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量子力學詮釋綜論
唐先一
作者簡介：唐先一(1977- )，男，上海人，匹茲堡大學物理系博士生候選人、中國科學院自然與社會交叉科學研究中心客座學者，研究方向為科學哲學、社會物理學等。E-mail:tangxianyi01＠163.com。北京 100190；張志林(1957- )，男，重慶人，復旦大學教授、博士生導師，研究方向為科學哲學、語言哲學、形而上學等，E-mail:zhilinzh＠fudan.edu.cn。上海 200433
人大復?。?/span>《科學技術哲學》2017 年 03 期
原發(fā)期刊：《自然辯證法通訊》2016 年第 20166 期 第 29-40 頁
關鍵詞： 量子力學詮釋/ 測量問題/ 自由意志定理/ 觀測者意識/ 觀測者知覺/ Interpretations of quantum mechanics/ Measurement problem/ Free will theorem/ Observer's consciousness/ Observer's perception/
摘要：量子測量問題懸而未決已近一個世紀。本文回顧了測量問題的實質(zhì)，以及當前13種主流的量子詮釋理論和它們各自尚存的問題，并依據(jù)四條確鑿標準對它們予以評價?；诳淀f和寇辰等的自由意志定理，本文提出合理的量子詮釋應充分體現(xiàn)粒子的自由意志，并緊抓測量問題的關鍵，即觀測者的知覺過程。
電子到底是粒子還是波?量子糾纏如何能跨越時空，即使在類空間隔中仍能協(xié)調(diào)兩個粒子的行為?這些微觀世界所展現(xiàn)出來的“量子荒謬性”就夠令人費盡神思的了。然而更糟糕的是，我們還有測量問題。[1]，[2]
一、量子測量問題
量子測量問題究竟是什么?在曹天元先生的《上帝擲骰子嗎?——量子物理史話》中，[3]對之做了頗為精準的描述：
波函數(shù)的演化與坍縮是兩種迥然不同的過程，后者隨機，不可逆，至今也不清楚內(nèi)在的機制究竟是什么。是什么觸動了波函數(shù)的坍縮?是“觀測”嗎?但是，我們這樣講的時候，用的語言是日常的，曖昧的，模棱兩可的。我們一直理所當然地用使用“觀測”這個詞語，卻沒有給它下一個精確的定義。什么樣的行為算是一次“觀測”?而如果說人可以算是“觀測者”，那么貓呢?一臺計算機呢?一個蓋革計數(shù)器又如何?……單單儀器與粒子的相互作用不能構(gòu)成“觀測”，因為這臺儀器本身也有自己的波函數(shù)，如果我們不“觀測”這臺儀器本身，它的波函數(shù)便也陷入一種模糊的疊加態(tài)中……這整個鏈條的最后一臺儀器總是處在不確定狀態(tài)中，這叫做“無限后退(infinite regression)”……當我們的大腦接受到測量的信息后，gameover，波函數(shù)不再搗亂了。難道說，人類意識(consciousness)的參與才是波函數(shù)坍縮的原因?……難道“意識”，這種虛無飄渺的概念真的要占領神圣的物理領域，成為我們理論的一個核心嗎?……究竟什么才是“意識”?這帶來的問題比我們的波函數(shù)本身還要多得多……意識是獨立于物質(zhì)的嗎?它服從物理定律嗎?意識可以存在于低等動物身上嗎?可以存在于機器中嗎?
近期引起了廣泛關注與認可的施洛斯豪爾(M.Schlosshauer)的綜述中仔細地探討了量子測量問題，[4]并將之歸納為兩點疑問：
1)明確結(jié)果問題(problem of definite outcomes)：為什么人類能測量得到儀器指針處于一個向上或向下的明確位置，而非其疊加態(tài)?要知道，從量子理論來看，兩者并無本質(zhì)差別，都是希爾伯特空間中的態(tài)矢。
2)優(yōu)先基矢問題(problem of the preferred basis)：為什么測量結(jié)果總是對應于一組特殊的基矢表象，例如指針向上或向下，而非其他表象?要知道，從量子理論來看，各組表象之間并無本質(zhì)差別。而且，實際的測量結(jié)果之表象往往是對應了儀器不同的空間位形分布。
隨著對量子力學詮釋的各種理論流派不斷地涌現(xiàn)，在不同的詮釋框架之下，量子測量問題也呈現(xiàn)出不同的形式。例如，有的詮釋中承認波包坍縮，那它就是一個必須面對的問題；[5]，[6]而“多世界”等詮釋中，[7]，[8]，[9]波包卻從不坍縮，便沒有該問題。這樣一來，似乎要說清楚什么是量子測量問題本身也變困難了。
現(xiàn)在，讓筆者們先局限于最傳統(tǒng)、正統(tǒng)的量子詮釋——哥本哈根解釋(Copenhagen Interpretation，standard Interpretation，orthodox Interpretation)的框架之下，[10]，[11]，[12]，[13]來闡述和定義量子測量問題。哥本哈根解釋承認測量過程的存在，其時波函數(shù)坍縮，觀測者獲得經(jīng)典的測量結(jié)果。但如曹天元書中所述，[3]它對測量的定義模糊不清，似乎只能從人們自身的生活經(jīng)驗中自然地理解。該解釋框架下，有測量問題如下：
1)波函數(shù)在測量時發(fā)生塌縮，這是一個薛定諤方程不能描述的過程。作為一個力學體系，怎么會有物理過程不能為其方程描述?
