金觀濤：量子力學的黑箱解釋和魚龍混雜的哲學遺產 | 雙體實驗室

雙體實驗室接著《金觀濤：理性在困境中》《金觀濤：建構主義的嘗試》的話題給大家推薦金觀濤老師所著《人的哲學——論“客觀性”》第二章的余下部分。

在寫作《人的哲學》的過程中，金老師稱自己經常想到康德。康德也生活在近代科學文明興起的大時代，一生沒有離開哥爾尼斯堡這個小城。小城中平靜的從中世紀延續下來的習俗并沒有妨礙他去鑄造一種新的理性。而正是這種精神幫助當時的人理解科學、熱愛科學和人生，以至于容納了一個多世紀以來人類的知識和文化之果。康德是幸福的，他生活在人類的良知和直觀理性尚能把握知識的時代，今天哲學家的處境就比康德要困難得多。

但無論如何，一個從事哲學研究的人，一想起在他之前曾有過這樣一位大無畏的先行者，他的內心就會受到一種鼓舞，去擔負那他本來難以承受的重擔。哲學家必須把各種問題、人們碰到的困難、解決問題的知識背景、以至于人的直覺和情緒統統放到理性之光的照耀下。他必須從懷疑自己開始，懷疑世界的存在，一直到肯定對它的哲學思考。經過這一切反復之后，他再在所有的知識和思想之上重新檢查那個被認為是“理性”的東西。這個過程有時十分乏味、枯燥，但有時在反復的沉思中內心深處會升起一種莊嚴的感覺——思想者為思想的大無畏而驕傲。

　　量子力學的黑箱解釋和魚龍混雜的哲學遺產

　　——摘選自《人的哲學——論“科學與理性”的基礎》第二章

　　文/金觀濤

　　量子力學的黑箱解釋

　　雖然控制論、心理學和生物學的新近進展對客體等價于本征態提供了大量有說服力的證據，但至今為止，對這一結論最大的挑戰仍來自于物理學。在心理學家和生物學家看來，認知結構的封閉性以及生物和環境的耦合是十分明顯的，因此人對客體的描述只能是本征態，這大約是一個不可避免的結論。

　　但是物理學家卻傾向于否定這一點。他們認為，心理學和生物學的結果至多證明人關于客體的直覺是本征態(它們取決于從嬰兒開始的認識生活的過程)，動物有關客體的認識也可以是本征態(例如青蛙眼睛中的世界)。而作為萬物之靈的人——特別是有理性的科學家則可以從封閉的認知結構中擺脫出來，使人對客體的認識超越直覺階段。

　　例如我們可以做到使觀察過程對客體的影響恒定不變(這是在做科學觀察和實驗時常運用的方法)，特別是我們可以盡量設法改進觀察方法，使觀察者所必須的操作對客體的影響可以忽略不計。在這兩種情況下，觀察者和客體之間的耦合可以簡化為客體向觀察者單向傳遞信息的過程(圖2.18)。

　　顯而易見，本征態的推導基礎是耦合系統對某一初始輸入進行一系列變換。當耦合系統中某一輸入固定不變，而且輸入不再對輸出發生影響時，耦合系統的封閉網絡并不造成對初始輸入的不斷變換。本征方程不再滿足，客體等價于本征態的條件也不復存在。因此，大多數科學家都認為，正因為人可以用科學的方法來觀察世界，那么人就可以超越心理學和生物學的限制，對世界進行一種不依賴于觀察者的純客觀描述。這正是經典物理學家的觀點，也代表了具有直觀唯物主義世界觀的古典理性主義認識論的基本立場。

　　是的，同樣一個撥浪鼓，放在一個科學家面前和放在一個三歲嬰兒面前是完全不同的。科學家用科學方法觀察這個撥浪鼓，他可以通過觀察(即在不干擾撥浪鼓條件下獲得有關信息)獲得撥浪鼓的種種性質：它的幾何形狀、硬度、顏色、析光率、彈性強度、材料的化學成分…...這一切無疑不等于嬰兒在操作撥浪鼓時所獲得的那個本征態！它們也很難再被認為是認識結構的本征態，反之，它們被看作與觀察者無關的撥浪鼓本身具有的性質倒是自然的。確實，來自物理學和科學研究方法的非難乃是西方建構主義碰到最大的挑戰之一。

