量子力學詮釋綜論

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量子力學詮釋綜論

唐先一

作者簡介：唐先一(1977- )，男，上海人，匹茲堡大學物理系博士生候選人、中國科學院自然與社會交叉科學研究中心客座學者，研究方向為科學哲學、社會物理學等。E-mail:tangxianyi01＠163.com。北京 100190；張志林(1957- )，男，重慶人，復旦大學教授、博士生導師，研究方向為科學哲學、語言哲學、形而上學等，E-mail:zhilinzh＠fudan.edu.cn。上海 200433

人大複印：《科學技術哲學》2017 年 03 期

原發期刊：《自然辯證法通訊》2016 年第 20166 期 第 29-40 頁

關鍵詞：量子力學詮釋/ 測量問題/ 自由意志定理/ 觀測者意識/ 觀測者知覺/ Interpretations of quantum mechanics/ Measurement problem/ Free will theorem/ Observer s consciousness/ Observer s perception/

摘要：量子測量問題懸而未決已近一個世紀。本文回顧了測量問題的實質，以及當前13種主流的量子詮釋理論和它們各自尚存的問題，並依據四條確鑿標準對它們予以評價。基於康韋和寇辰等的自由意志定理，本文提出合理的量子詮釋應充分體現粒子的自由意志，並緊抓測量問題的關鍵，即觀測者的知覺過程。

電子到底是粒子還是波?量子糾纏如何能跨越時空，即使在類空間隔中仍能協調兩個粒子的行為?這些微觀世界所展現出來的「量子荒謬性」就夠令人費盡神思的了。然而更糟糕的是，我們還有測量問題。[1]，[2]

一、量子測量問題

量子測量問題究竟是什麼?在曹天元先生的《上帝擲骰子嗎?——量子物理史話》中，[3]對之做了頗為精準的描述：

波函數的演化與坍縮是兩種迥然不同的過程，後者隨機，不可逆，至今也不清楚內在的機制究竟是什麼。是什麼觸動了波函數的坍縮?是「觀測」嗎?但是，我們這樣講的時候，用的語言是日常的，曖昧的，模稜兩可的。我們一直理所當然地用使用「觀測」這個詞語，卻沒有給它下一個精確的定義。什麼樣的行為算是一次「觀測」?而如果說人可以算是「觀測者」，那麼貓呢?一台計算機呢?一個蓋革計數器又如何?……單單儀器與粒子的相互作用不能構成「觀測」，因為這台儀器本身也有自己的波函數，如果我們不「觀測」這台儀器本身，它的波函數便也陷入一種模糊的疊加態中……這整個鏈條的最後一台儀器總是處在不確定狀態中，這叫做「無限後退(infinite regression)」……當我們的大腦接受到測量的信息後，gameover，波函數不再搗亂了。難道說，人類意識(consciousness)的參與才是波函數坍縮的原因?……難道「意識」，這種虛無飄渺的概念真的要佔領神聖的物理領域，成為我們理論的一個核心嗎?……究竟什麼才是「意識」?這帶來的問題比我們的波函數本身還要多得多……意識是獨立於物質的嗎?它服從物理定律嗎?意識可以存在於低等動物身上嗎?可以存在於機器中嗎?

近期引起了廣泛關注與認可的施洛斯豪爾(M.Schlosshauer)的綜述中仔細地探討了量子測量問題，[4]並將之歸納為兩點疑問：

1)明確結果問題(problem of definite outcomes)：為什麼人類能測量得到儀器指針處於一個向上或向下的明確位置，而非其疊加態?要知道，從量子理論來看，兩者並無本質差別，都是希爾伯特空間中的態矢。

2)優先基矢問題(problem of the preferred basis)：為什麼測量結果總是對應於一組特殊的基矢表象，例如指針向上或向下，而非其他表象?要知道，從量子理論來看，各組表象之間並無本質差別。而且，實際的測量結果之表象往往是對應了儀器不同的空間位形分布。

隨著對量子力學詮釋的各種理論流派不斷地湧現，在不同的詮釋框架之下，量子測量問題也呈現出不同的形式。例如，有的詮釋中承認波包坍縮，那它就是一個必須面對的問題；[5]，[6]而「多世界」等詮釋中，[7]，[8]，[9]波包卻從不坍縮，便沒有該問題。這樣一來，似乎要說清楚什麼是量子測量問題本身也變困難了。

現在，讓筆者們先局限於最傳統、正統的量子詮釋——哥本哈根解釋(Copenhagen Interpretation，standard Interpretation，orthodox Interpretation)的框架之下，[10]，[11]，[12]，[13]來闡述和定義量子測量問題。哥本哈根解釋承認測量過程的存在，其時波函數坍縮，觀測者獲得經典的測量結果。但如曹天元書中所述，[3]它對測量的定義模糊不清，似乎只能從人們自身的生活經驗中自然地理解。該解釋框架下，有測量問題如下：

1)波函數在測量時發生塌縮，這是一個薛定諤方程不能描述的過程。作為一個力學體系，怎麼會有物理過程不能為其方程描述?

