【摘要】量子干涉、纠缠以及消相干是量子信息理论的三大重要概念，同时也是哲学所要关注的重要物理学前沿概念。不管是从历史的发展脉络、还是从概念之精细分析，这三大概念皆保持了一种关联性。基于这三大概念的意义和关联性分析，本文概括了由它们所触发的典型哲学问题。笔者认为，这些典型问题包括：宏观量子态的制备、非相互作用与相互作用、还原与突现、理论的客观性与主观性、实在论与反实在论。
【关键词】量子干涉；量子纠缠；量子消相干；哲学问题
中图分类号：N02 文献标识码：A 文章编号：1000 - 7660( 2009) 05 - 0089 - 06
一、干涉、纠缠、以及消相干的历史考究
最早进入人类眼帘的是那些自然状态下的干涉现象，比如声波、水波等机械波干涉。而从实验去审视干涉，起始于17世纪光的微粒说和波动说之争。牛顿发现的牛顿环第一次真正从物理实验之角度洞察了光的干涉现象，其中，他的干涉理论是建构在“光的微粒说”认识沦基础之上的，“光是一群难以想象地微细而运动迅速的大小不同的粒子”。与其相反，在笛卡儿、惠更斯那里，光被确定为一种波。不过关洪先生考证认为，惠更斯的波仅指一种扰动和脉冲，他并没有建立起真正周期性变化的波动观念。在发展并坚持光的波动说中，英国科学家杨( Young，T．)受到牛顿潮汐理论的启发，在1802年明确地提出了光的干涉原理， “只要同一光线的两部分精确地或者非常接近地沿着相同的方向以不同的路线到达我们的眼睛，如果其路程差是某一长度的整数倍，则光会变得最强；而在这些干涉部位中间的状态，光会变得最弱。对于不同颜色的光，这一长度是不同的”②。杨不仅以此来解释薄膜色彩和牛顿环，而且以此形象表示著名的双缝干涉实验图样，杨的理论第一次使干涉现象获得了明确的理论解释。早期关于光的干涉研究是与光的本性认识纠缠在一起的，当时光的干涉原理并没有在现实得到具体的应用。直到麦克斯韦建立起了统一的电磁场理论之后，尤其是利用其中的电磁波干涉原理，通过发射电磁波，才实现了无线电通讯上的应用。
纠缠概念最早由薛定谔在1935年提出，围绕该概念所涉及的争论就是著名的“EPR佯谬”。1951年，玻姆以自旋为1/2的二粒子体系的自旋单态为例，详细地描述了这种非局域关联。当时，玻姆试图以隐变量理论去解释和消解这一非局域关联现象。正是基于玻姆的隐变量理论，1964年贝尔提出了贝尔不等式，由此便可借助实验来验证量子理论与局域性隐变量理论。后来的埃斯贝克特( Aspect)、勾瑞伯特（Creenberger）、梅泌(Mermin)等实验正是奠基于贝尔原理的基础之上，不过这些实验毫无例外地都证实了非局域关联，而否定了玻姆的隐变量理论，由此也就奠定了量子远程非局域关联的理论基石。此后，纠缠这一非经典特性被广泛应用到信息科学和计算机科学之中，其中，具有里程碑意义的是1993年本内特( Bennett)等人提出的量子离物传导方案，四年之后，即1997年泽林内( Zeilinger)小组在实验上实现了量子离物传导。除此之外，1991年基于量子纠缠的量子加密协议以及后来的实验实现、1985年的量子图灵机模型、1994年量子计算里的Shor算法以及实验演示，都是围绕量子纠缠概念所获得的丰厚研究成果。
消相干概念直接源自于量子纠缠态。纠缠态通常归属一个体系，即一个有限的封闭体系。这一体系实际上又处于一定的外界环境之中，而这些环境都是由大量处于混乱运动状态的原子集合所构成的，环境与体系之间的耦合必然逐渐破坏体系内部的量子相干性，这就是消相干。量子体系增大、且与环境耦合增强，那么体系消相干所需的时间就越短。由此可以看出，量子态的干涉性和纠缠性既给量子信息和量子计算带来了绚丽的前景，同时，量子干涉的脆弱性也给量子信息和量子计算的物理实现带来了巨大困难。量子信息其实就是量子位所处的量子态，量子信息的演化遵循薛定谔方程，量子信息传输就是量子态在量子通道中的传送，信息处理就是量子态的幺正变换，信息的提取则是对量子系统实行量子测量。在这一过程中，由于量子位与环境的相互作用或其它原因，量子位能量会产生耗散或者相对位相会发生改变，从而导致量子干涉性逐渐消失，由此量子信息也就散失于无法控制的环境之中。量子消相干通常被认为是制约量子信息技术发展的一个瓶颈。1996年，维兰德( Wineland，D．)和门罗( Monroe，C．)实现了单原子的薛定谔猫，该实验对如何长时间保持量子相干叠加态、增长消相干时间是一个重要的突破。亥如齐( Haroche，S．)研究组利用腔量子电动力学方法，制备了腔中振荡相干态的叠加，他们发现，消相干时间的长短直接与场状态的相位角大小有关。由此，在一定的技术条件下，某种程度上也能克服量子消相干。
