摘要：物理学家对量子纠缠现象的认识经历了基于观念质疑、实验认可和具体应用这样一个从理论阐述到技术开发的过程。量子纠缠现象的存在颠覆了许多传统的哲学观念，直接引发了关于如何理解“实在”和“因果性”概念的讨论。这些讨论深化了我们对实在论与反实在论、因果性与关联、决定论与非决定论、定域性与非定域性、可分离性与不可分离性等概念的理解，揭示了本体论思维方式的局限性。
关键词：量子测量；非定域性；实在；因果性
中图分类号：N02
文献标识码：A
文章编号：0257-5833（2014）06-0111-08
物理学家对量子纠缠的研究经历了两个阶段：其一是观念质疑与概念辨析阶段。这一阶段以爱因斯坦、波多尔斯基和罗森于1935年联名在《物理学评论》杂志上发表的“能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？”（通常简称“EPR论证”）一文为开端，以如何理解量子力学的基本特征为主线，围绕如何理解量子纠缠的思想实验展开争论；其二是实验证实与技术应用阶段。这一阶段以贝尔不等式的提出为契机，以检验这个不等式的一系列实验为基础，以量子信息科学与量子计算的迅猛进展为核心，把量子纠缠作为一种像能量一样的物理学资源，进行测量、转换和纯化，来探索其广泛的应用前景。对于哲学研究来说，量子纠缠引发的哲学问题比过去任何时候都更加尖锐与深刻。我们对这些问题的讨论，在本质上，不是对传统哲学观念的细枝末节的修正或补充，而是蕴含着彻底的哲学革命以及哲学思维方式的大转变。然而，令人遗憾的是，在国际学术界倍受关注的这一论题在国内哲学界却惨遭冷落，因此，我们有必要对这一论题进行深入探讨。本文只是抛砖引玉。
一、量子纠缠的提出与发展
薛定谔在这篇讨论性文章中开门见山地指出，当两个系统由于受外力作用经过暂时的物理相互作用之后再彼此分开时，我们无法再用它们相互作用之前各自的表达式来描述复合系统的态，两个量子态通过相互作用之后已经纠缠在一起。实验表明，不管这两个量子系统分离之后相距多远，都始终会神秘地联系在一起，其中一方发生变化，都会立即引发另一方产生相应的变化。简单地说，量子纠缠是指，曾经相互作用过的两个粒子，在彼此分离之后，对一个粒子的任何测量，都会影响到另一个粒子的存在状态。薛定谔对这种特殊情境的另一种表示方式是：一个整体的最有可能的知识不一定是它的所有部分的最有可能的知识，即使它们可能是完全分离的，有能力拥有各自的“最有可能的认识”。这种知识的缺乏决不是由于这种相互作用是不能够被认识的，而是由于这种相互作用本身。
用EPR-玻姆的思想实验来说，在测量之前，两个纠缠粒子都没有确定的自旋态，只有通过实际测量，它们才能拥有确定的自旋态。理论提供的测量得到的态是随机的。例如，如果第一次测量是测量粒子A在Z方向的自旋，测量得到粒子A自旋向上或自旋向下的概率是一样的。只有具体地进行一次测量，才能确定A是自旋向上，还是自旋向下。A的结果同时引起了另一个相互纠缠的粒子B的自旋态的改变。如果测量得到A在Z轴上自旋向上，那么，B在Z轴上就是自旋向下，如果测量得到A在Z轴上自旋向下，那么，B在Z轴上就是自旋向上。这两个纠缠粒子的态的确定是同时的。从理论上看，量子纠缠是量子力学形式体系的态叠加原理应用于两个以上的子系统构成的复合系统时体现出来的现象，是薛定谔方程中的波函数在位形空间中不可分解的特征造成的。
