成素梅｜量子计算的哲学意蕴
在量子信息技术发展史上，20世纪以量子计算和量子信息理论的崛起而告终，21世纪则以量子计算和量子信息理论与技术的大力发展而开始。但是，这并不意味着能够用量子信息理论的术语来重新阐述量子力学的概念基础；而是意味着我们需要重新回答“理论是什么”的基本问题，以及重新揭示对象与事实以及理论与实在之间的内在关系。
上海社会科学院哲学研究所副所长成素梅认为，量子理论与实在不再是符合关系，而是同构关系。理论的客观性是通过对象与事实的互塑关系来保证的。物理学家建构对象与解释事实是同时进行的，并且是基于理论的，对象与事实的客观性建立在观察与实验之基础上。因此，对象与事实在理论与实在之间扮演了承上启下的中介作用，量子理论是实在的映射，是在理解实在，而不是描述实在。
如何理解对象与事实的互塑关系？
在量子力学中，诸如光子、电子之类的微观粒子是依赖于理论的“实体”，而不再是量子物理学家能够直接或间接地看到的实在本身。因此，微观粒子的指称不再是“真指称”，而是“理论上的指称”或“推定的指称”。
在这种指称关系中，量子物理学家不可能是先拥有对象、再说明事实，而是建构对象与说明现象同步进行；这样，微观对象与科学事实之间的关系就不再是经典物理学中的先后关系，而是变成了互塑关系，或者说，成为互为前提的共存关系。
如何理解理论与实在的同构关系？
说明性理论指用理论术语来阐述并接受实验检验的假设，这些假设说明了事实和规律性。说明性理论一旦被科学家所承认，就会成为可以加以利用的科学知识；解释性理论指对世界及其具体领域提供本体论解释的假设，这些假设要么是日常共识，要么是特定的说明性理论的基本前提所蕴含的一种哲学解释，是在总结过去认知结果的基础上形成的。
两种理论的变化并不总是同步的。每一个说明性理论都与一个解释性理论相联系，而一个解释性理论可以同时与多个说明性理论相联系。这表明，解释性理论的变化一定会带来说明性理论的变化，而说明性理论的变化则不一定总是带来解释性理论的变化。两种理论一并构成了学科体系的核心。
物理学界接受了量子力学新的说明性理论，但并没有完全接受量子力学的假设所提供的解释性理论。当量子计算和量子信息理论与技术已经取得了实质性进展时，我们就需要依据实验事实和技术应用来接受新的解释性理论。我们既不能简单地说对象和事实与实在相符，也不能说理论描述了实在，而只能说，理论是实在的映射，是在理解实在，而不是描述实在。
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01
对象与事实的互塑
从方法论的视域来看，物理学家提出理论概念的初衷，并不仅仅是为了达到实用的目标，更重要的是为了融贯地理解正在发生的事情本身；量子计算机科学家的工作则是解决特定的问题，其目标在于根据量子力学提供的基本原理建造能够成功应用的新的计算机器或新的人造物，因此他们的思维习惯通常是遵守实用主义的原则，具有很强的目的性。相比之下，对于深耕概念分析的哲学家而言，实用主义对他们辨明基础性问题是无助的。哲学家通常能够在从前认为很好的解决方案中找出存在的问题。
量子计算的发展表明，当工程实践的进展超越了以爱因斯坦和玻尔为代表的量子物理学家关于理论本性等问题的哲学争论时，我们对作为设计量子算法和量子信息理论与技术依据的态叠加原理、量子纠缠、非定域性、量子不可克隆等神秘特性的哲学探讨，必须改变思路：即从过去像爱因斯坦那样，坚守经典实在论来质疑量子理论的完备性和实在性的做法，以及对隐变量的量子理论的向往与追求，转向像玻尔、海森伯等人那样，基于接受量子理论的新特征来重新理解与界定微观对象、事实、理论、实在之间的相互关系，并在此基础上建构一种更具包容性的量子实在观。
在经典物理学的研究传统中，研究对象就是现存的实在本身，并且它们的存在性是第一位的，具有天然的优先性。宏观物体是定域的，物理学家要么可以直接看到它们或对它们进行直接操作，要么可以通过仪器来间接地看到它们或对它们进行间接操控，并借助实验和数学方法来揭示它们的属性和变化规律，而仪器在这里只是扮演工具的角色，不会对对象的存在形态等产生实质性的影响。
物理学家在这一认知过程中，根据物理学概念与对象之间的直接指称关系来把握概念的意义，也就是说，概念能够在不依赖于任何理论的前提下直接指向实在本身，这种指称通常被称之为“真指称”。由包含“真指称”关系的概念与语言构成的理论，顺理成章地成为对实在世界的描述。在这种概念图景中，对因果关系的追溯属于本体论问题，而不是认识论问题。