量子消相干。对一个量子系统与其环境而言，消相干效应指这一量子系统，由于与其环境存在的相互作用，使得系统所处的“由某个观察量的多个本征态相干叠加而成”的状态，不可逆地消去了各个干涉项，这样，系统的行为就表现得与经典物理学系统一样。一个粒子，假设用隔开一段距离的两个一大一小的高斯型波包所叠加起来的一维态函数来描写。在密度矩阵中，除分别代表粒子落到这两个波包的概率的两个对角项之外，还有处在非对角位置的两个交叉项，即干涉项。消相干效应就是，环境的影响会让密度矩阵的非对角元，即干涉项基本消失，实际上只留下两个对角元，从而变成同经典物理学一样的概率分布。微观客体的波粒二象性所导致的量子消相干是无法消除的，但是在实际的量子计算和量子信息模型中，形成测量仪器和被测系统的纠缠态才是影响量子信息和量子计算系统实现的核心问题。通常，我们把量子位所处的物理环境看作电磁辐射场，这种电磁辐射场正是量子计算机噪声的主要来源，量子位与电磁辐射场相互作用就会引起消相干。量子消相干作为量子相干叠加态与环境作用的必然结果，直接阻碍了量子信息和量子计算的实现。此外，即使对于一个量子系统本身，假如两个子系构成的复合系统是一个纯态，即纠缠态，这时，子系纠缠的直接效应是直接破坏各子系内态之间的干涉，从而也就引起了子系态的消相干。按照复合系统幺正演化的一般理论，单量子位量子态衰变具有三种典型方式：“量子位的退极化引起的消相干；量子位相对位相阻尼引起的消相干；量子位自发衰变引起的消相干”①。
总之，经典干涉和量子干涉有着形式上的相似性和本质上的区别性。干涉是通过相互作用产生的，然而相互作用却不是纠缠的必要条件。消相干是相干的反作用，是专门破坏相干态的。为了使量子位内存的信息得以保真输出，必须抑制消相干的产生。
三、量子干涉、纠缠、消相干引发的哲学思考
笔者认为，量子干涉、纠缠、消相干目前所引发的哲学思考主要集中在如下几个方面：
（一）量子消相干验证了切克兰德的软系统方法论
在薛定谔猫实验中，整个系统的波函数由活猫和死猫这两部分以的概率来描写。按照正统的量子力学诠释，这个波函数是能够描写个别系统的。因此在未观察之前，猫处于死活各半的状态中。冯，诺依曼认为，一旦我们打开箱子去观察，这时波函数便突然发生波包塌陷，以相等的概率分别落到猫活着或者猫死了的状态。这一解释被许多学者所拒斥，爱因斯坦等人就明确指出量子力学的统计解释应该理解为描写系综而不是描写个别系统，量子力学是不完备的。为了弄清楚这个佯谬，1986年，依靠激光以及非线性光学、微波激射器等实验技术的进步，所谓的薛定谔猫态被制造出来了。倪光炯先生认为，被制造出来的这个薛定谔猫态“即使不算宏观，至少也是‘介观’的尺度”②，因而它是两个宏观（或介观）上可分辨的态的量子叠加态，或者说是准经典的量子态而非经典的态。通过对实验的研究，诺埃尔( Noel)和斯追德(Stroud)认为，所谓“‘宏观与微观间的区别在于自由度数的多少’是不准确的”③，问题的关键真正在于量子相干性以及体系与环境之间存在的消相干。量子力学的有限封闭体系实际上都处于一定的环境（热库）之中，而后者是大量处于混乱运动状态的原子集合，它们与体系之间的耦合必然使得体系内部的量子相干性逐渐被破坏掉，体系的消相干才是薛定谔猫不可能实现的真正原因。当量子体系变大、且与环境耦合增强时，体系的消相干实际上很快就发生了，以至根本就看不到宏观上的薛定谔猫态。消相干预示了要洞解一个量子系统，需要最大限度地理解系统外在环境的可能情况，但同时也预示了我们对外在环境的认识将是非绝对客观和非绝对完备的。这一思想正好为切克兰德最近所提出的软系统( soft systems)方法④提供了自然科学前沿的案例支撑。软系统方法的一个核心思想是，要在无结构的问题情景中去表达问题情景，即“建立所研究情景的最充分的可能图景”⑤。但同时，他们也强调系统模型应该是“关于问题情景的某些方法的理想类型，而不是对它们的简单的描述”⑥，也就是，我们对问题情景的描述将是一幅非完全客观和非完全完备的描述，这正好吻合了量子消相干的相关思想。