在物理学的发展史上，物理学家对量子纠缠的认知是过去半个世纪以来最重要的进展之一。但从传统哲学意义上来看，两个粒子分离之后，还能产生相互影响，这显然有悖常理。这也向我们提出了究竟如何理解微观粒子的存在状态，如何理解纠缠的微观粒子之间的这种神秘关系，如何理解因果性等哲学问题。更加关键的是，我们对这些问题的理解，不得不完全摈弃过去从经验和感官得来的关于实在世界的先入之见，不得不彻底改变日常经验和经典物理学蕴含的哲学前提，不得不重新反思自然形成的直觉经验，或者说，我们不能用在宏观概念语境中形成的观念来理解量子概念语境中出现的量子现象。量子纠缠不仅挑战了整个经典概念框架与这个框架所蕴含的物理学的概念基础和哲学前提，而且揭示了当我们的认识超出了常识经验的直观范围时，我们只能借助于数学来理解问题或只能让数学做我们理解的向导。正是在这种意义上，量子纠缠彻底颠覆了传统的哲学观念，引发了一系列我们必须重新思考的哲学问题，其中，最突出的问题是关于“实在”的问题和关于“因果性”的问题。
二、关于“实在”的问题
“实在”概念属于常识语言。像许多常识语言一样，“实在”概念在日常生活中有许多不同的用法，它的意义是相当模糊的，我们通常需要根据语境来作出鉴别与区分，比如，我们会说“这人很实在”，这里的“实在”是指“诚实”的意思；我们也会说，“赚钱是最实在的”，这里的“实在”是指“重要”的意思；我们还会说“我现在最实在的是有东西吃”，这里的“实在”是指“迫切”的意思。在物理学哲学的讨论中，“实在”概念是指真实存在的意思。在真实存在的意义上，我们一般不会怀疑自己亲眼看到的自然物的实在性。在当代科学中，物理学家和化学家通常用分子结构来描述这些自然物的基本构成，分子依次用原子来描述，原子用电子、质子和原子核来描述，这些亚原子粒子用夸克来描述。受这种无限可分的物质观的引导，物理学家至今还没有因为找不到自由夸克，而怀疑像电子、光子等亚原子粒子的实在性。但是，我们对宏观物质的这种可共享的直接或间接的感知性，并不能照搬或延伸外推到微观粒子的情况。微观粒子这一名称虽然仍然沿用了通常的“粒子”术语，可是，粒子概念的意义已经发生了实质性的变化。
首先，我们根本无法直接或间接地看到微观粒子本身，只能通过特定的测量设置感知到它们的行为表现。可是，有些行为表现却是相互矛盾的：同样的微观粒子能够在一种设置中表现出粒子性，但在另一种设置中却表现出波动性。根据传统的本体论理解，粒子性与波动性很难统一于同一个对象，在经典物理学中，它们是两种不同的存在形态。但在量子力学中，这两种完全不同的存在形态竟然是通过同一个微观粒子表现出来的。于是，量子物理学家率先卷入了关于微观粒子在测量之前究竟是粒子还是波的争论。薛定谔持有波动实在观，认为波是基本的，粒子是波包形成的；玻恩持有粒子实在观，认为粒子是基本的，波是统计分布形成的；德布罗意和玻姆倡导的波一粒子综合的观点则试图通过隐变量来理解波粒二象性。量子物理学家对微观粒子是什么的讨论是建立在相信这些粒子是实在的意义上进行的。就像爱丁顿相信“普通的桌子”与“科学的桌子”都同样存在一样，科学家相信，宏观对象与微观对象都具有实在性，因为这是他们从事科学研究的基本前提。他们之间的争论是关于如何认识与理解这些粒子的存在状态的争论。
这样，在对待微观粒子的问题上，就出现了两个不同层次的讨论：关于微观粒子以什么方式存在的讨论与关于微观粒子是否真实存在的讨论。这也相应地带来了两个不同层面的问题：讨论如何存在的问题，属于认识论的范畴；讨论是否存在的问题，则属于本体论的范畴。根据这一区分，我们不难看出，量子物理学家之间讨论的是认识论的实在论问题，而科学哲学家之间讨论的是本体论的实在论问题。他们分别属于两个不同的阵营。认识论的实在论是在认识论意义上进行的讨论，这些讨论总是会随着科学的不断进步逐渐明朗化，而本体论的实在论是在本体论意义上进行的讨论，在很大程度上，属于形而上学的问题，既是关乎信念的问题，也是一个框架问题。
