吴国林 “武汉第二届国际科学哲学学术研讨会”纪要 科学实在论是科学哲学的中心议题之一。科学实在论的论题脱不开科学理论中术语的指称和真理问题。而指称问题的讨论必然要诉助于语言哲学。继 2009 年 “ 武汉第一届国际科学哲学学术研讨会 ―― 结构实在论与量子理论哲学问题 ” 之后,武汉大学哲学学院、波士顿大学哲学系、中国现代外国哲学学会、中国科学哲学专业委员会于 2012 年 8 月 16 日 - 17 日在武汉大学联合举办武汉第二届国际科学哲学学术研讨会,主题为 “ 指称与科学实在论 ” 。 ( The 2 nd Wuhan International Symposium on the Philosophy of Science——Reference and Scientific Realism )。 会议主题:指称与结构实在论、 意义与真理、指称与涵义、实在论与科学进步、指称与信息处理、指称与表象、指称与描述的形而上学。来自国外、大陆与台湾的学者近 40 人参加了人两天全程的会议。会议语言:英文。 参加本届学术会议的外国学者有: Professor Jaakko Hintikka of Boston University (philosophical logic and philosophy of language), Professor Ruth Garrett Millikan of University of Connecticut (philosophy of language, philosophy of cognitive science, philosophy of mind), Professor Sohotra Sarkar of U-Texas at Austin (Philosophy of science, philosophy of biology, specialized on issues about complexity and reductionism), Professor TianYu Cao of Boston University (philosophy of science, Philosophy of physics, constructive structural realism) 。 国内学者有:范岱年,江怡,胡新和,朱志方,桂起权,陈晓平,吴国林,万小龙,陈刚,赵国求等。华南理工大学思想政治学院 / 科技哲学研究中心的博士生、硕士生刘建城与花建平参加了会议。 本人并担任大会学术讨论主持人,并做大会报告。本人在本次会议提交的论文是:《论波函数的实在性》,从科学哲学与技术哲学两个视角论证波函数的实在性,受到了与会专家的好评。
量子力学的解释问题是当代物理学哲学研究中最为重要的问题之一。自量子力学于20世纪20年代建立以来,物理学家和哲学家们就一直在争论这个理论的物理意义。遗憾的是,至今仍没有一个被广泛接受的令人满意的解释,而是同时存在几种主要的解释理论,包括多世界解释,德布罗意-玻姆理论和动态坍缩理论等。 量子力学的解释主要涉及两大类问题:其一是量子力学中波函数的物理含义问题,其二是著名的量子测量问题。波函数是量子力学中最重要的基本概念。薛定谔于1926年通过类比首次引入了波函数:微观粒子的行为似波,因此,需要用一个波函数来描述它们。薛定谔最初认为波函数所描述的是一种真实的物理波。但这种观点存在严重的问题(如波包扩散问题),并很快为玻恩提出的几率解释所取代。如今,波函数的几率解释已成为教科书中的标准解释。根据这一解释,波函数只是一种存在于数学空间(即希尔伯特空间)中的抽象的几率幅,描述通过实验测量所获得的所有可能结果的几率分布情况。具体地说,空间波函数绝对值的平方代表在空间某位置处发现粒子的几率密度。 然而,波函数的几率解释仍然不能完全令人满意。物理学家们普遍认为,一个关于自然的最基本的理论不应只谈论测量。最著名的论证就是贝尔(1990)的反对测量。此外,量子宇宙和保护性测量等新理论的出现也使人们更加坚信隐藏在波函数背后的微观物理实在的存在。针对标准解释的实证论倾向,爱因斯坦(1947)曾表示坚决反对。他认为,不能相信:我们必须实际地并且永远地放弃那种在空间和时间里直接表示物理实在的想法。的确,从逻辑的观点来看,采取客观实在性的观念有诸多合理的理由。第一个理由是,如果我们能有一种包含客观实在的理论,那么它便具有哲学上的优越性,因此,在丢弃实在性概念之前,至少应该试图去找到这种理论(Deutsch 1987);其次是,从科学的观点,尤其是物理学的观点来看,向一个理论的操作论解释的转变,就不可能获得下一个理论,因为后继的理论将是从我们现存理论的本体论向前迈进的一步。情况只能是,后来理论的本体论将更加奇特,更难以想象。而一旦摈弃了实在观念,我们就无法借助它来构造自然的概念模型,也无法进一步改进这一模型而发现新的理论。 