描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装-胶订是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787569225822
“量子波函数及其存在空间探究”问题的探讨在量子信息、量子计算、量子纠缠和量子宇宙学等新兴交叉学科方面均有重要应用。本书在量子力学要求变革经典实在观这一现实前提下，建构了量子空间模型的语境论解释，以及不同模型下不同的实体、维度和结构。未来，波函数和量子空间的语境论解释将要承受量子场论、量子引力理论等更多的量子理论和实验的挑战，并将会为量子空间实在论作辩护。
本书在承认量子力学解释的描述并不完备的前提预设下，尝试通过语境分析法对不同量子力学解释语境下的波函数进行语义分析，从而揭示出波函数的意义，并使之与量子力学所刻画的量子空间的结构和维度等实在图景相吻合。其中包括波函数被解读为法则时存在的困难，波函数实在论的困境及出路，量子空间的形而上学预设、结构和维度，量子空间和日常空间关系的隐喻分析和语境分析等。通过对这些难题进行探究，*终提出某种和目前量子力学所刻画的量子世界图景相吻合的波函数解释。
目 录
导 言……………………………………………………………………001
一、国内外研究现状… ……………………………………………………… 002
二、本书的研究意义… ……………………………………………………… 005
三、本书的思路和框架… …………………………………………………… 008
四、本书的难点、创新和不足之处… ……………………………………… 012
第一章 量子力学的主要解释…………………………………………015
1.1… 量子力学解释的必要性分析… ………………………………………… 016
1.2… 量子力学初期的的量子力学解释………………………………………… 019
1.2.1 哥本哈根解释 …………………………………………………………019
1.2.2 系综解释 ………………………………………………………………023
1.2.3 随机过程解释 …………………………………………………………026
1.3… 量子力学中期的量子力学解释… ……………………………………… 027
1.3.1 玻姆解释 ………………………………………………………………028
1.3.2 多世界解释 ……………………………………………………………032
1.3.3 模态解释 ………………………………………………………………036
1.4… 量子力学近期的量子力学解释… ……………………………………… 038
1.4.1 退相干解释 ……………………………………………………………038
1.4.2 动态坍缩解释 …………………………………………………………041
1.4.3 相容历史解释、量子贝叶斯解释等其他解释 ………………………043
1.5… 小结… …………………………………………………………………… 045
第二章 不同量子理论解释下的波函数………………………………047
2.1… 量子力学初期对波函数的看法… ……………………………………… 047
2.2… 量子力学近期对波函数的看法… ……………………………………… 052
2.2.1 玻姆理论解释下波函数的意义 ………………………………………053
2.2.2 多世界解释下的波函数的意义 ………………………………………054
2.2.3 模态解释下波函数的意义 ……………………………………………055
2.2.4 量子贝叶斯解释下波函数的意义 ……………………………………056
2.3… 浅探波函数意义的多样性… …………………………………………… 058
2.4… 小结… …………………………………………………………………… 064
第三章 玻姆解释语境下的波函数……………………………………065
3.1… 科学解释语境… ………………………………………………………… 065