某些科学哲学家以“燃素”和“以太”曾经在化学与物理学的发展史上起到过积极作用后来却被证明是不存在的为由，得出科学只是在解决经验问题，而不是对实在世界的真理性认识，这实际上是把科学家关于认识论问题的研究当作本体论问题来理解，所得出的结论。从整体意义上看，这些科学哲学家的思维方式仍然沿袭了传统的自然哲学的思维方式。自然哲学的思维方式是一种典型的本体论化的思维方式。在经典科学的思维方式中，认识论的思维方式与本体论的思维方式并没有被明确地区分开来，许多经典物理学家也都持有本体论化的思维方式，例如，牛顿的著作就取名为《自然哲学的数学原理》。当科学发展到微观领域时，量子物理学家之间的分歧，在很大程度上，也是自然哲学的本体论化的思维方式与量子力学的认识论思维方式之间的分歧，比如，爱因斯坦与玻尔之间的争论就是如此。 玻恩把科学哲学家认为微观粒子是理论虚构的观点说成是一种极端的主观主义或“物理学的唯我论”。玻恩认为，在科学研究中，“实在”概念是无法放弃的。哲学家轻易放弃“实在”概念是因为他们混淆了“实在”概念的用法，把“实在”概念理解为是需要提供关于研究对象的一切细节，也就是说，我们只有知道微观粒子的详细运动情况和一切属性，才能认为它们不是抽象的虚构。这是一种误解。科学哲学家否认微观粒子的实在性依据的是逻辑推理，而逻辑推理的一致性只能是一个否定标准，不是一个肯定标准。也就是说，任何一个科学理论，如果没有逻辑的一致性，那么一定无法被接受，但反之则不然，没有一个科学理论只是因为逻辑合理而被接受。科学哲学家否定电子、光子等微观粒子的存在性的根源在于把“真实的”这个概念解释为“知道所有的细节”。这与“实在”概念的日常用法不相符。简单地否定微观粒子的实在性的观点是相当表面的，没有触及到物理学遇到的和迫使我们修改的基本概念的实际困难。
另一方面，高能物理学的当前发展也向我们通常坚信的无限分割的物质观提出了挑战。因为无限分割的物质观的目标是最终找到某种不变的构成物质的基本“单元”。这一理想源于古希腊的原子论思想。可是，到目前为止，物理学家分割亚原子粒子的唯一方法是，让这些粒子在高能碰撞中猛烈相撞，但根据当前的理论与手段，他们不可能得到比这个更小的“单元”。因为微观粒子相碰撞之后的碎片仍然是同类粒子，而且，它们是从碰撞过程所包含的能量中创生出来的。这些微观粒子不能再被看成是一个静态的研究对象，而必须被设想为是动态的，一个包含着能量的过程，能量则表现为粒子的质量，甚至从纯能量中也能产生出粒子。因此，我们在观察亚原子粒子时，既看不到任何物质，也看不到任何基本结构，只能看到一些不断地相互变换的动态图像，比如，要么是波动行为，要么是粒子行为。目前，尽管物理学家还不能对亚原子粒子的机制提供令人满意的理论，但这些观念已经足以从根本意义上颠覆了通常的物质观和粒子观。这也印证了库恩所阐述的前后相继的两个理论“范式”是不可通约的观点。
其次，量子纠缠赋予了微观粒子非定域性的特征，这是传统的粒子概念根本没有的特征，就像时空弯曲、质能转化、时间膨胀和长度收缩是相对论的基本假设的结果，因而是典型的相对论性效应一样，非定域性也是量子力学的基本假设的结果，是独特的量子效应。这种量子效应从根本意义上颠覆了传统的经典实在观。在量子力学之前，物理学家普遍接受的观点是，粒子的存在是定域的，遵守分离性假设。分离性假设是指，在空间上彼此分离的两个粒子总是能够拥有各自独立的状态，即一个粒子状态的变化，不会影响到另一个粒子。这也是EPR论证的一个前提假设和寻找隐变量量子论的动力所在。从日常经验和经典物理学的情况来看，粒子只有遵守分离性假设，才能确保它们在时空中的独立性。粒子的定域性是分离性假设成为可能的一个前提条件，而分离性假设确保了物理系统的个体性。量子纠缠现象却表明，在奇特的量子世界里，相互纠缠的两个粒子，即使远隔万里，也能产生相互影响，而这种影响是即时的，竟然与距离无关。
