对延时量子擦除实验解构因果论的反思

对延时量子擦除实验解构因果论的反思

(作业备份,有不规范引用)

一、延时量子擦除实验的概述

(实验过程参考自爱小臭的科普文章《为什么我理解不了波粒二象性》)

量子物理向来以反常识著称,如果仅仅依赖直观和习惯,人们就很难接受量子物理模型所描述的对象。要想理解量子物理,人们只得假借逻辑体系,从抽象的概念上去把握它。然而,2000年Kim博士领导的团队发表了延时量子擦除实验(Delayed Choice Quantum Eraser),实验揭示的现象连用概念去把握都感到困难——这个现象似乎直接否定了因果论,以至于否定了认知本身的合法性,更何况用认知获得的概念去解释这个现象。

延时量子擦除实验的基本过程如下:

首先Kim等设计了如下的实验台:


图1.延时量子擦除实验台

实验的基本步骤为:

1. 一道激光通过双缝板,打到BBO上,形成了两对纠缠态的光子;红色的光路表示光子通过了上面一道缝(缝A),蓝色的光路代表光子通过了下面一道缝(缝B)。两条光路的光子波长完全一样。

2. D0的角色是上一个试验中最后观测挡板的角色,D1~D4是感光元件,图中的光路,从BBO至D1、D2、D3、D4的距离是完全一样的。是BBO到D0的两倍。

3. 如果没有D1~D4所有的设备,我们没办法知道某一个光子是通过红色光路到达D0、或是通过蓝色光路到达D0。光在D0上,形成了干涉的条纹。

4. BSa,BSb,BSc是三面半银透镜,它有50%的几率使得光子透过,50%的几率使得光子反射。

红色光子的纠缠兄弟,有50%的几率击中D4,25%的几率击中D1,25%的几率击中D2;

蓝色光子的纠缠兄弟,有50%的几率击中D3,25%的几率击中D1,25%的几率击中D2。

5. 情况A. 假如D4感光,那么我们就明确的知道,它的红色纠缠兄弟击中D0;假如D3感光,那么我们就明确的知道,它的蓝色纠缠兄弟击中D0。如此,我们就知道了D0上面每一个光子是通过哪条缝的了!这个时候,D0上的干涉条纹退化了,变成了两个光印!

6. 情况B. 假如D1或者D2感光,那么我们还是不可能知道D0上光子的光路情况,观测信息相当于被擦除了。干涉条纹就被复原了!


7. 注意这个试验很重要的一个暗示:D1、D2感光和D3、D4感光唯一的区别是,通过光路知识,我们能提取光子信息。没有观测者,没有观测意识,仅仅是知识本身,仅仅使我们可能知道的潜能,就导致了混合状态的坍缩。

8. 最重要的一点,所有D1~D4的感光信息的产生,都是发生在D0感光之后的。仿佛光子预知了未来,决定了自己在通过双缝之前是否坍缩。


二、古典哲学中的因果论

因果论最早由苏格拉底提出:任何事物的产生和发展都有一个原因和结果。一种事物产生的原因,必定是另一种事物发展的结果;一种事物发展的结果,也必定是另一种事物产生的原因。原因和结果是不断循环,永无休止的。

18世纪发生了一个著名的哲学事件:休谟对因果论的结构。休谟提出了一个经典的比喻:人们认为太阳出来会把石头晒热——事实上,大家只是看到了太阳发光这个现象,同时也看到了石头热这个现象,这二者之间是凭借什么得以联系的呢?休谟认为,理念关系不是传统形而上学(独断论)所认为的绝对真理,而是人们从印象的流动中领会出来的。所谓因果,是人们长期观察到某个情景下物象之间的关系,从而形成的习惯性的信仰(belief)——这种信仰是人的一种本性(nature)。休谟的绝对怀疑主义只承认观察到的现象,否认一切知识的来源,不仅解构了因果论,甚至从根本上质疑(或者说否定了)传统形而上学和唯理论,对当时的西方哲学产生了很大的冲击。