3.1.1 科学解释 ………………………………………………………………066
3.1.2 科学解释语境的结构和功能 …………………………………………069
3.2… 语境分析方法及其主要原则… ………………………………………… 074
3.2.1 语境分析方法 …………………………………………………………074
3.2.2 语境分析方法的主要原则 ……………………………………………077
3.3… 玻姆语境下作为法则的波函数… ……………………………………… 081
3.3.1 作为法则的波函数 ……………………………………………………083
3.3.2 作为法则的波函数的困境以及解决方式 ……………………………087
3.3.3 结束语：特定语境下的一种新平台 …………………………………092
3.4… 小结… …………………………………………………………………… 095
第四章 波函数实在论的困境及出路…………………………………097
4.1… 科学理论的语义分析… ………………………………………………… 097
4.1.1 语义分析方法 …………………………………………………………098
4.1.2 “实在”与语义分析方法 ……………………………………………101
4.2… 波函数实在论的两大难题………………………………………………… 103
4.2.1 波函数实在论 …………………………………………………………105
4.2.2 宏观客体难题 …………………………………………………………106
4.2.3 经验上的不相关性威胁 ………………………………………………112
4.3… 波函数实在论的出路… ………………………………………………… 113
4.3.1 走向波函数反实在论 …………………………………………………114
4.3.2 走向量子态实在论 ……………………………………………………116
4.3.3 走向量子场论 …………………………………………………………118
4.3.4 走向结构实在论 ………………………………………………………119
4.4… 走向语境论的波函数实在论… ………………………………………… 123
4.4.1 以“语境”为基底进行讨论的缘由 …………………………………124
4.4.2 语境论解释的优势 ……………………………………………………126
4.4.3 走向语境论的波函数实在论 …………………………………………127
4.5… 小结… …………………………………………………………………… 133
第五章 波函数语义解读的延伸与升华——量子空间研究…………134
5.1… 量子空间的基本实体及特征… ………………………………………… 135
5.1.1 量子空间的基本本体 …………………………………………………136
5.1.2 量子空间基本实体的特征——以玻姆解释群为例 …………………138
5.1.3 量子力学解释语境下量子空间的结构 ………………………………143
5.2… 量子空间的维度… ……………………………………………………… 156
5.2.1 量子空间维度的语义多维性 …………………………………………157
5.2.2 量子空间维度的真假探索 ……………………………………………162
5.2.3 量子空间维度在给定语境下的统一 …………………………………169
5.3… 小结… …………………………………………………………………… 175
第六章 量子空间的隐喻分析…………………………………………176
6.1… 科学语言与隐喻思维… ………………………………………………… 176
6.2… 科学隐喻的基本特征及其在量子理论内的应用… …………………… 181
6.2.1 科学隐喻的基本特征 …………………………………………………181
6.2.2 科学隐喻在量子理论内的应用 ………………………………………184
6.3… 量子空间内隐喻思维的应用… ………………………………………… 185
6.3.1 量子空间内基础本体的隐喻介入 ……………………………………185