2)哥本哈根解釋要求在「量子的世界」外，尚有一個「經典的世界」存在。那麼描述這個「經典的世界」的力學方程又是什麼?經典與量子的世界間的分界線，即海森堡分界(Heisenberg cut，見[14])又在哪裡?

3)測量過程到底是不是一個純物質的過程?如果是，那麼描述物質過程的方程必定不只薛定諤方程一個，其餘方程是什麼?如果不是，精神、或意識將不可避免地以一種非物質性的姿態進入物理學領域。怎麼進入?它們服從什麼規律嗎?

4)明確結果問題。

5)優先基矢問題。

由上可見，不論在哪種詮釋框架之下，測量問題的核心並不曾改變，即：我們所體驗到的「經典的世界」與薛定諤方程所描述的「量子的世界」如何協調統一?由朦朧的量子波所描繪的微觀世界之上，是如何構建出我們所熟知的、明晰而確定的經典的世界?[1]

在此問的基礎之上，學界已進一步列舉出了一系列核心問題，是任何一種量子詮釋都必須去面對和回答的，它們是：[15]

1)體系演化是決定論性的，還是非決定論的?

2)量子波是真實的波，還是知識(或信息)?

3)只有一個宇宙(歷史)嗎?

4)是否存在隱參量?

5)波函數是否發生坍縮?

6)觀測者的作用是不可或缺的嗎?(指對產生出經典的測量結果)

7)量子波是否符合定域性條件?

8)彼此不對易的物理量能否同時具有確定的值?

9)整個宇宙能被一個大而複雜的波函數所描述嗎?

在維基百科上，現有較為知名的13個量子詮釋理論對以上九大問題的回答被總結於表1中[15]：

二、現有的八大類量子詮釋理論

接著讓我們來檢查現有的這些詮釋理論，看看它們各自尚面臨哪些問題，令測量問題至今懸而未決。受篇幅所限，筆者將不逐一細數這些理論，而是按照通行的觀點，將它們分為如下8大類詮釋，來逐個討論：[4]，[16]，[17]

1)哥本哈根的解釋

2)退相干解釋

3)多世界解釋(及相對態詮釋)

4)隱參量理論

5)客觀坍縮模型

6)相容歷史觀解釋

7)模態解釋

8)語義重構類解釋

1.哥本哈根學派的解釋

傳統的哥本哈根學派認為[12]，[13]，[15]，量子波函數描述了體系狀態，它的演化方式有二：1)不測量時，波函數依照薛定諤方程演化；2)測量時，波函數坍縮到若干種可能之一，即實測結果所對應的本徵態波函數。且該過程不能為薛定諤方程所描述。然而，正統的哥本哈根學派對什麼是測量過程，採取了一定程度的「保留意見」。這一點上，或許狄拉克的那句名言最能概括和反應：「shut up and calculate!」[10]

儘管如此，毋庸置疑的是哥本哈根學派承認存在「量子世界」的同時存在「經典的世界」，且後者尚不能從前者導出；承認觀測者不可或缺的作用；認為世界是非決定論的，粒子行為具有內稟的隨機性；且認為宇宙是單一唯一的，否認平行世界和隱參量的存在。[15]

正統的哥本哈根學派解釋對人類文明的進步與發展功不可沒，在該解釋的支撐下，量子力學在各個領域取得了無數的輝煌成就。哥本哈根解釋也至今被奉為對量子力學最正統的解讀。然而，該解釋自身的問題也十分明顯——即留下了量子測量問題。因此被人詬病為邏輯上不能自圓其說，是一個不能自洽的解釋。

另外，馮諾伊曼-魏格納詮釋值得一提。[15]它是一種與哥本哈根非常接近的詮釋。然而，馮諾依曼詮釋更為大膽和激進。它採取了直面問題的態度，認為波包坍縮是一個非物質的過程，是觀測者的意識使得量子波坍縮的。然而，這種超前的詮釋卻只是帶來了更多的問題：意識是什麼?它與量子波如何相互作用?而且，優先基矢問題仍無法解釋，顯然還需要引入其它更多的規則。就連尤金·魏格納(E.Wigner)本人後來也宣稱放棄了該詮釋方案。

