惠勒延遲選擇實驗的真實性哲學解釋
附錄一
惠勒延遲選擇實驗的真實性哲學解釋
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????????1978年，美國物理學家約翰·惠勒的《量子理論基礎》一書出版。在這本書中，惠勒提出了一系列想象的實驗，以證明量子力學的哥本哈根解釋。一開始其并沒有引起多少人的注意。
????????1979年，在紀念愛因斯坦100周年誕辰的研討會上，惠勒把這些實驗再度提出來，并補充了更為具體的方案，其被稱為“延遲選擇實驗”。這一次終于在科學界引起重視，因為如果惠勒的延遲選擇實驗被證明，愛因斯坦和尼爾斯·玻爾有關(guān)量子力學的哲學爭論就有了最終結(jié)論，即玻爾是正確的。
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????????自20世紀80年代至今，所有版本的惠勒延遲選擇實驗都通過了經(jīng)驗的檢驗。正是基于這一系列受控實驗，物理學家認為，量子力學的研究對象不是獨立于觀察者的存在。離開觀察者的選擇，討論獨立于觀察者存在的對象毫無意義。例如光具有波粒二象性，但如果沒有觀察者，認為光是粒子還是波是沒有意義的。
????????惠勒認為，延遲選擇實驗證明觀察者決定了光是以粒子的身份現(xiàn)身還是以波的身份現(xiàn)身。為此，惠勒曾引用玻爾的話：“沒有一個基本量子現(xiàn)象可算作現(xiàn)象，直到它被一個不可逆的行動所實現(xiàn)了之后。這一切無疑給出一種印象：量子力學的哥本哈根解釋已被證明，雖然物理學家不喜歡其主觀唯心論（唯我論）的味道。不同版本的惠勒延遲選擇實驗對客觀實在論的真實觀形成致命一擊。然而，否定客觀實在論一定要接受主觀唯心論（唯我論）嗎？
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????????我不同意量子力學的哥本哈根解釋。其實，惠勒延遲選擇實驗只是證明了實驗對象離不開受控實驗中的控制條件（它是通過裝置和一系列控制實現(xiàn)的）。它在推翻客觀實在為真的同時，肯定了受控實驗普遍可重復為真。據(jù)此，可以提出一種新的真實觀，我把基于這種真實觀的哲學稱為真實性哲學。
????????真實性哲學認為，真實性只是對象和主體、受控變量之間的一種最基本的關(guān)系，作為三者之間的關(guān)系，離開其中任何一個都無意義。表面上看，這是一種精致的唯我論，事實上，真實性哲學和主觀唯心論（唯我論）完全不同。
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????????在本書前11章，我反復強調(diào)，對科學真實而言，主體被懸置，對象的真實性必須在普遍可重復的受控實驗（或受控觀察）中才能被證明。也就是說，一旦離開控制變量（主體選擇的實驗條件），所謂研究對象為真就毫無意義。雖然主體為真是主體選擇控制條件的普遍可重復之前提，但科學研究對象和主體的關(guān)系必須通過受控變量。這里的關(guān)鍵在于，受控變量中不包含主體，這是主體被懸置的準確定義。這樣一來，抽離受控變量，將其歸為對象和主體的直接關(guān)系是錯誤的。
????????因此，主張對象和主體無關(guān)的客觀實在論與主張對象直接取決于主體的主觀唯心論（唯我論）都是不正確的。真實性既不是客觀實在，也不是心靈的投射，它作為主體、主體控制的受控變量和對象三者之間最基本的關(guān)系，只有依賴橫跨符號世界和經(jīng)驗世界的拱橋才能不斷擴張。
????????惠勒延遲選擇實驗有很多版本，且使用了不同的裝置儀器。下面我會集中介紹以馬赫—曾德爾干涉儀為基礎的版本，并用真實性哲學的基本觀點對其做出解釋。
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惠勒延遲選擇實驗之一：驗證光的粒子性?