　　非常奇怪的是，西方建構主義哲學家至今并沒有正面回答物理學家提出的問題。他們大多再次把物理學家拉回到心理學的戰場，僅僅從觀察依賴于神經系統來重申建構主義結論的普遍有效。然而我認為，實際上物理學和建構主義對這個問題的論述非但不矛盾，而且是我們必須同時正視的，因為它們有著不同的前提。分析這些前提，有助于我們對客觀性的研究大大深入一步！

　　一般說來，建構主義的前提比經典物理學的結論更普遍，因為后面我們將證明經典物理學的結論只有在一些特殊條件下才滿足。而近半個世紀以來，物理學自身的發展早已否定了經典物理學的結論的普遍性。這就是量子力學對認識論的貢獻。我發現，在量子力學中物理學家所面對的客體恰恰是本征態，這一點和建構主義從神經系統和知覺機制得到的結論不謀而合。

　　眾所周知，量子力學中有一個十分基本的公理，當我們要問某一微觀狀態具有什么樣的宏觀可觀察量時，必須解量子力學中的本征方程(2.2)

　　Hψ＝h·ψ(2.2)

　　方程(2.2)中，H是算符，它可以用微分運算子表示，也可以用線性變換表示(希爾伯特空間的線性變換)，ψ為微觀狀態，h為宏觀可觀察量(是實數)。舉一個例子，我們求原子核周圍運動的電子的能量時，首先必須根據這個電子所處的環境(考察電子處于什么樣的力場中)，找到能量算符H的具體形式。然后解釋方程(2.2)，由于方程(2.2)的約束，并非所有的微觀狀態都滿足方程(2.2)，即并不是任何微觀狀態都具有確定的能量。在量子力學中，任何可觀察量都是對特定的算子而言的。一般說來，對于特定算符H只有一些特定的狀態如ψH，和相應的h1h2…...(它們常常是量子化的)滿足(2.2)，這樣，求得的h值就是電子的能量和電子在原子核周圍時所處的真實狀態。至于這些特定的狀態ψH，它是否具有確定的動量和確定的空間位置呢？這要看H和動量算符P(或和位置算符)是否可交換，只有兩個算符可交換，即滿足(2.3)時，ψH才可能同時具有能量和動量。

　　在量子力學中，上述原則是被作為公理接受的，無論量子力學的具體內容怎樣發展充實，這些基本公理都不曾改變過，它們是不可破壞的。為什么量子力學公理體系總是毫無例外地普遍有效？這無疑是一個十分有趣的問題。至今大多數物理學家只是接受這些公理，而并不知道它的認識論根據。哥本哈根學派雖然早就對量子力學作過哲學解釋(這些解釋大多是對的)，但他們的論述過于籠統，也沒有詳細論述本征方程的認識論基礎。70年代初，我曾用黑箱理論對量子力學公理基礎進行了探討，我發現，量子力學中的本征態和控制論中的內穩態是一致的。從而可以從認識論角度對量子力學中的本征方程進行解釋。

　　必須指出，建構主義得到客觀實在等價于本征態的結論也在70年代。但奇怪的是他們一直沒有把量子力學的結論和建構主義從認知理論得到的結論統一起來，這或許和當代控制論專家所熟悉的領域大多是神經生理學，心理學和人工智能有關。

　　是的，一旦我們發現早在半個世紀以前物理學家所創立的量子力學基礎和近年來控制論專家由神經系統研究得到的結果居然殊途同歸，不同性質和方向的探討竟然奇妙地匯合在同一個焦點之上：客觀實在是本征態！我們的內心就會被自然界在哲學基礎上深刻的統一性所震撼。為了證明這一點，讓我在這里引用一下《論量子力學公理基礎》一文中提出的部分觀點。

　　我認為，圖2.18所示的那個經典理性主義的假定只是一種特殊情況，它需要滿足很嚴格的條件。我們可以證明，所謂保持觀察操作對客體影響不變，實際上只有在如下兩個條件成立時才做得到：第一，觀察操作對客體的影響保持恒定實際上和觀察者的輸出必須是內穩態等價，這樣，經典物理學要求的第一個條件本身規定了所謂古典理性主義的基本假定實際上也不能脫離內穩態，它們實際上只是變換了問題，例如把研究對象看作一些基本本征態的組合以及深入考慮的是不同系統本征態之間的關系。至于第二個條件則是：操作輸入不改變對象狀態，即觀察操作對被觀察者的狀態影響可以忽略不計，只有當客體比觀察者或高一層次、處于同一層次或更嚴格條件下，才成立。在一般條件下(大多數實驗、日常生活中)，特別是當人類企圖認識微觀層次物質運動規律時，原則上不能做到觀察操作對客體的作用恒定不變和對客體的影響忽略不計。

