量子论从三个方面向自然哲学提出了挑战。一般而言，量子系统不局限于点或空间内任意小的区域。它们不是具有彼此独立特征的单系统，它们通过态纠缠关系而彼此连结起来，所以它们不是个体性的。因此，量子论建议自然哲学强调关系（relation）。贝尔定理将量子论公式与实验结果联系在一起，使我们认为这些关系不是基于内在性质的。量子论打开了认识论的视角，克服了关系二元论（dualism），这是容易理解的，而隐藏其后的内禀性对于我们却是未知的。基于量子论的自然哲学，可采用符合日常实在论的方式而得以阐明。

10.1 对自然哲学家的挑战

    量子论在两个层面向哲学提出挑战：在自然哲学层面，即我们对自然的理解水平；在认识论层面，即采用我们能获得关于自然的知识的方式来考虑问题。首先，我将进入自然哲学，并简述量子论引起的变化。然后，我们将理清认识论，并说明对于经典哲学问题的解答如何起源于量子论。最后，我将讨论量子论所说明的自然观与具有宏观物体特征的常识世界之间的关系。

人所周知，艾尔伯特•爱因斯坦不相信量子论。他对自然的理解，促使他反对量子论，在1948年的一封短文中作了清楚的阐述。他说：

“而且，看来物理中不可缺少对事物引入约定，在某种特殊情况下，这些事物需要一种独立于其它事物的存在性，即这些事物‘位于空间的不同部分’。如果不假设空间遥远事物之间存在相互独立性（即‘自在’），那么物理思想源于日常思考的这种假设，在这个意义讲，就不可能为我们所熟悉。”（霍华德（1985），第187页；爱因斯坦（1948），第321页）

    事物存在独立性也被称为“分离原理”（separation principle）或“分离假说”（separation hypothesis），它由爱因斯坦于1935年6月19日致薛定谔的一封通信中提出（霍华德（1985）在第179-180页中引用），而现在我们称之为分离性原理（principle of separability）。我们假设在自然的基本层面上存在大量的单个事物，这些必然不是粒子，它们也可以是产生场属性的点。我们将这些事物命名为物理系统（physical system）。物理系统彼此独立的表述，具有如下含义：每个系统具有独立于其它所有系统的基本特征属性。意思是，这些属性独立于其它物理系统实际是否存在。因此，这是一个系统的内在性问题，这些属性在哲学上被称为内禀性（intrinsic property）。

通过因果关系可获得内禀性，问题在于这种内禀性有可能独立于其它事物。考虑一颗沙子的存在性，有可能导致我们世界中每颗沙子之间存在着一条因果链。这涉及到难以估量的其它事物，但这不妨碍如下事实：如果世界上只有一个事物，那么这个事物可能就是一颗沙子。因此，作为一颗沙子就是内禀性。

不仅如此，分离性原理得出如下结论：物理系统之间存在的关系，由各个系统的内禀性确定。让我们假设质量是一种内禀参量。保尔的身体质量为80kg，而彼特的身体质量为70kg。在这种情况下，保尔比皮特更重这种关系，是由保尔和皮特彼此独立的质量所确定的。类似可假设，两个系统间的空间距离由每个系统的位置确定；一个系统的位置独立于其它所有系统的位置，从这个意义上讲，位置是一种内禀性。分离性这个物理概念可总结如下：每个自为系统具有一种状态，完全指示该系统具有时间依赖性的数值；包含几个子系统的整个系统的状态是由子系统状态确定的。只有系统存在期间那些数值发生变化的参量，才是时间依赖性---比如位置和动量，而不是质量和电荷。这些参量也被称为“状态相依参量”（state-dependent property）。系统在某一时间的状态，是该系统在该时刻具有的时间相依参量的变化方式。

爱因斯坦超越了分离原理，在以上引文（1948年，第321-322页）中，继续采取了另一个涉及物理系统状态变化的原理：局域作用量原理（the principle of local action）。因果效应（相互作用、力）以一个有限速度（光速是上限），从一个点传播到相邻点。局域作用量原理预先就假设了分离性原理：它考虑系统中的变化，所有自为具有一特定意义的状态。局域作用量原理是一种局域条件。有时用更普遍意义的局域原理来否认它（如，霍华德（1985），第173页、179页）。但用局域来否认局域作用量，这导致对量子论诠释产生某些误解。本章中的量子论诠释产生一种暗示：世界存在于基本物理层面上，假设量子论是正确的1。

    如爱因斯坦在以上引文中所言，现代著名的分离性原理来源于日常思考。我们在哲学上可随该原理追溯到亚里斯多德。亚里斯多德的《形而上学》的中心思想就是：世界由大量单事物（物质）组成，它们每个具有内禀性的特征（如《生物分类》第5章，以及《形而上学》VII卷）。对于这种自然观，我们可从美国哲学家戴维德•路易斯（1941–2001）那里发现一个清晰的现代构想：