2)哥本哈根解釋要求在“量子的世界”外，尚有一個“經(jīng)典的世界”存在。那么描述這個“經(jīng)典的世界”的力學方程又是什么?經(jīng)典與量子的世界間的分界線，即海森堡分界(Heisenberg cut，見[14])又在哪里?
3)測量過程到底是不是一個純物質(zhì)的過程?如果是，那么描述物質(zhì)過程的方程必定不只薛定諤方程一個，其余方程是什么?如果不是，精神、或意識將不可避免地以一種非物質(zhì)性的姿態(tài)進入物理學領域。怎么進入?它們服從什么規(guī)律嗎?
4)明確結(jié)果問題。
5)優(yōu)先基矢問題。
由上可見，不論在哪種詮釋框架之下，測量問題的核心并不曾改變，即：我們所體驗到的“經(jīng)典的世界”與薛定諤方程所描述的“量子的世界”如何協(xié)調(diào)統(tǒng)一?由朦朧的量子波所描繪的微觀世界之上，是如何構(gòu)建出我們所熟知的、明晰而確定的經(jīng)典的世界?[1]
在此問的基礎之上，學界已進一步列舉出了一系列核心問題，是任何一種量子詮釋都必須去面對和回答的，它們是：[15]
1)體系演化是決定論性的，還是非決定論的?
2)量子波是真實的波，還是知識(或信息)?
3)只有一個宇宙(歷史)嗎?
4)是否存在隱參量?
5)波函數(shù)是否發(fā)生坍縮?
6)觀測者的作用是不可或缺的嗎?(指對產(chǎn)生出經(jīng)典的測量結(jié)果)
7)量子波是否符合定域性條件?
8)彼此不對易的物理量能否同時具有確定的值?
9)整個宇宙能被一個大而復雜的波函數(shù)所描述嗎?
在維基百科上，現(xiàn)有較為知名的13個量子詮釋理論對以上九大問題的回答被總結(jié)于表1中[15]：
二、現(xiàn)有的八大類量子詮釋理論
接著讓我們來檢查現(xiàn)有的這些詮釋理論，看看它們各自尚面臨哪些問題，令測量問題至今懸而未決。受篇幅所限，筆者將不逐一細數(shù)這些理論，而是按照通行的觀點，將它們分為如下8大類詮釋，來逐個討論：[4]，[16]，[17]
1)哥本哈根的解釋
2)退相干解釋
3)多世界解釋(及相對態(tài)詮釋)
4)隱參量理論
5)客觀坍縮模型
6)相容歷史觀解釋
7)模態(tài)解釋
8)語義重構(gòu)類解釋
1.哥本哈根學派的解釋
傳統(tǒng)的哥本哈根學派認為[12]，[13]，[15]，量子波函數(shù)描述了體系狀態(tài)，它的演化方式有二：1)不測量時，波函數(shù)依照薛定諤方程演化；2)測量時，波函數(shù)坍縮到若干種可能之一，即實測結(jié)果所對應的本征態(tài)波函數(shù)。且該過程不能為薛定諤方程所描述。然而，正統(tǒng)的哥本哈根學派對什么是測量過程，采取了一定程度的“保留意見”。這一點上，或許狄拉克的那句名言最能概括和反應：“shut up and calculate!”[10]
盡管如此，毋庸置疑的是哥本哈根學派承認存在“量子世界”的同時存在“經(jīng)典的世界”，且后者尚不能從前者導出；承認觀測者不可或缺的作用；認為世界是非決定論的，粒子行為具有內(nèi)稟的隨機性；且認為宇宙是單一唯一的，否認平行世界和隱參量的存在。[15]
正統(tǒng)的哥本哈根學派解釋對人類文明的進步與發(fā)展功不可沒，在該解釋的支撐下，量子力學在各個領域取得了無數(shù)的輝煌成就。哥本哈根解釋也至今被奉為對量子力學最正統(tǒng)的解讀。然而，該解釋自身的問題也十分明顯——即留下了量子測量問題。因此被人詬病為邏輯上不能自圓其說，是一個不能自洽的解釋。
另外，馮諾伊曼-魏格納詮釋值得一提。[15]它是一種與哥本哈根非常接近的詮釋。然而，馮諾依曼詮釋更為大膽和激進。它采取了直面問題的態(tài)度，認為波包坍縮是一個非物質(zhì)的過程，是觀測者的意識使得量子波坍縮的。然而，這種超前的詮釋卻只是帶來了更多的問題：意識是什么?它與量子波如何相互作用?而且，優(yōu)先基矢問題仍無法解釋，顯然還需要引入其它更多的規(guī)則。就連尤金·魏格納(E.Wigner)本人后來也宣稱放棄了該詮釋方案。
2.退相干解釋
在1985年瞿斯(E.Joos)和澤赫(H.D.Zeh)發(fā)表的論文中[18]，作者們宣稱介由退相干過程，可以解決測量問題。
