什么叫測量？如何理解測量的本質(zhì)？只有人才能測量嗎？
撰文 | 張?zhí)烊?/strong>
我們首先以電子雙縫實驗為例，回顧一下量子力學(xué)中 “詭異” 的測量現(xiàn)象。圖1. 雙縫實驗
雙縫實驗中，像發(fā)射子彈一樣，讓電子一個一個地射到“雙縫”附近。從經(jīng)典觀點(diǎn)看，電子是一個一個過去的，不可能互相干涉。但實驗結(jié)果卻是：屏幕上產(chǎn)生了干涉條紋。這表明電子具有波粒二象性，既是粒子又是波。電子的波粒二象性頗為奇特，而更為詭異的行為是表現(xiàn)在對電子的行為進(jìn)行“測量”之時！電子雙縫實驗中的干涉到底是如何發(fā)生的？為了探索這點(diǎn)，物理學(xué)家在兩個狹縫口放上兩個粒子探測器，企圖測量每個電子到底走了那條縫？如何形成了干涉條紋？然而，詭異的事情發(fā)生了！無數(shù)次的實驗證實：一旦想要用任何方法觀察電子到底是通過了哪條狹縫，干涉條紋便立即消失了，波粒二象性似乎不見了，實驗給出與經(jīng)典子彈實驗一樣的結(jié)果！圖2. 測量影響結(jié)果
剛才說到“用任何方法觀察電子”，括號中這句話表達(dá)的意思就是“測量”，或者稱為“量子測量”。量子測量有別于經(jīng)典宏觀測量，主要是指在量子測量中，測量所涉及的儀器、方法和手段，一定會與微觀系統(tǒng)相互作用，互相形成糾纏態(tài)，從而影響測量結(jié)果。而在宏觀世界中進(jìn)行的經(jīng)典測量，就可以做到環(huán)境與被測系統(tǒng)獨(dú)立，或者說改善實驗條件，可以使得互相之間的干涉很小，基本能夠忽略不計。因而，經(jīng)典測量基本可以做到不影響測量結(jié)果。量子測量則有所不同，根據(jù)量子理論，微觀世界的電子，通常處于一種不確定的、經(jīng)典物理不能描述的疊加態(tài)：既是此，又是彼。比如說，被測量之前的電子到達(dá)狹縫時，處于某種（位置的）疊加態(tài)：既在狹縫位置A，又在狹縫位置B。之后，“每個電子同時穿過兩條狹縫！”，產(chǎn)生了干涉現(xiàn)象。但是，一旦在中途對電子進(jìn)行測量，量子系統(tǒng)便發(fā)生“波函數(shù)坍塌”，也就是說，原來表示疊加態(tài)不確定性的波函數(shù)塌縮到一個固定的本征態(tài)。因此，波函數(shù)坍塌改變了量子系統(tǒng)，使其不再是原來的量子系統(tǒng)。量子疊加態(tài)一經(jīng)測量，就按照一定的概率規(guī)則，回到了經(jīng)典世界。這種解釋帶來很多問題。所謂波函數(shù)塌縮，與演化是迥然不同的過程，演化遵循薛定諤方程，而波函數(shù)塌縮是隨機(jī)的、不可逆的，沒有適當(dāng)?shù)姆匠虂砻枋觥＃ê髞碛辛硪环N說法“退相干”，也并不能完全令人滿意，在此不表）。并且，至今也不清楚塌縮的內(nèi)在機(jī)制究竟是什么。是什么觸動了波函數(shù)的坍縮？是“觀測”嗎？人們經(jīng)常說到“觀測”，即觀察加測量，但卻沒有給它下一個精確的定義。什么樣的行為算是一次“觀測”？僅僅儀器與粒子的相互作用，似乎還不能構(gòu)成“觀測”。那么，如何理解觀測（測量）的本質(zhì)？誰才能測量？只有“人”才能測量嗎？貓能不能測量？