對(duì)量子力學(xué)互補(bǔ)性詮釋的理解一

1、對(duì)量子力學(xué)互補(bǔ)性詮釋的理解（一）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(duì)它的解釋卻一直眾說(shuō)紛紜，時(shí)至今日仍是物理學(xué)家和哲學(xué)家關(guān)注的一個(gè)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(cè)不準(zhǔn)原理基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)一貫的互補(bǔ)性詮釋并成為被普遍接受的正統(tǒng)詮釋，但互補(bǔ)思想的確切內(nèi)容卻始終沒有人能說(shuō)得清，因?yàn)椴柨偸前阉願(yuàn)W的思想，深深藏在晦澀冗長(zhǎng)的深思熟慮的句子和事例性的說(shuō)明之中，而沒有任何現(xiàn)成的條條款款，這就使得無(wú)論接受它的還是反對(duì)它的人都給出了各式各樣不同的理解，所以互補(bǔ)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(bǔ)性詮釋密切相關(guān)（如因果性問題

2、、幾率性問題、關(guān)于測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系的理解問題、測(cè)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(bǔ)性詮釋。1 .互補(bǔ)性詮釋的邏輯結(jié)構(gòu)與互補(bǔ)性詮釋不同的其它詮釋的邏輯結(jié)構(gòu)是，先設(shè)計(jì)出某種本體實(shí)在的模式，再將這種本體實(shí)在與量子力學(xué)中的某種符號(hào)聯(lián)系起來(lái)，然后將這種符號(hào)按量子力學(xué)演繹的理論結(jié)果與觀察結(jié)果對(duì)照來(lái)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(shí)在，再將這種本體實(shí)在隱變量的統(tǒng)計(jì)平均與量子力學(xué)中的可觀察量聯(lián)系起來(lái)，量子力學(xué)的理論值就代表著隱變量的統(tǒng)計(jì)平均的演化結(jié)果，它與統(tǒng)計(jì)性的結(jié)果相

3、對(duì)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(jì)平均的表現(xiàn)和對(duì)這種統(tǒng)計(jì)平均的變化規(guī)律的描述。統(tǒng)計(jì)系綜詮釋則先假設(shè)統(tǒng)計(jì)分布具有實(shí)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)少的模方就表示客體的這種統(tǒng)計(jì)分布，波動(dòng)方程的解的模方與觀察結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分布相一致，表示著客體的統(tǒng)計(jì)分布狀態(tài)?；パa(bǔ)性詮釋不從一個(gè)預(yù)先的本體實(shí)在模式的假設(shè)出發(fā)，而是直接對(duì)觀察結(jié)果進(jìn)行分析和解釋，然后從這種對(duì)觀察結(jié)果的分析中推出客體的實(shí)在特點(diǎn)和對(duì)它進(jìn)行描述的符號(hào)的意義。當(dāng)然，從一般假設(shè)能演繹出一個(gè)唯一的結(jié)果，而從觀察結(jié)果只能推出客體實(shí)在的某些本質(zhì)特征，不會(huì)得出唯一確定的實(shí)在模式和對(duì)它描述的符

4、號(hào)的完全確定的意義。因?yàn)橛^察結(jié)果可以由各種不同的符號(hào)系統(tǒng)描述，即使只有一套符號(hào)，其數(shù)學(xué)演算過(guò)程也無(wú)法與實(shí)際的物理過(guò)程一一對(duì)應(yīng)，而只能將演算結(jié)果與觀察結(jié)果對(duì)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(shuō)明解釋具有一定的靈活性，允許有各種不同的關(guān)于實(shí)在的假設(shè)，但這些假設(shè)的實(shí)在并不就是真實(shí)的實(shí)在，而只是在某些方面反映著由觀察結(jié)果所表征的實(shí)在?；パa(bǔ)性詮釋通過(guò)對(duì)觀察結(jié)果的認(rèn)識(shí)特點(diǎn)和描述的語(yǔ)義方面的分析，找到對(duì)客體和諧一致的互補(bǔ)描述方式，再?gòu)倪@種描述中找出客體的實(shí)在特點(diǎn)，而不是先給出一種實(shí)在的模式或圖景?；パa(bǔ)性詮釋從觀察到的原子的穩(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