我们只能通过数学来理解这种怪异的现象。从物理学史的发展来看，虽然物理学家通过数学公式推论出物理现象，并不是一件新颖的事情，比如，在电磁学理论的发展中，位移电流概念和电磁波概念的提出，都是先从麦克斯韦方程组推论出来之后，才得到实验的证实。这种情况完全不同于“以太”和“燃素”概念的情况。“以太”和“燃素”概念是作为解释其他现象的一个额外的本体论假定提出的，而不是从数学公式中推演出来的。量子纠缠的情况类似于位移电流和电磁波的情况。所不同的是，量子纠缠现象极大地违背了直觉与经典的观念，它不再是我们熟悉的三维空间和四维时空中的存在，而是普通人根本无法理解的抽象的希尔伯特空间中的存在。
希尔伯特空间是一个无限维的空间。量子力学描述的现象就是在这样的一个无限维的空间中的现象，而实验测量获得的结果是这些现象在四维空间（三维的空间加一维时间）里的投影。这样，微观粒子的粒子性与波动性只是它们受制于测量环境的一种行为表现。已经完成的量子延迟实验足以表明，在量子测量中，微观粒子与测量仪器也是相互纠缠的，这就是为什么微观粒子在发射出来之后，还能根据测量设置表现出相应的粒子性或波动性的原因所在。因此，我们不能根据观察到的微观粒子的当前状态来推断它们在被测量之前的存在状态。
这就像当我们把一个四面体投影到一个平面上看到一个四边形时，并不能由此断定，这个四面体原本就是一个四边形一样。在量子力学中，我们也不能把实验测量结果直接地推断为是测量之前的存在状态。这种推断没有科学依据。强调微观粒子存在的抽象性，并不是否认它的实在性，而是表明，微观粒子的真实存在状态是有限的人永远无法直接观察到的。我们既不能由于观察不到，就否定它们的存在，也不能基于经典框架中的粒子观质疑量子纠缠。在量子世界里，数学符号和物理手段成为我们能够深入到现象背后的实在当中思考这种实在的一种必不可少的方法。量子物理学家接受量子纠缠的案例，再一次印证了海森堡在提出他的不确定性原理时引用的爱因斯坦的观点：是理论决定了我们所观察的内容。物理学家通过数学能够把握世界，这既是人类智慧的展现，也揭示了我们的日常语言的贫乏。
三、关于“因果性”的问题
量子纠缠引发的另一个更加深刻的哲学问题是关于“因果性”的问题。因果性问题是人类认识史上一个古老而常新的论题，也是一个重要的认识论问题。从亚里士多德的四因说，到休谟的心理习惯论，再到康德的先验哲学，都涉及对因果性问题的探索。从理论上说，如果A引起B，那么，A是B的原因，B是A的结果。然而，在日常生活中，我们通常认为具有因果关系的大多数事件之间并没有必然的因果联系，比如，我们常说“吸烟会导致肺癌”，但并非所有的吸烟者最终都会得肺癌，也不是所有的肺癌都是由于吸烟导致的，不吸烟者也会得肺癌。因此，我们需要把因果性、决定性、规律性、概率与关联等概念区分开来。有因果性的决定性和非因果性的决定性，也有决定论的因果性和非决定论的因果性。非因果性的决定性所呈现的只是不同事件之间的纯粹关联，非决定论的因果性揭示了一种统计因果性。除此之外，在事件之间的关系中，还有确定性的关联和统计性的关联之间的区别。比如，日夜交替就是一个确定性的关联，但白天不是黑夜到来的原因，黑夜也不是白天出现的原因，而是受天气运行规律支配的两种互相关联的结果。