2.退相干解釋

在1985年瞿斯(E.Joos)和澤赫(H.D.Zeh)發表的論文中[18]，作者們宣稱介由退相干過程，可以解決測量問題。

該解釋的主要思想是，在與環境的相互作用下，體系原先具有量子相干性的波函數的不同分量，其之間的量子相位聯繫會逐漸失去，轉而各自同環境建立量子糾纏。這樣，原來相干的波函數不同分量間將變得彼此不再相干，於是體系波函數的行為將從滿足量子概率統計的規律轉變為滿足經典概率規律。此即退相干過程。(例如電子雙縫干涉實驗中，若用光子去照射，電子的干涉性就會消失，轉而服從經典的概率疊加。)

而瞿斯等提出的另一重要思想為：任何體系擁有的經典性質，勢必都對應著經典的可觀測量(或它們的函數)，即，都可以用宏觀的測量儀器加以測量和記錄。[19]而體系的明晰確定的微觀性質(例如一個電子的自旋方向)，也必定滿足其可被宏觀測量，即，體系的一系列可能的微觀狀態會和宏觀儀器的一系列不同的宏觀狀態建立一一對應的關聯。而且這種關聯必須穩定可靠，不能被打亂和破壞，即使在環境的各種複雜干擾之下。這樣就對體系所有的經典性質(或明晰、唯一確定的性質)提出了一個前提要求：該性質為不同值時所對應的各個不同微觀狀態，必須能與宏觀儀器的不同狀態建立穩定的一一對應的關聯，該關聯不能被環境作用所破壞。該要求被稱作穩定性判據(robustness criterion，或stability criterion)。[20]，[21]

與環境相互作用，就會發生「退相干過程」。該過程中，體系內部的、體系與測量儀器間的許多量子關聯將迅速地失去，而那些能在該過程中仍然存活下來的體系與儀器間的關聯性，就對應了體系的「經典性質」。這種淘汰與存活，「經典性質」必須「適者生存」的觀點與生物學中達爾文進化論相似，也被稱為量子達爾文主義。[19]，[22]綜上所述，瞿斯和澤赫認為，介由退相干過程和穩定性判據，經典性質(以及經典的世界)就被從量子世界中構建了出來。

不可否認，退相干理論有其極具價值的地方，該理論也在不斷地被完善和發展著，取得許多了不起的成就。[23]，[24]，[25]毋庸置疑地，退相干理論對於解決量子測量問題具有重大的意義。[4]然而，現在的學界也逐漸達成了一致共識：單憑退相干理論不足以解決測量問題。[26]以至於量子詮釋的維基百科頁面上，[15]也已不包含退相干解釋。

原因主要有二。其一，退相干理論完全居於量子力學的框架之內，故而並無法描述或解釋波函數坍縮的問題；其二，明確結果問題也仍無法解決——在退相干理論下，體系與環境仍然處在一個更龐大的純態波函數狀態下。雖然體系的各個可能性之間的量子干涉消失了，服從經典的概率統計規律，但是這些可能性仍然是疊加在一起的——薛定諤的貓仍舊處於死貓與活貓的疊加態之中。

現今的大量實驗實踐中，退相干現象已經被證實普遍存在，其理論計算也得到了反覆驗證，堪稱根基紮實。而退相干理論被認為是解決測量問題中關鍵的一環。許多其他的量子力學詮釋，都借用了退相干的方案和結果。例如，對於哥本哈根詮釋，它可以提供解決優先基矢問題的進路、[4]及大致計算海森堡分界何在；[14]對於相對態詮釋，它可以計算宇宙發生分裂的條件及方式；[27]對於模態詮釋，它可以幫助計算「值態」如何隨時間演化；[28]，[29]對於相容歷史觀，它可以選出較佳的用以區分不同歷史軌跡的歷史投影運算元等。[30]

3.多世界解釋(及相對態詮釋)

既然薛定諤方程告訴我們，貓處於死貓和活貓的疊加之中，但我們為什麼從來觀察不到這個現象呢?如果波函數從沒有坍縮，那會不會是我們其實也處於疊加之中——一個我們觀察到了活貓、另一個測得死貓?基於這種思想，1954年，休·埃弗萊特(H.Everett)提出了量子力學的多世界詮釋。[8]該詮釋下，每次測量時，世界即發生分頁，即「分裂」成若干個世界。所有的測量結果其實全都發生——各自在不同的「分頁世界」里(這樣波函數也不必坍縮到某個特殊的本徵態了)。故而在每一個分頁世界裡，測量結果都是唯一明確的，「經典的世界」於是憑藉著「世界分頁」出現了。