我们拥有几何---两点时空距离的外在联络系统。点，可能是时空本身的点，可能是物质或以太或场的比特点，可能两者皆是。而在那些点之间，我们有了局部性（local quality）---完全自然的内禀性，它所需要的比所举出的一个点还少得多。总之，我们有了量的约定，而那就是全部…其它一切附生其上。（路易斯（1986），第IX-X页）

在本文中，依附性（supervenience）的意思就是，存在于我们世界中的万物都有着固有的内禀性。

这种量子论哲学向为爱因斯坦坚持的、并自亚里斯多德直到今天的传统，提出一种挑战。我们可辨识出这种挑战的三个方面。首先，每个量子系统的某些性质相互依赖，在某种意义上说就是，并非所有这些性质在给定时间都有一个确定的数值。这种不协调性或互补性的最著名例子是位置与动量：越接近位置的一个确定数值，动量值的误差就越大；反之亦然。这就是海森堡不确定性关系的含义。一个无状态的系统存在，其位置与动量的误差的乘积落在某一数值之下。其中，误差（不确定性）意味着与某一确定数值之间的差异。用一个点代替一个值，我们可绘出数值分布。该不等式有时被称为“测不准关系”（indeterminacy relation）。该表达式可能被误解为：在不严格的意义上讲，不存在任何测不准性。海森堡不等式对位置和动量的离差乘积，给出一个精确的最低极限。“不确定性关系”式也可被误解为：该不等式与观测者关于系统位置或动量的不确定性无关。不确定性就是怀疑这些性质可被精确地确定（可参考Brown & Redhead, 1981）。量子系统内这种相互依赖性的最重要影响，实际上在于量子系统一般是非局域性的。它们的性质---甚至它们的状态定常参量（state-independent property，或译为状态独立参量），如质量和电荷---不存在于点处或空间中任意小的区域内。

量子系统内的这种参量（性质）的相互依赖性具有深远的影响。当我们测量一个量子系统的一个状态定常参量时，测量仪器不显示出如下性质：量子系统独立于与测量仪器的相互作用。实际上就是，量子系统获得相应参量的某一数值，它仅与测量仪器读出参量的某一值有关。因此，没有内禀性，而有关联性，它存在于量子系统与测量系统之间的相关性中2。

对内禀性的批评，包括在量子论中，甚至更广。当我们观察一下两个或超过两个的量子系统时，它们每个至少有两个相互依赖的参量（如上述意义），量子论的公式允许这些系统的状态彼此纠缠。让我们回想最简单的纠缠例子3。最简单的量子物理性是量子系统的自旋，它是一种特征性的角动量。例如，电子是自旋为1/2的系统。在这种情况下，自旋分量在每个三维空间方向上只取两个确定数值，+1和−1。于是，当提到无任何更多解释的自旋时，这总指的是自旋分量。我们将这些值取名为“正自旋”（spin plus）和“负自旋”（spin minus）。我们现在考虑两个自旋为1/2的系统，它们从一个源一起发射出来，正沿着相反方向作彼此远离的运动，以致它们不再发生作用。无论如何，二者中任意一个系统具有独立于另一个系统的自旋态。两个系统的全态是“第一个系统正自旋与第二系统的负自旋”和“第一个系统的负自旋与第二个系统的正自旋”这两者的叠加；这种状态就是著名的单重态（singlet state）4。这两个分量之一在测量中显示出来。结果为：要么是“第一个系统的正自旋与第二个系统的负自旋有关（与测量仪器的相应读数有关）”，要么是“第一个系统的负自旋与第二个系统的正自旋有关（与测量仪器的相应读数有关）”。这个例子可回到玻姆（见1951年，第611–622页）。概念上相似的例子，可用两个系统的位置或动量的性质来构建（Einstein, Podolsky & Rosen 1935）。在这些情况下，我们正在处理一个无限大的数值来代替二者，这涉及到态纠缠。根据爱因斯坦（1935）的研究，态纠缠的相关性，就是著名的EPR关联性（Einstein–Podolsky–Rosen correlation）。

态纠缠，一般意味着没有任何系统自身就具有所谓的状态相关值---要么它是有一定不确定性的值，依赖于其它同样系统的属性。而关于状态相关性，就是量子论所讲的系统之间的相关性，而且独立于系统中的空间或时空距离。这些相关性不是因果性，因为物理系统中状态变化的因果联系是系统每一状态存在的条件（在分离性原理意义上），而态纠缠的相关性违反了这个原理，态纠缠意味着违反对分离性原理。反之，每个有关的系统具有独立于其它所有系统的状态，仅当系统作为整体时才具有一个确定的状态：惟有整个系统才处于纯态。只有根据整个系统的状态，才可定义子系统的状态相依性，即整个系统只存在于子系统之间的关系上（从EPR关联性意义上讲，前文提到过）。

