量子力学解释

量子力学解释（共3篇）

量子力学解释 篇1

在科学发展的历程中, 作为阐述微观客体性质的理论, 量子力学无疑是成功的。对于不可见的微观客体, 物理学家们做了大量计算并设计了诸多的实验, 发挥人类的想象力定义量子世界的性质和行为。量子理论所引发的争论至今仍是科学哲学中的重要议题, 作为一个物理理论, 量子理论除了有数学的确定性, 还有经验上对结果预期的可能性。由于理论受到了少部分预言的限定, 对理论的解释就体现了人们在主观上如何理解理论的本体论意义和认识论意义。

一物理理论与解释

探讨任何理论的解释问题, 首先要清楚何为理论?在物理学中, 理论通常由两部分构成——数学形式和物理意义。数学形式包括符号、数学公式和方程等数学结构, 物理意义包括对内在的实验和研究背景的解释以及对外在的测量结果的预计。任何数学符号都有一定的物理意义, 物理意义虽没有数学形式在假设和推理方面的严谨性, 但它能在语言上清晰地描述应用于实验测量中的数学形式。如果只有好的数学形式, 没有对应的物理意义, 很难构建与其关联的物理理论。所以, 阐述物理意义对于澄清一个理论具有重要意义。

在构建物理理论中, 通常每个数学步骤都有相应的物理图景的描述, 也就是说每一个数学计算都应该得到解释。这不仅是物理学家的理念, 也是整体科学知识构成的需要。受到这种理念的影响, 物理学家在理论的框架内设计了相应的对实验结果的预言。因而, 如果我们能够描绘实验中每个过程究竟会发生什么, 也就意味着在原理上我们能够测量实验, 那么, 理论存在的价值必然会得到体现。

解释相对来说是一个比较模糊的概念。它既可以是理论的部分或全部语义, 也可以是被扩展或修正的理论——加入到理论中的一系列的陈述。划分理论的语义与扩展的理论之间的界线是很困难的。例如, 牛顿第二定律的数学形式如下:

F=ma (1)

这只是由一系列符号表示的数学形式。但是同时, 该数学形式被附加的陈述规定了数学上的语义:

a=d2x/dt2 (2)

F=F (x, t) (3)

以上三个方程不仅是数学符号, 而是能用物理语言表述的理论陈述:t是时间, x是物体的位置, F是作用在物体上的力, m是物体的质量。陈述中用文字定义了数学量的物理意义。但我们是否能确定这些文字的意义呢?每个学过物理的人都能意识到明确定义它们的困难。在介绍经典物理时, 牛顿就不得不充分运用牛顿力学之前的科学语言。在伽利略物理学中就运用了亚里士多德物理学动力因的解释, 认为力与速度而不是加速度成正比。由这个定律产生出了新的对“力”的定义:力不是维持物体运动的原因, 而是改变物体运动的原因。可见, 理论需要自身术语定义上的精确性。爱因斯坦曾说过:“只有理论告诉了我们能观察到什么”[1]。

理论必须体现“语义上的一致性”, 也就是说, 理论表达的前提是其语义运用的一致性。在某种意义上, 量子力学解释做的就是这些扩展的工作。哥本哈根解释、最低限度的系综解释、本体论解释、多世界解释、模态解释、退相干解释等各种量子力学解释都试图在语义上、逻辑上促进人们对量子力学的理解。

二整体知识场视角下的量子力学解释

“科学结构是一个知识和信念的整体, 包括经验科学、数学、逻辑学和形而上学”[2]。量子力学的理论陈述、数学逻辑陈述和形而上学陈述组成了一个整体的知识场。从正统的哥本哈根解释到最低限度的系综解释、本体论解释、多世界解释、模态解释、退相干解释, 在语义上都是开放性的, 并且能够从整体知识场的视角理解它的意义。

首先, 量子力学的数学逻辑陈述与物理理论陈述需要协调。量子力学研究的对象是我们不能直接感知到的微观客体的物理性质与规律, 这就导致了用以描述这些规律的数学形式与物理概念的抽象性。其基本概念和规律完全通过数学语言表述, 用数学符号代替物理学概念。大量抽象的数学语言与经验没有必然的联系, 无法将量子力学的数学形式转化为观察者的常识与直觉。在经典物理学中, 数学符号能使物理概念更清晰、更精确。例如, 当某个位置、速度或动力学定律通过坐标、导数及各种方程表述时, 数学符号使物理概念更明确了, 具有解释与描述的功能, 理论工具与其代表的实在完全一致。但在量子力学中, 虽然数学的精确性和连贯性仍然存在, 但是它们与直觉的联系几乎荡然无存。“要确定一个系统的量子力学状态, 显然不能仅仅通过实验观察来确定, 而只有间接地通过经验证据才能证实。”[3]量子理论中除了基本公式及与经典不同的量子特性外, 还需要包含那些把系统的理论状态与实验协调起来的规则和假定, 在经验上使量子力学的数学逻辑陈述与物理理论陈述趋于一致。

其次, 量子理论陈述与形而上学之间需要协调。在量子力学理论中, 量子测量至关重要。量子测量视客体系统和测量仪器为量子系统, 假设测量仪器上显示出的指针值作为具体可观察的值。为了澄清量子力学测量的概念, 在测量过程中需要制定一些要求, 甚至在很多情况下附加了进一步的假设, 但这些附加的要求不是量子测量的基本概念, 而是对应于量子力学解释。[4]19也就是说, 在量子测量与量子力学解释之间存在着关联, 因为解释中规定的假设必须与相应的测量过程的模型一致。例如, 哥本哈根解释中的互补原理, 为了在经验上进一步理解测量过程, 玻尔引入了形而上的思考, 认为量子客体有时表现为波, 有时表现为粒子。然而, 不赞成互补原理的人也给出了自己的解释。从爱因斯坦系综解释到翁内等科学家提出的退相干解释, 都是在理论陈述与形而上学陈述之间寻找一条理解量子力学的途径。

再者, 量子理论与经典理论需要协调。1905年爱因斯坦发现了光电效应, 他的光的量子化的假设成为了量子理论的一个核心问题。爱因斯坦的光量子化, 体现对光本质的描述的二元性。此时, 物理学家们对光的一些不符合经典的行为的含义尚未达成共识, 德布罗意经过长期的冥思苦想, 在1924年提出了“物质波”理论的想法。爱因斯坦和德布罗意把波和粒子的概念连接起来, 导出了不确定性关系, 动摇了经典物理学一直都遵从的决定性原则, 即, 物理过程中的任何一个状态都由之前的状态决定。1913年, 玻尔首先思考到量子理论需要打破经典理论思维方式的束缚, 建立了原子的玻尔模型, 后来也被称为旧量子论, 把光解释为一份一份的不连续的运动形式。这违背了经典物理学建立的连续性原则, 即, 所有过程从初始态到其他态必须经历每一个中间过程。1926年玻恩提出了关于薛定谔波函数的概率诠释。把波解释为粒子性, 他认为:“粒子的运动符合概率性规律, 但是概率本身按照因果律传播”[5]。对于波恩来说, 波函数代表着概率性。这违背了经典物理学的确定性原则和因果性原则。量子理论与经典理论的悖论引起了物理学家的思考, 他们认识到应该建立更加清晰的量子力学结构, 需要从解释论意义上澄清量子力学的概念。当量子力学与常识、经验不协调时, 需要从认识论的角度说明量子力学世界图景的合理性与真实性, 从而在微观世界和常识世界建立一道互相理解的桥梁。

