孙昌璞院士:奥卡姆剃刀可让量子力学大道至简、去伪存真

作者: 孙昌璞

来源: 中国科学报

发布日期: 2023-08-25 19:30:48

孙昌璞院士讨论了量子力学的诠释问题,提出应遵循“大道至简”的价值观,选择假设最少的理论。他还批评了科研界的逆奥卡姆剃刀现象,呼吁科研实践回归直指发现真理的科学实践。

量子力学无疑是科学史上最成功的理论之一,但对于量子力学的诠释,人们至今并无基本一致的共识,本质上存在“一元论”和“二元论”的哲学对立。以玻尔为代表的哥本哈根学派坚持量子力学不能回避二元论的诠释:量子力学的波函数描述必须借助经典要素——观测导致波包不可逆塌缩,而相关的测量仪器和观察者只能服从经典物理。具有二元论属性的波包塌缩是一种非幺正的演化过程,它与薛定谔方程描述的幺正演化过程不一致。

不同于爱因斯坦质疑量子力学的新角度,薛定谔和温伯格等许多著名理论物理学家一次又一次地批评“二元论哲学”,同时形成了诸如“多世界”和量子退相干等量子力学的一元论诠释:无须借助经典物理,在量子力学自身的框架内描述仪器和观察者,以此解释量子力学测量的结果。

然而,仅仅根据最后的观测结果,通常不能决定哪一个理论是正确的,理论通常不具有解释的唯一性。量子力学有一元论和二元论的诠释,但它们对测量结果的理论预测在理想的情况下却常常是一致的,因此无法区分这些诠释哪一个更好。

这与“地心说”和哥白尼“日心说”之争一样:前者只要加入非常复杂的“本轮-均轮”、后者用椭圆取代正圆轨道,基本上都能解释第谷对天象的观察结果(严格地说,行星视运动有快慢和逆行两种不规则性,而没有均轮的日心说只能解释后者)。也就是说,仅仅在“单次”实验的意义下,人们无法区分量子力学诠释的一元论和二元论哪个更好,因为在这些诠释的框架下人们只能预测相同的观察结果。

学界对于量子力学的诠释至今没有达成共识,存在着“一元论”还是“二元论”的哲学对立。中国工程物理研究院研究生院院长、北京大学物理学院教授孙昌璞院士认为,不妨遵循“大道至简”的价值观,即如果关于同一个问题有两种理论都能作出同样准确的预言,那么应该挑选使用假设最少的那一个。

孙昌璞还从科学哲学的角度进行论证,可证伪性、奥卡姆剃刀原则可成为量子诠释的依据,也体现了量子力学“大道至简”的逻辑之美。进而,孙昌璞批评了当下科研界的逆奥卡姆剃刀现象——当存在两个相互竞争的理论时,对于实验数据提供更花里胡哨解释的理论优先,而这也造成了学术的灰色地带。他呼吁从哲学的高度深刻认识这些问题,让科研实践回归直指发现真理的科学实践。

量子力学的诠释与可证伪性基于椭圆轨道“日心说”的简约完胜基于诸多“本轮-均轮”“地心说”的烦琐。不仅如此,“日心说”以较少的参数给出更多预言,也因此给出更多待定验证的机会。从这个意义上讲,这就是哲学上的奥卡姆剃刀效应。

不过,从科学哲学的角度,我们还是可以分辨出量子力学诠释的一元论和二元论哪个更科学。我们只需遵循“大道至简”的价值观:如果关于同一个问题有两种理论都能作出同样准确的预言,那么应该挑选使用假设最少的那一个。

尽管方法越复杂越能做出更好的预言,但需要平衡假设的多少和预言能力大小的关系。只有预言结果的多少相对于理论假设的多少呈现出非线性增加,我们才能说这是一个真正好的理论,这正如基于椭圆轨道“日心说”的简约完胜基于诸多“本轮-均轮”“地心说”的烦琐。不仅如此,“日心说”以较少的参数给出更多预言,也因此给出更多待定验证的机会。从这个意义上讲,这就是哲学上的奥卡姆剃刀效应。

在量子力学诠释的争论中,基于量子退相干的量子测量理论属于一元论范畴。它不引入任何额外的假设,只是把测量过程看成一个少自由度的量子系统(待测系统)和一个多自由度的量子系统(仪器或观测者)的相互作用,整体大系统和两个部分都服从薛定谔方程。这种描述是一元论的,它可以给出测量结果对相互作用(测量)时间依赖的关系,有比二元论更多的、可被比较验证的理论预言。