隨著其後一些類似的詮釋理論被提出，這些理論被歸入一大類量子力學詮釋理論：相對態詮釋(relative-state Interpretations)。[31]其中主要包含多世界、[8]多心理論等。[32]這類理論的共同點是：

1)波函數並不坍縮，而宇宙存在多個「真實」——宇宙被分支(分頁)了；

2)量子波的演化是真實的，且始終按照薛定諤方程的描述；

3)測量過程(可能還有其他過程)對應了宇宙的分頁；

4)我們只能感受到一個「真實」，即，我們只活在一個分頁之中。

相對態詮釋也受到許多質疑和反對：[33]

1)其理論不具有簡潔性。為解決測量問題，引入如此多人們並感受不到的平行宇宙是否必要?(也有學者認為其符合簡潔性，見[34]。)

2)不能回答優先基矢問題。提出者們對於該問題或迴避，或認為可以利用空間定域，即位置坐標來回答。[7]不過有了退相干理論作為補充的話，這個問題其實不大。如上文所述，可以利用退相干過程和穩定性判據來挑選基矢。[4]，[27]

3)與人類正常的倫理和行為模式可能存在衝突(量子輪盤賭問題)。[35]研究發現，一個篤信多世界理論的人，其行為可能與常人有異，會熱衷於用性命做賭注，高風險高賠率的量子輪盤賭——因為在不同分頁世界中，要麼生命終止，要麼極其富有，反正結果該人自己的體驗肯定是大富大貴了(因為只有那個分頁中他還能體驗世界)。而普通的人們，儘管可能對量子力學一無所知，卻似乎都是自然而然地依照著正統的「波包坍縮」理論行事的。為了避免這個困局，支持者們又提出了「概率假設(probability postulate)」，[36]及需要遵守的「行為原則」(behavior principle，即對測量後所有分頁世界中的自己負責)，[33]來確保篤信多世界者的行為與普通人一致。但這樣，簡潔性看來是註定失去了。

4)也有學者認為，多世界理論其實是將波函數置於最根本之地位。而這點上有問題，波函數不可能能描述宇宙中的所有一切。[37]

4.隱參量類理論

量子力學描述下的粒子具有內稟的不確定性，這令不少習慣了牛頓力學的決定論性質的學者心存疑慮。就如愛因斯坦所說：「上帝不擲骰子。」這種決定論傾向催生了一類量子詮釋理論：隱參量理論(Hidden Variable Theory)。[38]這類理論的共同點是：認為量子力學是不完整的，量子力學的不確定性是由於缺乏足夠的信息和理解造成的，而當我們擁有了足夠的信息(即隱參量)，就能準確預測粒子行為。這樣將回到一個決定論性的理論。其中最早可追溯至德布羅意於1927年第五屆索爾維物理學會議上提出的「領波」理論。[39]其後他本人放棄了這個詮釋，而玻姆將之延續並發展，成為了現稱的「德布羅意-玻姆隱參量理論」。[40]，[41]，[42]該詮釋理論中，粒子始終是粒子，具有一個清晰確定的位置(這樣也就回答了明確結果問題和優先基矢問題)，同時伴有一個「導波」，引導著粒子的運動行為。而「導波」從不發生坍縮。例如，在電子雙縫干涉實驗中，電子作為一個粒子，其實只穿過了一條狹縫，而它的「導波」在雙縫上發生了干涉，因而最終造成了電子的干涉紋樣。

玻姆隱參量理論其實是將量子力學直接還原成了經典的圖景。量子波也變成了經典波，是整個物理圖景中的一部分。這樣，體系其實永遠是經典的、確定的，測量只是揭示了該經典狀態。薛定諤方程和「量子的世界」都被拋棄了。

由上可見，隱參量類的理論其實反映了一種對經典圖景和決定論的固執，其問題也是很多：

1)該類理論具有非定域性。約翰·斯圖爾特·貝爾提出的著名的「貝爾不等式」[43]及其於1981年的實驗證否，[44]宣告了所有定域性的隱參量理論被否定。這樣，隱參量理論必須具有非定域性，即存在超光速的作用。這顯然與相對論的精神矛盾。另外，這也將意味著嚴格因果時序性的破壞，即未來發生的事情可以對現在發生影響。而這至少對所有的博彩業將造成災難性的後果和影響。

2)該類理論不具有簡潔性。2011年科爾貝克(R.Colbeck)等人，基於測量基矢的可自由選擇，從數學上證明了：不可能存在量子力學以外的理論，能在統計意義上對粒子行為做出更加精準的刻畫和預測。[45]這樣，在對實驗結果的預測上，隱參量的引入必然是冗餘的。

