量子测量问题、意识和观察者
本期的塔城想分享量子力学中的测量问题。与之相关的经典思想实验之一是薛定谔那只既活又死的猫。虽然薛定谔当时提出这一实验是为了diss当时的哥本哈根学派，但却也确实凸显出了物理遇上意识时的有趣问题。
本期推送虽然在探讨物理，但却进一步引出了关乎于现实的本质和宇宙中所谓观察者的角色。该研究领域暂无彻底定论，本文并不等于事实。我们盼望这期推送能够提供给你一些有趣而丰富的见解，和看待世界的新视角。
本文由塔城整理翻译自youtube频道InspiringPhilosophy，链接见文末。
有办法解决量子力学的“测量问题”吗？即当物理遇到意识所产生的问题。
让我们从观测问题的基本开始讲起。
在物理学家Maximilian Schlosshauer关于退相干（decoherence）和测量问题的论文中[1]，他提出了我们在量子力学中遇到的问题：粒子通常是概率的叠加态，可以被波函数描述。
正如Rosenblum和Kuttner[2]指出的：物体通常以几种数学概率的形式存在，而并非像我们在现实中所见的那种确实的物体。
那么，从没有观察者到有观察者，粒子到底是如何从数学上概率状态成为物质实体的呢？
这就是测量问题。
观察不存在的时候，粒子不以实物状态（actual thing）存在，而以概率叠加态（superposition of possibilities）存在，而当我们观察这些粒子时的时候，它们的状态就改变了。在我们观察的时候，某些事情的发生引发这种变化。
刻画这些概率的波函数（薛定谔方程）本身具有完全的决定性，但是物理学家Henry Stapp提出[3]，薛定谔方程无法解释知识增值时所发生的事情：当迅速跃迁至约化态时（reduced state），这便代表了知识的新状态。这种跃迁涵盖了众所周知的量子随机性。”
因此，在两种状态（实体态和叠加态）之间一定发生了些什么。
Schlosshauer指出我们并没有一种机制能解释这种变化[1]：
“因此，除非补充某个额外的物理过程（比如某种坍缩机制），或者对叠加态给予合理的解释，否则就很难解释在给定的叠加态下最终被认知为实际观测的指针态——换句话说，为什么我们感知到指针（pointer）在一个确定的位置，而非一系列位置的叠加？”
那么，为什么我们观察到的结果和波函数所描述的结果不同呢？ 当我们观察时，粒子如何坍缩至一个确定状态？
一种可行的方式是，藉由一个已经坍缩的粒子（或粒子系统）之间的相互作用。用测量工具去测量一个粒子，并与之产生相互作用，进而造成坍缩，因为这个粒子的状态受到了搅动。这就是退相干效应（decoherence effect）。有些人认为退相干效应可以完全解释坍缩，从而解决测量问题。
然而，这并没有真正解决问题，因为如果我们用一个粒子去坍缩另一个，那我们需要多一个粒子去坍缩前一个粒子，永无止境。
正如尼尔斯·玻尔（Niels Bohr，丹麦物理学家）所言，我们无法抛开一个用于测量的粒子，去确定另一个已观察粒子的波函数。换言之，一个粒子的波函数不可能不受到测量粒子的纠缠，这种纠缠没有止尽。
简单来说，意思就是，当一个光子去测量另一个光子，它们便是纠缠的。
如果用一个粒子去测量另一个粒子，这个粒子就会传递它的部分波函数。也就是说，那个本应该用于测量的粒子无法抛开它测量的对象而被完全的解释。
所以，你需要另一个测量工具使最初的测量粒子坍缩到确定状态，但紧接着，你又需要其他测量工具来坍缩最初的测量工具，这样下去没完没了。
这种测量的叠加造成了一个物质实体的链条，被称为冯纽曼无穷链（Von Neumann's infinite chain），因为量子定律描述一切的物质实体，一些粒子或测量工具总是需要一个接一个的坍缩。而一直这样进行下去，就会得到一些非局部的信息。
在整个物质系统之外存在某些东西，不被物质定律所束缚、逃离了无穷链，并且能够造成链条中所有存在的最终坍缩。有人认为这就是“有意识的观察者”，具有置身于物质存在之上，且能够坍缩整个物理系统的能力。
退相干理论的支持者们公开承认，退相干自身无法完全解释为什么存在向确定态的坍缩，甚至也无法推演出次级规律。
“退相干能解释测量问题吗？显然不能。退相干告诉我们，当我们观察物体的时候，它们变得确定。但观察本身是什么呢？在某个阶段，我们仍然不得不采取量子理论的概率规则。”[4]。
“同时主张测量问题的真实性和退相干对其的解释，最多可以说是模棱两可的论证。” [5]
“退相干的出现，是将量子力学的形式直接应用于描述物理系统和环境之间的相互作用。而退相干本身，既不是对量子力学的解释，也不是对量子力学的修正。” [1]
为什么他们这么说？
许多物理学家，比如Grubl在他的论文《量子测量问题的加剧》[6]写到，环境初始态的效应并不能够解释确定的实验结果的产生。环境本身无法在波函数的诸多可能性中作出选择，而确定哪个可能性成为现实。此外，环境受相同的量子定律刻画，因此也面临相同的问题。
这就是为什么Steven Adler说[7]：
“退相干缺乏一个具体理论说明哪怕两种随机结果以其正确特性，因此还没有达到理论地位。”
在题为《分叉态、可预测性、经典性和环境诱导的退相干》的论文中，Zurek提出观察者参与了最终的坍缩[8]。
需要置身于物理系统之外的、不被量子定律所描述的存在，启动最后、终极的坍缩。
Steven Barr解释道[9]：