????????這一實驗本質(zhì)上和第三編第一章討論的雙縫實驗相同，但用半透鏡來代替雙縫。一個光子有一半可能性通過
，一半可能性被反射。半透鏡和光子入射途徑擺成45度角，那么一種可能性是光子通過半透鏡直飛，經(jīng)過全反射鏡
，最終被探測器
捕捉到；另一種可能性是光被半透鏡反射，沿和射入方向呈90度角的方向傳播，經(jīng)過全反射鏡
，最終被探測器
捕捉到。把這兩種可能性交會到一起，就是圖5-1所示的實驗裝置。
????????一是通過半透鏡，經(jīng)過反射鏡
進入探測器
；
????????二是半透鏡不讓光子通過，這時光子被半透鏡折射成90度角，該光子經(jīng)過反射鏡
進入探測器
。
????????因此，實驗結(jié)果是：當收到光子時，
收不到光子，反之亦然。根據(jù)哪一個探測器接收到光子，可以確定它究竟是通過路徑1還是通過路徑2飛來的。如果我們看到
和
交替收到光信號，就知道光到達半透鏡
，有時光子通過了半透鏡，有時光子沒有通過。這一切顯示了光的粒子性。
????????換言之，這個實驗可以證明光具有粒子性。通常人們認為，粒子性是光的客觀實在的性質(zhì)。為了質(zhì)疑這一觀點，惠勒提出另一個證明光是波的實驗，這就是“延遲選擇實驗”之二。
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惠勒延遲選擇實驗之二：驗證光的波動性?
????????延遲選擇實驗之二和實驗一的不同之處在于，實驗者在終點即兩種可能性的交會處，再插入一塊呈45度角的半透鏡，這會造成光的自我干涉。據(jù)此可以推斷，光子是同時經(jīng)由路徑1和路徑2到達
并發(fā)生干涉的。
????????在圖5-2所示的實驗中，有一個關(guān)鍵步驟。那就是要事先調(diào)整好全反射鏡、
與半透鏡
的距離，使射向探測器
的兩個光波可以相互減弱以至抵消，而射向探測器
的兩個光波就必須會相互增強。結(jié)果就是：探測器
根本檢測不到光，無論做多少次實驗，都是如此。與此相反，探測器
則每次都可以檢測到光。
????????這個實驗證明：光到達半透鏡時，不是粒子而是波。半透鏡把光波分成兩個部分，它們必定互相干涉，否則就不可能觀察到光的干涉圖像，故圖5-2所示的實驗揭示了光的波動性。根據(jù)該實驗，明顯可見實驗裝置中光在抵達探測器之前是波，而不是粒子。
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????????如果分別考察實驗一和實驗二，它們都沒有任何反常之處。這兩個實驗共同證實了愛因斯坦的光具有波粒二象性的假說。物理學家早就知曉：光到底是展現(xiàn)出粒子性還是波動性，取決于實驗裝置規(guī)定的觀察條件。
????????惠勒這兩個實驗的妙處正在于，證明光是波的實驗裝置和證明光是粒子的實驗裝置只差一個半透鏡。也就是說，只要在實驗一的裝置中加一個半透鏡
，就變成了實驗二。這里耐人尋味的是，改變實驗裝置的過程也是一個受控實驗。據(jù)此，惠勒設計了實驗三，那就是證明光子不是客觀實在的延遲選擇實驗。
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惠勒延遲選擇實驗之三：快速放置半透鏡
的實驗
????????因為實驗二的裝置和實驗一的裝置之間唯一的差別是多了一塊半透鏡，所以只要把實驗二中的半透鏡
去掉，實驗二就轉(zhuǎn)化為實驗一。如前所述，在實驗一中，兩個探測器交替接收到光信號，這意味著光是粒子。如果在光子即將到達探測器之前的瞬間（此時還是實驗一的條件），迅速地像實驗二那樣增加一個半透鏡
（見圖5-3），這時，光將會以怎樣的形式呈現(xiàn)呢？
?? ? ? ? 按照實驗一和實驗二，光的性質(zhì)事先取決于實驗裝置的安排。那么，在這個實驗中，最先做實驗的裝置是實驗一，它規(guī)定光是粒子。如果光子是一種客觀實在，它只要穿過屬于實驗一中的裝置半透鏡，該光子行為將如同一開始穿過
那樣，仍以粒子的形式呈現(xiàn)。也就是說，在快速放置半透鏡
以后的極短時間內(nèi)，應該看到類似實驗一的結(jié)果。
