量子力學多世界解釋探源

置頂哲學園 好文不錯過

量子力學多世界解釋探源

喬笑斐

作者簡介：喬笑斐，張培富，山西大學科學技術哲學研究中心。

人大複印：《科學技術哲學》2017 年 01 期

原發期刊：《哲學動態》2016 年第 201610 期 第 106-110 頁

關鍵詞：多世界解釋/ 相對態解釋/ 形式體系/ 埃弗雷特/

摘要：本文追溯了量子力學多世界解釋產生的理論淵源，指出多世界解釋在進一步解釋相對態解釋時誤解了其最初的含義，並對相對態解釋的基本內容和辯護進行了深入的分析，最後分析了多世界解釋從形式體系推導出解釋的邏輯依據。從邏輯上講，德威特導出多世界解釋的論證方式是有很大問題的，也不符合埃弗雷特的原意。

多世界解釋作為相對態解釋的一種解讀，將相對態解釋中的分支解讀為「世界分裂」，在學界引起了極大的爭議，多世界解釋的支持者必須對「世界分裂」的真實含義作出進一步的說明，但是從目前看很難對此給出合理的說明和論證。在筆者看來，要想深入理解多世界解釋中「分裂」一詞的含義，必須追溯到其來源即相對態解釋，在兩種解釋的對比中方能澄清其根本內涵。而事實上，目前幾乎所有關於相對態解釋的解讀都不符合埃弗雷特(H.Everett)的本意，其原因主要有兩點：其一，埃弗雷特的表述本身充滿著很多含混的地方，無法給出前後一致的描述；其二，雖然相對態解釋的數學形式沒有太大的問題，但是一旦試圖給出實在性的解釋和描述，就必須要澄清「分支」這一核心概念的真實含義，而在理論的基本框架下很難給出一個邏輯嚴密的解釋。正如希利(R.Healey)所指出的：「埃弗雷特的量子力學解釋本身也需要一個解釋。」本文試圖對埃弗雷特最初的解釋和辯護進行詳細的梳理，還原其理論發展中的一些細節，澄清多世界解釋推導的內在邏輯。

一

被「誤解」的相對態解釋

首先我們必須要澄清相對態解釋與多世界解釋之間的關係。現在，對於該理論的名稱，人們普遍使用的是多世界解釋這一稱謂。然而多世界解釋作為相對態解釋的一種解讀，在相對態解釋的數學基礎上加入了一種獨特的形而上學的理解：假設多個本體世界存在。這樣便在客觀上造成了人們對相對態解釋直觀上的誤解，似乎這個理論預言有很多世界的存在。這種誤解產生了很負面的影響：一方面使得學界產生了巨大的非議，大量的討論圍繞著多世界展開；另一方面也使普通大眾對整個量子力學都產生了較大的誤解，該題材被大量的不加考證地用到了很多科普讀物以及影視作品之中。

1957年，埃弗雷特在其博士論文中，首先提出了相對態解釋。後來，德維特(B.Dewitt)將相對態解釋為多世界解釋，之後，其他學者又發展出多歷史解釋和多心靈解釋等。但是，人們習慣上並不對這些解釋進行明確的區分，而是經常用多世界解釋來泛指。目前從該理論的發展來看，很多研究者並不贊成將相對態解釋解讀為本體的世界分叉，名稱上也通常使用相對態解釋或者埃弗雷特主義來指代。多世界解釋這一用法，雖然最初在傳播該理論時非常吸引人們的注意，但是它卻代表了對相對態解釋非常極端的解讀，極易引起人們的誤解。在德維特之後，圍繞相對態解釋又產生了多種解讀。相比於多世界解釋的客觀層面的本體世界分裂，多心靈解釋將分支解讀為主觀層面的意識分裂，與本體世界無關。雖然這兩種解釋都是完全基於相對態進行的解讀，但是和埃弗雷特的本意卻有很大差距。多歷史解釋則結合了相對態、量子退相干原理以及一致性歷史解釋的觀點，將分支解讀為某種潛在的未實現的可能歷史集合，在與外界環境的相互作用下，可能的歷史狀態消失，只有一個真實的實在歷史顯現。環境對系統施加了不可控的影響，單一歷史狀態在未顯現之前沒有優先地位。由於退相干原理為測量過程相干態的消失給出了原理性的說明，一定程度上消解了相對態解釋中的一些矛盾，並對其給出了有效的補充，從而超越了有著濃重形而上學意味的多世界解釋，並給出了一個物理主義的解讀。