該解釋的主要思想是，在與環(huán)境的相互作用下，體系原先具有量子相干性的波函數(shù)的不同分量，其之間的量子相位聯(lián)系會逐漸失去，轉(zhuǎn)而各自同環(huán)境建立量子糾纏。這樣，原來相干的波函數(shù)不同分量間將變得彼此不再相干，于是體系波函數(shù)的行為將從滿足量子概率統(tǒng)計的規(guī)律轉(zhuǎn)變?yōu)闈M足經(jīng)典概率規(guī)律。此即退相干過程。(例如電子雙縫干涉實驗中，若用光子去照射，電子的干涉性就會消失，轉(zhuǎn)而服從經(jīng)典的概率疊加。)
而瞿斯等提出的另一重要思想為：任何體系擁有的經(jīng)典性質(zhì)，勢必都對應著經(jīng)典的可觀測量(或它們的函數(shù))，即，都可以用宏觀的測量儀器加以測量和記錄。[19]而體系的明晰確定的微觀性質(zhì)(例如一個電子的自旋方向)，也必定滿足其可被宏觀測量，即，體系的一系列可能的微觀狀態(tài)會和宏觀儀器的一系列不同的宏觀狀態(tài)建立一一對應的關聯(lián)。而且這種關聯(lián)必須穩(wěn)定可靠，不能被打亂和破壞，即使在環(huán)境的各種復雜干擾之下。這樣就對體系所有的經(jīng)典性質(zhì)(或明晰、唯一確定的性質(zhì))提出了一個前提要求：該性質(zhì)為不同值時所對應的各個不同微觀狀態(tài)，必須能與宏觀儀器的不同狀態(tài)建立穩(wěn)定的一一對應的關聯(lián)，該關聯(lián)不能被環(huán)境作用所破壞。該要求被稱作穩(wěn)定性判據(jù)(robustness criterion，或stability criterion)。[20]，[21]
與環(huán)境相互作用，就會發(fā)生“退相干過程”。該過程中，體系內(nèi)部的、體系與測量儀器間的許多量子關聯(lián)將迅速地失去，而那些能在該過程中仍然存活下來的體系與儀器間的關聯(lián)性，就對應了體系的“經(jīng)典性質(zhì)”。這種淘汰與存活，“經(jīng)典性質(zhì)”必須“適者生存”的觀點與生物學中達爾文進化論相似，也被稱為量子達爾文主義。[19]，[22]綜上所述，瞿斯和澤赫認為，介由退相干過程和穩(wěn)定性判據(jù)，經(jīng)典性質(zhì)(以及經(jīng)典的世界)就被從量子世界中構(gòu)建了出來。
不可否認，退相干理論有其極具價值的地方，該理論也在不斷地被完善和發(fā)展著，取得許多了不起的成就。[23]，[24]，[25]毋庸置疑地，退相干理論對于解決量子測量問題具有重大的意義。[4]然而，現(xiàn)在的學界也逐漸達成了一致共識：單憑退相干理論不足以解決測量問題。[26]以至于量子詮釋的維基百科頁面上，[15]也已不包含退相干解釋。
原因主要有二。其一，退相干理論完全居于量子力學的框架之內(nèi)，故而并無法描述或解釋波函數(shù)坍縮的問題；其二，明確結(jié)果問題也仍無法解決——在退相干理論下，體系與環(huán)境仍然處在一個更龐大的純態(tài)波函數(shù)狀態(tài)下。雖然體系的各個可能性之間的量子干涉消失了，服從經(jīng)典的概率統(tǒng)計規(guī)律，但是這些可能性仍然是疊加在一起的——薛定諤的貓仍舊處于死貓與活貓的疊加態(tài)之中。
現(xiàn)今的大量實驗實踐中，退相干現(xiàn)象已經(jīng)被證實普遍存在，其理論計算也得到了反復驗證，堪稱根基扎實。而退相干理論被認為是解決測量問題中關鍵的一環(huán)。許多其他的量子力學詮釋，都借用了退相干的方案和結(jié)果。例如，對于哥本哈根詮釋，它可以提供解決優(yōu)先基矢問題的進路、[4]及大致計算海森堡分界何在；[14]對于相對態(tài)詮釋，它可以計算宇宙發(fā)生分裂的條件及方式；[27]對于模態(tài)詮釋，它可以幫助計算“值態(tài)”如何隨時間演化；[28]，[29]對于相容歷史觀，它可以選出較佳的用以區(qū)分不同歷史軌跡的歷史投影算子等。[30]
3.多世界解釋(及相對態(tài)詮釋)
既然薛定諤方程告訴我們，貓?zhí)幱谒镭埡突钬埖寞B加之中，但我們?yōu)槭裁磸膩碛^察不到這個現(xiàn)象呢?如果波函數(shù)從沒有坍縮，那會不會是我們其實也處于疊加之中——一個我們觀察到了活貓、另一個測得死貓?基于這種思想，1954年，休·埃弗萊特(H.Everett)提出了量子力學的多世界詮釋。[8]該詮釋下，每次測量時，世界即發(fā)生分頁，即“分裂”成若干個世界。所有的測量結(jié)果其實全都發(fā)生——各自在不同的“分頁世界”里(這樣波函數(shù)也不必坍縮到某個特殊的本征態(tài)了)。故而在每一個分頁世界里，測量結(jié)果都是唯一明確的，“經(jīng)典的世界”于是憑借著“世界分頁”出現(xiàn)了。
