據(jù)國外媒體報(bào)道，物理學(xué)家知道如何運(yùn)用量子理論，你每天都在用的手機(jī)和計(jì)算機(jī)為此提供了大量的證據(jù)。然而，知道如何使用量子理論與完全理解該理論描述的世界——以及科學(xué)家在該理論中使用的各種數(shù)學(xué)工具的確切含義——之間有著很大差別。量子態(tài)（quantum state）便是一個(gè)這樣的數(shù)學(xué)對象，長期以來物理學(xué)家對其狀態(tài)的爭論一直沒有停止。 MAm1w'ol"  
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量子理論最令人驚奇的特征之一是，它的預(yù)測在幾乎所有情況下都是概率性的。如果你在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行一個(gè)實(shí)驗(yàn)，然后用量子理論來預(yù)測可能進(jìn)行的各種測量的結(jié)果，那最多也只能得到不同結(jié)果的概率。比如，你有50%的概率得到一個(gè)結(jié)果，同時(shí)又有50%的概率得到另一結(jié)果。量子態(tài)在量子理論中的作用就是確定（或者至少是編碼）這些概率。如果你知道量子態(tài)，那你就能計(jì)算任何可能實(shí)驗(yàn)中獲得任何可能結(jié)果的概率。 qat45O4A1  
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但是，量子態(tài)最終是否代表了現(xiàn)實(shí)的一些客觀方面，或者說，它是否能成為表征我們所知現(xiàn)實(shí)的一種方式？這個(gè)問題可以追溯到量子理論最初誕生的時(shí)候，但最近又成為一個(gè)活躍的話題，啟發(fā)了一系列新的理論成果甚至一些實(shí)驗(yàn)測試。 L%c]%3A  
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要了解為什么量子態(tài)可能會表征一個(gè)人所知的現(xiàn)實(shí)，請思考另一種使用概率的情況。在你的朋友擲骰子之前，你會猜想骰子哪一面朝上。如果你的朋友投出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的6面骰子，那通常你會認(rèn)為自己的猜測有17%（或六分之一）的概率是對的。這里的概率就代表了與你有關(guān)的一些東西：你對骰子的了解。打個(gè)比方，如果你在朋友投出骰子時(shí)背過身去，那她就看到了結(jié)果，而你沒有。對你來說，即使她知道結(jié)果，也不會影響你的不確定狀態(tài)。代表一個(gè)人不確定的概率，即使存在關(guān)于該事物的某些事實(shí)，也會被認(rèn)為是認(rèn)識論的（epistemic）——來自希臘語中描述知識的一個(gè)詞。 [TiTff&LV  
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這意味著，你和你的朋友可以分別給出非常不同的概率，而不會有任何錯(cuò)誤。你說骰子顯示某個(gè)點(diǎn)數(shù)的概率是17%，而你的朋友已經(jīng)看到了結(jié)果，會說概率是100%。這是因?yàn)槟銈兏髯灾�道的信息不同，而這些概率代表了你們各自的認(rèn)識狀態(tài)。事實(shí)上，唯一不正確的賦值是說骰子沒有任何機(jī)會顯示點(diǎn)數(shù)6。 N7RG5?  
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在過去15年左右的時(shí)間里，物理學(xué)家們已經(jīng)就量子態(tài)能否用類似方式進(jìn)行認(rèn)知的問題展開了研究。假設(shè)存在有關(guān)世界結(jié)構(gòu)的某些事實(shí)——比如像空間中粒子的排列，或者甚至是骰子游戲中的實(shí)際結(jié)果——但你不知道是什么。根據(jù)這些方法，量子態(tài)只是表征你對世界結(jié)構(gòu)不完整知識的一種方法。鑒于某些物理情況，量子態(tài)的配置可能存在多種正確方法，這取決于你擁有的信息。 g]EQ2g_N1  
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以這種方式思考量子態(tài)很有吸引力，因?yàn)榱孔討B(tài)會在你測量物理系統(tǒng)的某些方面時(shí)發(fā)生變化。測量一個(gè)系統(tǒng)通常會改變它的狀態(tài)，從一個(gè)每個(gè)可能結(jié)果都具有非0概率的狀態(tài)，變成只有一個(gè)結(jié)果發(fā)生、概率為0的狀態(tài)。這很像骰子游戲中發(fā)生的情況，結(jié)果出來時(shí)，你就知道骰子顯示的點(diǎn)數(shù)是6。因?yàn)闇y量某些事物就改變世界，聽起來實(shí)在很奇怪。但是，如果僅僅只是你的知識發(fā)生變化，那一切就顯得不那么奇怪了。 T U"K#V&u  