“物理无法完全的描述观察者…如果我们能够用量子理论的数学原理描述所有一切——也就是说甚至能够描述观察者得到的最终结果——那么，数学则需要告诉我们什么是确定结果。然而，对于量子理论的数学来说，这是不可能的，因为它产生的只是概率，而观察得到的确定后果不可能从量子计算中产生。关于观察过程和观察者的某些东西避开了物理描述。”
那么，有意识的观察者究竟能做什么，是环境或测量工具所做不到的呢？
观察者除了不受物理定律的描述之外，观察者能够对自然提出确切的问题，并且产生结果。
正如Henry Stapp说所言 [10]：
“量子理论中的观察者不仅仅会读取记录，他也会选择对自然提出什么问题，自然的哪个方面是他想要探测的。我将观察者的这一重要功能称作海森堡选择（The Heisenberg Chioce），与之相对的是狄拉克选择（Dirac Choice）——狄拉克强调关于自然的随机选择。根据量子理论，狄拉克选择是在海森堡选择所确定的备选中，所作出的选择。” [10]
观察者必须首先确定他想要观察或探测系统中的哪个方面，接着安置测量工具。量子理论中，观察者既提出问题，又确认答案。
“如果没有确定具体问题的途径，量子规律就不会起作用：量子过程被迫停止。” [10]
互相作用链追溯到一个观察者作出海森堡选择的能力，然后产生了自然中的随机狄拉克选择。
这就解释了如何从波函数的可能性中获取一个确定结果。只有观察者有能力在许多可能性中作出“选择”（海森堡选择），而不具有意识的测量工具则没有这种能力。
John Griffin和Paul Davies在《物质迷思》[12]一书中写道：
“观察者在量子测量中扮演着决定结果的重要角色——答案、现实的本质部分取决于观察者提出的具体问题。”
这一结论建立在Neils Bohs观点的基础上。他在对爱因斯坦的回应中说到[12]：“在我看来，不得不承认的是：在经验的范畴内，我们处理的是个别现象，而我们处理测量工具的可能性，使我们能够在不同、互补的现象中选择我们想要了解的。”
否认观察者的重要角色是不合理的，大多数物理学家意识到他们需要接受这一事实。最近的一项调查表明[13 ]，超过50%的物理学家接受观察者在数学形式的应用中扮演关键角色，但是只有6%接受观察者在物理世界的重要角色。
也就是说他们接受从数学而来结论，却否认从数学中来的哲学结论。如果观察者是一个关键角色，但只有数学上合理。这本身是不合逻辑的。
为什么要拒绝明显的结论呢？Henry Stapp[14]准确的指出了为什么物理学家们拒绝哲学结论：
“这是因为形而上的偏见（metaphysical prejudice）。一些人试图所坚持世界的哲学信念，正受到量子力学和观察者角色的挑战。”
“一个人必须问问，对科学家来说，为了保持一个理论带来的形而上偏见，而始终拒绝理解我们所生活的目的，这真的是有利的吗？”，“难道不是根本上有误的吗？”
2011年，科亨-施佩克尔定理（Kochen-Specke theorem，简称KS定理）的实验验证，进一步确认了观察者的关键作用。
实验表明，实验者获得的结果取决于实验如何进行，也就是说，我们不是被动的观察者，结果的产生依赖于我们对于自然的输入。
正如一篇论文中解释的[15]：“科亨-施佩克尔定理（KS定理）认为，无参照理论（non-contextual theories，NCT）与量子力学并不相融。无参照指的是，一个理论所预测的观察值，和实验的具体背景无关。”
所以，当我们进行实验的时候，我们不是被动的观察自然界所发生的事情，而是通过我们如何观察事物来主动的影响所得到的结果。
就像他们在New Scientist杂志中所说的：“你观测性质所得到的值取决于具体情景（context），性质A的值取决于你是否同时测量了性质B或性质C。也就是说，没有独立于测量选择之外的’现实’。”[16]
所以，KS定理直接表明，实验结果取决于我们的实验选择。
Anton Zeilingrer说到：“KS定理知识讨论了一个系统的特性。我们知道，在测量之前就假定你要观测的系统特性存在，这是错误的。在这个意义上说，我们所知觉到的现实取决于我们对于观测对象的选择，这是一则非常非常深刻的信息，关乎于现实的本质和我们在宇宙中的角色。我们并不仅仅是被动的观察者。”
因此，测量问题以及紧随其后的必然哲学结论，是不应该被忽视的。
正如《量子之谜》[2]一书中写道的：
“量子理论否决了一个不存在观察者的物理真实世界。”
如果一个人不接受观测者在塑造物理现实中的重要地位，那么观测问题仅仅就是个题目而已。
我们不是世界的被动观察者，而是主动参与者。正如Rosenblum和Kuttner所言，“物理遇到了意识，我们眼中的宇宙不再相同。”
本文由塔城整理翻译自youtube频道InspiringPhilosophy：制作的视频The Measurement Problem，链接：
https://www.youtube.com/watch?v=qB7d5V71vUE
文中插图大部分出自该视频。量子力学中叠加和退相干的示意图出自N. Hanacek/NIST，链接：
https://www.nist.gov/topics/physics/introduction-new-quantum-revolution/strange-world-quantum-physics
[1]Schlosshauer, M. (2005). Decoherence, the measurement problem, and interpretations of quantum mechanics. Reviews of Modern physics, 76(4), 1267.