而筆者們認為，隱參量類的詮釋理論最大的問題還是在於：這是一個決定論的量子詮釋，從而抹殺了自由意志的可能。詳見後文關於自由意志的討論。

另外，近年隱參量類解釋中出現了一名新成員：隱測量解釋。[46]其核心假設是：測量時，體系與測量儀器間發生相互作用，而這個相互作用總是不可避免地帶有不可控的細微波動或變化，每次測量時都不盡相同，而且只在每次測量時才具體發生(actualized)。故此，測量之前，只能對各種可能的結果做一個概率分布的預測。與傳統隱參量理論不同的是，隱測量解釋認為，不確定的隱參量不包含在體系之中，而是包含於測量過程之中。但其實質仍然是一個隱參量理論，具有該類理論共有的問題和困難。

5.客觀坍縮模型

客觀坍縮模型類的量子詮釋採取了完全直面問題的態度——認為量子波的演化就是有兩種方式：薛定諤方程式的和隨機坍縮的。因此，在該類詮釋中，薛定諤方程被修改了，添入了隨機坍縮項。此類嘗試最早由珀爾(P.Pearle)於1976年提出。[47]發展至今，最負盛名的是由吉拉爾迪(G.C.Ghirardi)、里米尼(A.Rimini)和韋伯(T.Weber)提出的GRW模型，[6]和由彭羅斯(R.Penrose)提出的彭羅斯詮釋。[48]，[49]，[50]GRW模型的方法是在薛定諤方程中引入類白雜訊的隨機項，使得波函數各個分量前的量子係數逐漸改變。最終會有一個量子態的係數變成1，其餘基本歸零(因尾巴問題，不能徹底歸零，見下文)。於是體系自發、隨機地完成了波函數坍縮。此過程稱為隨機動態坍縮(stochastic dynamical reduction)。[51]為了解決優先基矢問題，吉拉爾迪、里米尼和韋伯進一步修改薛定諤方程，使波函數會最終坍縮至空間特定區域中(這樣優先基矢就是空間位置)，此即自發局域化模型(spontaneous localization model)。[6]GRW模型中，波函數的坍縮行為稱為「hits」。與退相干理論不同，hits的發生不需要環境的作用，乃是體系的一種隨機、自發行為。

除GRW模型外，也有一些客觀坍縮模型是修改薛定諤方程使波函數最終坍縮至能量表象的。[52]，[53]

彭羅斯是一位物理學家、數學家及思想家。彭羅斯詮釋認為是引力引起的時空彎曲使量子疊加態失穩而發生坍縮，與觀測者的測量無關。[48]，[49]，[50]，[54]綜上所述，在這類坍縮模型中，量子波即真實。伴隨其隨機的坍縮，量子的世界逐漸自發演變出經典的世界。該類詮釋的主要問題有：

1)違背薛定諤方程。至今為止，無數的實踐已經證明了薛定諤方程的正確性，然而該類理論卻否定之。從這個意義上說，客觀坍縮模型並非一種詮釋，而是一種新的物理學理論[15]。，

2)不為實驗事實所支持。如果按照客觀坍縮模型，波函數早在測量之前便已經坍縮，並失去了量子相干性。然而，現在的所有實驗卻一邊倒地支持量子力學，只要不與環境發生退相干，量子波始終保有相干性，不會自發消失。不僅微觀體系，介觀體系、宏觀體系亦是如此。[55]，[56]，[57]，[58]隨著實驗技術的不斷提升，體系尺度和自由度越來越大，但結果均證明量子力學仍然正確。故此，實驗事實傾向於否定客觀坍縮理論。(儘管通過修改模型參數，總可以讓客觀坍縮模型在實驗精度範圍內與實驗結果保持一致。)

3)尾巴問題(tail problem)。由於測不準原理的限制，波函數向位置坐標坍縮時，不可能無限局域化，否則能量會發散。因此，所有坍縮都必須是不徹底的，波函數在空間各處都會留下「尾巴」(即仍有少量彌散在空間)。而這些尾巴的物理意義不明。且這樣一來，體系其實仍在量子疊加態中[59]，[60]，[61]。

4)GRW模型中的hits，即波包自發坍縮，作為一種特殊的物理過程，其發生的原因、條件沒有任何解釋。

5)不能很好地回答優先基矢問題。由上可見，優先基矢是人為選定的，並據此修改薛定諤方程，理論人為痕迹明顯。且選位置或是能量皆有，缺乏統一標準。而如施洛斯豪爾指出，[4]若僅僅為了優先基矢，修改薛定諤方程毫無必要，退相干理論就已經做得很好，比客觀坍縮模型更好。