　　我們觀察某一客體時，至少要用一束光來照亮它，我們雖然可以控制實驗條件使輸入光的性質，強度不變，但光一旦干擾微觀粒子，對于改變了的微觀狀態，同樣強度的光對它的影響和原來是不同的，因此我們不能做到光對客體的作用保持恒定不變。物理學家早就指出，人在研究微觀粒子時，必須使用儀器，儀器對微觀客體的干擾是不可控的。關于儀器干擾的不可控性，一直是哥本哈根對量子力學哲學解釋的基礎。現在我們可以用自耦合分析方法，進一步分析這個出發點，得出一些更為細致的結論。

　　我認為，由于儀器干擾的不可控性，儀器和微觀粒子的關系必定構成一封閉的耦合網，這個耦合網可以用自耦合分析來處理(圖2.19 AB)。由于儀器對微觀粒子的作用會改變微觀粒子的狀態，但微觀狀態一旦變化，處于同一狀態的同一宏觀儀器對這個微觀狀態的作用又必然和原先不同。這樣，儀器對微觀狀態的影響實際上可以看作一個有反饋的系統，只要我們把儀器對微觀狀態的影響定義為對微觀狀態輸入，把微觀狀態的改變定義為輸出，顯然，輸入因輸出變化而變化。這樣圖2.19A的儀器和微觀狀態的耦合網可以簡化為圖2.19B的自耦合系統。在這里，自耦合系統的輸入集{ψ}為微觀狀態，整個儀器和微觀狀態的相互作用簡化為一個對{ψ}進行反復加工的算子H。顯然H的形式取決于儀器結構和微觀狀態。

　　現在我們來考察，在什么條件下我們可以用實驗測得微觀狀態所具有的客觀量，或者說在什么條件下我們可以認為微觀狀態具有某種確定的性質？例如，電子具有動量、速度、空間位置等等。某物具有某種性質，這是從亞里士多德以來哲學家就習慣了的對事物的描述。它究竟是什么意思呢？嚴格分析表明，這里首先我們必須賦予研究對象以某種規定性，如果做不到這—點，我們便無法確定到底是什么具有某種性質。

　　例如我們說這個球重500克，H2SO4溶液是酸性的。球、H2SO4分別從幾何形狀和化學成份賦予了有關對象的某種確定的規定。而它們具有的性質可以看作規定性之間的映射。500克、酸性分別是另外兩種規定性。球重500克，H2SO4是酸性則是指出球和H2SO4這兩種規定和500克和酸性之間的確定的聯系。因此，當我們說某一微觀狀態ψ具有某種性質(宏觀可觀察量)h時，首先ψ要具有某種確定性。而且h要通過實驗觀察到，它必須滿足實驗可重復性的條件。雖然觀察者在重復某一做過的實驗時都盡可能控制實驗條件和以前的實驗相同，但每次實驗條件都有微小差別，測得的性質h必須在這些微小誤差干擾下保持不變。

　　總之，我們說某一微觀狀態ψ,(下標H)具有確定的性質h，其意義是說：當{ψ}處于某一確定狀態ψH時有ψH→h，而且h是內穩態。但是在圖2.19B的自耦合系統，{ψ}在H的一次一次作用下處于不斷變換之中；因此，很明顯，只有當ψH和h都是內穩態時，我們才能說微觀狀態ψH具有性質h。于是那些具有確定宏觀值的微觀狀態一定滿足類似于(2.2)的內穩態所遵循的本征方程：

　　(2.4)式是從控制論內穩態條件得到的本征方程。即系統必須處于在H作用下不變的本征態。它和量子力學中的本征方程十分相像。

　　非常有趣，只要作某種數學處理，方程(2.4)就可以寫成量子力學中本征方程的標準形式(2.2)，其條件是，我們把ψ當作希爾伯特空間的矢量。把H當作是這一空間的線性軛密變換，方程(2.4)就變成(2.2)，也就是說，量子力學中的本征方程和建構主義的內穩態在哲學上是完全等價的。