再比如，地震预报通常只能给出统计性的预言，至于这种统计性的关联是属于因果性还是非因果性的，则依赖于我们掌握的科学理论所能达到的程度。 在科学研究中，科学家最早认识的因果性是决定论的因果性。这种决定论的因果性植根于牛顿力学的思维方式中，通过动力学理论体现出来。在牛顿力学中，只有物理状态的变化是有原因的，这种原因就是外界的影响，通常用“力”来表示，称之为物理系统与外界的相互作用。这样，在近代物理学文献中，物理学只讨论动力学方程，而没有提及原因概念，比如牛顿第二定律。这种决定论的因果性观念与常识相符。物理系统可以在“最少受干扰”的理想状态下存在，被当作封闭系统来对待。物理学家可以只讨论它的“纯粹形态”及其变化。而日常生活中的研究对象则复杂许多，无法做到这一点。但是，随着牛顿力学的成功应用，这种决定论的因果性观念并没有遭人质疑。热力学涉及到大量分子的运动情况，物理学家不得不引入统计方法来思考问题，但是，在观念上，这种统计方法只被当作是一种权宜之计，在分子层次上，由于假定每个分子的运动仍然遵守力学规律，而保留了决定论的因果性的观念。拉普拉斯妖形象地描述了这种决定论的因果性的图景：如果有一个全知全能的智者能够知道世界的整个初始状态，那么，就能预言未来世界的所有变化。这种观点非常狭窄地解释了因果性概念，并把因果性与决定论等同起来，认为存在着从系统的初始状态单义地确定其未来状态的自然律。
相对论力学的产生，虽然带来了时空观的变革，但是，并没有破坏这种窄化了的决定论的因果性观念，只是对这种观念附加了限制性条件。狭义相对论的基本假设之一是光速不变原理：即光在所有参照系中的传播速度都是不变的，或者说，对所有的观察者都是一样的。这意味着，在不同的参照系中，任何能量或信号的传递速度都不能超光速。已知两个事件，只有当它们的空间间隔△x和时间间隔△t满足不等式△xc△t，意味着它们相距很遥远，它们之间的光信号没有时间从一个事件传播到另一个事件，这两个事件被称为是类空分离的事件，类空分离的事件是在光锥外的事件。因此，类空分离的两个事件之间不可能产生因果性的相互影响。对于两个类空事件来说，没有任何影响能超光速传播，这就是著名的定域性原理。
直到量子力学产生之后，这种决定论的因果性观念才受到实质性的挑战。不仅不确定性成为世界的本质特征，而且量子纠缠现象体现出的非定域性是否与相对论的定域性相矛盾，成为讨论的重点。因为两个相互纠缠的粒子，一个粒子的存在状态的改变，会同时影响另一个粒子的存在状态。然而，根据狭义相对论，“同时性”概念并不是绝对的，而是相对的，在一个参照系中同时发生的两个事件，在其他参照系中是不同时的，即观察者对事件A有多晚发生是不一致的。根据这种观点，如果两个类空分离的事件在一个参照系中是同时发生的，那么，我们总能找到一个参照系，在这个参照系中，事件A先于事件B发生，也能找到一个参照系，在这个参照系中，事件B先于事件A发生，即感知次序发生颠倒。这样，如果我们认为这两个事件之间有某种因果关系，那么，就有可能出现结果在原因之前的情况：即被影响的事件发生时，产生影响的事件才会发生，这是一种逆向因果性（backward causality），因此产生了因果悖论的情况。
避免因果悖论的最直观的途径是接受存在着超光速的因果联系。但是，从当代科学的发展来看，我们还没有用这种超光速的因果联系传递任何超光速信号的实验证据。即使退一步讲，假如超光速的因果联系使类空分离的事件发生了改变，为了避免因果悖论，也只会有两种情况：其一是一定存在着一个首选的参照系，在这个参照系中，所有的逆向因果关系都被看成是类似于一种视错觉；其二是这种改变一定呈现出某种对称性，我们只能说两个事件互为因果，而不能说一个事件引起另一个事件。因此，通过只允许原因不能逆向传播的参照系，才可能避免因果悖论。