5、公設(shè)作為其理論的出發(fā)點(diǎn)來(lái)構(gòu)建對(duì)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(guò)程的非連續(xù)性、個(gè)體性,也就意味著觀察過(guò)程中儀器與客體的相互作用過(guò)程是不可細(xì)分的，觀察結(jié)果中必然包含了儀器及其對(duì)客體的作用。在經(jīng)典物理中，儀器對(duì)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(guò)對(duì)過(guò)程的分析將它剔除，但在對(duì)原子客體的觀察中，儀器對(duì)客體的作用與客體的物理量相比擬，其作用過(guò)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(duì)客體的描述也必然只能是觀察下的客體的描述，而不可能是對(duì)沒有觀察的孤立客體本身的描述，所以對(duì)客體的任何描述都

6、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(duì)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(shuō)，沒有觀察，現(xiàn)象世界就不存在，而是說(shuō)，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(duì)它們的描述。觀察對(duì)描述的重要性和觀察中儀器對(duì)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(lái)了概念的定義和描述上的新特點(diǎn)，從而帶來(lái)描述方式的根本改變和實(shí)在的新特點(diǎn)。在對(duì)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(duì)客體的時(shí)空確定和態(tài)的確定間成為互斥的。當(dāng)我們通過(guò)一種儀器如剛性標(biāo)尺和時(shí)鐘對(duì)客體進(jìn)行時(shí)空的觀察和確定

7、時(shí)，觀察中儀器的作用和對(duì)時(shí)空的確定條件，排斥對(duì)客體的態(tài)進(jìn)行定義，因?yàn)檫@種確定時(shí)空的儀器對(duì)客體的作用所帶來(lái)的客體的態(tài)的改變是無(wú)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(duì)態(tài)的定義的條件被破壞，而不再可能對(duì)時(shí)空觀察下的客體進(jìn)行態(tài)的定義。當(dāng)我們利用另一種儀器對(duì)客體的能量和動(dòng)量進(jìn)行觀察和定義時(shí)，由于儀器與客體相互作用的時(shí)間的不確定性，使得對(duì)客體的時(shí)空確定成為不可能?？腕w的時(shí)空標(biāo)示和態(tài)的描述間的互斥，不僅在于時(shí)空觀察帶來(lái)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)的定義要求消除除態(tài)的觀察外的任何觀察的外來(lái)干擾，而時(shí)空的觀察必包含有對(duì)客體的干擾，兩種描述所代表的定義的理想

8、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(duì)客體進(jìn)行時(shí)空中的因果描述，只能對(duì)客體進(jìn)行這兩種互斥的描述。因?yàn)樗鼈兌际菍?duì)客體的描述，并且只有兩種描述一起才能構(gòu)成對(duì)客體的全面描述，所以二者是互補(bǔ)的。這就是對(duì)原子客體的互補(bǔ)性描述方式。量子公設(shè)所蘊(yùn)涵的儀器與客體的不可避免的相互作用是互補(bǔ)性詮釋的一個(gè)邏輯起點(diǎn)，作用量子的公式所包含的波粒二象性是互補(bǔ)性詮釋的另一邏輯起點(diǎn)。時(shí)空和能量動(dòng)量描述的互補(bǔ)性意味著經(jīng)典的粒子圖象和波動(dòng)圖象都不完全適于原子客體，它們只是詮釋兩種原子現(xiàn)象的不同嘗試。在這種詮釋中，經(jīng)典概念的局限性以互補(bǔ)的方式表現(xiàn)出來(lái)。在粒子圖象中，因果要求的滿足必伴隨對(duì)時(shí)空描述的放棄；在波動(dòng)