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認(rèn)為量子態(tài)是認(rèn)識論的另一個(gè)原因是，在大多數(shù)情況下，沒有辦法通過單個(gè)實(shí)驗(yàn)來說明實(shí)驗(yàn)前量子態(tài)究竟是什么。這也類似于骰子游戲中的概率。假設(shè)另一個(gè)朋友也加入了游戲，并堅(jiān)持認(rèn)為骰子顯示6的概率只有10%，而你還是認(rèn)為概率是17%。一次實(shí)驗(yàn)?zāi)茏C明誰對誰錯(cuò)嗎？不能。這是因?yàn)�，�?shí)際的結(jié)果——比如說6——其實(shí)是與你們兩個(gè)人的概率賦值相容的（盡管一個(gè)可能更加準(zhǔn)確，因?yàn)榉�合多次投擲結(jié)果出現(xiàn)的頻率）。在任何特定情況下，都無法判斷你和你的朋友誰是對的。根據(jù)量子理論的認(rèn)知方法，你無法通過實(shí)驗(yàn)區(qū)分大多數(shù)量子態(tài)的原因其實(shí)就像骰子游戲：對于與多個(gè)量子態(tài)相容的實(shí)際物理情況，存在一些不同概率。 ;-Y]X(z>  
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羅伯特·斯佩肯斯（Robert Spekkens）是加拿大圓周理論物理研究所的理論物理學(xué)家，他在2007年發(fā)表了一篇后來頗具影響力的論文，其中提出了一種模擬量子理論的“玩具理論”（toy theory）。玩具理論與量子理論不同，因?yàn)樗鼉H限于極其簡單的系統(tǒng)。也就是說，對于這些系統(tǒng)的任何屬性，最多只有兩個(gè)可能值，例如它們的顏色只有“紅”或“藍(lán)”，或者它們的方向只有“上”或“下”。但是，與量子理論一樣，玩具理論也包括了可能用于計(jì)算概率的狀態(tài)。而且，至少對于那些簡單的系統(tǒng)，玩具理論也可以像量子理論那樣做出許多類似的預(yù)測。 ihpz}
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斯佩肯斯的玩具理論令人興奮，因?yàn)榫拖裨诹孔永碚撝幸粯�，它的狀態(tài)通常也是“無法區(qū)分的”，并且這種不可區(qū)分性可以通過相同潛在物理情境下狀態(tài)的相互兼容性來完全解釋。換句話說，玩具理論非常像量子理論，其狀態(tài)也具有明確的認(rèn)識論特征。由于量子態(tài)具有不可區(qū)分性，因此對于那些傾向于某種認(rèn)識論觀點(diǎn)的人來說，還無法接受斯佩肯斯等人將玩具理論作為量子態(tài)可能是認(rèn)識論的強(qiáng)有力證據(jù)——問題是他們能否提出一個(gè)解釋——除非玩具理論能擴(kuò)展到更加復(fù)雜的系統(tǒng)。這也由此啟發(fā)了一系列研究，一些物理學(xué)家試圖將斯佩肯斯的工作擴(kuò)展到所有的量子現(xiàn)象，另一些則試圖證明這是錯(cuò)誤的。 #cSw"A  
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到目前為止，看起來反對者已經(jīng)占了上風(fēng)。例如，理論物理學(xué)家馬修·普西（Matthew Pusey）、喬納森·巴雷特（Jonathan Barrett）和特里·魯?shù)婪颍═erry Rudolph）于2012年在《自然-物理學(xué)》（Nature Physics）發(fā)表的一篇論文引起了廣泛討論，文中提出，如果物理實(shí)驗(yàn)總是可以彼此獨(dú)立地建立，那么對于描述這些實(shí)驗(yàn)的“正確”量子態(tài)，就不存在任何的不明確性。其他量子態(tài)是錯(cuò)誤的，這就好比，對于一個(gè)事實(shí)上最終顯示點(diǎn)數(shù)6的骰子，認(rèn)為投出6的概率是0就是錯(cuò)誤的。 ?<>,XyY  
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2014年，喬納森·巴雷特、埃里克·卡瓦爾康蒂（Eric Cavalcanti）、雷蒙德·拉爾（Raymond Lal）和歐文·馬羅尼（Owen Maroney）在《物理評論快報(bào)》（Physical Review Letters）上發(fā)表了另一篇文章，指出沒有辦法在不違反量子理論預(yù)測的前提下，將斯佩肯斯的玩具理論擴(kuò)展到屬性可以具有3個(gè)或更多值的系統(tǒng)——例如顏色有“紅”、“綠”和“藍(lán)”，而不是只有“紅”和“藍(lán)”。他們甚至提出了能夠說明量子理論的預(yù)測與任何認(rèn)識論觀點(diǎn)必須做出的預(yù)測之間的區(qū)別，到目前為止，已經(jīng)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)都與標(biāo)準(zhǔn)的量子理論一致。換句話說，你似乎無法將量子態(tài)解釋為認(rèn)知論，因?yàn)槿魏握J(rèn)為量子態(tài)是認(rèn)識論的理論，其做出的預(yù)測都與量子理論不同。 7gZVg@  