隨著其后一些類似的詮釋理論被提出，這些理論被歸入一大類量子力學詮釋理論：相對態(tài)詮釋(relative-state Interpretations)。[31]其中主要包含多世界、[8]多心理論等。[32]這類理論的共同點是：
1)波函數(shù)并不坍縮，而宇宙存在多個“真實”——宇宙被分支(分頁)了；
2)量子波的演化是真實的，且始終按照薛定諤方程的描述；
3)測量過程(可能還有其他過程)對應了宇宙的分頁；
4)我們只能感受到一個“真實”，即，我們只活在一個分頁之中。
相對態(tài)詮釋也受到許多質(zhì)疑和反對：[33]
1)其理論不具有簡潔性。為解決測量問題，引入如此多人們并感受不到的平行宇宙是否必要?(也有學者認為其符合簡潔性，見[34]。)
2)不能回答優(yōu)先基矢問題。提出者們對于該問題或回避，或認為可以利用空間定域，即位置坐標來回答。[7]不過有了退相干理論作為補充的話，這個問題其實不大。如上文所述，可以利用退相干過程和穩(wěn)定性判據(jù)來挑選基矢。[4]，[27]
3)與人類正常的倫理和行為模式可能存在沖突(量子輪盤賭問題)。[35]研究發(fā)現(xiàn)，一個篤信多世界理論的人，其行為可能與常人有異，會熱衷于用性命做賭注，高風險高賠率的量子輪盤賭——因為在不同分頁世界中，要么生命終止，要么極其富有，反正結(jié)果該人自己的體驗肯定是大富大貴了(因為只有那個分頁中他還能體驗世界)。而普通的人們，盡管可能對量子力學一無所知，卻似乎都是自然而然地依照著正統(tǒng)的“波包坍縮”理論行事的。為了避免這個困局，支持者們又提出了“概率假設(probability postulate)”，[36]及需要遵守的“行為原則”(behavior principle，即對測量后所有分頁世界中的自己負責)，[33]來確保篤信多世界者的行為與普通人一致。但這樣，簡潔性看來是注定失去了。
4)也有學者認為，多世界理論其實是將波函數(shù)置于最根本之地位。而這點上有問題，波函數(shù)不可能能描述宇宙中的所有一切。[37]
4.隱參量類理論
量子力學描述下的粒子具有內(nèi)稟的不確定性，這令不少習慣了牛頓力學的決定論性質(zhì)的學者心存疑慮。就如愛因斯坦所說：“上帝不擲骰子?！边@種決定論傾向催生了一類量子詮釋理論：隱參量理論(Hidden Variable Theory)。[38]這類理論的共同點是：認為量子力學是不完整的，量子力學的不確定性是由于缺乏足夠的信息和理解造成的，而當我們擁有了足夠的信息(即隱參量)，就能準確預測粒子行為。這樣將回到一個決定論性的理論。其中最早可追溯至德布羅意于1927年第五屆索爾維物理學會議上提出的“領波”理論。[39]其后他本人放棄了這個詮釋，而玻姆將之延續(xù)并發(fā)展，成為了現(xiàn)稱的“德布羅意-玻姆隱參量理論”。[40]，[41]，[42]該詮釋理論中，粒子始終是粒子，具有一個清晰確定的位置(這樣也就回答了明確結(jié)果問題和優(yōu)先基矢問題)，同時伴有一個“導波”，引導著粒子的運動行為。而“導波”從不發(fā)生坍縮。例如，在電子雙縫干涉實驗中，電子作為一個粒子，其實只穿過了一條狹縫，而它的“導波”在雙縫上發(fā)生了干涉，因而最終造成了電子的干涉紋樣。
玻姆隱參量理論其實是將量子力學直接還原成了經(jīng)典的圖景。量子波也變成了經(jīng)典波，是整個物理圖景中的一部分。這樣，體系其實永遠是經(jīng)典的、確定的，測量只是揭示了該經(jīng)典狀態(tài)。薛定諤方程和“量子的世界”都被拋棄了。
由上可見，隱參量類的理論其實反映了一種對經(jīng)典圖景和決定論的固執(zhí)，其問題也是很多：
1)該類理論具有非定域性。約翰·斯圖爾特·貝爾提出的著名的“貝爾不等式”[43]及其于1981年的實驗證否，[44]宣告了所有定域性的隱參量理論被否定。這樣，隱參量理論必須具有非定域性，即存在超光速的作用。這顯然與相對論的精神矛盾。另外，這也將意味著嚴格因果時序性的破壞，即未來發(fā)生的事情可以對現(xiàn)在發(fā)生影響。而這至少對所有的博彩業(yè)將造成災難性的后果和影響。