埃弗雷特最初只是試圖從波動力學本身作為出發點，建立相應的經驗解釋，圍繞相對態的形式體系本身進行討論，而不預先引入任何形而上學的假設。為了避免誤解，埃弗雷特多次對原先的初稿進行了刪減，刪除了很多關於世界分裂的內容，以及一些容易引起歧義的論證，最後僅剩原稿的三分之一。為了避免極端的解釋，埃弗雷特對於相對態實在性的解釋非常含糊，在被人直接質問時，埃弗雷特要麼閃爍其詞，要麼用一套固定的說辭進行回應，始終沒有正面肯定回答。而德維特對這個問題的解釋卻徹底得多，他將相對態進行了徹底的本體實在的解讀，認為每個分支都對應著一個真實的世界，在一次測量後，疊加態的所有可能狀態都實現了，其他的態並沒有因塌縮而消失，而是存在另外的世界，其中有和我們一樣的測量儀器和觀測者，測得了不同的結果。儘管因德維特離奇而大膽的解讀，多世界解釋得到了迅速傳播。但是，從埃弗雷特給賴布朗德(L.Leblond)的回信中可以看出，多世界解釋並不符合他的本意，但他並未公開指出。其原因大概有兩點：一方面是出於對德維特的感激，是德維特的解讀極大地推動了相對態解釋的傳播；另一方面埃弗雷特博士畢業後，放棄了物理學研究，轉而從事博弈論的應用研究，不想捲入學術糾紛。在寫博士論文時，埃弗雷特就強調，他的解釋是對傳統解釋的補充而非反叛，同時也極力避免和正統解釋觀點上的衝突。另外，從埃弗雷特的文本中可以看出，他更喜歡用分支、元素、相對態等詞語來表述他的理論，而不是現在普遍流行的世界分裂、平行宇宙等。因此，本文試圖糾正這一錯誤的認識，系統論述相對態解釋與多世界解釋的不同，並對其核心內容進行比較。

二

相對態解釋的基本內容及埃弗雷特的辯護

埃弗雷特從來沒有想過要推翻傳統的量子力學解釋，而是從測量難題入手，來對傳統解釋進行補充。在他看來，傳統解釋在處理測量問題時有很多困難，特別是馮·諾伊曼將測量前後兩個過程進行了嚴格的區分，測量前波函數處於連續演化的疊加態，測量後則突然塌縮到了一個隨機的狀態。一方面，傳統解釋完全無法解釋這兩種完全不同的動力學過程為何會在一次測量中同時出現；另一方面，傳統解釋無法對觀測者在測量中的地位給出明確定位。對此，埃弗雷特在他的相對態解釋中給出了完整的解答。

首先，在整體思路上，傳統解釋試圖從哲學上來解決測量難題，將其看作一個認識論問題；玻姆的隱變數解釋認為量子力學的形式體系是不完備的，需要添加隱變數來進行補充；而在埃弗雷特看來量子力學的形式體系是完備的，只需基於波動力學的基本形式，便可構建完整的解釋體系，並解決測量難題。他試圖從波動力學出發，「將概率作為一種主觀呈現，使理論與經驗相符合。最終的理論在客觀上是連續的、因果的，而在主觀上是不連續的、概率的」。其次，為了更好地描述人的經驗，埃弗雷特將觀測者的狀態也作為一個變數，帶人波動力學方程中。他認為波函數也可以描述觀測者這樣的宏觀物體，不存在微觀和宏觀的區分。這樣，用一個宇宙波函數便可以描述包括被測物體、測量儀器以及觀測者在內的所有的事物，被測物體和觀測者作為一個整體進入到方程中，不需要再對兩者進行區分。最後，方程中的宇宙波函數，作為一個整體，在薛定諤方程中線性地、決定性地演化，沒有兩類演化，也沒有塌縮。在一次測量之後，「不存在單個的測量態，而是一個組合系統的疊加態，其中每一個觀測態都有一個確定的、相對的客體系統態與之對應」。