康德并不认可休谟对于因果论的看法,他试图重建一套理论,恢复因果律乃至形而上学。为此,康德做了一个创举,对主客观、观念和对象的关系进行“哥白尼式”的颠倒:是对象符合观念而非观念符合对象(人为自然立法)。但这个颠倒必须要先进行批判:人的观念为什么是可靠的呢?或者说“先天综合判断如何可能”?康德在《纯粹理性批判》里通过对理性的结构分析和推导,提出了一套先验的范畴,得到人先验的认知结构——人必须要通过这套认知结构去认识世界。按照康德的先验哲学体系,因果律是一个先在的、必然的综合陈述。因果律正因其先在性而具有普遍必然性。因为在“每一种变化必有其原因”这个命题中,“原因这个概念很明显地含有与结果相联系这个必然性,且又含有‘规则的严格普遍性’这一概念”,而这种必然性和严格普遍性是先于休谟的“‘所发生的东西和在它前面的东西之重复的联想’以及‘联接一些表象的一种习惯’” 。

黑格尔认为康德的解释是不完满的,并没有完全地从经验的局限性中解脱出来,获得普遍必然性,原因有二:首先,康德所论证的范畴的普遍必然性只限于现象界,仅对经验的对象有用,对于现象界之后的自在之物它们是没有效用的,因而也失去其普遍必然性。其次,康德所讲的普遍必然性,既然不属于物自体只存在于现象界之中,那么它们也就仅仅是一种主观的必然性,而不是客观的必然性。黑格尔用其一以贯之的绝对精神(Geist)提出了解决方案:绝对精神本身就具有普遍必然性,它在其发展的一定阶段上会转变为自觉的主体,通过反思自身达到客观的统一,从而获得对普遍必然性的认识。在黑格尔看来认识也就是作为主体的绝对精神对作为客体的它自身的认识,认识客体与认识主体是同一的,所以主体能够认识客体,认识客体的必然性这是不成问题的。


三、延时量子擦除实验对因果论的影响

尽管在“每一种变化必有其原因”的因果律表述中并没有提及时间,但其中已经包含了一个时间结构——“变化”是一个时空中流动的过程。这种时间结构已然包含一个分析判断:作为原因的事件,其时间序列必然在作为结果的事件之前。在量子延时擦除实验中,这个命题却被推翻了:光子是否发生干涉,取决于观察者是否知道光子通过哪一个狭缝——也即观察者获得光路信息是因,光子发生干涉是果;而观察者通过挡光板D1~D4获得光路信息,其发生的时间是要晚于光子到达D0发生干涉这个事件的——也即因发生在果的后面。

按照这个思路,休谟的怀疑论似乎证明了它的正确性:因果论是“‘所发生的东西和在它前面的东西之重复的联想’以及‘联接一些表象的一种习惯’”,是由经验获得的归纳。延时量子擦除实验给这种归纳提供了一个反例,从而从逻辑上根本地否定了因果律。

然而这种思路合理吗?如果因果律不正确,是一种被证实的偶然(与休谟时代不同,那时只是理论上的偶然),那科学、政治、法律等学科公认的范式就崩塌了,人类知识的大厦也货真价实地解体了。

我个人认为并不合理,这种解构并没有超出休谟的怀疑论,康德和黑格尔的批判也同样有效。实验对因果论的解构存在一个巨大的漏洞:我们在承认因果的时间先后必然性之后,如果与一种认知顺序发生矛盾,那么错误的不应该是因果律本身,而是这种认知顺序。这种认知顺序与休谟所说的重复性联想是同质的:根据我们的经验,我们规定了一种认知顺序,把获得光路信息前置,把发生干涉后置,然后把它描述成一种因果关系——这种因果关系是和认知顺序相互依存的。在这种认知顺序下,我们得到了矛盾,然而这仅仅说明了,这种认知顺序产生的因果是不正确的,而不能否认因果论这种认知世界的形式。

休谟关心的是重复性联想本身的不可靠性,而这个实验不过是为这种不可靠性提供了一个实例罢了。这个实验不仅不构成对休谟怀疑论的支持,反而可以演进为对康德和黑格尔等后来哲学体系的支持——对因果的重复性联想的不可靠性的实证,反而说明通过重复性联想到达因果是不可靠的,是缺乏普遍必然性的。我们站在这种不可靠性上进一步抽象,才可能更接近普遍必然性:比如康德先验的因果论认知,或者黑格尔的绝对精神在这一个环节的显现。