（二）关于相互作用与非相互作用的新理解
经典语境下的相互作用通常有四种，按照强度大小依次为：强核力，即强子之间的相互作用；电磁力，即在带电荷的强子和轻子之间的相互作用；弱核力，即所有强子和轻子之间的相互作用；引力，即迄今为止最弱的、并发生在任何物体之间的相互作用。经典语境下的两个系统要有关联，必须存在上述这些相互作用，无相互作用也就无关联。然而，在量子纠缠中，这一情况发生了改变。因为通过量子纠缠交换( entanglement swapping)⑦获得的量子纠缠是通过一种非相互作用而产生的。由此也就意味着，在量子力学里面，关联的产生可以不依赖传统语境下的那些相互作用。这种非相互作用所引发的关联丰富了我们对相互作用这一概念的理解，也就是需要将经典物理表观上的相互作用延伸至不需借助介质的非相互作用，相互作用和非相互作用都会导致不同物体或物理态的关联。事实上，在笔者看来，“非相互作用”其实只是借助经典语词的一个概念，预设的语境仍然还是宏观世界中的两体问题。由此，这里也就存在着一种经典语境与量子语境的混淆。将相互作用理解宽泛化，“非相互作用”并不是真正意义上的“非”相互作用。两个存在关联的量子态，其实需要某种先决语境的存在，这一先决语境就是两个态的中介，在时间维度上，这种语境要先在于我们对于“关联与否”的判决。比如，两个盒子里各有一球，颜色必一黑一白。“两个盒子里各有一球，颜色必一黑一白”这一语境事前已经确定。然后，将两个盒子分开，哪怕分开到地球的两端，我只要打开我所拿的那个盒子，并看到是黑球，即时就知晓地球另一端那个盒子里面装的球的颜色是白色。也就是打开我手上盒子这一刻，我能根据我手上盒子里球的颜色，不借助任何经典信道即时知晓地球另一端盒子里的球颜色。此时，两个盒子在分开之后确实已不存在物理上的相互作用。然而，假如没有先前“两个盒子里各有一球，颜色必一黑一白”这一语境，那也不可能获得即时信息。因而，先前语境的间接衔接，促使了所谓的经典语境下的非相互作用。所以，在本人看来，量子纠缠并没有否定传统意义上的相互作用，而是扩大了相互作用的内涵，也就是将时间尺度融合进相互作用的分析之中。“纯粹经典语境下的非相互作用”合取“存在关联”当然容易引起人们的混淆。最近有人提出一种无相互作用的测量，也就是认为在没有光线或者其他任何东西作用到物体的情况下探测到物体是可行的。这个实验就是1993年特拉维夫大学的伊莱策( Elitzur)和魏德曼(Vaidman)所提出的一个实验①，这个实验里一个物体可以在某些时候被探测到而不吸收一个光子。不过，这种测量的效率是有限的，并不能完全实现真正意义上的非相互作用。
（三）微观世界和宏观世界本体论层面上还原的艰难性
量子纠缠理论揭示了量子世界同经典世界之间还原的艰巨性，一大理由就是量子纠缠使得微观粒子具有非分离性。按照微观还原论者的观点，宏观世界及其属性是可以通过微观粒子的属性及其它们间的关系加以说明的，这一要求的前提就是微观粒子的相对可非分离性。按照量子力学理论，“一个量子系统仅当我们不知道它处于一组态中的那一个态时，它才可能处于这组态的叠加态中，一旦系统处于那一个态变成了物理现实，则相干叠加就会被破坏”②，量子纠缠这一特质正好为突现论提供了案例支撑。在新近量子力学关于还原与突现之争中，克瑞兹( Kronz)和梯恩( Tiehen)结合量子理论提出了三种情形的突现③： 一种是原质突现( prototypicalemergence)。每一整体完全由同时存在的具有独立特性的部分所构成，这时候判断突现和合成( resultant)的依据是看整体中是包含不可加和性还是可加和性，如果是包含可加和性的那么就是合成的，而包含非加和性的就是突现的。第二类就是激进突现( radical emergence)。