三从哥本哈根解释到退相干解释

(一) 哥本哈根解释

哥本哈根解释建立于20世纪20年代。其主要创立者是玻尔, 海森堡、玻恩及其他物理学家也为此作出了重要贡献。事实上, 他们中没有谁用过“哥本哈根解释”作为他们对量子世界理解的表述。“哥本哈根解释”是后来人们对玻尔等人共同思想的指称, 包括不确定性关系、玻尔对应原理、玻恩对波函数的统计解释、互补性原理、投影假设。

从本体论上看, 哥本哈根解释是用经典物理学的概念理解微观现象, 也就是将量子力学的基本概念建立在经典物理学概念的基础上。所谓互补原理, 就是要找出在量子物理学里运用经典物理学概念的限制范围, 或者说怎样把经典物理学概念加以改造, 使其能够适用于微观物理学。哥本哈根解释认为, 当我们测量微观客体的位置或者动量等任何一个物理量时, 我们就以某种方式进行了干预, 使得波函数产生了一种不可预测的变化, 被测的量变成了另一个有确定值的波函数, 而这种变化的经过是不能够用决定性的薛定谔方程来描述的。显然这样的处理使量子力学理论在经验上变得容易理解。

在量子测量中, 哥本哈根解释首先假设理论陈述中的量子客体必须是真实存在的, 并假设被测量的位置、动量是通过测量仪器显示的观察值表示。在此前提下, 玻尔用互补性原理解释了用来描述不确定关系的数学公式, 也就是说用于测量动量与位置的测量仪器是互相排斥的, 不存在一个真实的仪器可以同时测量动量和位置, 使数学逻辑陈述与物理陈述趋于协调。

哥本哈根解释中另一个前提是假设测量仪器是经典的。这意味着用于检验量子理论的仪器不仅在物理意义上真实存在, 而且仪器是必须服从于经典物理的宏观仪器。必须依靠遵守经典物理学规律的仪器对微观系统进行测量。那么, 可以认为测量的实验结果是经典物理意义的事件, 并能通过经典力学、经典动力学等经典理论处理。在这个方法论前提下, 量子力学奇特的性质在测量结果中完全消失了。[4]2很难判断到底经典与量子理论谁更具有优先性, 也没有澄清量子理论与形而上学之间的关系。

此外, 投影假设中测量值与本征态对应, 在假设“主观介入”时, 将主观意识这个非物理因素直接引入了量子力学解释中, 纵然在经验上与理论相协调, 但测量者的意识在其中的作用并没有明确。

可见, 一方面, 哥本哈根解释的确解答了一些自量子力学建立以来所存在的困惑, 另一方面, 量子理论应当具备的语义及逻辑上的自恰, 哥本哈根解释并未完全解决, 这也成为哥本哈根解释不断遭受批评的原因。

(二) 最低限度的系综解释

在1927年的索尔维会议上爱因斯坦针对哥本哈根解释提出了系综的观点。系综解释主张量子力学一般只能够给出统计式的预言, 即给出在大量同样条件下的测量事件中不同观察结果的概率分布。因此量子力学不给出对单个物理系统的描写, 而是给出许多个由相同的制备方式得到的系统——系综的描写。1949年, 布洛欣采夫建立了较系统的系综解释理论。直到20世纪70年代, 贝延廷进一步精致了系综解释, 创立了现在公认的系综解释的最完善的形式——最低限度的 (minimal) 系综解释。

最低限度的系综解释把测量结果的概率理解为是在多次测量中出现的相对频率, 其主要思想是:当系统处于Ψ时, 对与算符A对应的力学变量进行足够多次的测量取平均值。该解释认为量子力学的基本公理已明确地内设了给概率以相对频率解释的统计观点, 并以“概率幅”而非概率为核心概念, 以将量子力学区别于一切旧的经典统计理论。

在量子测量中, 最低限度的系综解释首先假设量子测量的对象是许多相同系统, 并取具体测量值的频率作为这些值的概率分布。所谓最低限度, 指测量结果就是仪器指针显示的可观察量的值, 既不涉及单个被测微观系统, 也不直接涉及多个被测系统组成的系综。并且, 最低限度的系综解释还假设测量仪器不是经典系统而是量子系统, 服从量子力学规律。最低限度的系综解释保持了哥本哈根解释中经验与实证的态度, 避免陈述客观系统, 而只陈述测量中观察到的仪器指针的值。[4]9因此, 指针的值在最低限度的系综解释中起到了重要的作用, 任何客体系统的干扰都没必要, 原因是系统已经有一个测量值。但是, 作为解释力强的标准, 不仅要考虑指针的值, 也考虑客体系统可观察量的值。显然, 这种解释力很弱。因此, 必须定义一个自明的附加性要求, 即测量结束时, 指针有一个良好定义的表征测量结果的值。[4]13

(三) 本体论解释

本体论解释主要是以玻姆的量子力学因果解释为典范, 最早来源于德·布罗意-玻姆理论, 是他们分别在1927年和1952年提出的, 这也是量子力学隐变量理论的最简单模式。玻姆认为, 量子力学基本上是研究有关粒子行为的:粒子由它们的位置描述, 并规定了它们是如何随时间变化。在这个意义上, 通过位置所描述的粒子才是第一位的, 而波函数是次要的、派生的。贝尔认为“隐变量”这个术语实际指的就是玻姆理论中粒子的位置。学界所谓的隐变量理论, 实际上指的就是玻姆力学中的相关理论。玻姆认为, 在量子力学领域内, 微观粒子的概念具有本体论意义, 粒子应视为实实在在连续运动着的粒子。[6]

在处理测量问题时, 玻姆假设量子系统的性质不只属于系统本身, 还取决于测量仪器。此外, 玻姆理论所假设的另一物理实在——波函数同样是不可探测的隐变量, 因为对单个粒子的物理测量一般只产生一个关于粒子性质的确定的结果, 根本测不到任何波函数的性质。他的观点与爱因斯坦的观点接近, 爱因斯坦认为观察只不过是揭露已经存在的实在。也就是说, 外部世界是独立于我们观察而存在的。

与哥本哈根解释只谈论“观察”或“测量”, 不能谈论其中到底发生了什么有所不同, 玻姆认为需要探索其中的本体论问题。首先设想有一个实际粒子, 它具有确定的动量和确定的位置。然后, 取其波函数, 把它视为一个实在的场, 于是, 这个场可以影响这个粒子的行为。在技术上, 这是由薛定谔方程导出的一个运动方程达到的, 这个运动方程包括一项量子势的附加势, 它改变了粒子的经典行为, 从而产生了与量子力学一致的结果。[7]在玻姆看来, 这种不只依赖于观察建立的模型可以增强人们关于物理世界的直觉观念。

(四) 多世界解释

多世界解释是埃弗雷特于1957年提出来的。所谓多世界, 即除了我们观察到的这个世界外, 宇宙中还有其他无数个世界存在。每次量子测量中得到各种不同概率的结果, 每个结果对应于一个世界, 但我们只能意识到我们所看到的这个世界的一个结果。按照埃弗雷特的观点, 跃迁的出现是因为宇宙分裂成了两个, 一个包含着活猫, 另一个包含着死猫。也就是说当一个量子系统要在众结局中作出一次选择时, 宇宙就分裂, 使一切可能的选择都会实现。

