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趙磊等:“不確定性”是微觀世界的本質嗎?——“不確定性原理”何以被誤導(之一)

趙曉磊   趙磊 · 2020-09-30 · 來源:烏有之鄉
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把“不確定性原理”解讀為認識上的“不可知論”,進而為否定歷史必然性提供所謂的“科學”依據,這種做法不僅是對“不確定性原理”的誤導,也否定了人類探索未知領域的意義。

趙磊等:“不確定性”是微觀世界的本質嗎?

——“不確定性原理”何以被誤導(之一)

趙曉磊   趙磊

  作者按:本系列博文來源于趙曉磊、趙磊《“不確定性原理”何以被誤導?》(發表在《四川師范大學學報(社會科學版)》2020年第5期)。此處轉發時,加了三級標題,補充了文字說明,并略去了引文出處和注釋。如需確認,煩請核對原文。

  (一)什么是“不確定性”

    有關 “不確定性原理”的認識分歧究竟在哪里?

  之所以要提出這個問題,是因為“認識分歧”是該原理被誤導的源頭所在。

  關于“不確定性原理”的認識分歧,簡而言之,就在于如何解釋“不確定性”的原因。

  說到“不確定性”,有必要提一下概率(probability)。

  眾所周知,“概率”意味著“不確定性”。

  從認識論的角度看,某事件具有“概率性”或者“或然性”,意味著該事件的發生具有“不確定性”。

  也就是說,在該事件發生之前,該事件“是否發生”并不是“確定無疑”的。

  這也正是“不確定性”的含義,對此人們基本上沒有什么分歧。

  (二)為什么有“不確定性”

  雖然對于“不確定性”的存在,人們基本上沒有分歧;但是,對于“不確定性”為什么存在,人們的認識則分歧甚大。分歧在于:

  不確定性究竟是源于客觀世界本身( 即本體論意義上的“不確定”) ,還是源于人們認識能力的無知( 即認識論意義上的“不確定”)?

  換言之,究竟是什么原因導致了“不確定性”?

  對于這個問題的解釋,由此形成了堅信“上帝不擲骰子”的決定論,以及信奉不可知論的非決定論。

  (三)愛因斯坦的思想實驗

  1935年,在《能認為量子力學對物理實在的描述是完全的嗎?》的論文中,愛因斯坦、波多爾斯基和羅森設計出一個思想實驗,也稱為“EPR思想實驗”。

  “EPR思想實驗”的基本內涵是:如果AB兩個粒子是孿生的,那么人們就可以同時準確測量A的位置和B的動量;從B的動量,人們又可以推出A的動量。

  “EPR思想實驗”意味著現有的量子力學存在著如下悖謬:假如量子的“不確定性”真的具有神秘的鬼魅般的超距作用,那么人們就可以同時確定A粒子的位置和動量。

  在這個思想實驗中,愛因斯坦、波多爾斯基和羅森從“定域實在論”出發(注1),試圖證明量子力學的現有理論是不完備的。

  換言之,“如果A、B兩個微觀粒子是量子糾纏的,就可以同時準確測量A的位置和B的動量,從B的動量又可以推出A的動量,等價地說,可以同時確定A粒子的位置和動量。進而愛因斯坦等人以此來質疑量子力學的完備性。”

  這就是著名的“EPR佯謬”(EPR paradox)。

  (四)“愛波羅佯謬”的科學含義

  “EPR佯謬”的科學含義在于,可能存在著尚未被發現的,且比現有量子力學能更完備地描述微觀世界的理論。所以,現有的量子力學只是這完備理論的“統計近似”而已。

  既然現有量子力學是不完備的,那么可以用“隱變量理論”來解釋這種不完備性。

  所謂隱變量理論(hidden variable theory),是指現有量子力學的背后應該隱藏著一個尚未發現的理論。

  隱變量理論認為,某種尚未發現的理論可以完整解釋物理系統所有可觀測量的演化行為,從而避免掉任何不確定性或隨機性。

  隱變量理論堅信,科學不僅可以揭示尚未發現的變量(這些變量對應于每一個實在要素),而且能夠解釋這些變量的作用機制。

  盡管“EPR佯謬”所隱含的排斥辯證法的思維方式值得商榷(這個問題,我們將在本文第三節“只有形式邏輯才會為‘不確定性’苦惱”中討論),且“隱變量理論”迄今尚未得到物理實驗的充分證實,但是,愛因斯坦、波多爾斯基和羅森等人提出的思想實驗,是值得人們認真對待的。