6.3.2 量子空间模型建构过程内隐喻思维之体现 …………………………189
6.4… 小结… …………………………………………………………………… 191
结束语……………………………………………………………………192
参考文献…………………………………………………………………198
后 记 ……………………………………………………………………213
导 言
量子力学作为20世纪物理学变革的巨大研究成就之一，其引入与发展持续地变革着我们对量子世界的认识和看法，对其本体论、认识论以及方法论等哲学层面的研究带来了深远影响。自20世纪末，伴随现代量子基本理论水平的不断提升与实验实践水平的持续进步，量子力学的发展进程中陆续出现了一些新的哲学问题。这些问题有的涉及对旧理论的重新认识，也有的是新创生的理论。其中有两大问题与量子力学密切相关——波函数的意义及其密切相关的量子空间研究，二者均具有丰富的内涵和意义，是物理学家和物理哲学家重点关注的领域。
波函数作为量子力学的“硬核”，不仅贯穿于量子力学哲学研究的始终，在量子场论和量子引力理论等量子理论研究中也存在着重要影响。在实践层面，波函数在量子信息、量子计算、量子纠缠和量子密钥输运等新兴交叉学科方面均有重要应用。尤其是 2016 年引力波信号探测的新发现，更是将波函数意义研究的重要性推向极致，我们可以利用引力波来探测高维空间，进而加深对量子空间的认识。事实上，波函数理论内的相关根本难题持续地受到物理学家和哲学家们的广泛重视，其中囊括了最初在量子力学内就一贯广受分歧的某些困惑，举例说波函数与量子信息难题、波函数与意识问题、局域性与非局域性难题等，不一而足。此外，还囊括了某些新生成的难题，包括波函数的实在性难题，波函数存在的量子空间难题——是存在于希尔伯特空间还是投影于希尔伯特空间，量子空间的实体、结构、维度，以及量子空间与日常空间的关系难题等。对波函数而言，很多物理学家和物理哲学家们对波函数仅持一种工具主义的态度，即认为波函数只是一个纯粹的数学工具，而不关心波函数自身的本体论地位，这种态度实际上缺少一种对其生成理性的挖掘，那么这将造成我们对波函数的理解不够全面和深入。因此，我们需要在实在论立场上对波函数的实在论意义进行一种更深层次的理解和研究。对待持有实在论立场的那些物理学家和物理哲学家而言，思考波函数的实在论意义对拓宽量子空间相关问题的理解，则是非常重要的问题。比如，波函数的本质是什么？量子空间的逻辑基础是什么？波函数意义的理解对量子空间的认识产生何种影响？我们从这些问题中可以看出，厘清波函数的意义与量子空间相关概念，除能帮助我们加深理解波函数的本质及其在实践领域的应用，还能进一步提升量子空间形而上学的预设以及量子世界图景的建构。
本书在承认量子力学描述并不完备的前提预设下，尝试通过利用语言分析方法对波函数进行语义分析，从而揭示出波函数的意义，并使之与量子力学所刻画的量子空间的结构和维度等实在图景相吻合，是本书的努力方向。其中包括波函数被解读为法则时存在的困难、波函数实在论的困境及出路等问题讨论，量子空间的形而上学预设、结构和维度，量子空间和日常空间关系的隐喻分析和语境分析等。通过对这些难题进行探究，试图提出某种和目前量子力学所刻画的量子世界图景相吻合的波函数解释。
一、国内外研究现状
量子力学自诞生以来便始终伴随着广泛的量子力学哲学研究，产生了大量的研究成果，主要包括量子通信、量子计算、量子测量难题和量子系统的非局域性研究。得益于古典哲学时代的早期探索，波函数内涉及的种种根本难题，从其理论概念出现伊始便受到了科学与哲学的双重检视。此外，波函数作为联系理论定律和现象世界的桥梁，不仅在量子力学领域方面举足轻重，在量子场论和量子引力理论的发展中也是不可或缺的，是以对波函数意义的哲学探究就变得极其重要。