多世界解释与最低限度的系综解释、本体论解释相同, 从量子力学形式来考虑对客观系统仪器和测量过程的描述。与哥本哈根解释比较, 它视量子力学为普遍的, 适用于微观、宏观测量仪器以及观察者和整个宇宙。在这一点上, 多世界解释的附加性要求与前两个解释是一致的。并且, 多世界解释没有产生新的量子力学术语, 相反, 避免了任何超过纯形式的附加的解释, 可视为是附加性假设最少的解释。原因在于它涉及到了相关态的测量, 没有附加客观性假定, 量子测量理论提供了系统的无限多场景的完备描述。这使得每个可观察量的值Ai对应某个指针值Zi, 测量过程的最终场景被适当地描述为两个相关联的混态, 一个指称客体系统S, 另一个指称仪器的观察者M。这里说明了埃弗雷特原初的术语“相对态解释”, 同存于测量过程的终态的Ψ (S+M) 多种形式的大量系统的思想, 被命名为“多世界”[4]17。多世界解释认为, 量子测量中只有微观客体, 没有“先验”的经典系统, 也不存在“站在外面”的观察者。

多世界解释还认为, 量子测量中, 经典性质的表现是突然产生的。而且, 多世界解释是完全基于量子力学现有的体系, 通过复杂的数学推理, 在试图排除任何明显附加假设的前提下, 对量子测量过程进行的一种最经济的实在论解释。[8]135所以可以认为多世界解释的解释力是除本体论解释外最强的解释。

(五) 模态解释

模态解释创立于1972年, 该思想经过三十多年的发展在当今的科学哲学界影响甚大, 科学哲学家范·弗拉森是其中的主要代表。模态解释的主要思想是:用一个或更多“可能事件态”解释一个系统的理论态, 人们从这些可能事件态描述“实际事件态”;若系统的理论态不是作为唯一决定实际事件的态, 则该系统应有一个更精确的理论态能唯一地决定事件的真实态。[9]

模态解释有许多分支, 包括单粒子的模态解释和系综的模态解释, 它们均承认量子物理的总态由动力学态和值态构成。其中心思想是区分了动力学态 (量子态) 和值态 (真实事件态) , 并通过假定二者之间的模态关系取消投影假设, 重现量子力学标准形式的一切预言, 因此它比正统解释更适当地说明了量子测量问题。[8]81

模态解释与多世界解释的共同之处在于它们的解释中均引入模态来取消投影假设。模态解释将物理情态看作由动力学态与值态两部分组成。动力学态的演化是照薛定谔方程决定地演化, 而无论是否作了测量, 量子测量仅是通过仪器与被测量客体的相互作用, 通过被测客体的动力学态与仪器的值态之间的模态统计约束关系, 使被测量客体本来就必然具有的动力学态经仪器的值实然地反映出来。

它放弃了哥本哈根解释中本征态-本征值的关联, 而代之以值与态的分离。这是不同于其他解释的重大修正之处。模态解释非常接近量子力学标准形式。它们均在希尔伯特空间中定义一个系统的量子力学描述, 模态解释没有假定存在一个由不同密度算符表征的一个系统的更精确的态。在这种意义上讲其解释力强于哥本哈根解释与系综解释。

(六) 退相干解释

近十来年, 通过现代技术操作使得原来不可能的实验得以实现, 在这样的背景下, 产生了新的量子力学思想。特别引起人们注意的是退相干解释。1984年格瑞夫提出了“一致性历史解释”, 其基本思想与翁内和朱瑞克等物理学家的观点接近。他们认为:一个量子物理学系统, 由于与其环境不可避免的相互作用, 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, 使系统的行为表现得就像经典物理学系统一样, 从而实现了从量子到经典的过渡。这就是退相干解释。

退相干解释中依据宏观客体实在的概念, 在充分精确的层面上, 附加了一套共同的观察值处理测量问题。在翁内看来, 仪器周围原子的互相摩擦引起环境状态的巨大变化, 虽然不能在宏观中看到, 但却很大程度地改变了波函数的数学细节。[10]两个依赖于环境的波函数有不同的位相, 互相没有直接关系的波函数有显著差异。这个模型显然比冯·诺依曼的测量模型更加精致, 它考虑到了集体自由度与环境之间的相互作用。而且, 由于时间的连续性, 波函数中的位相相干损失只是一个迅速演进的过程。

退相干解释中不需要假设一个外在的观察者作为整个量子系统的一部分。它强调宏观量子系统从未能脱离环境。退相干解释认为, 量子系统不应指望服从只适用于封闭系统的薛定谔方程。系统通常被视作经典遭遇的自然的量子干涉的消失, 它泄漏到环境中去了。按照退相干解释, 量子力学的概念和定律是全部物理学的基础, 由此可以导出经典物理学的概念和定律, 在这个意义上可以认为退相干解释力要比模态解释、哥本哈根解释和最低限度的系综解释要强。

四量子力学解释比较

从哥本哈根解释到退相干解释, 每种解释的解释力不同, 附加性要求也不一样, 所以每种量子力学解释的数学逻辑陈述、物理理论陈述、经验陈述与形而上学陈述之间的关系不一致。

解释力强的一般不仅适用于普遍的情况, 并且在数学与逻辑上能够消除量子力学的困难, 与直觉相符合。在解释中附加的假设性要求越少越符合科学的紧致性要求, 因为超越所有物理学家都承认的最低限度的量子力学形式以外的解释性要求都是基于这些形式而附加的假设或哲学信念。我们认为需要从解释力强弱与附加性要求多少两个视角比较这些解释, 寻求附加性要求与解释力之间的张力, 作为所支持的量子力学解释的充分理由。

理想的解释是要同时满足最小解释性要求和最强解释力, 但事实上迄今所有的解释都只能在这二者间形成一定的张力。这种张力的强表述是:最小解释性要求是附加尽可能少的假设, 并不违反量子力学标准数学形式, 而最强的解释力不仅应该在数学与逻辑上消除量子力学的主要解释疑难, 而且要有与正统物理诠释不同的可检验预言。这种张力的弱表述是:在把握量子力学基本特征的基础上, 通过对测量的解释, 最大程度地增加量子力学的可理解性。而且应该给出一种一元本体论的地位, 并没有与正统物理诠释不同的可检验预言。因此, 仅从解释力角度看, 本体论解释、多世界解释、退相干解释、模态解释、哥本哈根解释到最低限度系综解释, 构成了解释力由强到弱的顺序。 (见表一) 仅从解释的附加性要求看, 最低限度的系综解释、多世界解释、模态解释、退相干解释、哥本哈根解释到本体论解释, 附加解释性要求逐次提高。 (见表二)

纵观科学哲学的历史, 各种科学理论都是不同风格场的竞争, 在解释力强弱与附加性要求的张力中比较量子力学解释, 既澄清了量子理论与量子力学解释的区别, 又表明了理论与解释之间的联系。各种解释的存在表明在科学理论发展的任何阶段中都普遍存在着对理论解释之间的互相竞争。我们不应该因为某个解释在某个别方面的成功而片面抬高它的作用, 也不要因为它在另一个方面的奇怪而抛弃它, 在寻求附加性要求与解释力之间的张力中, 要认识到理论与对应的一个或多个解释的构建是整体科学知识的需要, 也是语义一致性的需要。

参考文献

[1]Gornitz T, von Weizsacker.Copenhagen and TransactionalInterpretation[J].International Journal of TheoreticalPhysics, 1988, 27 (2) :241.

[2]殷正坤, 邱仁宗.科学哲学引论[M].武汉:华中理工大学出版社, 1996:254.

[3] (美) 内格尔.科学的结构[M].徐向东, 译.上海:上海译文出版社, 2002:367.

[4]Peter Mittelstaedt.The Interpretation of Quantum Mechanicsand the Measurement Process[M].Cambridge:CambridgeUniversity Press, 1988.

[5]Roland Omnes.The Interpretation of Quantum Mechanics[M].Princeton:Princetion University Press, 1994:249.