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那么，這些結(jié)果是否排除了量子態(tài)是我們的一個(gè)思想特征？既是也不是。反對認(rèn)知論觀點(diǎn)的論據(jù)是在思考物理理論的特定框架中得到證明的數(shù)學(xué)命題。這一框架最初由斯佩肯斯及其合作者開發(fā)出來，作為解釋認(rèn)知論觀點(diǎn)的一種方式，包括了若干基礎(chǔ)性的假設(shè)。假設(shè)之一是，世界總是處于某種實(shí)體狀態(tài)，這是一種確定的、獨(dú)立于我們所知的物理狀態(tài)，它可能與量子態(tài)一致，也可能不一致；另一個(gè)假設(shè)是，一個(gè)物理理論做出的預(yù)測可以通過標(biāo)準(zhǔn)概率理論的方法進(jìn)行表示。這些假設(shè)沒有爭議，但并不意味著它們是對的�！蹲匀�-物理學(xué)》和《物理評論快報(bào)》上那兩篇論文的結(jié)果表明，在這個(gè)框架中，沒有任何理論可以像斯佩肯斯的玩具理論一樣是認(rèn)識論性質(zhì)的，同時(shí)可以和量子理論達(dá)成一致。 teQaHe#  
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這是不是最終的結(jié)論，取決于你對這一框架的看法。在這個(gè)問題上，許多人有不同的意見。 XNkQk0i;g&  
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例如，牛津大學(xué)的物理學(xué)家和哲學(xué)家、2014年《物理評論快報(bào)》論文的作者之一歐文·馬羅尼在一封電子郵件中說，“最合理的準(zhǔn)認(rèn)識論模型”——能夠與斯佩肯斯的框架相容的模型——“正在被排除”。同樣的，美國查普曼大學(xué)的物理學(xué)家馬特·萊弗（Matt Leifer）就量子態(tài)的認(rèn)識論觀點(diǎn)寫了許多文章，他表示，甚至2012年《自然-物理學(xué)》論文的結(jié)果就已經(jīng)下了定論——只要你愿意接受他們的獨(dú)立性假設(shè)（對此萊弗說，他“經(jīng)常傾向于這么做”）。 zd6Qw-D7x  
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斯佩肯斯本人更為謹(jǐn)慎。他同意這些結(jié)果對量子態(tài)的認(rèn)識論觀點(diǎn)產(chǎn)生了重要的限制。但他強(qiáng)調(diào)，這些結(jié)果都在他的框架內(nèi)得到了證明。而且，作為這一框架的創(chuàng)建者，他很快就指出了其局限性，例如對概率的假設(shè)。因此他認(rèn)為，量子態(tài)的認(rèn)識論觀點(diǎn)有很好的潛力，但如果想要奏效，就需要重新審視大多數(shù)物理學(xué)家一直想要毫無疑問接受的物理理論的基本假設(shè)。 c'TiWZP~  
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然而，似乎很清楚的一點(diǎn)是，物理學(xué)家在量子理論的基礎(chǔ)問題上取得了實(shí)際進(jìn)展。許多物理學(xué)家似乎很愿意將量子態(tài)含義的問題視為僅僅是解釋性的，或者更糟糕的，“哲學(xué)性”的，因?yàn)樗鼈兣c大多數(shù)量子物理學(xué)家擔(dān)心的問題無關(guān)，比如設(shè)計(jì)新的粒子加速器或建造更好的激光器。將一個(gè)問題稱為“哲學(xué)性的”，會使它看起來好像不屬于數(shù)學(xué)或?qū)嶒?yàn)物理學(xué)的范疇。 web8QzLLB  
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然而，對認(rèn)知論觀點(diǎn)的研究表明，這種做法有多么錯(cuò)誤。斯佩肯斯和他的合作者設(shè)法對量子態(tài)進(jìn)行了解釋，并將其轉(zhuǎn)化為精確的假說——一個(gè)之后被數(shù)學(xué)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果所駁斥的假說。這并不意味著認(rèn)識論觀點(diǎn)已經(jīng)死亡，但的確迫使其主張者提出新的假說。這毫無疑問是一種進(jìn)步，無論在科學(xué)上還是在哲學(xué)上。（來源：新浪科技） #+k.b_LS  
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作者簡介：詹姆斯·歐文·韋瑟爾（James Owen Weatherall）是加州大學(xué)歐文分校的邏輯和科學(xué)哲學(xué)教授。他最近的著作《虛空：關(guān)于虛無的奇怪物理學(xué)》（Void： The Strange Physics of Nothing）（耶魯大學(xué)出版社，2016）對物理學(xué)中的虛空結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探索，總結(jié)了從17世紀(jì)到當(dāng)代的研究歷程。