2)該類理論不具有簡潔性。2011年科爾貝克(R.Colbeck)等人，基于測量基矢的可自由選擇，從數(shù)學上證明了：不可能存在量子力學以外的理論，能在統(tǒng)計意義上對粒子行為做出更加精準的刻畫和預測。[45]這樣，在對實驗結(jié)果的預測上，隱參量的引入必然是冗余的。
而筆者們認為，隱參量類的詮釋理論最大的問題還是在于：這是一個決定論的量子詮釋，從而抹殺了自由意志的可能。詳見后文關于自由意志的討論。
另外，近年隱參量類解釋中出現(xiàn)了一名新成員：隱測量解釋。[46]其核心假設是：測量時，體系與測量儀器間發(fā)生相互作用，而這個相互作用總是不可避免地帶有不可控的細微波動或變化，每次測量時都不盡相同，而且只在每次測量時才具體發(fā)生(actualized)。故此，測量之前，只能對各種可能的結(jié)果做一個概率分布的預測。與傳統(tǒng)隱參量理論不同的是，隱測量解釋認為，不確定的隱參量不包含在體系之中，而是包含于測量過程之中。但其實質(zhì)仍然是一個隱參量理論，具有該類理論共有的問題和困難。
5.客觀坍縮模型
客觀坍縮模型類的量子詮釋采取了完全直面問題的態(tài)度——認為量子波的演化就是有兩種方式：薛定諤方程式的和隨機坍縮的。因此，在該類詮釋中，薛定諤方程被修改了，添入了隨機坍縮項。此類嘗試最早由珀爾(P.Pearle)于1976年提出。[47]發(fā)展至今，最負盛名的是由吉拉爾迪(G.C.Ghirardi)、里米尼(A.Rimini)和韋伯(T.Weber)提出的GRW模型，[6]和由彭羅斯(R.Penrose)提出的彭羅斯詮釋。[48]，[49]，[50]GRW模型的方法是在薛定諤方程中引入類白噪聲的隨機項，使得波函數(shù)各個分量前的量子系數(shù)逐漸改變。最終會有一個量子態(tài)的系數(shù)變成1，其余基本歸零(因尾巴問題，不能徹底歸零，見下文)。于是體系自發(fā)、隨機地完成了波函數(shù)坍縮。此過程稱為隨機動態(tài)坍縮(stochastic dynamical reduction)。[51]為了解決優(yōu)先基矢問題，吉拉爾迪、里米尼和韋伯進一步修改薛定諤方程，使波函數(shù)會最終坍縮至空間特定區(qū)域中(這樣優(yōu)先基矢就是空間位置)，此即自發(fā)局域化模型(spontaneous localization model)。[6]GRW模型中，波函數(shù)的坍縮行為稱為“hits”。與退相干理論不同，hits的發(fā)生不需要環(huán)境的作用，乃是體系的一種隨機、自發(fā)行為。
除GRW模型外，也有一些客觀坍縮模型是修改薛定諤方程使波函數(shù)最終坍縮至能量表象的。[52]，[53]
彭羅斯是一位物理學家、數(shù)學家及思想家。彭羅斯詮釋認為是引力引起的時空彎曲使量子疊加態(tài)失穩(wěn)而發(fā)生坍縮，與觀測者的測量無關。[48]，[49]，[50]，[54]綜上所述，在這類坍縮模型中，量子波即真實。伴隨其隨機的坍縮，量子的世界逐漸自發(fā)演變出經(jīng)典的世界。該類詮釋的主要問題有：
1)違背薛定諤方程。至今為止，無數(shù)的實踐已經(jīng)證明了薛定諤方程的正確性，然而該類理論卻否定之。從這個意義上說，客觀坍縮模型并非一種詮釋，而是一種新的物理學理論[15]。，
2)不為實驗事實所支持。如果按照客觀坍縮模型，波函數(shù)早在測量之前便已經(jīng)坍縮，并失去了量子相干性。然而，現(xiàn)在的所有實驗卻一邊倒地支持量子力學，只要不與環(huán)境發(fā)生退相干，量子波始終保有相干性，不會自發(fā)消失。不僅微觀體系，介觀體系、宏觀體系亦是如此。[55]，[56]，[57]，[58]隨著實驗技術的不斷提升，體系尺度和自由度越來越大，但結(jié)果均證明量子力學仍然正確。故此，實驗事實傾向于否定客觀坍縮理論。(盡管通過修改模型參數(shù)，總可以讓客觀坍縮模型在實驗精度范圍內(nèi)與實驗結(jié)果保持一致。)
3)尾巴問題(tail problem)。由于測不準原理的限制，波函數(shù)向位置坐標坍縮時，不可能無限局域化，否則能量會發(fā)散。因此，所有坍縮都必須是不徹底的，波函數(shù)在空間各處都會留下“尾巴”(即仍有少量彌散在空間)。而這些尾巴的物理意義不明。且這樣一來，體系其實仍在量子疊加態(tài)中[59]，[60]，[61]。
4)GRW模型中的hits，即波包自發(fā)坍縮，作為一種特殊的物理過程，其發(fā)生的原因、條件沒有任何解釋。