[6]Bohm.A Suggested Interpretation of the Quantum Theory inTerms of‘Hidden’Variables[J].Physical Review.1952, 85 (2) :166-193.

[7] (英) 戴维斯.原子中的幽灵[M].易心洁, 译.长沙:湖南科技出版社, 1986:122.

[8]万小龙.范.弗拉森的量子力学哲学研究[M].广州:中山大学出版社, 1996.

[9]Vermmnas P E.APhilosopher’s Understanding of QuantumMechanics:Possibilities and lmpossibilities of Modal Inter-pretations[M].Cambridge:Cambridge University Press, 1999:26.

[10]Roland Omnes.Understanding Quantum Mechanics[M].Princeton:Princeton University Press, 1999:223.

量子力学解释 篇2

① 生物药剂学：是研究药物极其剂型在体内的吸收，分布，代谢与排泄的过程，阐明药物的剂型因素，机体生物因素和药效之间相互的科学。

② 治疗药物监测（TDM）又称临床药动学监测，是在药动学原理的指导下，应用灵敏快速分析技术，测定血液中或其他体液中药物的浓度，分析药物浓度与疗效及毒性间的关系，进而设计或调整给药方案。临床意义：1.使给药方案个体化，2.诊断和处理药物过量中毒3.进行临床药动学和药效学的研究4.探讨新药给药方案5.节省患者治疗时间，提高治疗成功率6.降低治疗费用7.避免法律纠纷。

③ 分布（distribution）：药物进入循环后向各组织、器官或者体液转运的过程。④ 代谢（metabolism）：药物在吸收过程或进入人体循环后，受肠道菌丛或体内酶系统的作用，结构发生转变的过程。又叫生物转化。

⑤ 吸收：是药物从用药部位进入人体循环的过程。⑥ 排泄（excretion）：药物或其代谢产物排出体外的过程。⑦ 转运（transport）：药物的吸收、分布和排泄过程统称转运。⑧ 处置（disposition）：分布、代谢和排泄的过程。⑨ 清除（elimination）：代谢与排泄过程药物被清除，合称为清除。

⑩ BCS: 是依据药物的渗透性和溶解度，将药物分成四大类，并可根据这两个特征参数预测药物在体内-体外的相关性。表观分布容积（apparent volume of distribution）：是体内药量与血药浓度相互关系的一个比例常数，它可以设想为体内的药物按血浆浓度分布时，所需要体液的理论容积。Dn：：溶出数。Do：计量数。An：吸收数 清除率：是单位时间内从体内消除的含血浆体积或单位时间丛体内消除的药物表观分布容积。13 体内总清除率：是指机体在单位时间内能清除掉多少体积的相当于流经血液的药物。14 生物利用度（Bioacailability，BA）：是指剂型中的药物被吸收进入体循环的速度和程度。是评价药物有效性的指标。通常用药时曲线下浓度、达峰时间、峰值血药浓度来表示。（它的吸收程度用AUC表示，而且吸收速度是以用药后到达最高血药浓度的时间即达峰时间来表示。）评价指标AUC,Tmax，Cmax。绝对生物利用度（absolute bioavailability，Fabs）：是药物吸收进入体循环的量与给药剂量的比值，是以静脉给药制剂为参比制剂获得的药物吸收进入体循环的相对量。相对生物利用度（relative bioavailability，Frel）：又称比较生物利用度，是以其他非静脉途径给药的制剂为参比制剂获得的药物吸收进入体循环的相对量，是同一种药物不同制剂之间比较吸收程度与速度而得到的生物利用度。生物等效性（Bioequivalence，BE）：是指一种药物的不同制剂在相同试验条件下，给以相同剂量，反映其吸收程度和速度的主要药物动力学参数无统计学差异。药学等效性（Pharmaceutical equivalence）：如果两制剂含等量的相同活性成分，具有相同的剂型，符合同样的或可比较的质量标准，则可以认为它们是药学等效性。首关效应：药物在消化道和肝脏中发生的生物转化作用，使部分药物被代谢，最终进入体循环的原型药物量减少的现象。药代动力学：应用动力学原理和数学模型，定量的描述药物的吸收、分布、代谢、排泄过程随时间变化的动态规律，研究体内药物的存在位置、数量与时间之间的关系的一门科学。速率常数：是描述速度过程重要的动力学参数。速率常数越大，该过程进行也越快。单位为min-1或h-1。生物半衰期：是指药物在体内的药物量或血药浓度通过各种途径消除一半所需要的时间，用t1/2表示。特点：一级速率过程的消除半衰期与剂量无关，而消除速率常数成反比因而半衰期为常数。滞后时间：有些口服制剂，服用后往往要经过一段时间才能吸收，滞后时间是指给药开始只血液中开始出现药物的那段时间。Css（稳态血药浓度/坪浓度）：指药物进入体内的速率等于体内消除的速率时的血药浓度。25 达坪分数fss（n）：是指n次给药后的血药浓度Cn与坪浓度Css相比，相当于Css的分数。26平均稳态血药浓度：当血药浓度达到平衡后，在一个剂量间隔时间内，血药浓度-时间曲线下的面积除以间隔时间所得的商。MRT：药物在体内平均滞留时间。蓄积：是长期连续用药时，在机体的某些组织中的药物浓度有逐渐升高的趋势，这种现象称为蓄积。肠肝循环：有些药物可有小肠上皮细胞吸收，有些在肝代谢为与葡萄糖醛酸结合的代谢产物，在肠道被菌丛水解成固体药物而被重吸收，这些直接或间接在小肠肝脏血循环 肾清除率：指肾脏在单位时间内能将多少容与血浆中所含的某物质完全清楚出去，这个被完全清除了某物质的血浆容积就称为该物的血浆清除率。用CLr表示。

药物代谢动力学：是应用动力学原理与数学模型，定量的描述药物的吸收、分步、代谢和排泄的过程随时间变化动态规律的一门学科 即研究体内药物的存在位置、数量与时间之间的关系

单室模型：假设机体给药后，药物立即在全身各部位达到动态平衡，这时把整个机体视为一个房室，称为一室模型或单室模型,单室模型并不意味着所有身体各组织在任何时刻药物浓度都一样，蛋要求机体各组织药物水平能随血浆浓度变化而变化。

隔室模型：时将身体视为一个系统，系统内部按动力学特点，分为若干室，只要体内某些部位接受药物及消除药物速率相似，都可归纳为一个房室。3二室模型：从速度论的观点将机体划分为药物分布均匀程度不同的两个独立系统。一般将血流丰富及药物能瞬时达到分不平衡的部分如心肝脾肺肾，划分为一个隔室，成为中央室，降血流相对供应少，药物分布达到血液平衡较长时间的部分划分为周边室。

群体药物动力学：PPK 即药物动力学的群体分析法，是将经典药物动力学基本原理和统计方法结合，研究药物体内过程的群体规律的药物动力学分支学科。

负荷剂量：静滴之初，血药浓度和稳态浓度相差很大，因此在滴注开始需要静注一个负荷剂量使血药浓度迅速接近Css，然后以静滴维持该浓度。

膜转运：物质通过生物膜的现象。

细胞通道转运：药物借助脂溶性或膜内蛋白的载体作用，穿过细胞而被吸收的过程。38 细胞旁路通道转运：是指一些小分子物质经过细胞间连接处的微孔进入体循环的过 程。39 被动转运：是指存在与膜两侧的药物顺浓度梯度，即高浓度一侧向低浓度一侧扩算的过程。40 单纯转运;是指药物的跨膜转运受膜两侧浓度差限 制过程。

