成素梅｜量子計算的哲學意蘊
在量子信息技術發展史上，20世紀以量子計算和量子信息理論的崛起而告終，21世紀則以量子計算和量子信息理論與技術的大力發展而開始。但是，這並不意味着能夠用量子信息理論的術語來重新闡述量子力學的概念基礎；而是意味着我們需要重新回答“理論是什麼”的基本問題，以及重新揭示對象與事實以及理論與實在之間的內在關係。
上海社會科學院哲學研究所副所長成素梅認爲，量子理論與實在不再是符合關係，而是同構關係。理論的客觀性是通過對象與事實的互塑關係來保證的。物理學家建構對象與解釋事實是同時進行的，並且是基於理論的，對象與事實的客觀性建立在觀察與實驗之基礎上。因此，對象與事實在理論與實在之間扮演了承上啓下的中介作用，量子理論是實在的映射，是在理解實在，而不是描述實在。
如何理解對象與事實的互塑關係？
在量子力學中，諸如光子、電子之類的微觀粒子是依賴於理論的“實體”，而不再是量子物理學家能夠直接或間接地看到的實在本身。因此，微觀粒子的指稱不再是“真指稱”，而是“理論上的指稱”或“推定的指稱”。
在這種指稱關係中，量子物理學家不可能是先擁有對象、再說明事實，而是建構對象與說明現象同步進行；這樣，微觀對象與科學事實之間的關係就不再是經典物理學中的先後關係，而是變成了互塑關係，或者說，成爲互爲前提的共存關係。
如何理解理論與實在的同構關係？
說明性理論指用理論術語來闡述並接受實驗檢驗的假設，這些假設說明了事實和規律性。說明性理論一旦被科學家所承認，就會成爲可以加以利用的科學知識；解釋性理論指對世界及其具體領域提供本體論解釋的假設，這些假設要麼是日常共識，要麼是特定的說明性理論的基本前提所蘊含的一種哲學解釋，是在總結過去認知結果的基礎上形成的。
兩種理論的變化並不總是同步的。每一個說明性理論都與一個解釋性理論相聯繫，而一個解釋性理論可以同時與多個說明性理論相聯繫。這表明，解釋性理論的變化一定會帶來說明性理論的變化，而說明性理論的變化則不一定總是帶來解釋性理論的變化。兩種理論一併構成了學科體系的核心。
物理學界接受了量子力學新的說明性理論，但並沒有完全接受量子力學的假設所提供的解釋性理論。當量子計算和量子信息理論與技術已經取得了實質性進展時，我們就需要依據實驗事實和技術應用來接受新的解釋性理論。我們既不能簡單地說對象和事實與實在相符，也不能說理論描述了實在，而只能說，理論是實在的映射，是在理解實在，而不是描述實在。
更多精彩觀點
01
對象與事實的互塑
從方法論的視域來看，物理學家提出理論概念的初衷，並不僅僅是爲了達到實用的目標，更重要的是爲了融貫地理解正在發生的事情本身；量子計算機科學家的工作則是解決特定的問題，其目標在於根據量子力學提供的基本原理建造能夠成功應用的新的計算機器或新的人造物，因此他們的思維習慣通常是遵守實用主義的原則，具有很強的目的性。相比之下，對於深耕概念分析的哲學家而言，實用主義對他們辨明基礎性問題是無助的。哲學家通常能夠在從前認爲很好的解決方案中找出存在的問題。
量子計算的發展表明，當工程實踐的進展超越了以愛因斯坦和玻爾爲代表的量子物理學家關於理論本性等問題的哲學爭論時，我們對作爲設計量子算法和量子信息理論與技術依據的態疊加原理、量子糾纏、非定域性、量子不可克隆等神秘特性的哲學探討，必須改變思路：即從過去像愛因斯坦那樣，堅守經典實在論來質疑量子理論的完備性和實在性的做法，以及對隱變量的量子理論的嚮往與追求，轉向像玻爾、海森伯等人那樣，基於接受量子理論的新特徵來重新理解與界定微觀對象、事實、理論、實在之間的相互關係，並在此基礎上建構一種更具包容性的量子實在觀。
