9.视角基础思维和量子诠释

摘要:视角基础思维(Perspective-Based Reasoning)与哥本哈根派诠释高度契合。几个诠释难点,比如何为“观察者”,何为“测量”,量子的非定域性,量子和传统力学的海森堡边界等问题都能有很直观的解释。当然这纯粹是对量子物理的个人理解,属于那种连错误都算不上的胡思乱想,请把以下内容当做脑洞来看。

一. “客观实在”的概念从何而来?

汤马斯.内格尔认为我们是经过以下几个步骤从而产生了“客观实在”这个概念的:

1. 首先,意识到(或者说接受这样一个假定)我的感知源于我所受到的各种作用,是这些作用对我产生的效果:Realize (or postulate) that my perceptions are due to the actions of things upon me, though their effect on me.

2. 其次,意识到(或者假设),那些对我产生作用的性质也会对其他物体产生作用。这些性质就算不产生任何作用也可以存在。:Realize (or postulate) the same property that caused actions upon me can also lead to actions on other things,  they can exist without causing any actions at all

3. 最后,意识到(或者假设)有某种“真实本质”,并认为它是独立于视角之外的概念。 Form the conception of a “true nature” that must be independent of any perspectives.

内格尔把这称为 “the view from nowhere” (本然的观点)。这种“真实本质”代表了未经人类思想扭曲失真的客观真实的世界。 一般认为物理学则应尽可能精确地描述这种客观真实。

二. 视角是基础

视角基础思维(Perspective-Based Reasoning)承认前两个假设但拒绝第三个。第一步意识到自己在从一个特定视角观察世界。第二步意识到我的视角并不特殊,其他人和物也可以有各自的视角,以它们的视角观察思考同样合理。分歧在于其不认为我们能够脱离视角而对所谓“真实本质”进行直接思考。

接受前两步意味着对世界的描述可以立足于任意视角,而描述的根据是视角中心受到的作用(actions upon the perspective center),对外界的理解都是基于这些作用所带信息的推断。正确的理论应该试图找出精确的推断方法,而不是直接去描述最后一步所假设的、独立于任何视角之外的“真实本质”。这也意味着物理学的根本研究对象应是“作用”而非“物体”。一个理论的客观性体现在推断方法对多种视角的普适性:好的理论可以应用于尽可能广泛的视角。若接受最后一个假设,理论的客观性则直接体现在对世界“真实本质”的忠实呈现。

(“视角中心”仅是一个叙述工具:比如以武松在景阳冈打虎时的视角思考,那么视角中心就是在景阳冈打虎时的武松。)

三.以视角基础思维看量子物理

视角基础思维看来,量子物理的逻辑是这样的:

  1. 首先指定一个视角
  2. 有关外界的任何信息和推断都基于视角中心所受到的作用
  3. 这些作用是研究的根本对象,通过他们可以推断出产生和影响这些作用的物体
  4. 实验发现这些作用是离散且随机的
  5. 量子理论总结了这些作用的规律,可以对尚未发生的作用作出精确预测,也可以对影响作用的物体做出经得起验证的推断(受限于固有随机性)。

基于这种理解,哥本哈根派诠释的几个难点就有显而易见的解释:

“观察者”是什么?“观察者”就是设定的视角中心。最直接的视角当然是每个人的第一人称视角,除此之外也可以假定从其他物体的视角进行分析,原则上可以从任意物理系统的视角思考:一个人、一只猫、一个盖革计数器甚至一个电子都可以被设定为视角中心。注意他们都不属于分析结果而是预先设定的、分析的逻辑起点。

为什么量子力学不能描述“观察者”?:因为观察者(视角中心)是设定的,研究的基本对象是视角中心受到的外部作用,那么理论的解释(推断)范围就不包含其自身。这不是说这个物理系统不能被量子力学解释,只是说不能从它自身的视角解释。量子力学完全可以分析一个人,但得从其它的视角才能进行(比如另一个人,或一只猫,一个仪器,甚至是除了这个人以外的世界的视角),通过这个人对视角中心的产生的作用去分析他,而这样的分析里这个人就不是“观察者”。

为什么经典物理不需要考虑视角?:严格来说经典物理也应该考虑。之前所述视角中心的独特地位是基础性的,对所有理论都一样。只是在经典物理的范畴内不同视角的重要性被压制了。如果不细致分析就不会发现细微的作用,也不会发现他们是离散且随机的,这种粗略分析也只能推断出宏观物体。宏观物体巨大,所以不管选择什么视角几乎都持续受它们的显著影响,分析的结论也基本一致。比如桌子上有一杯水,不管你看没看见它、知不知道它存在,它始终都作用于你。这一刻就可能有无数落在你身上的光子曾穿过它,等等。同样的这杯水也一刻不停地无数次的影响着周围其他事物受到的作用。不同视角根据这些巨量作用所包含的充分信息能给出对这杯水基本一致的推断。即使你没有刻意捕捉和分析这些作用,这杯水依然影响着你,对你来说它就是可描述的。你也可以放心使用其他视角对这杯水的描述,因为它们和从你的视角做出的推断会基本相同。这也是为什么脱离视角的所谓“真实本质”或者“客观实在”在经典物理范畴(日常生活)里那么好用,却在量子物理里面总不对劲,因为它就一种粗略的近似。(宏观物体对不同视角中心的作用也可能导致差别明显的推断,比如当两个观察者相对高速运动的时候。狭义相对论解决了这个问题的,相应的它也摒弃了独立于视角之外的绝对时空观。)