载体媒介转运：借助生物膜上的载体蛋白作用，使药物透过生物膜而被吸收的过程。

促进扩散：是指某些药物在细胞膜载体的帮助下，由膜高浓度 一侧向低浓度一侧的转运。43 主动转运：借助载体或酶促系统的作用，药物从膜低浓度侧向高浓度的转运。

膜动转运：是指通过细胞膜的主动变形将药物摄入 细胞内或从细胞内释放到细胞外的转运过程。

胃排空：胃内容物胃幽门排入十二指肠的过程。

溶出速度：是指在一定溶出条件下，单位时间溶解度量。47 临街颗粒：是指不影响药物吸收的最大粒径。

多晶型：化学结构相同的药物，由于结晶条件不同，可得到数种晶格排列不同非晶型，这种现象称为多晶型。

溶剂化物：药物含有溶媒而构成的结晶。

崩解：系指固体制剂在检查时限内全部崩解或溶解成碎粒的过程

溶出度：是指在规定溶出介质中，药物从片剂或 胶囊剂等固体制剂溶出的速度和程度。52 溶液型药物：是以分子或离子状态分散在介质中，所以口服溶液剂的吸收是口服剂型最快，且较完全的，生物利用度高。53 包合作用：将药物分子包钳与另一种物质分子的空穴结构内的制剂技术 54 压片：是在压力下把颗粒状或粉末状药物压实的过程。

高渗透药物：是指在没有 证据说明药物在肠道不稳定的情况下，有９０％以上的药物被吸收。56 吸收数：是预测口服药物吸收的基本变量，是反映药物在胃肠道渗透高低的函数与药物的有 效渗透率，肠道半径和药物在肠道内滞留时间有关。

剂量数：是反映药物溶解性与口服吸收关系的参数，是药物溶解性能的函数。

快速释药制剂：指相对与缓释制剂的普通制剂，另一种是采用特殊的辅料和方法制备出的比普通制剂释出速率还要快的制剂。

缓控释制剂：是通过延缓或控制药物的释放来控制药物的吸收药物能在较长时间内时间内持续释放药物以达到长效作用。

组织流动室法技术：是通过化合物透过未损肠组织的实验来模拟药物体内的吸收。

外翻肠囊法：时将动物的一定长度的小肠置于特殊的装置中通过测试药物透过肠粘膜的速度和程度，定量描述药物透黏膜性的方法。

外翻环法：为一种研究肠道组织摄取药物能力的方法。

淋巴：是静脉循环系统的辅助组成部分，主要由淋：是静脉循环系统的辅助组成部分，主要由淋巴管。淋巴器官。淋巴液和淋巴组织组成。

内吞：是指微生物被内状内皮系统细胞，特别是单核巨噬细胞作为外来异物吞噬进入细胞内，并迅速被溶酶体消化裂解释放药物。

吸附；是指微粒吸附在细胞表面是微粒和 细胞相互作用的开始。

融合：是由于纸质体膜中的凝脂和细胞膜的组成成分相似而产生完全缓和作用。67 膜间转运：是指微粒和相邻的细胞膜间的脂质成分发生相互交换作用。

接触释放：是膜间作用的另一种形式，主要是由于微粒和细胞接触后，微粒中的药物释放并想细胞内转运。

阿霉素；是一个有效的化疗药物，但由于对心脏的毒性较大，常常使用受到限制。70 细胞色素p450：是微粒体重催化药物代谢的活性成分，由一系列同功酶组成。

首过效应：这种在吸收过程中，药物在消化道和肝脏中发生的生物转化作用，使部分药物被代谢，最终进入体循环的原型药物量的减少现象。

结合反应：通常是药物成第一相反应生成的代谢产物结构中的极性基因与机体内源性物质反应生成结合物的结构。

酶抑制作用：通常药物代谢被减慢的现象，能使代谢加快的物质叫做酶诱导剂。74 体外法：是利用离体生物组织样品如肝脏直接分析其药物代谢能力。

前提药物：是指将活性药物衍生化成药理惰性物质，但该惰性物质在体内经化学反应或酶反应后，能够恢复到原来的固体药物，在发挥治疗作用。

肾小管分泌：时将药物转运至尿中排泄，是主动转运。

药物动力学：是应用动力学原理与数学处理方法，定量地描述药物通过各种途径进入体内的吸收，分布，代谢，排泄过程的“量时”变化或“血药浓度经时”变化动态规律的一门科学。

一级速度过程是指药物在体内某部位的转运速率与该部位的药物量成血药浓度的一次方成正比。

极性速度过程;当药物的半衰期与剂量无关，血药浓度一时间曲线下面积与剂量成正比时，其速度过程被称为零级速率常数。

零级速率常数:是指药物的转运速率在任何时间都是恒定的，与药物量或浓度无差。81 速度常数：是描述速度过程重要的动力学参数。

稳态血药浓度：临床用药若以一定的时间间隔，以相同的剂量多次给药，在给药过程中血药浓度可逐次叠加，直至血药浓度维持在一定水平或在一定水平内上下波动，该范围即称为稳态浓度，它有一个峰值（稳态时最大血药浓度），有一个谷值（稳态时最小血药浓度）。

表观分布容积：是血药浓度与体内药物间的一个比值，意指体内药物按血浆中同样浓度分布时所需的液体总容积，并不代表具体生理空间。反映药物分布的广泛程度或药物与组织成分的结合程度。

残数法：是药物动力学中把一条曲线分段分解成若干指数函数的一种常用方法。

滞后时间：是指给药开始致血药中开始出现药物的那段时间。组织隔室：浅外室为血流灌注较差的组织和器官。

达坪分数：是指n次给药后的血药浓度与坪浓度相比，相当于坪浓度的分数。

平稳血药浓度：当血药浓度到达到稳态后。在一个计量间隔时间内血药浓度-时间曲线下面积处以间隔时间t所得的商。

量积系数：系指稳态血药浓度与第一次给药后的血药浓度的比例值，以r表示，也是一个很有价值的表示药物在体内蓄积程度。

波动百分数：系指稳态最大血药浓度与稳态最小血药浓度之差与稳态最大血药浓度值的百分数。

波动度：系指稳态最大血药浓度与稳态最小血药浓度之差与平稳血药浓度的比值。

血药浓度变化率：系指稳态最大血药浓度与稳态最小血药浓差与稳态最小血药浓度比值的百分数。

非线性药物动力学：有些药物的吸收，分布和体内消除过程，并不符合线性药物动力学特征，这种药物动力学称为非线性药物动力学。

米曼常数：是指药物在体内的消除速率为一半时所对应的血药浓度。

维持性剂量：是药物吸收进入体循环的量与给药剂量的比值，给药制剂为参比制剂获得的药物吸收进入体循环的相对量。

群体：是根据研究目的所确定定的研究对象的全体，大量的研究表明在一个患者群体内药动学参数存在很大变异体。

肝首过效应：药物进入体循环前的降解或失活。

退相干理论视野下的量子力学解释 篇3

一退相干理论视野下的标准解释

量子力学的标准解释以冯·诺依曼的量子力学形式体系为基础,为探讨量子力学理论与解释提供了平台与基底,因为不同的量子力学解释体系均建立在对标准解释的批判与修正之上。退相干理论是对量子力学理论的进一步应用,该应用丰富了原有理论的内容,是量子力学在新的历史阶段下的发展。