6)不具普適性。大多數客觀坍縮模型直接將空間位置坐標作為優先基矢，例如GRW模型和彭羅斯詮釋。這樣雖回答了優先基矢問題，但該答案顯然不具有普適性質。在2000年的超導量子干涉器(SQUID)實驗中，實現了首次宏觀意義上的量子疊加態。[58]在一個比髮絲直徑稍大的超導環中，實現了順時針和逆時針電流的疊加態。即，一個電子同時在進行順時針和逆時針方向的運動。如此一來，電子的波函數是不可能局域化的(否則不能同時在兩個方向運動)，因而自發坍縮往空間位置表象的客觀坍縮模型是註定無效的。研究表明，SQUID中的優先基矢應為能量表象。[58]

筆者們認為，解決測量問題，需要的是詮釋，而不是對現有量子理論的否定。修改薛定諤方程的進路不可取。

6.相容歷史詮釋

相容歷史詮釋可說是一個非常缺乏野心的詮釋。因為其整個理論中，似乎沒有任何試圖回答明確結果問題的嘗試，[62]，[63]故此無法全面地回答量子測量問題。該詮釋最早是由格韋思(R.B.Griffiths)提出，[9]初衷是為了尋找一個量子宇宙學研究中，將整個宇宙作為孤立系看待(即缺乏外部觀測者)時，量子描述能夠自洽的詮釋方法。

其詮釋的主要理論框架為：認為宇宙存在多個「歷史」。每個歷史可由一系列描述(proposition)構成。描述可以是任何一個問題及其答案，例如：粒子的位置在某個空間區域內嗎?這樣，在量子力學理論框架內，每個描述可對應於一個投影運算元。對於每一個歷史，將其所有描述的投影運算元按照時間順序連乘，即得該歷史的類算符(classoperator)。

於是有相容歷史觀點的核心判據——相容性判據：若兩個不同的歷史之間，其類算符左右夾乘體系初態密度矩陣後，求秩為零，則此二歷史相容(homogeneous histories)。[62]，[63]，[64]最終，人們可以找到這樣一組完備而相容的歷史，它們彼此皆相容，而且對於每一個描述所對應之問題，它們包含所有可能的答案。它們彼此的類算符夾乘密度矩陣後的秩為零；而若以任意一個歷史自己的類算符左右夾乘密度矩陣，秩將等於該歷史的概率。而這樣一組歷史的概率之和為1。相容歷史觀點認為：只有這樣一組相容歷史中的任意一個，才是對我們這個世界的可能的、有意義的、經典的描述，才可能對應了真實。

綜上所述，經由相容性判據，(各種可能的)經典世界就從量子世界中被構建出來。

相容歷史詮釋理論也是問題多多：

1)該理論中完全不談測量。對於什麼是測量，怎麼定義、解釋測量過程，該詮釋採取了幾乎完全迴避之態度。[15]

2)對於明確結果問題不予回答。

3)相容性判據失效。該理論的初衷之一，應該是由相容性判據來構建經典性，從量子的迷霧之中。然而，後續的理論計算髮現，很多情況下，經由相容判據所挑選出的歷史都是非經典的![30]，[65]，[66]

4)相容性判據冗餘。如果說，相容性判據僅僅是為了從量子迷霧中挑選出各種可能的經典世界的話，其實該判據毫無必要。因為環境退相干理論已經做到了，而且做得比它好。[4]並且，退相干理論是完全居於量子力學現有理論框架之內的，並不需要額外提出什麼判據條件。

5)相容性判據過嚴。理論計算髮現，測量自旋方向的儀器的「指針表象」居然都不能完全滿足相容性判據。而該表象應該是可以接受的經典表象。[67]

筆者們認為，相容歷史解釋還有一個問題，即承認「多個歷史」，這就是承認存在多個「真實」。這點上也值得商榷。

7.模態解釋

量子力學的模態詮釋最早由弗拉森(V.Fraassen)於上世紀七十年代提出。[68]其主要思想是經由現實化規則(actualization rule，詳見[69])自各物理量中挑出優先變數(privileged observables，也即優先基矢)，來構築經典世界。限於篇幅，關於模態詮釋筆者們將另行著文專論。

8.語義重構類詮釋

與上述諸類量子詮釋不同，有一類詮釋，既不增添任何新的判據條件，也不修改薛定諤方程，而是通過重新闡述與解讀，來試圖將測量問題消解於無形。它們主要包括：關係量子力學詮釋、量子力學的系綜詮釋、量子邏輯等。本文中統稱之為語義重構類詮釋。