问题在于，即使消除这种因果悖论，还有一个更基本的问题是，如何使量子力学与相对论一致起来。这关系到洛伦兹不变性的问题，即所有的参照系都是等价的问题。物理学定律在洛伦兹变换下具有协变性，也就是说，物理学定律遵守相对性原理，这是相对论的一个本体论支柱。如果所有的参照系实际上不是等价的，那么，物理学定律似乎就向我们掩盖了事实真相。在爱因斯坦的相对论产生之前，洛伦兹等人就持有这种观点，他们虽然已经推论出狭义相对论的数学形式，但由于缺乏爱因斯坦的概念远见，而没有真正创立狭义相对论。如果我们抛弃洛伦兹不变性，而接受上面提到的首选参照系，那么，我们在很大程度上所放弃的就是爱因斯坦的概念远见。然而，这种概念远见却与实验事实相符，也是爱因斯坦进一步提出广义相对论的前提。因此，接受有超光速的因果联系是不可取的。
假如我们不接受有超光速的因果联系的话，我们就把研究的目标集中在澄清爱因斯坦的定域性概念、贝尔的定域性概念和量子力学的非定域性概念之间的区别与联系的问题上。贝尔强调说，他在《论EPR悖论》一文中假设的是定域性，不是决定论，决定论是一个推断，不是一个假设。也就是说，根据贝尔的观点，实验否定的是定域性，而不是决定论。这样，就相应地带来了一系列需要进一步澄清的概念问题：贝尔定理的前提假设是什么？贝尔的定域性概念与爱因斯坦的定域性是否具有相同的内涵？量子力学的非定域性是否意味着微观信息是超光速传播的？或者说，量子力学的非定域性概念是否就是对爱因斯坦的定域性概念的否定？这些问题从20世纪80年代开始受到了物理哲学界的普遍关注，一直到现在还在讨论之中。
一种观点认为，贝尔的定域性是指测量和观察；爱因斯坦的定域性是指物理系统的存在状态。量子力学的非定域性意味着量子力学是不完备的，有可能找到一个比量子力学更基本的理论，使量子力学成为这个理论的一种极限情况。
另一种观点认为，贝尔所理解的定域性是概率的爱因斯坦的定域性。还有一种观点认为，定域性不是贝尔不等式成立的唯一前提条件，可以从两个独立的假设――分离性假设和定域作用假设――推论出贝尔不等式。这里的“定域作用假设”是指，只有以小于光速的速度传播的物理效应才能改变彼此分离的客体的实在态。实验否定的是分离性假设，量子力学的非定域性是指非分离性，而不是指非定域的相互作用。因此，得不出信息的超光速传播的结论。
其实，从物理学史的发展来看，这种状况类似于17世纪末18世纪初，在引力传递机制问题上，围绕“超距作用”的观点所展开的争论。直到19世纪法拉第确立了场概念之后，才最终否定了超距作用的观点。我们对空间上分离的两个量子系统之间的这种纠缠现象的理解，也不能用传统的因果相互作用来理解。因为这两个量子系统之间的即时关联是一种不依赖于任何相互作用的非定域性关联。所以，我们不能运用传统的思维方式来理解这种关联。
结语
总之，试图澄清量子纠缠现象发生的内在机制并不是一个哲学问题，而是一个物理学问题，但是，试图通过在量子纠缠概念的理解与发展中提供的认识论启示来理解科学，就变成了一个典型的科学哲学问题。量子纠缠是量子力学的理论体现所蕴含的，物理学家对这一现象的接受到应用的过程，也是他们努力澄清量子纠缠的意义与揭示其运行机制的过程。可以想像，量子纠缠的未来很可能会像电磁波的今天一样，在各个领域都得到广泛的应用。而哲学家澄清量子纠缠引发的哲学问题的过程，则是一个令传统的哲学观念脱胎换骨的过程。