标准解释中,为了使理论与经验相符合,冯·诺依曼根据对客体系统某个可观察量进行多次重复测量得到相同的值这一事实构造了塌缩假设,即系统的波函数在测量得到an时塌缩到了它相应的分支|an〉上,波函数发生了改变,再次测量时因为新的波函数|an〉是力学量A的本征态,结果当然只能是an。塌缩假设描述了测量引起的不连续的、非因果的、概率的和瞬时的变化,被冯·诺依曼称为过程I,与连续的和因果的薛定谔方程所描述的过程II形成对比。从而,对于量子客体的描述,需要两种不同的演化类型,一种是动力学的薛定谔方程,另一是测量时的塌缩。“动力学和塌缩原理是相互冲突的……当我们测量时,塌缩原理对所发生的而言似乎是正确的,而动力学似乎很奇怪地是错误的,但是当我们不测量时它似乎又是正确的。”[2]

许多物理学家们置疑引入波函数塌缩这样一种附加的假设是否必要,虽然它在经验上是充分的。关心量子力学基础问题的物理学家们与哲学家们并不满足于塌缩假设,试图重新对量子力学形式体系做出解读,以回答测量问题,消除在量子力学预言与实际经验之间的冲突。1952年,玻姆在德布罗意导波理论(1927)的基础上,提出了一种隐变量理论。1957年,埃弗雷特在其博士学位论文中提出了相对态解释。1971年,德威特在埃弗雷特相对态解释的基础上发展出了多世界解释。1973年,哲学家范·弗拉森把模态逻辑引入量子力学,提出了量子力学的模态解释。此外,还有多心灵解释,DLP动力学塌缩解释,一致历史解释等等。

在对量子力学形式体系给出不同解释的同时,伴随着理论与实验的发展,退相干理论于1970年代应运而生,且经过20年的发展,在1990年代受到了众多物理学家的热捧,其中描述波函数不同部分间干涉消失的退相干效应被物理学家们接受为量子测量过程中必然的物理效应,使得“退相干”一词成为量子力学中非常重要的概念之一。然而,退相干理论的内涵要远大于退相干效应,它包括了该物理效应之外的许多其他理论预设,因为退相干这一物理过程只描述了测量过程中发生了什么,并不能够解释量子理论预言与实际测量之间的冲突,不足以解决测量问题,需要引入解释的因素。

退相干理论通过对测量问题的分析,把通常所指的量子力学预言与实际测量结果不一致的测量问题称为确定结果问题,之外又增加了优先基问题。优先基问题指的是波函数按哪个可观察量的基矢展开,是什么挑选了优先的物理量,使得在测量中得到该物理量的值。优先基问题是非常重要的问题,因为优先基的选择确立了测量结果的集合,只有在确定了测量结果的集合之后再研究究竟得到集合中的哪一个值才是有意义的。退相干理论把系统与仪器之外的环境引入相互作用的链条,认为仪器与环境之间相互作用的哈密顿量选择了稳定的指针基矢,保留了对系统信息的可信记录,从而动力学地选择了系统的优先基矢。对于确定结果问题,退相干理论借助于约化密度矩阵这一粗粒化过程,忽略了环境的大多数自由度,只保留关于系统和仪器的信息,从而得到了对角化的约化密度矩阵。此表征系统态信息的约化密度矩阵中不存在表征不同波函数间干涉效应的非对角元,从而系统就表现出处于不同的确定态,就像是处于混合态中,系统处于这些确定态之中的某一个的概率由玻恩规则给出。这样,约化密度矩阵的解释仍然需要预设玻恩几率规则,使得粗粒化过程实质上是投影假设的统计版本。因而,退相干理论并未能解决测量问题,并不能替代塌缩假设,只能够对优先基问题给出回答,对于确定结果问题的产生仍然给不出独立的答案。

在引入退相干理论之后,标准解释之于测量问题的分析应该结合确定结果问题与优先基问题进行。标准解释用塌缩假设来回答确定结果问题,即测量引起了客体系统态的非连续变化,这种变化使得系统从多个本征态的叠加塌缩到了其中一个本征态,测量得到该结果的概率由初始波函数与对应于结果的量子态重叠的几率幅的平方给出。冯·诺依曼的塌缩,需要在测量链条中不断引入新的仪器,最终需要通过引入观察者的意识来实现,从而导致了心理-物理平行主义。对于优先基问题,标准解释也要诉诸于观察者,用观察者的选择来回答。测量由观察者做出,观察者能够在测量前随意选择可观察量,从而决定在测量后赋予客体的性质。同样,对于用来测量特定物理量的仪器的设计,也要用观察者的选择来说明。观察者选择要观察的量,再设计相应的仪器进行测量。因而,无论是确定结果问题还是优先基问题,观察者均发挥了重要的角色,一方面选择要测量的量,另一方面引起量子叠加的塌缩,从而最后得到被测物理量的一个确定结果,与经验相符合。在退相干理论的视野下审视标准解释,发现观察者的地位更加重要了,他甚至可以决定系统所体现的特性。

标准解释中,“最后记录什么的预言对于过程I在什么时候和哪里被用来塑造量子系统的演化是不敏感的”[3],即塌缩发生在什么时候、发生在哪里,与最后测量得到的结果没有关系。例如在双缝干涉实验中,塌缩可能在粒子撞击屏幕时发生,也可能在屏幕变黑时发生,或在结果被自动打印出来时发生,或在视网膜中发生,或沿着光学神经,或在最后意识引入时发生。这被称为在主体与客体间冯·诺依曼划界的可移动性(movability of the von Neumann cut)。这种主客体间界线的模糊性,使得量子测量成为一个黑箱,测量过程中的具体细节我们无从知晓。

标准解释用观察者来决定系统所拥有的特性,和物理系统是与观察者无关的客观存在这一传统观念相冲突,受到了许多物理学家与物理学哲学家的批评。另外,装置如何被设计以针对一个特定的可观察量?冯·诺依曼的测量方案并没有给出答案。对该问题的回答本质上要求取消标准解释中把测量看做是与真实的物理测量没有关系的一个黑箱的观点。而根据退相干理论,在实践中,观察者没有任意选择可观察量并测量它的自由,测量需要借助于测量仪器,只有与客体和仪器相互作用哈密顿量相对易的可观察量才能更好地体现测量的客观性,只有对特定可观察量的测量记录才能不受到环境相互作用的破坏,虽然仪器的设计是由观察者完成的。许多实际情形中,被选择的往往是位置可观察量,因此,对可观察量的选择是受限制的,观察者只拥有在部分可观察量集合中选择的自由,是部分自由。而可观察量集合的确定是由与环境的相互作用实现的,所以可以解释为是环境部分地决定了系统的特性。在这个意义上,退相干理论把标准解释中测量的形式概念融入了更为真实的物理框架,给量子测量以客观的解释,消除了心理-物理平行主义和主客体划界的模糊性。

二退相干理论视野下的哥本哈根解释

哥本哈根解释是伴随着量子力学的产生而生的,长久以来一直占据着主导地位,是最早,也是影响最大的一种量子力学解释,其主要理念来自于玻尔。

该解释的核心是互补性原理,即在时空标示与因果要求之间的互补性,量子语言与经典语言之间的互补性。经典概念在应用于原子领域时有其本质上的限度:它们仅能给出物理客体的部分图景,这些图景之间互相补充,分别描述了原子客体的不同方面。“它们(经典概念)塑造了量子现象的典型特征,即非决定论。量子态不是对量子客体的直觉(intuitive)表征,而是符号(symbolic)表征,即对量子现象由不同互补的经典图象组成的隐晦表达。”[3]哥本哈根解释强调了经典概念对于量子现象描述的必要性,关于微观客体的完备描述需要经典物理学语言,因为量子系统的物理特性依赖于包括测量条件内在的实验条件,而后者必须要用经典语言来描述。经典性是量子理论中不可或缺和不可还原的要素,甚至经典物理学先于量子理论。这引入了量子-经典的描述二元论,要求在微观世界与宏观世界间划出一条界线,即海森堡分割(Heisenberg cut)。然而,即使玻尔本人也不清楚这一分割线该划在何处,使得测量在哥本哈根解释中也成为了黑箱,这一黑箱包括微观被测系统与宏观测量仪器在内,是二者的整体性导致了测量结果。从而,一方面对测量结果的说明需要借助于系统与仪器的整体性,另一方面又要求在微观与宏观之间的分割,造成了哥本哈根解释在说明的整体性与描述的二元论之间的矛盾困境。