5)不能很好地回答優(yōu)先基矢問題。由上可見，優(yōu)先基矢是人為選定的，并據(jù)此修改薛定諤方程，理論人為痕跡明顯。且選位置或是能量皆有，缺乏統(tǒng)一標準。而如施洛斯豪爾指出，[4]若僅僅為了優(yōu)先基矢，修改薛定諤方程毫無必要，退相干理論就已經(jīng)做得很好，比客觀坍縮模型更好。
6)不具普適性。大多數(shù)客觀坍縮模型直接將空間位置坐標作為優(yōu)先基矢，例如GRW模型和彭羅斯詮釋。這樣雖回答了優(yōu)先基矢問題，但該答案顯然不具有普適性質(zhì)。在2000年的超導量子干涉器(SQUID)實驗中，實現(xiàn)了首次宏觀意義上的量子疊加態(tài)。[58]在一個比發(fā)絲直徑稍大的超導環(huán)中，實現(xiàn)了順時針和逆時針電流的疊加態(tài)。即，一個電子同時在進行順時針和逆時針方向的運動。如此一來，電子的波函數(shù)是不可能局域化的(否則不能同時在兩個方向運動)，因而自發(fā)坍縮往空間位置表象的客觀坍縮模型是注定無效的。研究表明，SQUID中的優(yōu)先基矢應為能量表象。[58]
筆者們認為，解決測量問題，需要的是詮釋，而不是對現(xiàn)有量子理論的否定。修改薛定諤方程的進路不可取。
6.相容歷史詮釋
相容歷史詮釋可說是一個非常缺乏野心的詮釋。因為其整個理論中，似乎沒有任何試圖回答明確結(jié)果問題的嘗試，[62]，[63]故此無法全面地回答量子測量問題。該詮釋最早是由格韋思(R.B.Griffiths)提出，[9]初衷是為了尋找一個量子宇宙學研究中，將整個宇宙作為孤立系看待(即缺乏外部觀測者)時，量子描述能夠自洽的詮釋方法。
其詮釋的主要理論框架為：認為宇宙存在多個“歷史”。每個歷史可由一系列描述(proposition)構(gòu)成。描述可以是任何一個問題及其答案，例如：粒子的位置在某個空間區(qū)域內(nèi)嗎?這樣，在量子力學理論框架內(nèi)，每個描述可對應于一個投影算子。對于每一個歷史，將其所有描述的投影算子按照時間順序連乘，即得該歷史的類算符(classoperator)。
于是有相容歷史觀點的核心判據(jù)——相容性判據(jù)：若兩個不同的歷史之間，其類算符左右夾乘體系初態(tài)密度矩陣后，求秩為零，則此二歷史相容(homogeneous histories)。[62]，[63]，[64]最終，人們可以找到這樣一組完備而相容的歷史，它們彼此皆相容，而且對于每一個描述所對應之問題，它們包含所有可能的答案。它們彼此的類算符夾乘密度矩陣后的秩為零；而若以任意一個歷史自己的類算符左右夾乘密度矩陣，秩將等于該歷史的概率。而這樣一組歷史的概率之和為1。相容歷史觀點認為：只有這樣一組相容歷史中的任意一個，才是對我們這個世界的可能的、有意義的、經(jīng)典的描述，才可能對應了真實。
綜上所述，經(jīng)由相容性判據(jù)，(各種可能的)經(jīng)典世界就從量子世界中被構(gòu)建出來。
相容歷史詮釋理論也是問題多多：
1)該理論中完全不談測量。對于什么是測量，怎么定義、解釋測量過程，該詮釋采取了幾乎完全回避之態(tài)度。[15]
2)對于明確結(jié)果問題不予回答。
3)相容性判據(jù)失效。該理論的初衷之一，應該是由相容性判據(jù)來構(gòu)建經(jīng)典性，從量子的迷霧之中。然而，后續(xù)的理論計算發(fā)現(xiàn)，很多情況下，經(jīng)由相容判據(jù)所挑選出的歷史都是非經(jīng)典的![30]，[65]，[66]
4)相容性判據(jù)冗余。如果說，相容性判據(jù)僅僅是為了從量子迷霧中挑選出各種可能的經(jīng)典世界的話，其實該判據(jù)毫無必要。因為環(huán)境退相干理論已經(jīng)做到了，而且做得比它好。[4]并且，退相干理論是完全居于量子力學現(xiàn)有理論框架之內(nèi)的，并不需要額外提出什么判據(jù)條件。
5)相容性判據(jù)過嚴。理論計算發(fā)現(xiàn)，測量自旋方向的儀器的“指針表象”居然都不能完全滿足相容性判據(jù)。而該表象應該是可以接受的經(jīng)典表象。[67]
筆者們認為，相容歷史解釋還有一個問題，即承認“多個歷史”，這就是承認存在多個“真實”。這點上也值得商榷。
7.模態(tài)解釋