针对标准解释的缺陷,物理学家们相继提出了量子力学的各种实在论解释,主要有德布罗意-玻姆理论(玻姆1952),多世界解释(埃弗雷特1957),随机解释(纳尔逊1966)和动态坍缩理论(Ghirardi,Grassi和Benatti 1995)等。这些解释目前已经得到广泛而深入的研究,但仍存在各自的问题。在实在论解释中,一般存在两种解释波函数的观点。一种观点认为,波函数是一种同时分布在空间中的物理实体,如物理场。德布罗意-玻姆理论、多世界解释和动态坍缩理论都采取这种观点。例如,在德布罗意-玻姆理论中,波函数被普遍认为是一种客观的物理场(即场),尽管对该场的本质和性质有各种不同意见。另一种观点认为,波函数所描述的是粒子的遍历运动。这种观点为随机解释等理论所采纳。场与粒子遍历运动的根本区别在于同时性质:场同时存在于整个空间,而粒子的遍历运动则在空间中以时分形式存在;粒子在每个时刻都只处于空间中的一个位置,只有在一段时间内(可以是无穷小时隙)粒子的遍历运动才遍及整个空间。 目前人们普遍认为,波函数正确的实在论解释只能由将来精确的实验来确定。在本研究中我们将论证,上述两种波函数的实在论解释可以通过分析量子系统的质量和电荷密度分布来检验,并且前者实际上已经为现有的实验观察所排除。此外,进一步的分析还可以决定波函数所描述的粒子遍历运动的实际形式。结果显示,这种遍历运动很可能是本质上随机的、非连续的。 本研究的具体内容如下。我们首先论证,一个由波函数 描述的质量为m、电荷为Q的量子系统在空间中具有有效的质量和电荷密度分布,分别为m| | 2 和Q| | 2 。这是一个十分重要的理论结果。我们进一步指出,这一结果也是阿哈鲁诺夫等人提出的保护性测量原理的一个推论(Aharonov, Anandan and Vaidman 1993)。保护性测量是针对单个量子系统进行的一种引入保护性相互作用的绝热测量。由于测量过程进行得足够缓慢而使引入的耦合能量近似为零,这种测量几乎不破坏被测系统的量子态,从而可以对单个系统进行大量重复测量。而通过这些测量结果的分布便可以获得系统波函数的全部信息。对于最简单的情况,保护性作用由被测系统本身自动提供,例如,当系统处于非简并的能量本征态时,由于绝热测量不导致粒子在分立的能量本征态之间跃迁,系统的波函数在测量后可以自然地保持不变。根据保护性测量原理,上述质量和电荷密度分布的存在可以通过测量适当观察量的期望值而得到证实。例如,对通过一定空间区域的高斯流的保护性测量可以得到这个区域内的总的有效电荷,即有效电荷密度在此区域内的积分。从而,当被测区域体积足够小时就可以测量到精确的有效电荷密度。 其次,我们分析质量和电荷密度分布的存在对波函数的场解释的蕴涵。我们证明,波函数的场解释导致带电量子系统的波函数具有引力自相互作用和静电自相互作用,因为对于物理场来说其质量和电荷密度将在空间中同时分布。我们同时指出,彭罗斯提出的薛定谔-牛顿方程正是包含此引力自相互作用的一种量子方程。尽管引力自相互作用的存在还不能为现有实验所检验,静电自相互作用的存在已经与现有的实验观测发生矛盾。同时,它们的存在也已经破坏了量子力学的线性叠加原理。因此,我们得出结论,波函数描述的不可能是一种物理场。这一否定性结果使我们不得不采取第二种观点,即认为波函数是对粒子遍历运动的一种描述。 再次,我们进一步论证,假设粒子进行连续运动的经典遍历模型(如随机解释)无法与量子力学相一致,从而这些模型已经被排除。最后,我们深入探讨了另一种被忽视的可能性,即波函数是对粒子量子运动的描述,这种量子运动是本质上随机的、非连续的。利用测度论等数学工具我们给出了这种非连续运动的严格的数学描述,并初步证明了其非相对论演化方程正是量子力学中的薛定谔方程。这些分析显示,我们提出的波函数的新解释提供了正统解释的一种最自然的实在论扩展。在新的解释中,波函数绝对值的平方不仅给出了粒子在某个位置被发现的几率,而且还给出了粒子实际处于此位置的客观几率。当然,从粒子处于某个实际位置的客观几率到粒子在此位置被测量到的几率的过渡需要一个新的物理过程来解释,这便牵涉到量子力学基础研究中最著名也最困难的量子测量问题。这是我下一步研究的重点。 上述研究的初步结果即将发表在International Journal of Quantum Chemistry和Proceedings of the Conference Advances in Quantum Theory。同时,相关研究结果已投寄给更权威的物理哲学类期刊Foundations of Physics和Studies in History and Philosophy of Modern Physics,希望能引起国际学术界的更大关注。目前我的研究主要集中在进一步分析波函数的量子运动解释对量子测量问题的蕴涵,并试图构造一个满足能量守恒原理的新的波函数动态坍缩模型。最近发表在International Journal of Theoretical Physics的文章只是这一研究的一个十分初步的结果。争取在未来两年的研究中有更大的突破。