在經典物理學的研究傳統中，研究對象就是現存的實在本身，並且它們的存在性是第一位的，具有天然的優先性。宏觀物體是定域的，物理學家要麼可以直接看到它們或對它們進行直接操作，要麼可以通過儀器來間接地看到它們或對它們進行間接操控，並藉助實驗和數學方法來揭示它們的屬性和變化規律，而儀器在這裡只是扮演工具的角色，不會對對象的存在形態等產生實質性的影響。
物理學家在這一認知過程中，根據物理學概念與對象之間的直接指稱關係來把握概念的意義，也就是說，概念能夠在不依賴於任何理論的前提下直接指向實在本身，這種指稱通常被稱之爲“真指稱”。由包含“真指稱”關係的概念與語言構成的理論，順理成章地成爲對實在世界的描述。在這種概念圖景中，對因果關係的追溯屬於本體論問題，而不是認識論問題。
然而，量子力學的誕生，特別是量子計算等量子信息技術的實現，對這種將認識論問題本體論化的思維方式和經典實在論提出了巨大的挑戰。這也是20世紀兩位偉大的物理學家愛因斯坦和玻爾就量子力學的基本問題爭論不休的關鍵所在。
在量子力學中，諸如光子、電子之類的微觀粒子是依賴於理論的“實體”，而不再是量子物理學家能夠直接或間接地看到的實在本身。因此，微觀粒子的指稱不再是“真指稱”，而是“理論上的指稱”或“推定的指稱”。
在這種指稱關係中，量子物理學家不可能是先擁有對象、再說明事實，而是建構對象與說明現象同步進行；這樣，微觀對象與科學事實之間的關係就不再是經典物理學中的先後關係，而是變成了互塑關係，或者說，成爲互爲前提的共存關係。
在科學研究與科學實驗中，對象與事實實際上是理論建構的產物，對象與事實之間的關係就像上與下、左與右這些具有相對性的概念之間的關係一樣，是相互依存的互塑關係。問題在於，如果對象與事實成爲依賴於理論的產物，那麼，理論就不再是對實在的直接描述或表徵，或者說，不再像經典實在論所認爲的那樣，是實在的複印件或直接畫像。這就進一步提出瞭如何理解量子理論與實在的關係問題。
02
理論與實在的同構
我們需要區分兩層關係：實在與對象的關係；對象與理論的關係。在實在、對象、理論之間，對象起到了承上啓下的作用，成爲溝通“實在”與“理論”之間的中間橋樑。在微觀領域內，我們不可能如經典物理學中那樣，在“實在”與“對象”之間簡單地劃等號，將一切認識論問題本體論化，將理論看成是對實在本身的描述與表徵。微觀實在只具有本體論的優先性，是確保科學研究得以進行的基本前提，無法直接進入物理學家的認知視域，能夠進入物理學家認知視域的是“對象性實在”。
對象雖然是理論建構的產物，是經由人的認知理解之後才作爲對象而存在，其固有規定也體現在與人的相互作用中，且隨着相互作用方式的變化而變化；但是，微觀粒子的對象性並不能改變其客觀性，而是賦予客觀性以建構的特點。對象的客觀性是通過對象與事實的互塑關係來保證的，因爲對象與事實共同植根於實驗現象之中，是同一實驗現象的兩個方面，而實驗現象則是由自在實在與特定的測量環境共同作用之後產生的，經受過嚴格檢驗的實驗現象的物質性及其理論理解的融貫性，使科學對象和科學事實具有了一定程度的客觀性。
因此，對象與事實的客觀性成爲打通理論與實在相關的中介。爲了更加明確地說明問題，下面我們將理論劃分爲兩種類型。
一是“說明性理論”（簡稱E理論）。意指用理論術語來闡述並接受實驗檢驗的假設，這些假設說明了事實和規律性。E理論一旦被科學家所承認，就會成爲可以加以利用的科學知識。比如，量子力學的形式體系是由概率波、光子、自旋、算符等前所未有的理論術語來闡述的，它不僅使普朗克在1900年提出的量子假設成爲它的一個推論，而且還爲人們思考微觀物理現象與認識微觀世界提供了有效的語言框架，帶來了量子信息技術和相關新型學科的發展。
說明性理論由於能夠提供說明，因而是可以接受經驗檢驗的理論，或者說，可以被經驗所證實或證僞。如果一個說明性理論的預言能夠得到經驗的證實，那麼，它提供的關於實在的數學模型與物理模型，就與實在本身具有一定程度的同構性。