相比於德維特的多世界的解釋，埃弗雷特希望用一種簡單明確的語言來解釋波函數的特徵，不包含任何先驗的主觀假設和形而上學。埃弗雷特主要從以下幾個方面來對相對態解釋進行了辯護。

第一，在基本理論層面持邏輯經驗主義的觀點，反對形而上學。1957年，埃弗雷特在寫給德維特的信中，明確地表達了自己對物理學理論的本質和目的的看法。「首先，必須澄清我對物理學理論的一般看法。在我看來，任何物理學理論都是一個邏輯結構(模型)，包含自身所處理的符號和規則，其中的一些要素和感覺世界相聯繫。如果這種聯繫是同構的(isomorphism)，至少同態(homomorphism)，我們就可以說這個理論是正確的，或是可信的。任何理論的基本要求是邏輯的一致性和經驗的適當性。但是，並非所有理論都滿足此條件，其他標準如：有效性、簡單性、統合性等都必須依賴於以上要求。不用問理論是否為真或實在，能做的只是去拒絕那些與經驗感覺不同構的理論。」接著，埃弗雷特進一步論述，將理論推廣至「作為對世界形而上學的描述」是一種方法論錯誤。在此，埃弗雷特持邏輯經驗主義的觀點，認為理論僅僅在邏輯和經驗層面進行討論，不應當與「實在」等形而上學的本體相混淆。

第二，支持模型實在論。埃弗雷特認為，科學無法對實在作出最終的說明，無法描述自在實在，而只能在科學自身構建的模型中認識實在。「當一個理論取得成功(經驗上)並且有堅實基礎，這個模型便傾向於與『實在』(reality)本身相符，理論作為模型的本質便被掩蓋了，經典物理學的發展為此做了一個極好的展示。經典物理學本質上與我們頭腦中虛構出的其他理論一樣，我們僅僅是對它更有信心。因此，說經典物理學比其他更實在是錯誤的。」「一旦我們認為物理學理論本質上僅僅是一個經驗世界的模型，我們就必須放棄任何尋求正確的理論的企圖。可能存在很多不同的模型都與經驗相符。」在此，埃弗雷特的觀點與建構論者的觀點相似，他試圖將科學理論局限在模型中，僅從邏輯與經驗相符兩方面進行驗證，而其他評價標準，諸如簡單性、完備性、統合性都可以還原到這兩個標準。而關於實在論等形而上學討論都應當從物理理論中排除出去，交給哲學家們去討論。「理論物理學的目標僅僅是提供有用的模型，且隨著時間的推移新的模型會淘汰掉舊的模型。」而德維特的解釋則一開始就試圖給相對態解釋一個實在論的解釋，試圖將相對態中的分支對應到實在世界中，從而產生了多世界解釋。由此看來，德維特的解釋與埃弗雷特的解釋之所以不同，就在於他們各自對實在的理解完全不同。德維特理解的實在是在經典實在的層面上的，與愛因斯坦的觀點類似，而埃弗雷特理解的實在僅是模型意義上的。或者更直接地講，埃弗雷特本質上是反實在的，他多次使用reality一詞都僅僅是局限在自己理論的框架下，而不是與經典的實在定義相對應來理解的。

第三，站在實用主義的立場。從根本上講，埃弗雷特是一個實用主義者，在量子力學中之所以會出現各種各樣的悖論和爭議，究其根源都是人們過度關注物理學現象的形而上學解釋。在埃弗雷特看來，一個實用主義者不應當把精力放在形而上的層面，因為最終不可能有結果，認識論是無法統一的，每個人都堅持不同的信仰和價值判斷；而物理學作為一門追求客觀知識的學問，應當排除這種先天的價值預設，並將所有關於理論的評價和分析歸結到兩個明確無歧義的標準，即邏輯一致性和經驗適當性，而且其他的標準都必須最終還原到這兩個標準。在對一個理論的整體評價中，應當遵守「成本—效益」原則，在對兩個理論相比較之中，取邏輯更強、解釋更多經驗的那一個；對於某一個理論也盡量使用最少的假設，得到最多的經驗驗證。這種認識論與他長期研究博弈論有很大的關係。

