针对津克纳格尔的分析，迪克斯（2017）强烈认为，毫无疑问，玻尔认为量子力学是普遍的，因为由于作用量子化，海森堡的不确定性关系适用于微观和宏观系统。经典力学是一种数学近似。此外，出于认识论原因，玻尔认为，我们必须使用经典语言，因为这种语言是对我们日常语言的提炼，它适应于描述我们的感官经验，因此是唯一能够赋予量子形式体系以经验内容的语言。因此，根据迪克斯的观点，玻尔认为，经典地描述“某些系统以便为处理其他系统找到一个实用的起点”只是一种认认识论上的必要。玻尔出于认知原因使用经典概念的要求对于他认为宏观对象是量子对象的观点没有任何影响。测量设备不是经典对象，尽管我们需要经典概念来描述我们的一般物理经验和量子实验的结果。因此，迪克斯得出结论，在经典教科书的例子中，测量设备和量子对象之间的相互作用决定了位置或动量的讨论是否可以被带到被测量的量子对象中。测量设备本身，如果是宏观的，并且在日常环境下（因此它确实是一个可以被我们使用的测量设备），允许在它的描述中进行位置和动量的讨论。测量的相互作用决定了与微观世界形成的关联。

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