量子力學的模態(tài)詮釋最早由弗拉森(V.Fraassen)于上世紀七十年代提出。[68]其主要思想是經(jīng)由現(xiàn)實化規(guī)則(actualization rule，詳見[69])自各物理量中挑出優(yōu)先變量(privileged observables，也即優(yōu)先基矢)，來構(gòu)筑經(jīng)典世界。限于篇幅，關于模態(tài)詮釋筆者們將另行著文專論。
8.語義重構(gòu)類詮釋
與上述諸類量子詮釋不同，有一類詮釋，既不增添任何新的判據(jù)條件，也不修改薛定諤方程，而是通過重新闡述與解讀，來試圖將測量問題消解于無形。它們主要包括：關系量子力學詮釋、量子力學的系綜詮釋、量子邏輯等。本文中統(tǒng)稱之為語義重構(gòu)類詮釋。
關系量子力學詮釋最早由羅韋利(C.Rovelli)于1994年提出，[70]后被斯莫林(L.Smolin)和克蘭(L.Crane)等進一步應用于量子宇宙學。[71]該詮釋認為：量子波描述的并不是體系，而是體系與觀測者之間的某種關系；而測量過程只是一個普通的物理過程，會改變體系與觀測者間的關系與聯(lián)系，故而會改變量子波?！绑w系”與“觀測者”的角色是可以互換的，二者并無本質(zhì)區(qū)別，都可以是任意的物體，甚至“the observer can be a table lamp”。
系綜詮釋最早由玻恩提出于上世紀50年代，[72]認為量子波描述的對象必須是由大量粒子(及大量實驗測量)構(gòu)成的系綜；而單個粒子、單個測量則都是經(jīng)典的。這樣薛定諤的貓就很好解釋了：單個實驗中的貓總是或死亡或存活的，只有大量貓構(gòu)成的系綜才處于死貓與活貓的疊加態(tài)之中。但是該理論卻對諸如為什么一個光子能且只能與它自己發(fā)生干涉的問題無能為力。
量子邏輯詮釋最早由伯克霍夫(G.Birkhoff)和馮·諾伊曼(J.von Neumann)于1936年提出。[73]其進路是：既然正統(tǒng)的哥本哈根詮釋被認為邏輯上不能自洽，那會不會是邏輯錯了?如果根據(jù)量子詮釋的需要重新構(gòu)建邏輯，使得正統(tǒng)詮釋在新的邏輯體系下自洽，問題自然迎刃而解。
綜上所述，這一類量子詮釋的共同之處在于：認為量子力學及其正統(tǒng)詮釋，其實沒有什么本質(zhì)上的問題。之所以會出現(xiàn)測量問題，是我們沒有理解好。只要我們重新解讀，就能令之消弭。這樣一來，該類詮釋并不給出什么新的判據(jù)、或本質(zhì)性的新內(nèi)容，故而也當然地無法回答明確結(jié)果、優(yōu)先基矢等問題，也無法自量子世界上構(gòu)建出經(jīng)典世界。相反地，該類詮釋似乎認為這些均是不需要回答的問題，或是不應由量子詮釋理論來予以回答。
筆者們認為，究其實質(zhì)這類詮釋在試圖回避測量問題。
三、依若干確鑿標準來縱覽諸詮釋理論
在依次討論了8大類詮釋之后，我們來縱覽表一中所羅列的13種較為著名的量子詮釋，并嘗試以一些確鑿的標準來予以評價。
標準一：反事實確定性(counterfactual definiteness)不成立。那些彼此不對易的物理量(例如位置和動量)能同時具有明晰、唯一確定的值嗎?如果認為可以，該詮釋理論就是反事實確定性的。然而，根據(jù)寇辰-史拜克(Kochen-Specker)佯謬，一個自旋1粒子在33個方向上的自旋值，是絕對不可以同時具有唯一確定值的。[74]故而，至少在這個特例中，反事實確定性失效。因此采信標準一。于是，表中理論3、12被否定。
標準二：優(yōu)先基矢不能簡單地取為空間位置。因為如上文所述，SQUID實驗已經(jīng)清晰地將之否定了。[58]因此，理論3、8、11被否定。(理論11中，GRW模型和彭羅斯的引力坍縮解釋，都使波函數(shù)空間局域化，見[6]，[54]。)
標準三：不應包含隱參量。否則要么被貝爾不等式證否，[43]要么非定域、破壞時序因果。據(jù)此，理論3、7、8被否定。
標準四：不應為決定論性詮釋。因為康韋(J.H.Conway)和寇辰(S.Kochen)的自由意志定理告訴我們，[75]，[76]認為粒子行為符合決定論即等同于否定我們?nèi)祟愔杂梢庵?，這無疑是反科學、反倫理的，是荒謬的(詳見下節(jié))。據(jù)此，理論3、6、7、9被否定。
這樣一來，表中還剩下理論1、2、4、5、10、13。除了一個既不談測量，也根本不回答明確結(jié)果問題的相容歷史詮釋外，居然只剩下了哥本哈根類詮釋和語義重構(gòu)類詮釋!然而，相容歷史觀點回答不了測量問題，語義重構(gòu)則更多地是在回避問題。最后，又只剩下了那始終屹立不倒的哥本哈根詮釋和測量問題!