不過，埃弗雷特並沒有對他的相對態解釋結合這些原則作更多的解釋，只是就一般意義討論物理學理論的一般特徵，但是從他這些對物理學根本層面的認識中，我們基本可以推測出他對相對態解釋的看法。埃弗雷特的主要目的是在既定的形式體系的基礎上作出一定的修正，以消除測量難題帶來的矛盾；而在進一步的解釋方面沒有進展，且很含糊。從上文分析中可以看出，埃弗雷特似乎僅僅在相對態的框架下發展其理論，反對再作進一步的形而上學解釋。但也有研究資料表明，他似乎曾試圖將其理論解釋為分裂的觀測者(splitting observers)，也試圖解釋為多世界(many worlds)，不過最終還是放棄了。

三

多世界解釋推理的邏輯分析

從某種意義上講，關於理論的解釋都是建立在理論形式體系的基礎之上的，要理解多世界解釋的推導邏輯，必須要從根本上澄清德維特和埃弗雷特各自對於形式體系與解釋內在關聯的認識。埃弗雷特認為：「純波動力學的數學形式可以產生自身的理論解釋，不需要添加任何形而上學的假設。」(11)德維特接受了埃弗雷特這一假定，並將其看作一個元定理，作為整個解釋的基礎。在他看來多世界解釋是量子力學的數學形式自然產生的解釋。這個觀點雖然最初來源於埃弗雷特，但倆人對其理解並不相同。因為從邏輯上看，上述所謂元定理本身就是矛盾的。純粹的數學形式推導出的只能是數學定理，無論如何也推導不出唯一的解釋。形式體系和解釋的關係是非充分決定的，解釋本身必然會包含人們的主觀理解，是形而上的。解釋的形成需要數學形式加上某種解釋原則，這種原則通常是預設的、非數學的、無法進一步證明的，取決於人們對於理論更深層次的理解。從多世界解釋的發展脈絡來看，這種預設的解釋原則很明顯。相對態解釋預設波函數可以對包括測量儀器、觀測者甚至整個宇宙進行完備的描述；多世界解釋預設數學形式等同於實在，多心靈解釋預設身心二元論，多歷史解釋預設世界本體的唯一性，最新的「突現世界解釋」(the emergent-world interpretation)預設量子態是最基本的實體。(12)其中，相對態—多世界—突現世界，三種解釋分別體現了對於上述元定理的三種截然不同的理解。

在多世界解釋中，德維特幾乎全部接受了埃弗雷特關於相對態解釋的內容，包括其理論的基本假設以及結論，但是德維特無法忍受埃弗雷特關於理論對應的實在解釋的閃爍其詞。於是，他對相對態解釋進行了一個徹底的本體論解釋，將多個實在世界的存在作為其理論的核心特徵，認為每一次測量後世界都進行了一次分裂，並將理論重新命名為「多世界解釋」。在多世界解釋的框架下，德維特重新對「薛定諤的貓」的理想實驗進行了解讀。在馮·諾伊曼的解釋中，突出了觀測者對實驗結果的決定性作用。在人沒有打開盒子時，宏觀狀態的貓和微觀狀態下的放射源的狀態糾纏在一起，波函數沒有塌縮，於是貓處於既死又活的疊加狀態。而一旦打開盒子，波函數會立即塌縮到一個確定的狀態，要麼放射出一個粒子激發毒氣，貓死；要麼不放射，貓活。我們要麼看到死貓，要麼看到活貓，僅僅有一種狀態發生。從直觀上看，似乎就是因為觀測者那「上帝的一瞥」，使得波函數塌縮，使放射源「被迫」在放射和不放射粒子之間作出「選擇」。原子是如何感知人的觀測的呢?從觀測行為的結果上看，似乎是人的觀測改變了原子的狀態，人的行為決定了這一切。這樣，人的觀測行為本身將主觀因素引入了系統，看起來貓的死活不取決於打開前原子的客觀狀態，而是決定於打開蓋子的瞬間。在多世界解釋的框架下，這個主觀決定客觀的悖論便消失了。因為在觀測後，宇宙波函數分裂，對應地世界也分裂為兩個，其中一個世界中貓死，另一個世界中貓活。人的觀測只是客觀地記錄自己所處世界中貓的客觀狀態。然而雖然多世界解釋避免了波函數的塌縮，但卻帶來一個更加嚴重的問題：就因為觀測者的「一瞥」整個世界瞬間分裂為兩個。世界分裂的機制是什麼呢?德維特沒有回答。我們為什麼感覺不到另一個世界的存在呢?德維特認為兩個世界分裂之後各自演化，不會再互相影響。就這點來看，很難講多世界解釋要優於正統解釋，很多學者認為多世界解釋如何優於其他解釋論證，在筆者看來是很牽強的。另外，多世界解釋還有很多致命的問題，如首選基問題、概率問題等，本文暫不涉及。總之，德維特所持的觀點是一種極端的數學實在論，認為所有的數學形式都是與實在世界一一對應的，他將埃弗雷特所說的數學形式可以自然生成自己的解釋，簡單地理解為數學等同於實在。