二是“解釋性理論”（簡稱I理論）。意指對世界及其具體領域提供本體論解釋的假設，這些假設要麼是日常共識，要麼是特定的說明性理論的基本前提所蘊含的一種哲學解釋，是在總結過去認知結果的基礎上形成的。但是，它不等同於認知結果。就其目標而言，這種“假設的目的不是提供說明，而是解釋世界，即依據基本的本體論，把某一結構歸於世界，或者，歸於世界的具體領域”。
這類假設提供的是形而上學的觀點，既不可能被經驗所證實，也不可能被經驗所證僞。解釋性理論所提供的假設通常有兩種類型：一是科學研究得以進行的普遍假設，即適用於任何學科的假設，例如，自然界是可理解的、有規律的、統一的，等等；二是與具體的學科發展相聯繫的特殊假設，例如，經典物理學中的機械論、生物學中的活力論、地質學中的漸變論，等等。
由於I理論提供的是關於世界基本實體的假設，E理論提供的是對這些實體行爲的說明，所以，E理論與I理論的變化並不總是同步的。每一個E理論都與一個I理論相聯繫，比如，牛頓的萬有引力理論（E理論）與近距作用的世界觀（I理論）相聯繫；反之則不然，一個I理論可以同時與多個E理論相聯繫，比如，因果決定論的世界觀（I理論）可以與牛頓力學（E理論）、電磁學理論（E理論）、相對論力學（E理論）等相聯繫。這表明，I理論的變化一定會帶來E理論的變化，而E理論的變化則不一定總是帶來I理論的變化。
E理論和I理論一併構成了學科體系的核心。在I理論保持不變的情況下，E理論的變化是學科亞系統的常規理論的變化；如果I理論和E理論同時發生變化，則是學科內部的基本理論的變化，用科學哲學家庫恩的話來說，即範式的轉變。
量子力學屬於後一種情況。物理學界接受了新的E理論（量子力學），但並沒有完全接受量子力學的假設所提供的I理論（自然界是非決定論的）。物理學家是否接受新的I理論，是形而上學的觀念問題。當量子計算和量子信息理論與技術已經取得了實質性進展時，我們就需要依據實驗事實和技術應用來接受新的I理論。
當物理學家既接受新的E理論，也接受新的I理論時，則意味着物理學的基本理論發生了變化。在這種情況下，我們雖然可以從本體論意義上承認光子等微觀粒子的存在性，但這種存在性並不等同於實在性。因爲如果離開現有的E理論與I理論，就無法知道這些粒子的存在。因此，這些粒子在作爲我們用來描述其術語的“理論上的指稱”或“推定的指稱”的意義上是真實的，也就是說，就“自在實在”向我們呈現的方式而言，它們是真實的，但一旦離開其呈現方式，就不再爲真。因爲它們並不是“真指稱”，而是承載理論的指稱。因此，我們既不能簡單地說對象和事實與實在相符，也不能說理論描述了實在，而只能說，理論是實在的映射，是在理解實在，而不是描述實在。
描述實在是對實在本身的刻畫和對實在行爲的揭示，描述的對錯由是否與實在相符合來加以判斷；而理解實在則是對實在在特定條件下的認知內容的具體表達，或者說，是對自在實在機理的整體模擬，而不是直接的言說或描述。機理性的整體模擬是數學模型與物理模型的集合，是在域境化、去域境化和再域境化的動態過程中完成的。在這個過程中，認知主體由扮演“上帝之眼”的角色變成了建構者的身份。從這個意義上來說，理論與實在只具有同構關係，而不存在一一對應的符合關係。
綜上所述，量子計算的哲學意蘊是多方面的，本文限於篇幅只揭示了對象與事實的互塑關係以及理論與實在的同構關係。這兩對關係的揭示既能說明爲什麼“認識論的突變”往往會導致本體論的修正，也能說明爲什麼量子理論的基本原理能夠成爲量子計算的物理資源。
*本文系國家社科基金重大項目“當代量子論與新科學哲學的興起”和國家社科基金重大項目“當代量子詮釋學研究”的階段性成果，項目編號分別爲：16ZDA113、19ZDA038
文章來源：《學術前沿》雜誌2021年4月上（微信有刪節）
作者：上海社會科學院哲學研究所副所長 成素梅
原文責編：張貝
新媒體責編：李思琪
視覺：王洋
（圖片來自網絡）