[2]Rosenblum, B., & Kuttner, F. (2011). Quantum enigma: Physics encounters consciousness. Oxford University Press.
[3]Stapp, H. P. (1999). Attention, intention, and will in quantum physics. Journal of Consciousness studies, 6(8-9), 143-143.
[4]Blanchard, P., Giulini, D., Joos, E., Kiefer, C., & Stamatescu, I. O. (Eds.). (2000). Decoherence: Theoretical, Experimental, and Conceptual Problems: Proceedings of a Workshop Held at Bielefeld Germany, 10–14 November 1998 (Vol. 538). Springer Science & Business Media.
[5]Schlosshauer, M. (2005). Decoherence, the measurement problem, and interpretations of quantum mechanics. Reviews of Modern physics, 76(4), 1267.
[6]Grübl, G. (2003). The quantum measurement problem enhanced. Physics Letters A, 316(3-4), 153-158.
[7]Adler, S. L. (2003). Why decoherence has not solved the measurement problem: a response to PW Anderson. Studies in History and Philosophy of Science Part B: Studies in History and Philosophy of Modern Physics, 34(1), 135-142.
[8] Zurek, W. H. (1993). Preferred states, predictability, classicality and the environment-induced decoherence. Progress of Theoretical Physics, 89(2), 281-312.
[9] Barr, S. M. (2003). Modern physics and ancient faith. University of Notre Dame Pess.
[10]Stapp, H. P. (1999). Attention, intention, and will in quantum physics. Journal of Consciousness studies, 6(8-9), 143-143.
[11]Davies, Paul and John Gribbin (1991). The Matter Myth, 307
[12]Bohr, N. (1996). Discussion with Einstein on epistemological problems in atomic physics. In Niels Bohr Collected Works(Vol. 7, pp. 339-381). Elsevier.
[13]Schlosshauer, M., Kofler, J., & Zeilinger, A. (2013). A snapshot of foundational attitudes toward quantum mechanics. Studies in History and Philosophy of Science Part B: Studies in History and Philosophy of Modern Physics, 44(3), 222-230.
[14]Stapp, H. P. (2001). Quantum theory and the role of mind in nature. Foundations of Physics, 31(10), 1465-1499.
[15]Simon, C., Żukowski, M., Weinfurter, H., & Zeilinger, A. (2000). Feasible “Kochen-Specker” experiment with single particles. Physical Review Letters, 85(9), 1783.
[16]Ananthaswamy, A. (2011). Quantum magic trick shows reality is what you make it.
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