9、圖象中，時(shí)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(jì)的考慮。如果我們不把時(shí)空描述和因果描述看作互補(bǔ)的而堅(jiān)持經(jīng)典的時(shí)空概念，我們就必會(huì)面對(duì)光和物質(zhì)有時(shí)表現(xiàn)象波有時(shí)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(shí)空和因果的互補(bǔ)描述的波粒二象性，即其時(shí)空描述遵循波動(dòng)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(bǔ)。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。如薛定謂將原子客體看作經(jīng)典電磁波的電磁波解釋，就遇到波包的擴(kuò)散、波是位形空間而不是真實(shí)空間的波以及波函數(shù)與測(cè)量與所選擇的非對(duì)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(duì)原子客體描述的局限性。

10、統(tǒng)計(jì)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鲿r(shí)空描述的粒子，而是只能對(duì)粒子系綜的統(tǒng)計(jì)規(guī)律進(jìn)行描述的粒子，因果描述和時(shí)空描述的互補(bǔ)性被包含在系綜的能量、動(dòng)量和時(shí)間空間的統(tǒng)計(jì)散差具有反比性的特殊統(tǒng)計(jì)性中。隱變量理論雖然為量子力學(xué)描述建立了一個(gè)亞量子層的因果描述，但它對(duì)可觀察的量子層的描述與量子力學(xué)的統(tǒng)計(jì)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(cè)量的相關(guān)性。所以，因果描述和時(shí)空描述的互補(bǔ)性是不可避免的，用經(jīng)典的粒子圖象或波動(dòng)圖象來(lái)解釋所有原子現(xiàn)象都會(huì)遇到邏輯困難，因而必須將它們加以修正并使它們互補(bǔ)起來(lái)。2 .對(duì)量子力學(xué)描述的統(tǒng)計(jì)性的理解統(tǒng)計(jì)性是量子力學(xué)

11、描述的一個(gè)基本特點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)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(bǔ)性詮釋，統(tǒng)計(jì)性是量子性的必然結(jié)果，或者說(shuō)統(tǒng)計(jì)性是邏輯地包含在量子概念之中的。因?yàn)樽饔昧孔拥拇嬖诒旧砭鸵馕吨舆^(guò)程不再是因果連續(xù)的，而是非連續(xù)的個(gè)體性過(guò)程，對(duì)于這種過(guò)程不可能進(jìn)行因果描述，而只能對(duì)個(gè)體事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)描述，而且量子公設(shè)還意味著觀察對(duì)原子客體狀態(tài)的不可控制的改變，從而使我們無(wú)法通過(guò)觀察建立起客體運(yùn)動(dòng)變化的因果規(guī)律。量子概念中所蘊(yùn)涵的時(shí)空的確定和能量動(dòng)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(gè)初始狀態(tài)而對(duì)客體進(jìn)行因果性的描述和預(yù)言，所以，量子性必意味著描述

12、的統(tǒng)計(jì)性，對(duì)非連續(xù)的原子過(guò)程只能進(jìn)行幾率描述描述恰當(dāng)?shù)胤从沉嗽舆^(guò)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(duì)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(jì)分布具有一系列的值，這些值及其統(tǒng)計(jì)分布就是對(duì)原子客體的這一物理屬性的描述，而量子力學(xué)對(duì)原子客體的物理量的值譜和統(tǒng)計(jì)分布的變化規(guī)律的描述就是對(duì)原子客體的統(tǒng)計(jì)變化規(guī)律的描述。這種由量子公設(shè)帶來(lái)的統(tǒng)計(jì)描述也必然包含描述的互補(bǔ)性，只有通過(guò)時(shí)空描述和能量動(dòng)量描述的互補(bǔ)性才能理解對(duì)原子客體的統(tǒng)計(jì)描述的這些特點(diǎn)。量子力學(xué)描述中波函數(shù)按薛定調(diào)方程隨時(shí)間的演化,往往給人一種感覺，它就是對(duì)客體的態(tài)或客體的統(tǒng)計(jì)性（或趨向性）的因果變化的