關係量子力學詮釋最早由羅韋利(C.Rovelli)於1994年提出，[70]後被斯莫林(L.Smolin)和克蘭(L.Crane)等進一步應用於量子宇宙學。[71]該詮釋認為：量子波描述的並不是體系，而是體系與觀測者之間的某種關係；而測量過程只是一個普通的物理過程，會改變體系與觀測者間的關係與聯繫，故而會改變數子波。「體系」與「觀測者」的角色是可以互換的，二者並無本質區別，都可以是任意的物體，甚至「the observer can be a table lamp」。

系綜詮釋最早由玻恩提出於上世紀50年代，[72]認為量子波描述的對象必須是由大量粒子(及大量實驗測量)構成的系綜；而單個粒子、單個測量則都是經典的。這樣薛定諤的貓就很好解釋了：單個實驗中的貓總是或死亡或存活的，只有大量貓構成的系綜才處於死貓與活貓的疊加態之中。但是該理論卻對諸如為什麼一個光子能且只能與它自己發生干涉的問題無能為力。

量子邏輯詮釋最早由伯克霍夫(G.Birkhoff)和馮·諾伊曼(J.von Neumann)於1936年提出。[73]其進路是：既然正統的哥本哈根詮釋被認為邏輯上不能自洽，那會不會是邏輯錯了?如果根據量子詮釋的需要重新構建邏輯，使得正統詮釋在新的邏輯體系下自洽，問題自然迎刃而解。

綜上所述，這一類量子詮釋的共同之處在於：認為量子力學及其正統詮釋，其實沒有什麼本質上的問題。之所以會出現測量問題，是我們沒有理解好。只要我們重新解讀，就能令之消弭。這樣一來，該類詮釋並不給出什麼新的判據、或本質性的新內容，故而也當然地無法回答明確結果、優先基矢等問題，也無法自量子世界上構建出經典世界。相反地，該類詮釋似乎認為這些均是不需要回答的問題，或是不應由量子詮釋理論來予以回答。

筆者們認為，究其實質這類詮釋在試圖迴避測量問題。

三、依若干確鑿標準來縱覽諸詮釋理論

在依次討論了8大類詮釋之後，我們來縱覽表一中所羅列的13種較為著名的量子詮釋，並嘗試以一些確鑿的標準來予以評價。

標準一：反事實確定性(counterfactual definiteness)不成立。那些彼此不對易的物理量(例如位置和動量)能同時具有明晰、唯一確定的值嗎?如果認為可以，該詮釋理論就是反事實確定性的。然而，根據寇辰-史拜克(Kochen-Specker)佯謬，一個自旋1粒子在33個方向上的自旋值，是絕對不可以同時具有唯一確定值的。[74]故而，至少在這個特例中，反事實確定性失效。因此採信標準一。於是，表中理論3、12被否定。

標準二：優先基矢不能簡單地取為空間位置。因為如上文所述，SQUID實驗已經清晰地將之否定了。[58]因此，理論3、8、11被否定。(理論11中，GRW模型和彭羅斯的引力坍縮解釋，都使波函數空間局域化，見[6]，[54]。)

標準三：不應包含隱參量。否則要麼被貝爾不等式證否，[43]要麼非定域、破壞時序因果。據此，理論3、7、8被否定。

標準四：不應為決定論性詮釋。因為康韋(J.H.Conway)和寇辰(S.Kochen)的自由意志定理告訴我們，[75]，[76]認為粒子行為符合決定論即等同於否定我們人類之自由意志，這無疑是反科學、反倫理的，是荒謬的(詳見下節)。據此，理論3、6、7、9被否定。

這樣一來，表中還剩下理論1、2、4、5、10、13。除了一個既不談測量，也根本不回答明確結果問題的相容歷史詮釋外，居然只剩下了哥本哈根類詮釋和語義重構類詮釋!然而，相容歷史觀點回答不了測量問題，語義重構則更多地是在迴避問題。最後，又只剩下了那始終屹立不倒的哥本哈根詮釋和測量問題!

四、自由意志定理、知覺與詮釋進路

如果我們將哥本哈根視作正統，並觀察表一中「觀測者作用(observer role)」這一列，就會發現表中大多數的理論都夠離經叛道的!哥本哈根詮釋認為，正是觀測者的測量導致了波函數的坍縮。而縱覽表一中各詮釋，承認觀測者之地位不可或缺的，除了哥本哈根類詮釋之外，僅有量子力學的關係詮釋一個。(卻也稱「the observer can be a table lamp」，完全否認觀測者意識之作用。)