只有合成的整体才有同时存在的部分，而突现的整体没有同时存在的部分，突现整体产生于一种类似于部分的某种实体的聚变。部分只在整体不存在时才存在，而一旦整体存在，部分就消亡不存在了。第三种就是动力突现（dynamic emergence）。突现整体有同时存在的部分，但是这些部分的特征不能独立于它们各自的整体而被说明。突现整体是由它的部分的一种本质的、持续发展的相互作用而产生。他们认为，非分离的哈密顿函数组成了一个本质持续的相互作用。同时，他们也明确指出，第三种突现情况没有还原的可能性。由于量子态的叠加，克隆和删去一个未知的量子态变得不可能，因为要实施这种克隆和删除操作，就必须知道那个态，而假如要知道那个态，就势必要进行测量，而一测量，则马上就破坏了被测态，这一两难本身也就体现了微观世界在本体论上的复杂性。
（四）关于理论的意识介入问题
目前，许多学者认为消相干可以为量子力学提供一个很好的所谓客观的解释，由此便可消除隐变量解释、心理意识的介入问题。他们的主要观点是：“首先，通过系统与环境相互作用的消相干，量子测量过程能由复杂量子系统的普通演化而解释，而不必增加一个不自然的特设的塌缩假设。其次，有意识的观察者、有生命的动物的任何特殊的作用，几乎从整个讨论中消失了”①。本人认为，消相干解释尽管能在一定程度上缓解意识的介入问题，并为量子测量理论寻求某些客观的基石，但并不能为意识的完全剔除提供充分的辩护。按照他们的观点，量子测量过程可以通过复杂量子系统的演化来解释，但复杂量子系统的测量就势必要靠更复杂的量子系统的演化来解释，这必然会导致一种无穷的退却。这种无穷的退却的最终截止点在哪里呢？本质上，这个最终截止点的确定非人不可②。正如冯，诺伊曼所认为的，在被观察和进行观察的两部分之间， “尽管其分界线可以移动，但也是互不约化的”③。所以，要从根本上消除人的意识的介入问题，至少就现有的辩护理由而言，还是不够充分的。其实，意识的介入倒可以有效呼应目前发生在哲学领域的观察渗透理论、科学的实在论与反实在论等哲学争论。
（五）科学实在论与反实在论的讨论
实在论的基本内涵是“存在一个客观的、独立于观察者的、科学试图描述和理解的实在”④。在量子力学中的双缝干涉实验中，如果对电子通过狭缝进行观察，则这一观察将影响电子以后的行为。按照正统的哥本哈根诠释，只有首先执行观察，才能确定电子的确定位置。由此使得现象依赖于它所受到的观察，这样也就直接对现象的客观实在性构成了威胁。这样，一种科学理论究竟是关于客观世界的理论还是仅是关于我们的观察的理论，此类问题和争论就变得日益突出。玻尔就认为：“根本就没有什么量子世界，仅仅只有一个抽象的量子物理描述。认为物理学的任务是发现自然是怎样的观点是错误的，物理学关心的只是我们关于自然能说什么”⑤。工具主义对哥本哈根诠释是极度欢迎的，因为正好迎合了它的核心主张，“科学理论的任务，只是整理先前的观察和预言新的观察”⑥。而目前已有的实验和技术，尤其是量子离物传导( quantumteleportation)⑦实验，更激发了量子力学里的反实在论思潮。与此相反，实在论的进路是坚决反对哥本哈根学派所提供的那种量子力学的诠释，比如爱因斯坦就是一个坚定的实在论者。最近Bernard dEspagnat指出，量子力学里的实在其实是被某种面纱所罩上了（Veiled Reality），并指出目前的物理界仍然支持一种“独立性实在是一种有效概念”的主张⑧，即“独立性实在”概念并不是完全无意义的。Bernard d´Espagnat认为，需要提出一种新的拓展性因果关系，这一新的因果关系区别于康德的那种决定论属性的因果关系以及爱因斯坦的那种因果关系。
总之，量子干涉、量子纠缠、以及量子消相干不仅带来了众多新的哲学问题，而且许多形而上学和科学哲学里的传统争论在这些新事实面前也需进行新的评介和分析。上述所提及的哲学问题不过是笔者为激发学界共鸣所做的一些非完全概括，许多分析都还只是一根引线。在笔者看来，就这三个概念本身而言，它们并不能解决所有的哲学问题、或终结某些哲学争议，因为关于它们自身的理解，目前就远还没有达及共识。
（责任编辑 行之）