从量子系统和测量仪器之间的相关性开始，通过量子系统之间的EPR关联性，我们可继续对后一种相关性作讨论，最后获得关于这种关联性的整个关系网。在此提到的态纠缠，就来自量子论形式体系（formalism of quantum theory）的观点，而不是来自预测。我们无论何时观察一个具有几个量子系统作为单元的复杂系统，可预料这些量子系统的状态处于彼此纠缠中。这对于量子系统级的自然整体也是正确的。因此，所有真正的状态相依性都具有所谓的相关性，因此只可根据对整个量子系统的全部状态才可完全确定。正由于此，我们才说量子论的整体论（holism）：量子系统通过关系全部联系起来，而这无法还原为彼此独立的单量子系统（见Esfeld (2004)）5。当从经典物理和分离原理出发时，单个物理系统仍在量子力学中保持成立；而且，也可用单量子系统来进行实验。但在经典力学中被视为内禀的性质，必须转换成这些系统之间的相关性。

以下现象就完全背离了至今所说的态纠缠，它仅考虑了状态相关性或时间相关性。而量子系统也具有状态独立性（或译为定常性），如质量、电荷，这些参量也属于量子系统的基本属性。但根据量子系统之间定义的相关性，质量、电荷等参量不是基本的，如质量和电荷这种性质是真正内禀的，这是值得怀疑的。点电荷是嵌入于整个场中的，与广义相对论有关，我们甚至可认为质量也是一种关系属性（relational attribute；参考Teller（1991），VI和VII章）。而且，可在量子论形式体系中推出如质量、电荷等参量，这是可取的，虽然量子论是我们的基本物理理论。实际上有一些策略可完成之，为了获得那些状态定常参量（如质量、电荷），可根据以上意义上的关系属性来进行定义。

事实上，量子系统不满足分离性原理，这导致另一种结果，于是向哲学家提出了第三个挑战：量子系统不是个体性的。玻色子型量子系统情况中缺乏个体性的原因在于假设不依赖于态纠缠。但是，态纠缠显示出所有类型的量子系统---尽管玻色子与费米子之间存在差别（后者遵循泡里不相容原理）---但是二者不是个体性的。在量子力学中，当我们观察几个同类型的处于彼此纠缠的状态的量子系统时，这些系统是难以辨别的。根本不存在任何属性---甚至不存在任何类型的条件概率分布---系统与其它这种系统是有区别的（见French & Redhead（1988））。因此，量子系统在时间上不是恒等不变的。我们不能标记一个量子系统，然后再认识它。量子力学系统（电子、光子、中子，等）是单系统，而整体系统总包含一定数量的这种系统。在量子力学中，态纠缠的相关性总存在于一定数量的单系统之间。在前面提到的例子中，我们总处理两个系统。而且，每个这些系统是属性预测的对象，因此是属性的载体---这归因为“它与其它系统发生纠缠”，“当其它系统具有负自旋时，它具有正自旋”，等等。

量子场论仍在继续深入发展。单个物理系统遵循量子力学，正如量子场属性遵循量子场论。量子场论公式对于每种基本系统（如电子等），场延伸到整个时空。电子之类是场量子（field quanta），在数学上表示为粒子数字算子（number operator）。对于场来说，没必要处于一种有确切数目的场量子状态。它可处于如五个、七个电子的叠加状态。著名的量子力学关联性，在量子场论看来，就是时空点上场算子的传统概率分布之间的相关性，量子场论证明了这些相关性。这些相关性甚至存在于真空态中，正如瑞和–施列德定理（Reeh–Schlieder theorem；见Redhead（1995））所强调的。因此，量子场论将单量子系统当作保持关联性的属性载体，量子场可用时空点构建而成。因此，量子论从三个角度向自然哲学提出挑战：

–局域性（Locality）：量子系统及其属性，一般不局限于点，或者说不局限于空间或时空中的任意小区域。

–分离性（Separability）：量子系统的基本时间独立性，如位置、动量和自旋（就自旋分量意义上而言），不属于每个量子系统自身的内禀性质。量子系统的属性，不具有内禀性，而具有重要的相关性（就提到的相关性意义而言）。态纠缠的这些相关性最终可被完全定义，这正是所有量子系统的全部状态。

–个体性（Individuality）：量子系统不是个体性的。在量子场论中，即使单量子客体作为性质预测的一个对象，也不再是必需的。

最重大的挑战是缺乏分离性，而个体性缺乏是不可分离性的结果。在这点上，我们应坚信量子论，而不认同单个事物具有内禀性的自然哲学，建议自然哲学要重视关联性。在继续深入自然哲学之前，我打算通过量子论开辟道路而进入下一章“认识论透视”。