諸詮釋為何皆否定觀測者的地位和作用?因為不能提。提了，就會捲入一個叫作「意識」的大麻煩，陷入類似馮諾伊曼-魏格納詮釋的困境。

然而，「觀測者」可能是一個繞不過去的命題。所有的迴避，可能都不能得到令人滿意的詮釋。原因有二。一方面，根據退相干理論，宏觀測量儀器沒有必要是經典的，完全可以是大量服從量子力學的微觀粒子組合構成。當測量儀器與體系作用，發生退相干，體系波函數若干分量間的量子相干性消失。按照這一模式，任何後續的物質相互作用只會導致量子干涉性的消失，但體系和後續儀器的整體仍然處於各種可能性的疊加之中。此即馮諾依曼鏈條(von Neumann chain)。[77]而最終達成經典的、唯一確定的真實情況，則似乎必須要有觀測者的意識參與。

另一方面，測量問題之根源，就在於我們人類本身的體驗，就是在於我們的體驗與量子力學所描述的世界不符!若沒有我們之體驗則根本無從測量問題。其次才是我們的一類特殊的體驗——測量過程中面臨的波包坍縮問題。如此看來，測量問題其實非常類似哲學上通常所謂「兩個世界」的問題，一個是科學的世界，另一個是可感的、擁有情感、意志、道德、友誼的生活的世界。兩者雖然「越來越被實踐(Praxis)連接著」，卻又「為一條深淵所隔斷」。而測量問題之核心，其實也反映了這樣「一條深淵」，一邊是量子科學和薛定諤方程的世界，另一邊是人類可感的世界。

但其實，我們為什麼要迴避談論人類的知覺和體驗?我們的神經生物學已然如此發達，對神經活動的了解已達分子水平。同時，我們對人類心理、行為、解剖學的研究也已積累頗豐。若將這些積澱納入量子詮釋，可能離解決量子測量問題便已近在咫尺。

與這些迴避「觀測者意識」的量子詮釋之進路形成鮮明對比的是，2006年，普林斯頓大學的康韋和寇辰教授提出了自由意志定理，[75]，[76]利用三條公理SPIN(自旋1粒子的自旋量子化規律)、TWIN(兩個粒子的總自旋量子化規律)和MIN(信息不能以超光速傳播)，清晰地證明了：若人類具有自由意志，則基本粒子也同樣擁有。如此看來，量子力學的內稟不確定性，正是反映了基本粒子之自由意志。

關於測量問題，曾有一個為人熟知的說法：量子力學的秘密位於經典和量子世界的邊界上。而筆者們認為：量子力學的秘密，就在自由意志之中。

自由意志，將在量子詮釋中起到至關重要的作用；而自由意志最好的居所，就是波包坍縮時的各種可能所對應的自由。粒子們的自由意志和力學演化方程的鐵律，共同決定著宇宙的未來。

筆者們堅定地認為：在尋找一個合理的量子力學詮釋時，必須體現自由意志、體現整個宇宙未來的不確定性。量子力學計算出了粒子各種行為的發生幾率，而粒子的自由意志最終決定了粒子到底選擇哪種(經典的)行為。這就好像，波函數依照薛定諤方程，演化出重重的量子迷霧；而粒子們的自由意志選擇了宇宙發展的軌跡，在迷霧中踏出一條蜿蜒前行的經典的小徑，通往時間的前方。

按照自由意志定理，即便觀測者能掌握整個宇宙之前的歷史，粒子的行為卻不能以任何函數形式來準確預測。這表明，粒子的行為體現出一種非理性。而另一方面，量子力學的薛定諤方程代表了一種極致的理性。當我們人類，試圖用純粹的理性來預測非理性時，最好的結果就是得到在各種可能上的概率分布。而這一點上，量子力學(及波包坍縮詮釋)恰恰完美地做到了。

因此，我們應該堅定地以這樣一種視角來詮釋量子力學，即薛定諤方程和量子波演化給出的是所有的可能(因其作為純理性不具備給出真實的能力)；而要想知道具體發生的真實情況如何，必須觀測者自己親自去觀測。親身觀測所得，方為真實。

測量過程之關鍵，乃在於「親身觀測」四字。觀測過程，是觀測者以自己的感覺，去感知外界的過程。這其中有一個不容迴避的概念，即感知，或「知覺」。然而，「知覺」這一要素仍然自現今的科學範疇、諸量子詮釋理論中缺失。這正是測量問題至今懸而未決的根本原因。

繼康韋和寇辰揭示出粒子的自由意志之後，[75]本文作者們進一步指出：粒子兼具知覺能力和自由意志，而人類(及量子觀測者)的知覺正是由粒子的知覺能力構建而來。本文作者們將給出一種新穎的科學哲學理論，將「知覺」與「自由意志」納入量子力學詮釋的框架之中，揭示基本粒子們知覺與意志的權利與範圍，以及觀測者知覺的方式與方法，並最終解決量子測量的疑難。

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