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李宏芳:退相干、定域性与非充分决定论的因果关系
录入: 哲学网编辑部 发表时间: 2013-08-27 点击: 2438 次 我要收藏

通常我们认为,我们所赖以生存的宏观经典世界是基本的,并且认为这一宏观经典世界中的物体和它们的属性在空间和时间上是定域的,所遵循的因果决定论是必然的。然而,科学的进展表明,经典概念和它们的历史在新的语境下变成了额外多余的东西[1]。世界本质上是量子的,在这一量子世界中因果关系不再是充分决定论的,而是非充分决定论的,或说是概率论的。我们之所以会感受到经典的时空、经典的历史,是因为量子时空或量子历史由于与环境的相互作用退去了相干性,呈现为我们日常习见的经典性。并且根据退相干解释的纲领,定域性的出现也只是近似的。下面我们就结合退相干解释的纲领,来具体阐释经典世界的定域性和量子世界中的非充分决定论的因果关系。
一、退相干解释纲领
退相干解释纲领是随着现代物理学的发展而产生的,它不仅与经典的时空出现关系密切,而且与量子力学中波函数的塌缩以及在现代量子通讯和量子计算领域非常重要的纠缠的概念,有着极为紧密的联系。物理学家已把退相干的发现欢呼为“从贝尔不等式以来在量子理论基础中最重要的进展”[2]94-95。虽然有些物理学家认为退相干解释只是一个纲领,而不是一个已确立的理论,它仍有许多问题需要克服[3]。退相干也不被认为给出了测量问题一个解答,因为干涉项的持续存在。但是,退相干确实已获得了实验上的检验[4]。因此,对于退相干的这一赞美绝不是一时的兴趣,而是基于这样一些令人耳目一新的理由之上:其一,退相干提供了理解量子力学的新方式,因为它对于诸如波函数“塌缩”、互补性这样一些已经确立的术语给予了具体的批评性的讨论;其二,由于退相干诉助于物理过程,因而是可检验的;其三,退相干提供了对于量子不确定性的一个更为基本的洞见。
根据泽(H. D. Zeh),退相干已被定义为“相位关联的去定域化”,这表达了“一个系统与其环境不可逆的量子关联的形成”[5],这是纠缠的另一种意义上的表述形式。但是,与在哪一条路径(which-way)实验中由于量子消除器的存在退相干是可逆的不同,这种与宏观环境的纠缠不可逆转。即量子态的退化要归因于退相干的动力学过程,它们受源自它们各自环境的无数多个散射过程的支配,其结果是新的属性和新的行为形式显现。这一退相干解释纲领假定宇宙中的所有物体都要发生相互作用,只是相互作用的程度不等,有的强些,有的弱些。这表明,宏观世界的经典特征不是物质所具有的基本特征,由于自然界通过量子关联普遍相互联系,因而经典粒子和它们的属性只是通过环境的一个“连续的测量”过程而呈现出来。在最基本的水平上,自然界是由一个宇宙波函数——惠勒-德威特方程支配,在这个方程中没有为经典概念留有任何空间。量子力学是描述自然界的普适的、逻辑一致的理论。
也就是说,在自然界的最基本的层次上,存在着关于所有量子物体的一个在运动学上是非定域的、在宇宙中是普遍的纠缠,这一纠缠使得宇宙成为惟一真正的封闭系统。经典世界只是作为量子关联渗漏进入环境的一个结果而出现。然而,由于量子关联从不会真正消失,因此这种渗漏不意味着相干性的真正的损失。哪一条路径实验阐明了这一量子关联潜在的有效性:如果哪一条路径的信息被存储在原子系统中,它们的量子关联就通过与原子运动的纠缠而“退去相干性”,这导致路径的可识别性。然而,一旦走哪一条路径的信息被擦除,干涉图案就又恢复,路径再次变得不可区分,这个系统“重新变得相干”。但是,在大多数情况下,退相干是一个不可逆的过程,因此我们从未观察到宏观量子叠加态,即发生在量子系统之间的纠缠态,诸如“薛定谔猫”态,可以被转化为量子系统与环境的一个纠缠态。在这种呈现经典属性的情形中,量子关联在观察上变得不可获取,即它们与环境的纠缠使得经典系统看上去十分坚固,这一坚固性是环境对其所施一个“连续测量”的结果。
二、经典世界中的定域性
在退相干的分析中,还涉及到一些非常重要的相关性概念,比如定域性。在宏观世界中,物体和它们的属性在空间和时间上是定域的。我们不会说某人在某时某地既在这里又在那里,或者说某物在某时某地既是死的又是活的。哲学家和科学家已把定域性提升到一组因果性特征之列,这也使得人类深深地浸染在定域性经验的影响之中。然而,退相干解释纲领的出现,使人们认识到定域性的出现只是近似的。在自然界中,量子纠缠一直存在,只不过为了所有实用的目的,人们经常对其忽略而不予以重视。量子力学的正统解释就在退相干的分析中,也就是在对量子相干性如何消失的分析中,忽略掉了环境对于系统的纠缠影响,从而导致了一些令人困惑的“佯谬”的产生。
因此,如何通过环境的连续测量——这致使相位关联的不可逆消失——来说明某些量子神秘,阐释非定域的量子纯态如何转化为定域的混合态,就成为量子力学解释中一个重要的问题。在“薛定谔猫”的案例中,由于猫态的宏观特征,即与猫集体态发生纠缠的内部环境自由度的数目庞大,量子关联退相干得那么快,以至于在观察者打开钢盒之前,猫已处于死态或活态,而不是不死不活态,或说死活叠加态。在双缝实验中,当电子的波函数与

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