国外学者对波函数及其相关的哲学研究可谓百家争鸣、百花齐放。这些论文、论文集和专著涵盖了很多内容，它们大都就波函数或与其密切相关的重要内容进行了哲学分析。这些内容大概包含：物理哲学家们对波函数的认识问题、波函数实在论面临的局域性难题、波函数实在论在量子场论内应用的有效性问题、波函数实在论的未来走向、波函数的语义解读对量子空间维度和结构认识的影响以及波函数、粒子与量子空间的本体论问题等等。此外，还有很多物理学家和物理哲学家从量子场论和量子引力理论的角度去看待波函数及其存在空间的哲学问题。当然，从某种意义上讲，波函数哲学与量子空间的基础问题是相互依赖的。具体来说，主要有以下学者进行了讨论。
1997年，弗里德曼（Friedman）在《隐区域：量子波函数与自然的创造之源》一书中以科普性的方式谈及了波函数的意义、量子空间维度的多维性，以及意识对波函数本质理解的影响；2002年，迈腾（Monton）在“波函数本体论”中专门阐述了他对波函数的看法，提出波函数只是一个工具，此后，他又于2006年在“量子力学和3N维空间”一文中修正了对波函数的看法，同时阐明了波函数的不同看法对量子空间维度认识所产生的影响；2007年，格林（Greene）在《宇宙的结构：空间、时间以及真实性的意义》一书中讨论了，量子世界的实在性，以及量子引力理论内时空背景相关的弦论理论语境下，量子空间的结构和维度。2013年，奈伊（Ney）和阿伯特（Albert）主编的论文集“波函数：量子力学的形而上学随笔”中涉及十个话题，其中5个话题就直接与波函数相关，剩余五个话题涉及了波函数和量子空间；2014年，诺斯（Norsen）和马利恩（Marian）在“位形空间的波函数能否被物理空间的单粒子波函数代替”一文中讨论了量子空间的维度是3维的可行性；2015年，麦佑德（Myrvold）在“波函数是什么”一文探讨了在量子力学语境下如何看待波函数及其存在的量子空间的地位。同年，奈伊在“基础物理实体与经验一致性限制：波函数实在论的辩护”一文指出，波函数存在的位形空间与基础量子空间重合。从某种角度来看，量子空间哲学研究的主要内容，与量子力学解释系统内的哲学研究和量子理论的进步发展齐头并进，生成许多丰富的研究成绩。比如，巴布（Bub）的专著——《解释量子世界》，对量子力学的多种解释体系进行了系统性的哲学研究，惠尤斯在其专著“量子力学的结构和解释”内概括性地就量子理论的哲学诠释进行了阐述，对希尔伯特空间的结构进行了详细剖析以及对其成功的缘由进行了阐明，归纳了量子理论解释进程中遭遇的难题，并就如何攻克这些难题提供了相应的建议。
整体来看国外波函数的哲学研究，可以发现，由于人类在多数情形下无法就哲学难题和科学难题彼此间进行明晰的区分，致使许多科研成果是被物理学家研究而实现的。然而，这种情形与物理学领域自带的前沿性密不可分，该领域的最新进展常常会给哲学思考带来新思路与新证据的支撑。这也提醒着我们在探究过程中，要时刻留意物理学在理论和实验方面的最新研究进展，把哲学探究建立在这些新进展的基底之上。
相比于国外的迅猛进步，国内涉及该主旨的哲学探究则明显匮乏。从科研成果以及发表的相关文献为视角，国内以波函数为主题进行探讨的哲学探究凤毛麟角，仅有的几篇论文研究视角要么较为宏观，内容尚不够深入；要么只是在其他主题的研究中稍微涉及，譬如说量子力学解释、量子测量难题、量子计算与量子逻辑、局域性和非局域性探究等等，不一而足；特地以量子空间为主题的哲学探究更是史无前例。
详细说来，在波函数哲学方面，2012年，吴国林教授在《哲学研究》杂志上发表“波函数的实在性分析”，文中分别从科学实在论和技术哲学的视角出发去探讨波函数的实在性与可控性；2015年，李德新在其博士论文“量子场论的意义与语义分析方法”中简略提及了波函数在量子力学语境和量子场论语境下含义的差别；此外，赵国求教授2008年发表的专著——《从相互作用实在到量子力学曲率解释》中，把波函数解释为曲率波。在量子空间的涉及方面，2010年，程瑞在其博士论文“当代时空实在论研究”中涉及一些量子引力时空中语境下量子时空的实在性；李德新在其博士论文中提及了在量子场论语境下，量子空间的“针垫”结构模型；河南师范大学薛晓舟教授对量子引力语境下量子空间的探索集中在了真空问题的研究上。