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????????惠勒相信量子力學的哥本哈根解釋，他認為，由于裝置最后是以實驗二呈現(xiàn)的，中途添加半透鏡這一操作對實驗二沒有影響，光將以波的形式呈現(xiàn)。換言之，在第三個受控實驗中，只有探測器檢測到光，而探測器
什么也發(fā)現(xiàn)不了。
????????根據(jù)常識，惠勒的預言不可思議，因為是否在終點處插入半透鏡，是可以在光子實際通過了第一塊反射鏡，已經(jīng)快要到達終點時才決定的。除非光會知曉半透鏡
的臨時放置，在中途從粒子變成波，否則結(jié)果不可能和實驗一不同。
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????????這個實驗難度極高，要到1987年才由美國馬里蘭大學實驗物理學家卡洛爾·阿雷完成。與此同時，慕尼黑大學的一個小組也做出了類似的結(jié)果。最后的實驗結(jié)果證實了惠勒的預言。這一實驗引起全球轟動。
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惠勒延遲選擇實驗之四：量子擦除實驗
????????進入20世紀80年代之后，物理學家進一步發(fā)展了惠勒延遲選擇實驗，這就是著名的量子擦除實驗。
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????????量子擦除實驗的結(jié)構(gòu)可以理解為實驗二的延伸。
????????在實驗一中，因為光是以粒子的方式運動的，故而和
不會探測到光的干涉；
????????在實驗二中，和
能探測到光的干涉，因為在這一實驗設置中，光是以波的形式運動的，路徑1和路徑2的光波會在
處相遇和疊加，形成光的干涉。
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????????其實，以實驗二的裝置為基礎，分別在和
、
和
之間設置兩個偏振器B和E，它們通過給光標記偏振信息，能消除或重置所有的光的干涉，最終
和
都無法探測到任何光的干涉。這意味著光是以粒子的形態(tài)在運動的。
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????????理論上，光的干涉是在形成的，而偏振器B和E已經(jīng)使這種干涉不可能在
出現(xiàn)。如果有兩臺擦除器被同時設置在
左邊和下邊，一切都很容易理解，即擦除器提前擦除了B和E賦予光的偏振信息，并使光在
形成干涉。但只有一臺擦除器D被放置在
的右邊，難道光提前預知了這個擦除器的存在，所以在
處直接將自己從粒子轉(zhuǎn)化為波，并被
探測嗎？
????????上述實驗表明，光子在通過第一塊透鏡到我們插入第二塊透鏡這之間到底在哪里、是什么，這是一個無意義的問題，我們沒有權(quán)利去談論它，它不是一個客觀真實。
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真實性哲學對惠勒延遲選擇實驗的分析
????????上述四個實驗證明了一個令人驚異的事實，那就是用受控實驗證明光波或光子不是一種可以獨立于主體進行選擇（這就是實驗裝置）的客觀實在。
????????因為光波和光子只要是客觀實在，就一定可以獨立于實驗裝置（雖然是某種裝置產(chǎn)生了它）。也就是說，在某種裝置產(chǎn)生了光波或光子之后，如果用某種迅速的新選擇改變原有裝置，依舊可以在某一瞬間發(fā)現(xiàn)和原有裝置對應的光波或光子。
????????所謂延遲選擇，就是通過極為迅速地改變裝置證明光波或光子對裝置的相對獨立性。惠勒設計的一系列實驗證明光子和光波都不是客觀實在，這實際上是第一次用受控實驗證明客觀實在不存在。
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????????那么，這一切是否會導致主觀唯心論（唯我論）呢？即“任何一個現(xiàn)象的存在都依賴于觀察它的主體”，這種觀點正確嗎？我認為不正確！問題的本質(zhì)在于，延遲選擇實驗只證明了光波和光子對主體的選擇（實驗整體裝置）的依賴性，它不能化約為對主體的直接依賴性。簡而言之，可以對惠勒一系列延遲選擇實驗做如下哲學總結(jié)。