  人類不是上帝。既然人類的認識總是存在著局限性(所謂“信息不對稱”),那么量子力學作為人類認識的成果就不可能終結認識的發展,“不確定性原理”就肯定存在著“不完備性”。

  既然人類認識的發展是一個無限的過程,那么,愛因斯坦等人尋找隱變量的努力就難以被“不確定性原理”所否定。

  換言之,從認識的發展過程看,“不確定性原理”并未終結真理。愛因斯坦等人指出的“EPR佯謬”表明,“不確定性原理”仍有待進一步完善。

  (五)馬克思主義視域下的“不確定性”

  在馬克思主義的邏輯看來,把“不確定性”武斷地定義為微觀世界的內稟性質,從而否認人類能夠越來越趨向于“確定”地把握微觀世界的可能性,這種“不可知論”的邏輯之所以值得商榷,就在于它是建立在主觀唯心主義方法論的基礎之上的。

  在馬克思主義認識論的視域里,所謂“不確定性”不過是人類因認識局限性,而對客觀事物尚未得到確定性的認識罷了。

  正如錢學森頗有遠見地指出:“所謂非決定論(即“不確定性”——引者注),無非是有些因素、有些因果聯系還沒有認識到”。

  當代科學的發展證明了錢學森同志的遠見是正確的。

  (六)新實驗的挑戰

  據《前沿科學》2011年的一則報道:“近日,中國科學技術大學郭光燦院士領導的中國科學院量子信息重點實驗室實驗驗證了新形式的海森堡不確定關系。”

  這個由李傳鋒博士研究組完成的實驗表明,在觀測者擁有被測粒子“量子信息”的情況下,被測粒子測量結果的不確定程度,依賴于被測粒子與觀測者所擁有的另一個粒子(存儲量子信息)的糾纏度的大小。

  在實驗中,當這些被測粒子處于最大糾纏態時,兩個不對易的力學量可以同時被準確測量,此時經典的海森堡“不確定性原理”將不再成立。

  也就是說,在待測粒子的“量子信息”事先被存儲的情況下,經典的海森堡“不確定性原理”能夠被違背——經典的海森堡不確定原理認為,在 1 個量子力學系統中,1 個粒子的 2 個不對易的力學量(比如位置和動量)不可被同時確定。

  這個實驗結論首次驗證并確立了“新形式的海森堡不確定性原理”,從而對經典的“不確定性原理”提出了有力挑戰。

  (七)張江教授如是說

  由此可見,把“不確定性原理”解讀為認識上的“不可知論”,進而為否定歷史必然性提供所謂的“科學”依據,這種做法不僅是對“不確定性原理”的誤導,也否定了人類探索未知領域的意義。

  正如張江教授所說:

  “時至今日,面對這段歷史,我們對舊的測不準原理,對愛因斯坦的猜想和判斷,有了具備事實根據的新認識。根據吳國林的介紹,美國M.Berta等學者,根據量子信息理論和技術研究及應用實踐,對不確定原理做出開拓性研究,并給出了定量描述。這個結果表明:在觀測者擁有被測粒子‘量子信息’的情況下,被測粒子測量結果的不確定度,依賴于被測粒子與觀測者所擁有的另一個粒子(存儲有量子信息)的糾纏度的大小。原來的經典的海森堡不確定原理將不再成立,當兩個粒子處于最大糾纏態時,兩個不對易的力學量可以同時被準確確定,由此得到基于熵的不確定原理,此理論被稱為新的海森堡不確定原理。”

  總之,根據“新的海森堡不確定性原理”,一旦引入量子糾纏,那么觀測者“就可以同時確定一個粒子的位置和動量。當兩個粒子處于最大糾纏態時,被測粒子的兩個力學量可以同時被確定。”

  這樣一來,量子的“不確定性”也就被消解了。

  注1:定域論認為,在某區域發生的事件以不超過光速的傳遞方式影響其它區域;實在論認為,做實驗觀測到的現象是出自于某種物理實在,而物理實在與觀測的動作無關。換言之,定域論不允許鬼魅般的超距作用,而實在論則堅信客觀事物先于人的認識。定域實在論認為,微觀粒子具有可測量、良好定義的物理實在,不會被在遙遠區域發生的事件以超光速速度影響。

  (未完待續)

  (趙磊,西南財經大學《財經科學》編輯部常務副主編,教授,博導)

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