综合来看国内对波函数的哲学探索，可以发现，这些研究只是概括性地描述了波函数的实在性，尚未在具体的理论语境下就波函数意义的整体特征进行系统全面的分析，更遑论对波函数语义解读进行延伸和升华，进而对量子空间进行相关探索。因此，对波函数及量子空间的研究尚存在继续深入的价值空间。
第一章 量子力学的主要解释
在物理学家和物理哲学家普遍看来，物理学理论往往主要由数学形式和物理概念两部分构成，量子力学理论作为 20 世纪最有成就的科学理论也不例外。量子力学中的重要概念和直觉没有关联，促进人们探寻对量子理论的深层理解。作为被爱因斯坦和玻尔用“上帝跟宇宙玩掷骰子”来形容的学科，量子力学在过去的一百年里，给日常世界的人类带来了太多革命性的发明创造，比如在晶体管、激光器、超精密温度计、能量回收、确定时钟、量子信息加密、量子计算和量子远距传输等领域均有极其广泛的应用。
在构建量子力学过程中，往往每个数学步骤均有与其对应的量子世界图景的描述，这既是物理学家和物理哲学家的信念，也是科学知识整体建构所需。相对而言，量子力学解释作为一个较为模糊的概念，它既可指理论的部分或全部语义，也可以指被扩展或被修正的理论。亦即是说，理论必须体现“语义上的一致性”——理论表达的前提是其语义运用的一致性。从某个方面来看，量子力学解释做的正是这些拓展性的工作。如何从语义和逻辑上清楚地理解量子力学？可以从具体某种量子力学解释作为对量子世界探讨的出路。量子力学是否有解释的必要？哪种解释的出路更优？为何多种解释共存？量子世界和日常世界之间是什么关系？从物理实验感知到的量子实在的建构如何可能？这些都是研究量子力学哲学问题时不可回避的问题。量子力学解释上的多元性，不仅由于它与经典力学看待世界的观点不一致，也与经典形而上学的形式不一致。作为一种物理理论，除具备数学上的明晰性外，还存在对结果预期的经验可能性，然而其基础假设较少地受到预言的限制。所有成熟的科学理论均非纯粹的经验归纳便能产生，而是一种演绎的公理体系。该公理体系不仅为物理学家和物理哲学家们提供了在当前阶段所认可的描述经验世界的语言框架，而且预设了它们理解物理实在的哲学前提。这便充分体现了对理论解释的重要性。哥本哈根解释、系综解释、多世界解释、玻姆解释、模态解释、量子贝叶斯解释、客观坍缩解释（GRW 理论）、退相干解释等诸多量子力学解释，均试图在语义上、逻辑上使人们更能清晰地理解量子力学。
正统的哥本哈根解释因其语义的不一致性受到质疑，非正统解释中的玻姆解释、多世界解释、模态解释等其他解释就量子力学解释进行了重新建构。通过对相关解释进行梳理，并弄清这些解释的建构者们是用什么样的语义看待微观世界，它们之间的差别在哪里。本章首先分析量子解释的必要性，接着对量子力学的每种解释和对各种解释的评价以及它们对理解世界的观点的基础上进行各种比较解释，进而对我们如何可以协调量子力学的数学陈述和物理陈述、量子理论陈述和形而上学陈述，以及量子理论与经典理论之间的关系进行分析。在寻求不同解释间差异的张力中，理解量子力学的意义和价值。
1.1 量子力学解释的必要性分析
物理理论往往由数学形式和物理意义两部分组成。数学形式包括诸如符号、数学公式和方程等数学结构，物理意义包括对内在于研究实验和研究背景的解释和外在于测量结果的预估。所有数学符号均有一定的物理意义，物理意义虽缺乏数学形式在假设和推理方面的严谨性，但它能在语言上清晰地描述应用于实验测量中的数学形式。若只有好的数学形式，没有对应的物理意义，则难以建构与其关联的物理理论。因此，阐述物理意义对阐明每个理论具有重要意义。此外，在物理理论的建构过程中，往往每个数学计算均应该得到解释。这不仅是物理学家的理念，也是整体科学知识构成的需要。受该种理念的影响，物理学家在理论框架内便设计了相应的对实验结果的语言。
与物理理论相比，对该理论的解释往往具有模糊性。它既可指理论的全部或部分语义，也可指被拓展或修正的理论——加入理论的一系列陈述。理论需自身术语定义上的精确性。正如爱因斯坦所言，只有理论方能告知我们可以观察到什么。也就是说，理论必须体现“语义上的一致性”。在某种程度上而言，理论的语言表达前提是理论能够被一致地应用。对一个新理论要保持其语义上的一致性工作可被看作是对理论的解释。正如库恩所言，科学范式是多因素、多层次内容构成的整体，是理论知识、哲学信仰、价值标准、研究方法和实验仪器构成的分解不开的混合物。量子力学解释作为量子力学理论的一部分，某种意义上可以被看作是对量子力学理论的拓展。无论哪种解释，其最终目的都是为了最终试图在语义上、逻辑上使人们更好地理解量子力学。