因此,不少人认为量子力学一元论的诠释比哥本哈根学派的诠释更“好”。

需要指出的是,这些对量子力学诠释的具体分析隐含了可证伪性,是奥卡姆剃刀效应的哲学逻辑基础。可证伪性指从一个理论推导出来的结论-理论预言在逻辑原则上有与观察陈述发生矛盾或抵触的可能。该学说创立者、哲学家卡尔·波普认为,“所有科学命题都要有可证伪性,不可证伪的理论不能成为科学理论”。

事实上,这里隐含着伪科学或赝科学(pseudo-science)的定义:逻辑不可证伪性的“科学理论”即为伪科学。你可以证伪“单身汉们是否都happy”,但你无法证伪“单身汉们是否都married”这一语义命题。以上是在讲一个好的理论“大道至简”的道理。这里的“简”是指推论逻辑的“简”,这里的“大”是指可预言的结果尽可能多,从而使理论有更多被证伪的机会。

因而,从科学哲学的角度讲,可证伪性是奥卡姆剃刀效应的逻辑基础。

奥卡姆剃刀就是要不断剔除那些有更多假设的、繁芜的理论,保留那些简洁而优美的理论,从而实现科学上的“大道至简”核心价值观。上文已经指出,当存在两个相互竞争的理论时,为实验数据提供更简单的解释的理论具有选择的优先性。这一奥卡姆剃刀原则剔除了物理上那些有更多假设、可证伪机会少之又少、花里胡哨的理论。

就量子力学而言,相比于不需要引入额外二元论假设的多世界和退相干等量子力学的一元论诠释,二元论的诠释(隐性)假设了一个瞬间内完成的波包塌缩的非幺正过程,这是人类借助任何工具都无法观察到的“瞬间”过程,在物理上没有任何实验能证伪它相关的理论。因此,对比量子力学一元论和二元论诠释的假设多少,并基于奥卡姆剃刀原则,人们会倾向多世界诠释这样的一元论。

物理学当下发展的逆奥卡姆剃刀现象近年科研界出现了与奥卡姆剃刀原则相反的倾向——逆奥卡姆剃刀效应:当存在两个相互竞争的理论时,对于实验数据提供更花里胡哨解释的理论优先。以上看似“形而上”的“哲学”议论并非没有现实意义。大家知道,物理学是实验科学,但什么是实验“证实”理论,怎么使用好实验这把“剃刀”,有不少人有着关联利益的理解和实践。

最近美国凝聚态物理学家Igor Mazin在Nature Physics杂志上发表了论文Inverse Occam's razor,犀利地指出当前物理学特别是凝聚态物理学中“逆奥卡姆剃刀效应”,破坏了科学可证伪性的基本原则。

他说,一些人用新奇的、能够博人眼球的理论解释实验数据,以求结果能够在“高档次”杂志上发表,这显然违背了奥卡姆剃刀给出的“大道至简”原则:在两个相互竞争的理论之间作选择时,要选择对实验数据提供更简单的解释的理论。

面对如此巨大的科学挑战,基础物理学或理论物理未来的出路在哪里?

杨振宁认为,“爱因斯坦从自己的经验及本世纪初物理学的几次大革命中认识到,虽然实验定律一直是物理学的根基,然而数学的简和美对于基础物理概念的形成起着越来越大的作用”。

他进一步解释了爱因斯坦的观点:“如果一个理论的基本概念和假设接近于经验,它就具有一种重要的优越性,人们对这样的一种理论自然就有更大的信心……然而,随着认识的深入,我们要寻求物理理论基础的逻辑简单性和一致性,因而我们要放弃上述的这种优越性。”这些论述表明了求简唯美的追求可以帮助物理学发展走出困境。

以上讨论旨在强调,物理学不仅需要基于实验的奥卡姆剃刀使之“大道至简”,而且存在基于数学和逻辑的美学原则,通过唯美的价值取向引导物理学发展。也就是说,基于可证伪性要求,物理学“大道至简”、以简为美,也导致了“宁拙勿巧”的方法论选择,这从科学哲学的角度回答了物理学为什么是基础科学之基础。最基础的一定是最简洁的。

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