“观察者”是经典的吗?:不是,根据上一个回答,“观察者”是物理解释范围之外的。

“观察”或者“测量”是什么?:就是对视角中心的作用。对某个物理系统的测量既是这个物理系统对观察者所受到的作用产生了影响。完全不影响视角中心所受作用的东西是不可能被推断的,也不是物理的讨论范畴。(类似伊利泽-威德曼炸弹测试所展现出的“零作用测量”也影响了“观察者”所受作用,所谓“零作用”是认为光子和炸弹之间没有相互作用。)

量子物理的非定域性怎么解释?:量子理论是定域的。既然根本研究对象是作用,而作用的最大传播速度是光速,那么理论就必然是定域的。诸多量子力学的非定域性结论是怎么产生的呢?它们或者是完全摒弃视角以一种全知的立场直接分析“客观真实”,或者是承认了视角但在分析中途变换了视角。以著名的EPR思想实验为例,Alex测量自旋的那一刻,遥远的Bob的电子自旋也同时确定了,这被认为是非定域的“鬼魅般的超距作用”。但这是以一种全知的、“本然的观点”对世界“客观真实”的直接描述,不符合视角基础思维。这个非定域性也可以被理解为从先从Alex的视角分析,在中途却跳跃到Bob的视角再继续分析。这种视角变化同样不符合视角基础思维(类似于不同公理系统的结论混用,见2.1章)。如果分析自同一个视角:当得知一个电子如何影响对观察者的作用时就能预言另一个电子将如何影响对观察者的作用。换言之,测量了一个电子就能知道当另外一个电子的消息传到时,自己会发现什么样的结果。后一个事件必然在前一个事件的光锥里。而“本然的观点”的全知立场:既在光年之外的“客观真实”能不依靠作用而即时描述;以及视角转换:既从Alex的视角瞬间跨越到Bob的视角,两者都是超光速的,也是非定域结论的根本原因。

四. 一些零碎的想法

波粒二象性可能是量子物理最早的反直觉现象。这是因为我们的直觉是在宏观世界造就的。我们已经非常习惯于以“客观真实”直接思考,把“物体”当成了研究本体。所以光到底是波还是粒子,就成了非常纠结的问题。而在视角基础思维看来,“作用”才是研究本体,所以不存在光“到底”是什么的问题,因为所谓“物体”的概念本身就是根据作用做出的推断而已。

薛定谔的猫能在叠加态么?:理论上可以。只要那个盒子隔绝内外一切作用,那么以盒子外的视角分析猫就是叠加态。但叠加态并不是描述物体的“客观真实”状态,而是因为它对观察者所受作用无影响所以不能做出推断。而现实中的普通盒子的话,因为猫是影响巨大的宏观物体,只要分析所有来自盒子的作用就一定能推断出猫的死活。另外,以盒子内物体(猫自己除外)的视角分析也不会出现叠加态。

视角基础思维否定了实在论(realism)吗?:这个问题我没能力给出确定的回答。实在论本身就是一个糅杂了多种理解的概念。我能肯定地说视角基础思维认为以“本然的观点”直接分析“客观实在”是错误的。所以它反对“正确的理论应该完整描述物理实际”这种EPR悖论里提到的实在论。但是,我依然认为视角基础思维是符合实在论的。因为它相信依据作用推断出的物体的存在,也认为从这些物体的视角同样可以进行物理分析(既接受内格尔的第二步假设)。所以它肯定和怀疑论或者独我论相违背。

量子物理取决于意识吗?:并不是。这个理解里唯一涉及到意识的地方是我们每个人的第一人称视角,它是靠和主观感受的紧密联系而凸显出来的。但是在量子理论看来,人类的第一人称视角并不特殊,和其他物理系统的视角相比没有差别对待。所以常见的的意识造成坍缩的理论并不符合这个理解。(当然也可以设想既然第一人称视角取决于自己的意识,那么设定从其他物体的视角思考是否意味着同时设定了那个物体有意识呢?这种想法并不和视角基础思维相冲突,我个人甚至认为泛心论(Panpsychism)有一定道理。从这个角度考虑的话非要说意识造成坍缩也是可以。但这种形而上的立场选择和量子物理没关系,因为量子物理的分析范围是研究视角所受的作用以及做出推断,并不包括视角本身是如何设定的。)

这是一个认识论(epistemology)还是本体论(ontology)的理解?:又是一个以我的能力回答不好的问题,如果选一个的话肯定是认识论的诠释。但又觉得这个理解好像把两者柔在一起了。

视角基础思维和哪些量子诠释契合,又和哪些诠释冲突?:和这个理解矛盾最少的肯定是正统的哥本哈根(不)诠释,这没什么可说的。特别契合的还有量子贝叶斯(QBism),它本身可以认为是一种视角分析。还有就是关系性量子力学(RQM),我一开始曾激动地认为自己的理解和RQM高度一致。但后来发现还是有些许区别。RQM虽然认为相互作用是研究基础,但有时候会从一种“本然的观点”分析这些作用,尤其体现在定域性的理解上。完全不相容的是多世界诠释。玻姆力学等隐变量理论和GRW等自发坍缩理论也不契合。