????????真實性?作為主體X、控制手段M和對象Y三者的關(guān)系，其完全取決于M的可重復性。離開M，直接討論Y和X的關(guān)系以確定Y是什么，以及它是否為真，這都是沒有意義的。
????????惠勒一系列延遲選擇實驗表明，通常受控實驗和受控觀察一旦確定，就是不變的，以至M在真實性中的核心位置被忽略。
????????惠勒延遲選擇實驗的本質(zhì)是讓Y的變化滯后于M的受化，如果Y可以獨立于?，那么滯后于M的Y可以被受控實驗觀察到。
????????當實驗否定上述想象，仍然證明Y由M規(guī)定時，真實性作為主體X、控制手段M和對象Y三者的關(guān)系才真正顯現(xiàn)了出來。
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????????一旦理解了受控實驗在真實性中的核心位置，所有真實性研究就必定以M的普遍可重復為核心。正因如此，當M包含主體時，?和科學真實不同，我們發(fā)現(xiàn)了真實性的不同領域。在每一個領域，M都可以將同樣的結(jié)構(gòu)映像到經(jīng)驗和符號上，兩者的同構(gòu)意味著可以建立橫跨經(jīng)驗世界和符號世界的拱橋。在此意義上，惠勒一系列延遲選擇實驗實際上是用受控實驗證明真實性哲學是正確的。
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????????我認為，從惠勒的延遲選擇實驗可以推出量子力學中的測不準原理。
????????當受控實驗是測量時，測量過程的不相容意味著和兩個受控實驗對應的對象不能同時存在。這時，對象不能同時擁有兩個不同的測量值，它亦可以看作一個測量干擾另一個測量。這種情況之所以一直被忽略，是因為長期以來認為對象是先存在著，然后才有相應測量的結(jié)果。但我們從來沒有認真地思考過對象客觀實在需要什么前提。
根據(jù)“測量可以等同于數(shù)“數(shù)”嗎”一節(jié)，測量是由如下三個環(huán)節(jié)組成的：
????????一是選擇（或制造）測量的單位（比如尺），對應受控實驗可控制變量C，
????????二是用受控觀察規(guī)定被測量的對象（比如線段），是受控觀察規(guī)定經(jīng)驗對象O，
????????三是測量方法和過程（它規(guī)定主體如何用測量單位去數(shù)被測量對象），對應受控實驗中的L。
????????其意義是受控觀察規(guī)定經(jīng)驗對象O，轉(zhuǎn)化為控制變量C和通道L一起規(guī)定的Y。主體實行控制（測量）的結(jié)果是使對象O轉(zhuǎn)化為（或在某種意義上等同于）相應受控實驗中的可控制變量Y。
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????????由此可見，測量可以嚴格地用受控實驗和受控觀察的基本結(jié)構(gòu)加以定義。這樣，離開受控實驗和受控觀察裝置去想象對象是沒有意義的。對象的真實性即相應的受控實驗和受控觀察的普遍可重復性，測不準原理的存在，是因為并非所有受控實驗都是互相自洽的。當規(guī)定對象性質(zhì)的兩個受控實驗互相矛盾時，該對象不能同時具有兩個相應測量的確定值。
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????????在第三編第一章，我曾用兩種測量裝置互相矛盾來解釋測不準原理，當時我用的例子是電子的位置測量裝置和動量測量裝置不兼容，現(xiàn)在可以把相應的分析運用到所有測量中去。在惠勒延遲選擇實驗的解釋中，最令人不可思議的是實驗四，但只要從實驗裝置是否互斥來分析，實驗四的結(jié)果很容易理解，因為實驗裝置中的擦除器D與偏振器E互相抵消，但不和B矛盾。
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????????由此可見，測不準原理之所以成為物理世界最基本的定律，是因為其考察了真實性核心M集合中各元素是否自洽。在“真實性哲學”的建構(gòu)篇中，我們可以將其推廣到不同于科學真實的其他領域，得出真實性哲學的重要結(jié)論。