四、自由意志定理、知覺與詮釋進路
如果我們將哥本哈根視作正統(tǒng)，并觀察表一中“觀測者作用(observer role)”這一列，就會發(fā)現(xiàn)表中大多數(shù)的理論都夠離經(jīng)叛道的!哥本哈根詮釋認為，正是觀測者的測量導致了波函數(shù)的坍縮。而縱覽表一中各詮釋，承認觀測者之地位不可或缺的，除了哥本哈根類詮釋之外，僅有量子力學的關系詮釋一個。(卻也稱“the observer can be a table lamp”，完全否認觀測者意識之作用。)
諸詮釋為何皆否定觀測者的地位和作用?因為不能提。提了，就會卷入一個叫作“意識”的大麻煩，陷入類似馮諾伊曼-魏格納詮釋的困境。
然而，“觀測者”可能是一個繞不過去的命題。所有的回避，可能都不能得到令人滿意的詮釋。原因有二。一方面，根據(jù)退相干理論，宏觀測量儀器沒有必要是經(jīng)典的，完全可以是大量服從量子力學的微觀粒子組合構(gòu)成。當測量儀器與體系作用，發(fā)生退相干，體系波函數(shù)若干分量間的量子相干性消失。按照這一模式，任何后續(xù)的物質(zhì)相互作用只會導致量子干涉性的消失，但體系和后續(xù)儀器的整體仍然處于各種可能性的疊加之中。此即馮諾依曼鏈條(von Neumann chain)。[77]而最終達成經(jīng)典的、唯一確定的真實情況，則似乎必須要有觀測者的意識參與。
另一方面，測量問題之根源，就在于我們?nèi)祟惐旧淼捏w驗，就是在于我們的體驗與量子力學所描述的世界不符!若沒有我們之體驗則根本無從測量問題。其次才是我們的一類特殊的體驗——測量過程中面臨的波包坍縮問題。如此看來，測量問題其實非常類似哲學上通常所謂“兩個世界”的問題，一個是科學的世界，另一個是可感的、擁有情感、意志、道德、友誼的生活的世界。兩者雖然“越來越被實踐(Praxis)連接著”，卻又“為一條深淵所隔斷”。而測量問題之核心，其實也反映了這樣“一條深淵”，一邊是量子科學和薛定諤方程的世界，另一邊是人類可感的世界。
但其實，我們?yōu)槭裁匆乇苷務撊祟惖闹X和體驗?我們的神經(jīng)生物學已然如此發(fā)達，對神經(jīng)活動的了解已達分子水平。同時，我們對人類心理、行為、解剖學的研究也已積累頗豐。若將這些積淀納入量子詮釋，可能離解決量子測量問題便已近在咫尺。
與這些回避“觀測者意識”的量子詮釋之進路形成鮮明對比的是，2006年，普林斯頓大學的康韋和寇辰教授提出了自由意志定理，[75]，[76]利用三條公理SPIN(自旋1粒子的自旋量子化規(guī)律)、TWIN(兩個粒子的總自旋量子化規(guī)律)和MIN(信息不能以超光速傳播)，清晰地證明了：若人類具有自由意志，則基本粒子也同樣擁有。如此看來，量子力學的內(nèi)稟不確定性，正是反映了基本粒子之自由意志。
關于測量問題，曾有一個為人熟知的說法：量子力學的秘密位于經(jīng)典和量子世界的邊界上。而筆者們認為：量子力學的秘密，就在自由意志之中。
自由意志，將在量子詮釋中起到至關重要的作用；而自由意志最好的居所，就是波包坍縮時的各種可能所對應的自由。粒子們的自由意志和力學演化方程的鐵律，共同決定著宇宙的未來。
筆者們堅定地認為：在尋找一個合理的量子力學詮釋時，必須體現(xiàn)自由意志、體現(xiàn)整個宇宙未來的不確定性。量子力學計算出了粒子各種行為的發(fā)生幾率，而粒子的自由意志最終決定了粒子到底選擇哪種(經(jīng)典的)行為。這就好像，波函數(shù)依照薛定諤方程，演化出重重的量子迷霧；而粒子們的自由意志選擇了宇宙發(fā)展的軌跡，在迷霧中踏出一條蜿蜒前行的經(jīng)典的小徑，通往時間的前方。
按照自由意志定理，即便觀測者能掌握整個宇宙之前的歷史，粒子的行為卻不能以任何函數(shù)形式來準確預測。這表明，粒子的行為體現(xiàn)出一種非理性。而另一方面，量子力學的薛定諤方程代表了一種極致的理性。當我們?nèi)祟?，試圖用純粹的理性來預測非理性時，最好的結(jié)果就是得到在各種可能上的概率分布。而這一點上，量子力學(及波包坍縮詮釋)恰恰完美地做到了。
因此，我們應該堅定地以這樣一種視角來詮釋量子力學，即薛定諤方程和量子波演化給出的是所有的可能(因其作為純理性不具備給出真實的能力)；而要想知道具體發(fā)生的真實情況如何，必須觀測者自己親自去觀測。親身觀測所得，方為真實。
測量過程之關鍵，乃在于“親身觀測”四字。觀測過程，是觀測者以自己的感覺，去感知外界的過程。這其中有一個不容回避的概念，即感知，或“知覺”。然而，“知覺”這一要素仍然自現(xiàn)今的科學范疇、諸量子詮釋理論中缺失。這正是測量問題至今懸而未決的根本原因。
繼康韋和寇辰揭示出粒子的自由意志之后，[75]本文作者們進一步指出：粒子兼具知覺能力和自由意志，而人類(及量子觀測者)的知覺正是由粒子的知覺能力構(gòu)建而來。本文作者們將給出一種新穎的科學哲學理論，將“知覺”與“自由意志”納入量子力學詮釋的框架之中，揭示基本粒子們知覺與意志的權(quán)利與范圍，以及觀測者知覺的方式與方法，并最終解決量子測量的疑難。
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