退相干理论坚持量子力学描述的普遍性,从而避免了量子与经典语言之间的二元性。哥本哈根解释认为,仪器根据定义是宏观的,是用经典术语来描述的。然而,在真实的测量中测量装置可以是微观的,并不是每个仪器都必须是宏观的,只有保证测量记录充分稳定的放大器必须是宏观的。退相干表明,准经典的特征能够通过环境超选直接从量子基底中产生,因而不需要预设经典性,甚至经典概念是来自于量子力学的,这破坏了哥本哈根解释描述二元论的基本立场。“若退相干理论成功的话,是来自量子物理自身的对玻尔解释的打击。”[3]因为退相干理论与哥本哈根解释在量子力学是否具有普遍性这一基本预设上存在着根本的差异。

然而,另一方面,玻尔的假设,即实践的量子力学需要经典领域,事实上又被退相干所确证,因为是环境的大自由度保证了退相干在很短时间内发生,才能够表现出测量结果的经典性。退相干在动力学上建立了量子与经典间的界线,宏观与经典间的等价性在退相干理论语境中成为现实。并且,近些年来在C70分子干涉仪、量子非破坏测量(quantum non-demolition measurement,QND)等关于退相干的实验也表明,在客体系统S与测量仪器A之间的界线是光滑的,不是非连续的突然变化,可以通过对系统与环境相互作用的控制改变此界线的动力学与时间尺度。退相干理论的动力学允许计算在特定实验条件下“宏观性”发生的时刻,和多大的“薛定谔猫”,即一种宏观尺度的量子叠加态。

作为退相干理论发展与推广的关键人物,朱瑞克(W.H.Zurek)关于退相干理论的研究在某种程度上可以看做是对哥本哈根解释的完善,甚至是辩护,因为按照理论提出者泽(H.D.Zeh)的框架,退相干理论是一种类似于埃弗雷特的相对态解释,正是朱瑞克的工作为退相干理论寻求了相对态之外的另一种框架,即玻尔理论,集中体现在他所提出的存在(existential)解释中。在存在解释中,朱瑞克相对于泽的彻底反哥本哈根倾向,认为正是退相干为埃弗雷特解释的特定方面与哥本哈根解释相一致提供了可能。

此外,接受退相干的实验物理学家们也认为退相干提供了对玻尔观点的确证,或至少不是反驳。温内(R.Omnes)把退相干看做是在隐变量理论兴起之后,对玻尔理论的澄清和辩护;巴布(J.Bub)在他的著作《解释量子世界》中把退相干看做是新的正统解释的一部分,“当前有这样的共识,即一种现代的、确定版本的哥本哈根解释出现了,在这里玻尔-爱因斯坦争论中以旧的方式讨论的问题现在能够得到清晰的理解。新的正统解释由许多内容综合而成,其中包含了环境引起的退相干这一物理现象。”[1]207

三退相干理论视野下的相对态解释

1957年,埃弗雷特在其博士论文中提出了量子力学的相对态解释。这是一种非塌缩的解释理论,试图在不引入任何附加假设的情况下,仅仅用量子力学的态和薛定谔方程来描述所有的客体,包括宇宙。量子力学客体叠加态中的所有组分都对应于某种物理态,测量时不会发生塌缩,经验中得到确定的结果是相对于复合系统内部其余部分的显现(相对态解释),或是发生于分裂宇宙中一个特定的分支宇宙(多世界解释),或者是指向有意识的观察者心灵集合中的特定分支心灵(多心灵解释)。

相对态解释需要面对两个问题,优先基问题和概率的意义问题。态函数展开中的每一项都被认为是对应于一些真实的事态,那么是什么决定了用来定义分支的特定基矢?每个叠加态组分对应的结果在某种意义上都发生的话,概率的意义又如何,玻恩规则在该解释框架中的位置在哪里,量子力学中的统计性该如何解释?这些问题从退相干理论最初提出时就已经思考了,因为退相干理论的奠基人物泽就是以埃弗雷特的相对态解释作为他引入环境相互作用的出发点,并为埃弗雷特辩护的。在他看来,该解释引入的附加解释因素最少,与退相干理论在量子力学框架内解释经典性的目的相一致。

用环境引起的超选来回答相对态解释中的优先基问题,不必先验地假设存在优先基,能够根据动力学上的稳定性标准选择优先基,这样选择的优先基在经验上是充分的,充分性由退相干理论所基于的薛定谔方程所保证。用环境相互作用选择的世界分支,不会随着时间的流逝而被破坏掉,能够保留下来并被观察者所获得,就好像发生过的历史一样,“因而能够用于定义稳定的、时间上展开的埃弗雷特分支。这样的轨迹可以与观察者稳定的记录态和环境态相关联,使得关于系统态的信息能够被许多观察者获得。”[4]除了环境超选,另外一种定义优先基的方法是通过施密特(Schmidt)分解完成的。

用环境超选回答优先基问题也受到了许多的批评。首先,对于什么算做系统、什么算做环境没有客观的标准,用主观的标准来确定系统与环境的话,会使得环境引起的分支选择发生在观察者的(主观的)解释中,从而“把观察者的神经(感知)器官包含进了对观察的完全描述,而不能够把外部观察者的存在当做不参与相互作用的量子系统。每个神经态与被观察的系统叠加中的单个态相关联,这些不同神经态间的退相干阻止了不同的结果记录间的干涉,导致了对单个结果的感知。”[5]其次,退相干产生的仅是优先基的近似定义(出于一切实用的目的,for all practical purpose,即FAPP),并不能够提供对分支的精确确定。针对这样的批评,实用主义的物理学家们回应说,他们仅要求退相干理论能够说明我们的经验,只要理论是经验适当的(empirically adequate),精确的规则并不需要。

关于概率的意义问题,最开始时人们认为退相干为相对态解释框架中的概率概念提供了自然的解释,退相干后的约化密度矩阵中的对角元对应于可能事件集合,其系数是分支的相对频率。这样做就把玻恩概率解释为是一种经典概率。事实上,后来发现,约化密度矩阵的形式已经预设了玻恩规则,因而是循环推导。多伊奇基于量子力学非概率的公理和经典决策理论(classical decision theory)提出了一种对玻恩规则的推导,然而由于需要提前定义经典事件的概率,也被指出是循环论证。为解决多世界解释中的概率意义,朱瑞克在把量子力学看做对信息扩散(proliferate)描述的基础上,用环境协助的不变性(environment-assisted invariance或envariance)从量子纠缠特征直接导出客观的概率与“客观的忽略”(objective ignorance)概念。例如,一个全域的双粒子量子态|Ψ〉=(|a1〉|b1〉+|a2〉|b2〉)槡/2的完全知识并不包含关于一个子系统绝对态的任何信息,通过从希尔伯特空间向其子空间的分解(decomposition)和张量积结构,把关注的焦点集中于一个粒子,就会得到出现单个结果的概率。