　　由于經典力學只是量子力學的特殊情況，這樣我們就證明，物理學家所了解的客觀實體也是某種本征態。當然，它不是如圖2.14那樣簡單的認知結構的本征態。在量子力學中，本征態是什么取決于本征方程，而本征方程則和觀察者使用什么儀器有關。微觀狀態的存在同樣離不開觀察者的建構，差別只是這里的觀察者不是用自己的神經系統(感官)而是用儀器來建構。儀器是觀察者設計和控制的，它是觀察者神經系統和手的延長。

　　于是，我們可以說，只要我們對人的建構作正確地推廣，不把它看作心靈、幻覺、想象，而當作實在的神經網絡和對儀器的設計選擇，客觀實在等價本征態是普遍成立的。量子力學的證明，表面上看起來平淡無奇，似乎只是重復了建構主義已經得到的結論。但是我認為，無論對于量子力學，還是對于建構主義它都是重要的。它一方面可以指示出十分抽象的量子力學實現基礎的認識論根源，我們可以從中導出一些在認識論上引人入勝的發現。例如，在量子力學的本征方程中，算符可交換的意義不明確，它似乎是一種抽象。而在內穩態方程(2.4)中，算符代表了儀器和微觀粒子的相互作用。這樣，算符可交換條件(方程2.3)就有了明確的認識論意義，即ψH同為兩個不同自耦合系統的內穩態，或者換言之，兩架儀器不互相排斥，一個儀器系統在結構上和另一個不互相排斥，它們是相容的。另一方面，它也解決了物理學對控制論認知理論的疑難，為建構主義進一步發展開辟了道路，將其有關神經系統的研究推廣到更為廣闊的認識論天地中去，在那里建立一種新的哲學。

　　或許建構主義者和物理學家對量子力學的黑箱解釋都不盡滿意，認為它把儀器的作用放到了過于重要的位置。人不僅可以通過儀器認識微觀世界，還可以通過其它辦法（例如建立模型）認識微觀粒子，在這種認識過程中，難道一定需要包含儀器與微觀粒子的耦合灰網嗎？難道我們不可以在對客體的描述中消除儀器的影響嗎？其實我們在后面將系統展開量子力學中儀器問題的討論。并從黑箱解釋中推出一條十分重要的結論。這就是儀器和自然規律等價。因而在認識微觀世界時儀器是不能從研究對象的描述中推除出去的！

　　非常有趣，實際上，上述批評和直觀認識論中那種把神經系統當作認識外界的通道而與神經網絡封閉性的爭論相似。因為，儀器在認識論中是作為觀察者感官和認知工具的延長，儀器和觀察者本身的神經網絡或許在控制論中可以當作同類的東西加以處理。總之，無論從哪一個角度出發討論，我們都可以證明在量子力學中本征態和認識結構的封閉網中的本征態完全等價。但這已經不是屬現在知覺理論層面的討論，它把我們帶到一個更為廣闊的認識論和哲學戰場。

　　魚龍混雜的哲學遺產

　　我認為，發現客觀實在等同于認知結構的本征態是控制論和建構主義科學家對哲學的偉大貢獻，但這并不意味著我同意建構主義的哲學結論。首先，建構主義對控制論的這一結論的表述并不嚴格。 根據我對量子力學哲學基礎的研究，我認為，應該把控制論這一結果表示成更為科學的陳述：任何一種具有確定性存在的存在都是某種內穩態，在量子力學情況中，它則是推廣了的認知結構（包括儀器系統）的內穩態。必須指出，從這個更準確的表達引出的哲學結論必然是和建構主義不同的。

　　建構主義把這一結論絕對化了。而且，至今為止，建構主義哲學只是依靠控制論的自然推導、延伸來得出整個哲學體系。必須指出的是，有關本征態的探討本身并不是哲學，它實際上只是具有普遍方法論意義的科學成就。從來，科學發現只為建立新的哲學大廈奠定基礎，在這一基礎上怎樣建構哲學還得靠哲學家的努力。

　　一般說來，從科學通向哲學的道路總是布滿陷阱，人們往往誤入歧途。在正確的科學基礎上建立正確的哲學構架同樣需要艱苦而精細的思考，它必須經受反復批判和證偽的洗禮。我認為建構主義在這一塊新的土地上建立的哲學殿堂遠不如他們的科學理論那樣成功。它有點象超現實主義的雕塑，以其缺乏消化艱深的數學表達式鶴立在二十世紀哲學的雞群中。