13、描述。其實(shí)，薛氏方程并不能滿足人們對(duì)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(shí)間的演化并不代表客體的狀態(tài)的因果變化，因?yàn)椴ê瘮?shù)與客體的行為并無(wú)對(duì)應(yīng)關(guān)系，只有波函數(shù)的模方才代表客體的幾率，波動(dòng)方程只是以恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)形式包含了對(duì)客體滿足疊加原理的波動(dòng)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(duì)波函數(shù)的詮釋來(lái)達(dá)到的，波動(dòng)方程的解不是描述代表客體的波，而是描述代表客體的粒子的幾率，波動(dòng)方程描述中對(duì)量子描述的互補(bǔ)性就表現(xiàn)在這里。所以波動(dòng)方程并不表示對(duì)客體的因果描述，而是以波動(dòng)描述形式對(duì)粒子幾率進(jìn)行描述的波-?；パa(bǔ)性的表現(xiàn)。3 .對(duì)測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系的理解測(cè)不

14、準(zhǔn)關(guān)系是量子力學(xué)中的一個(gè)重要內(nèi)容，它是量子力學(xué)形式體系的一個(gè)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(duì)于這個(gè)數(shù)學(xué)公式的理解卻千差萬(wàn)別。由于測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系表現(xiàn)為對(duì)物理量的測(cè)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(gè)核心內(nèi)容和邏輯基礎(chǔ)或操作基礎(chǔ)，但是，正如KarlR.Popper所指出的，從薛定調(diào)方程可導(dǎo)出測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系而從測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系導(dǎo)不出薛氏方程，這說(shuō)明測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系應(yīng)是某種基礎(chǔ)的推論。在互補(bǔ)性詮釋看來(lái)，測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系是量子公設(shè)所蘊(yùn)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(bǔ)關(guān)系。玻爾從關(guān)于作用量子的基本公式ET=1入=h出發(fā)，從其中所蘊(yùn)涵的經(jīng)典概念的矛盾推出

15、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(cè)不準(zhǔn)關(guān)系，從而使這個(gè)關(guān)系代表了時(shí)空和因果描述間的互補(bǔ)性的一種簡(jiǎn)單的符號(hào)化表示，測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系中共鈍物理量的測(cè)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(bǔ)關(guān)系。海森堡把他所發(fā)現(xiàn)的測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系看作是對(duì)經(jīng)典概念的適用性的限制和對(duì)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學(xué)的統(tǒng)計(jì)描述，這種解釋帶有明顯的操作論和實(shí)證論傾向，是一種只講其然而不講其所以然的解釋?；パa(bǔ)性詮釋則給出了其所以然的說(shuō)明，是對(duì)測(cè)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(cè)量的不確定度解釋為測(cè)量的操作結(jié)果，而不是不同概

16、念的可定義和可觀察的互補(bǔ)性的結(jié)果，就會(huì)導(dǎo)致由于我們測(cè)量和認(rèn)識(shí)能力的限制，使我們對(duì)本來(lái)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(jì)描述的實(shí)證論的和不可知論的問題。測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系所表征的一種物理量的測(cè)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(bǔ)性詮釋的儀器對(duì)客體的不可控制作用的說(shuō)法，但是這種儀器的干擾作用是對(duì)原子客體進(jìn)行描述所必需的，也是量子力學(xué)描述中所包含的，而不是對(duì)客體進(jìn)行描述所要排除的。Popper的統(tǒng)計(jì)系綜詮釋認(rèn)為，測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系的含義是兩個(gè)正則共鈍變量的標(biāo)準(zhǔn)偏差之積有一下限n/4兀，它不象互補(bǔ)性詮釋的測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系是從對(duì)理想實(shí)驗(yàn)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(shí)際的對(duì)測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)還不能達(dá)到個(gè)體粒子測(cè)量所要求的精確度，而往往是對(duì)許多粒子的統(tǒng)計(jì)平均的偏差的測(cè)量，所以統(tǒng)計(jì)系綜詮釋顯得比互補(bǔ)性詮釋有更堅(jiān)實(shí)的經(jīng)驗(yàn)支持。我認(rèn)為，也許統(tǒng)計(jì)系綜詮釋較互補(bǔ)性詮釋在數(shù)學(xué)上更嚴(yán)密，但互補(bǔ)性詮釋對(duì)量子性的描述特點(diǎn)的分析顯得更深刻。4 .對(duì)描述的完備性問題的回答和理