在引入退相干的相对态解释中,关于量子力学形式体系及其解释引入的附加假设是最少的。除了关于态对系统的完备表述和态按照薛定谔方程演化之外,不需要单独作出关于测量的表述。测量被看做是由态向量描述的系统间的物理相互作用,并由适当的相互作用哈密顿量控制,而可观察量也成为一个推演得到的概念,而非原始概念。由此,测量不具有特殊的地位,只是一种普通的物理相互作用,从而维护了测量的客观特征,满足了许多物理学哲学家们的诉求。

四退相干理论视野下的玻姆解释

德布罗意-玻姆理论是一种隐变量解释。其最早由德布罗意于1927年提出,1952年由玻姆再度提出。隐变量理论的基本理念是,量子力学并不完备,因而需要引入附加的变量以补充说明一些量子客体的行为与量子测量过程。这些隐变量的统计平均要与量子力学的概率相一致,符合于经验测量。隐变量理论被认为是目前为止发展得比较完善的理论,它可以解释一些在标准解释中无法解释的问题,如计算粒子隧穿一个势垒所需要的时间,因为在标准解释中粒子没有确定的位置,且没有时间可观察量。另外,它首次表明本征态-本征值联系不是量子力学解释的必要原则,为其他种量子力学解释的出现开辟了空间;它恢复了基本层次上的决定论,补充了量子力学在观察层面的统计性。

玻姆力学与量子力学仅在位置测量的概率分布上是一致的,某些量的取值并不完全相同,二者间的不一致主要是由对量子势的不同处理导致的。在两个粒子组成的复合系统中,量子势为从而对粒子1的作用力同样依赖于粒子2的位置,反之对粒子2的作用力也依赖于粒子1的位置,从而在两个粒子之间存在瞬时的相互影响,且这种影响并不随着粒子距离间的增加而衰减,因为量子势U(q1,q2)并未改变。这种由于量子势在粒子间形成的相互影响使得玻姆力学拥有了一种“整体论”的特征,满足非定域性。

在玻姆解释中,波函数扮演着双重角色,一方面p(q,t)=R2(q,t)=|φ(q,t)|2确定粒子在时刻t出现于位置q处的概率,另一方面由于φ与量子势有关,进而与粒子的动力学相关联,引导着粒子的运动与分布。粒子以决定论的方式运动,构成了量子力学的因果解释。例如,当粒子经过双缝装置时,它穿过哪一条缝与到达影像板的具体位置都是由其初始位置与波函数决定了的。虽然给定时刻粒子由相同的波函数描述,它们却能够沿着不同的确定轨迹运动,因为波函数的描述并不完备,作为隐变量的粒子位置决定着粒子的轨迹,|φ(t)|2刻画了轨迹的分布。

玻姆理论赋予粒子以基本的本体论地位,这与相对论的量子力学即量子场论的场本体地位相冲突。对于玻姆理论的这一困难,退相干理论能够解决。“介观和宏观系统的退相干后的约化密度矩阵总是表征为位置空间中窄的波包系综,泽说这种波包可以看做表征了单个的粒子位置。‘量子场的测量中观察到的所有粒子方面,可以理解为是考虑了相关定域密度矩阵的退相干。’”[4]354从退相干的连续过程中可以得到粒子这一表象,从而消除了粒子本体的预设。当然,从退相干本身并不能够必然地得到玻姆的粒子概念,我们必须在附加的解释框架下才能够把从退相干得到的窄波包的准系综(improper ensemble)看做是对单个粒子的感知,从而解释为什么仅感知到一个波包。有了退相干,粒子作为基本实体的假设就变得不必要了,粒子与场的本体论地位冲突也能够消除。

德布罗意原先提出的动力学理论类似于经典波动光学,必须引入玻姆对塌缩表象的分析,才能够把它与量子现象联系起来。玻姆论证说,测量中波函数的演化进入叠加,但它们在被测系统与仪器总的位形空间中是分离的,故总的位形处于波函数的单个元素中并引导它的进一步演化,就好像发生了塌缩一样。把退相干理论应用到该机制中,分析就扩展到包含环境的自发测量。退相干描述粒子的运动,粒子就处于由退相干相互作用选择的非定域的一个元素中,从而,德布罗意-玻姆轨迹将参与由退相干决定的层次上的经典运动。一直令霍兰德(P.R.Holland)困惑的问题:德布罗意-玻姆理论中由于波通过一阶方程引导粒子,不同于它们初始条件的可能的轨迹不能够交叉,而在二阶的牛顿方程下可能的轨迹才会交叉,就通过退相干得到了解决,退相干产生的非干涉项确实能够交叉,因而处于其中的粒子的轨迹也能够交叉。

对于玻姆力学中高非经典轨迹如何能够解释宏观经验层次准经典轨迹的存在这一问题,玻姆和海利(R.Healey)在《不可分的宇宙》中指出是由宏观系统对环境粒子的散射造成的;爱普比(D.M.Appleby)把由退相干产生的准系综中的准牛顿相空间轨迹与粒子轨迹联系起来,用环境和退相干效应来说明,她同时指出,只有在特定附加假设时,产生退相干的过程才会得到宏观系统正确的准经典玻姆轨迹。

结束语

“基于退相干理论所取得的进步,可以合理推断,渗透进一些附加的解释结构退相干能够给出从量子力学原理如何到经典世界(经典表现)一个完整与一致的回答。”[4]67施洛斯豪尔(M.Schlosshauer)和布奇伽鲁皮(G.Bacciagaluppi)认为退相干作为标准量子力学的应用,虽不提供一种唯一确定的量子力学解释,却有助于对解释的丰富与审查,现有的解释必须与退相干这一物理效应相符合。例如,退相干理论可凭借通用的标准选择相对态解释中的分支,给出从观察者角度看分支间没有干涉的物理解释;模态解释中,退相干理论可以确定经验上充分的归属于系统的性质集合;GRW塌缩模型中,可以从环境相互作用中得到自由变量与塌缩机制本身的特性;一致历史解释中,退相干理论可以作为选择准经典历史的有效机制;等等。更进一步,退相干理论能够保证经验的充分性和不同解释路径的经验等同性,使得“泽与朱瑞克对退相干的研究在不同的解释框架下完成”[6]成为可能,而他们在哥本哈根解释和埃弗雷特解释间的选择依赖于各自的形而上学预设。

在退相干理论的视野下,审视量子力学解释体系,我们得到如下启示:在量子力学形式体系内,不可能解决量子测量问题,求解测量问题必须引入附加的解释因素替代或取消塌缩假设。如何建立恰当的语义学规则,把量子理论的预言与实际的经验测量联系起来,给出无矛盾的量子力学和量子测量解释?求解历百年尚无定论,且仍在漫漫求索中。

参考文献

[1]Bub J.Interpreting the Quantum World[M].Cambridge:Cambridge University Press,1997:6.

[2]Albert D.Quantum Measurement and Experience[M].Cam-bridge:Havard University Press,1992:79.

[3]Bacciagaluppi G.The Role of Decoherence in Quantum Theory[M]//Zalta E N.The Stanford Encyclopedia of Philosophy(Fall 2008 Edition).URL=<http://plato.stanford.edu/ar-chives/fall2008/entries/qm-decoherence/>.

[4]Schlosshauer M.Decoherence and the Quantum-to-classi-cal Transition[M].Berlin:Springer,2007:336.

[5]Schlosshauer M.Fine A.Decoherence and the Foundationsof Quantum Mechanics[M]//Evans J,Thorndike A S.Quantum Mechanics at the Crossroads.Berlin:Springer,2007:125-148.