　　今天當人們從不同角度觀察這座建筑物時，建構主義哲學往往呈現出完全相反的哲學形象。當我們僅僅考察客觀實在等價于認知結構本征態時，馬上可以推出客體是不能獨立于觀察者神經結構而存在的結論，它很像主觀唯心主義的主張。但是建構主義并不象以往唯心主義哲學所做的那樣，僅僅通過思辨來推知世界是我們的感覺。

　　它的討論建立在對認知結構的深入研究之中，因此，如果我們不僅僅看其最后結論而是進一步去研究它導出結論的分析過程，則必須先肯定認知結構，承認神經網絡及整個系統的封閉耦合的存在。只有存在這一前提，才能有本征態。這樣，存在似乎是第一性的，它又類似于唯物主義哲學觀！但是認知結構又不是如唯物主義所主張的那種獨立于一切人的意識之外的存在，我們所討論的認知結構，無論對于外部黑箱還是人的神經系統，都是對一定的觀察者而言的，它只是另一個更高層次上認知結構(包括監視觀察者觀察過程的觀察者)的本征態。

　　在建構主義哲學中，觀察者和整個認知系統處于一種奇妙的自我相關之中，它用蛋生雞、雞生蛋這樣的循環，回避了原先唯物主義與主觀唯心主義的沖突。因此，建構主義認為它已超越了哲學史上持續了兩千多年的爭論，完成了一次新的突破。

　　這究竟是一次哲學革命還是詭辯？從來，某一種新的哲學思想是否代表未來的出路，不能僅僅從內部來判別，而要看它能否回答整個時代對哲學的要求。我們在第一章簡單概述了從量子力學新發現開始的科學理性面臨的一系列嚴重危機。建構主義能應付這些挑戰嗎？

　　第一個問題是怎樣重建科學和理性的基礎？主觀唯心主義否認獨立于人意識之外的客體和事實，必然導致迄今為止科學所依賴的哲學基礎的瓦解。而建構主義的有關客體的論述很類似于主觀唯心主義的主張，因此，建構主義不能回避的是：如果沒有獨立于觀察者之外的事實，那我們用什么來鑒別人對世界認識的真偽，什么是真理和謬誤的試金石？利用本征態和客觀實在等價能找到科學理性新的基礎嗎？

　　第二個問題仍然是從量子力學開始的那種折磨人的科學和直觀對立的荒誕性。月亮在無人看它時是真不存在嗎？如果不是，我們怎樣解釋電子的行為？我們如何理解量子力學實驗中那令人不可思議的傳心術？推而廣之，我們仍然回到那個唯物論和唯心論爭論了一千多年的老問題，為什么人那么重要，沒有它，世界真的不存嗎？很多時候深刻的唯心論可以把許多具體問題講得頭頭是道，可對于一個小孩子提的問題卻很難回答，這就是在有人之前，世界究竟是否存在？

　　建構主義提出的那個觀察者和客體的互相依賴和整個認知系統和觀察者多層次的自我相關，雖然在語義上逃避了主觀唯心論和唯物論的對立，但仍不能回避這個問題。只要我們承認人是大自然的創造物，則自然界的觀察者是被自然界本身創造出來的。因此，在有人之前，世界是否存在？我們是否可能知道當人類出現之前世界是什么樣子，如果能，當時沒有觀察者，它也不會是本征態，如果不能，今天的科學知識不是已經告訴我們很多地質年代，甚至宇宙大爆炸的細節了嗎？

　　在這些簡單而質樸的問題面前，很多聰明而深刻的哲學體系就象皇帝的新衣一樣經不起考驗。建構主義同樣也碰到困難。因此，在第三章和第四章，我們準備分別回答這些問題，我認為一方面必須繼承建構主義的很多重要成果，特別是徹底而深刻地挖掘本征態和認知結構封閉性的意義，另一方面，建構主義哲學對于我們是遠遠不夠的，我們必須對它進行改建，因此我準備結合建構主義哲學對以上問題的一些論述進行分析，提出我自己的一些觀點。建構主義也許正如建構這個名詞的真實意義所表示的那樣，它只是用來建立未來哲學的腳手架，我們只有在揚棄的基礎上才能看清那正在形成的新的哲學大廈。

　　本文節選自《人的哲學——論“科學和理性”的基礎》第二章。書中部分注釋融入原文。有關書中更多內容，可參閱金觀濤、劉青峰著作《量子力學與認識論》、《問題與方法等》。配圖源于網絡，如有侵權請聯系后臺刪除。