然而，并非所有物理论均存在好的语义一致性。语义及其拓展很难分解开，它们均与解释相关。因此，各种解释均需提出语义及拓展的说明，种种解释从语义上来看均是开放的。此外，任何物理理论均有部分的语言理论，即如何理解物理中的数学结构。要求理论在语义上实现一致性意味着理论的语言要遵守理论定律，通常只能在有限的范围内达到目的。因为对一个理论的而语言要遵守理论定律，通常只能在有限的范围内实现目的。由于对一个理论的数学内容的描述必须明确，然则文字的理解确实建立在各种不同的通俗的语言基础之上。量子力学理论应该在很高程度上达到语义一致性。量子理论中的部分阐述有的是其部分预言，这些预言或许是经验的选择结果。
量子力学是否存在解释的“必要性”呢？不同的物理学家和物理哲学家有不同的看法。很多物理学家认为量子力学不存在解释的必要性，它们认为只需工具主义的解释即可。所有现代科学家理论均要求以最少的工具主义描述将数学形式和实验实际和预言相结合。在量子力学中，最普遍的工具主义描述的是态制备过程和测量过程之间的统计规则的断言。由于语义使用在某种程度上的误解，仅有的工具主义描述也会被视为一种解释。事实上工具主义明确避免了任何解释性的作用，即它没有企图回答量子力学谈论的问题。除工具主义解释外，哥本哈根解释、系综解释、随机过程解释、多世界解释等也是物理学家们运用最普遍的解释。比如皮尔森（Asher Peres）和福斯（ChrisFuchs）似乎认为解释什么也不是，只不过是作为与操作实验规则的集合等价的形而上学而已。这便意味着非工具主义解释不存在任何必要。
不管怎样，量子力学需要解释是一个不争的事实。因为量子力学的数学结构极其抽象，比如希尔伯特空间和作用在希尔伯特空间上的算符，此外对量子客体的测量“过程”对理论起到了明显的重要作用。用于描述时间演化的非相对论系统的数学形式有两种不同种类的变化：一种是作用在态空间的单一算符描述的可逆变化，这种变化可通过薛定谔方程解决。另一种是更加复杂的数学上的转化所刻画的不可逆和不可预知的变化。这两种变化均在测量结果的系统中有所体现。量子力学解释为后一种变化提供了由纯粹地对数学还原所展示的各种合理的解释图景，比如多世界解释或退相干解释。
此外，在量子力学解释中，解释需要刻画量子客体是否满足具有某种确定属性的特征，比如实在性、完备性、局域性与非局域性等。为解释这些属性，我们需要更精准地刻画量子世界图景。这样一来，人们会赞成任何解释是对应于数学形式的要素与解释结构的要素。然而，量子力学的工具主义观点对物理实在的要素并未做出任何主张和断言。除了实在性，还有完备性、决定性和局域性等属性。当前量子力学中使用的“互补性”和“实在性”通常被认为是源于爱因斯坦等人的EPR悖论。EPR定义了一个“完备的物理理论”作为物理实在的每个要素，为理论探寻缘由。从语义学解释看，假如每个解释结构的要素由数学形式找到依据，那么该解释理论是完备的。实在性是每个数学形式要素的属性。譬如，在多世界解释中，与系统量子态相对应的态矢量被假定为对应于每个物理实在的要素，然而在其他非工具主义解释中的描述却并非这样。决定性描述的是某一段时间内产生的态的变化的属性，亦即意味着未来每个瞬时的态是现在态的函数。一个特殊的解释结构是决定性的还是非决定性的并不是很清晰，由于缺乏明确的选择时间参数。
在日常量子力学之外的研究，也被认为是量子力学解释的内容。例如对量子纠缠的解释、对量子跃迁的解释、对量子通信和量子加密等技术的解释，这些内容均可以被看作是对量子力学进一步的研究。随着实验技术的迅猛进步，我们进入了研究“非常规”的量子力学时代。由此需要更加深入地研究量子力学解释。
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