計算機(jī)呢？機(jī)器人呢？測量和未測量的界限在哪里？例如，月亮高高地掛在天上，用眼睛望它一眼，知道它在那兒，也就算作是一種測量。按照經(jīng)典物理的觀念，主觀和客觀是分開的。月亮客觀存在于地球之外，不管我們主觀意愿“看”還是“不看”它，它都在那兒。然而，量子世界中不是如此，未“測量”之前，電子位置不確定，所以談?wù)摗半娮游恢谩睕]有意義。只有測量，才賦予電子以確切的位置。這句話似乎就是說：電子的客觀存在性，是以測量為前提的，所以，反對派就問：難道月亮只有在我們回頭望的時候才存在嗎？主觀VS客觀
測量，是人類有目的而進(jìn)行的活動。要測量什么東西，涉及到人的主觀愿望。主觀和客觀也是長期有所爭論的哲學(xué)話題。主觀指人的意識，客觀指不依賴于意識的物質(zhì)世界。量子力學(xué)對測量的解釋，使人們又回到哲學(xué)上關(guān)于主觀和客觀的困惑中。
以上詮釋中電子的行為，也等同于公眾皆知的“薛定諤的貓”：打開蓋子前，貓是既死又活，只有揭開蓋子后觀測，貓之死活狀態(tài)方能確定。那么，有人又問：貓自己不是也有感覺嗎？雖然人沒有打開蓋子“看”，貓自己應(yīng)該知道自己的“死活”啊！
此外，我們還可以返回來思考愛因斯坦提出的EPR佯謬。因為波函數(shù)塌縮是在同一時刻發(fā)生在所有地方，對量子糾纏中的兩個粒子，導(dǎo)致了愛因斯坦的“幽靈般超距作用”之困惑?？偠灾雌饋?，對量子力學(xué)的詮釋違反了確定性、實在性和局域性。經(jīng)典物理學(xué)從來認(rèn)為，物理學(xué)的研究對象是獨(dú)立于“觀測手段”存在的客觀世界，而量子力學(xué)中的測量卻將觀測者的主觀因素?fù)胶偷娇陀^世界中，兩者似乎無法分割。測量中主觀客觀的關(guān)系也相關(guān)于概率的“主觀客觀”性。對概率通常也有兩種極端的解釋：頻率派和貝葉斯派。頻率派強(qiáng)調(diào)概率的客觀性，一般用隨機(jī)事件發(fā)生的頻率之極限來描述概率；貝葉斯派則將對不確定性的主觀置信度作為概率的一種解釋，并認(rèn)為：根據(jù)新的信息，可以通過貝葉斯公式不斷地導(dǎo)出或者更新現(xiàn)有的置信度。貝葉斯派的主觀概率思想與量子力學(xué)的正統(tǒng)詮釋在某些方面有異曲同工之妙，因此而有人提出量子貝葉斯模型，也許能為量子力學(xué)的詮釋提供一種新的視角[1-2]。對此我們不予深究，感興趣的讀者可參考筆者的另一篇文章[3]。物理世界是客觀存在的，而解決問題的科學(xué)方法卻總是人為的、主觀的?；氐角懊嬲f的測量過程，有一派觀點(diǎn)（例如，馮諾依曼）認(rèn)為，人類意識的參與才是波函數(shù)坍縮的原因。那么，究竟什么才是“意識”？意識是獨(dú)立于物質(zhì)的嗎？意識可以存在于低等動物身上嗎？可以存在于機(jī)器中嗎？這帶來的種種問題，比波函數(shù)塌縮的問題還要多，而且至今無解。但是，看起來，因量子力學(xué)測量而引發(fā)的，人的主觀意識與物質(zhì)世界的關(guān)系，是一個人們總想回避但卻終究回避不了的事情，就像哲學(xué)家們爭論了兩千年以上的自由意志問題。
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