而在最新的突現世界理論中，華萊士試圖將波函數看作類似經典電磁波的實體，然後推導出世界存在的本質，而不僅僅是位形空間中的一個數學符號。他假設量子態是構成世界最基本的實體，是和經典引力場和電磁場一樣的客觀存在，整個世界是從量子態中突現出來的。在對波函數進行實在解釋時，華萊士與德維特有很大的不同，他並不堅持一定要對波函數解釋為分支世界，或者說他並不是從某種形而上學出發，斷定波函數與實在世界的直接聯繫，而是試圖從波函數出發導出世界的存在。量子力學是描述量子態的動力學基礎，如果說德維特的論證是自上而下的，那麼華萊士的論證便是自下而上的；他並不試圖對世界作出任何斷言，而是從波函數作為最基本本體出發，世界從波函數突現或生成，世界的呈現作為一種表象，其根源是波函數作為一種實在的作用場而起根本性之作用。這樣，量子態是一種最基本的實體(和電磁場和引力場類似)，便作為一個先驗假設出現在論證中。

如此看來，單純一句形式體系生成自己的解釋，似乎並不能引導我們作出唯一可信的解釋，儘管形式體系本身是解釋的必要基礎，是不可或缺的，但並非充分條件。解釋本身除了需要依據客觀的數學形式，更重要的是依賴於人們對於理論的深層次的理解，僅從表象的數學形式中洞察背後的規律性，往往會走上歧途。當然，通過「深層理解」作出的假設也一樣存在問題，必然會帶有很強的主觀性。在解釋世界的過程中，儘管有科學的形式作為依據，但是個人的形而上學的觀念往往會發生更重要的作用。從上文分析可以看出，對於同一個形式體系，在不同的解釋框架下，發展出了完全不同的世界圖景。

多世界解釋單從形式體系看，與相對態解釋完全相同，但卻作出了世界分裂的斷言。在對相對態解釋本身的考察中可以看出，埃弗雷特只是試圖修正量子力學的形式體系，以消解傳統解釋的矛盾之處；而德威特在形式體系導出其解釋這一元定理的前提下，從相對態推出多世界解釋，此外沒有其他依據。單從邏輯上講，德威特導出多世界解釋的論證方式是有很大問題的，也和埃弗雷特的原意相悖。

注釋：

R.Healey,How Many Worlds?,,18,1984,pp.591～616.

H.Everett,On the Foundation s of Quantum Mechanics,PHD thesis,Princeton University,Department of Physics,1957.

J.Barrett,Everett s Pure Wave Mechanics and the Notion of Worlds, European Journal for Philosophy of Science,2,2011,p.293,p.287.

H.Everett,The Theory of the Universal Wave Function,The Many-worlds Interpretation of Quantum Mechanics,B.S.DeWitt,& N.Graham(eds.),Princeton University Press,1973,p.10,p.134,p.134,p.111.

H.Everett,Letter from Hugh Everett III to Bryce DeWitt dated May 31,1957,Forthcoming in the UCISpace Everett Archive Funded by NSF Award No.SES-0924135.

B.DeWitt,Quantum Mechanics and Reality,Physics Today,23,1970,pp.30～35.

(11)賀天平：《量子力學多世界解釋的哲學審視》，《中國社會科學》2012年第1期。

(12)D.Wallace,The Emergent Multiverse:Quantum Theory According to the Everett Interpretation,Oxford University Press,2011.

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！