然而，量子力学的诞生，特别是量子计算等量子信息技术的实现，对这种将认识论问题本体论化的思维方式和经典实在论提出了巨大的挑战。这也是20世纪两位伟大的物理学家爱因斯坦和玻尔就量子力学的基本问题争论不休的关键所在。
在量子力学中，诸如光子、电子之类的微观粒子是依赖于理论的“实体”，而不再是量子物理学家能够直接或间接地看到的实在本身。因此，微观粒子的指称不再是“真指称”，而是“理论上的指称”或“推定的指称”。
在这种指称关系中，量子物理学家不可能是先拥有对象、再说明事实，而是建构对象与说明现象同步进行；这样，微观对象与科学事实之间的关系就不再是经典物理学中的先后关系，而是变成了互塑关系，或者说，成为互为前提的共存关系。
在科学研究与科学实验中，对象与事实实际上是理论建构的产物，对象与事实之间的关系就像上与下、左与右这些具有相对性的概念之间的关系一样，是相互依存的互塑关系。问题在于，如果对象与事实成为依赖于理论的产物，那么，理论就不再是对实在的直接描述或表征，或者说，不再像经典实在论所认为的那样，是实在的复印件或直接画像。这就进一步提出了如何理解量子理论与实在的关系问题。
02
理论与实在的同构
我们需要区分两层关系：实在与对象的关系；对象与理论的关系。在实在、对象、理论之间，对象起到了承上启下的作用，成为沟通“实在”与“理论”之间的中间桥梁。在微观领域内，我们不可能如经典物理学中那样，在“实在”与“对象”之间简单地划等号，将一切认识论问题本体论化，将理论看成是对实在本身的描述与表征。微观实在只具有本体论的优先性，是确保科学研究得以进行的基本前提，无法直接进入物理学家的认知视域，能够进入物理学家认知视域的是“对象性实在”。
对象虽然是理论建构的产物，是经由人的认知理解之后才作为对象而存在，其固有规定也体现在与人的相互作用中，且随着相互作用方式的变化而变化；但是，微观粒子的对象性并不能改变其客观性，而是赋予客观性以建构的特点。对象的客观性是通过对象与事实的互塑关系来保证的，因为对象与事实共同植根于实验现象之中，是同一实验现象的两个方面，而实验现象则是由自在实在与特定的测量环境共同作用之后产生的，经受过严格检验的实验现象的物质性及其理论理解的融贯性，使科学对象和科学事实具有了一定程度的客观性。
因此，对象与事实的客观性成为打通理论与实在相关的中介。为了更加明确地说明问题，下面我们将理论划分为两种类型。
一是“说明性理论”（简称E理论）。意指用理论术语来阐述并接受实验检验的假设，这些假设说明了事实和规律性。E理论一旦被科学家所承认，就会成为可以加以利用的科学知识。比如，量子力学的形式体系是由概率波、光子、自旋、算符等前所未有的理论术语来阐述的，它不仅使普朗克在1900年提出的量子假设成为它的一个推论，而且还为人们思考微观物理现象与认识微观世界提供了有效的语言框架，带来了量子信息技术和相关新型学科的发展。
说明性理论由于能够提供说明，因而是可以接受经验检验的理论，或者说，可以被经验所证实或证伪。如果一个说明性理论的预言能够得到经验的证实，那么，它提供的关于实在的数学模型与物理模型，就与实在本身具有一定程度的同构性。
二是“解释性理论”（简称I理论）。意指对世界及其具体领域提供本体论解释的假设，这些假设要么是日常共识，要么是特定的说明性理论的基本前提所蕴含的一种哲学解释，是在总结过去认知结果的基础上形成的。但是，它不等同于认知结果。就其目标而言，这种“假设的目的不是提供说明，而是解释世界，即依据基本的本体论，把某一结构归于世界，或者，归于世界的具体领域”。
这类假设提供的是形而上学的观点，既不可能被经验所证实，也不可能被经验所证伪。解释性理论所提供的假设通常有两种类型：一是科学研究得以进行的普遍假设，即适用于任何学科的假设，例如，自然界是可理解的、有规律的、统一的，等等；二是与具体的学科发展相联系的特殊假设，例如，经典物理学中的机械论、生物学中的活力论、地质学中的渐变论，等等。
由于I理论提供的是关于世界基本实体的假设，E理论提供的是对这些实体行为的说明，所以，E理论与I理论的变化并不总是同步的。每一个E理论都与一个I理论相联系，比如，牛顿的万有引力理论（E理论）与近距作用的世界观（I理论）相联系；反之则不然，一个I理论可以同时与多个E理论相联系，比如，因果决定论的世界观（I理论）可以与牛顿力学（E理论）、电磁学理论（E理论）、相对论力学（E理论）等相联系。这表明，I理论的变化一定会带来E理论的变化，而E理论的变化则不一定总是带来I理论的变化。
E理论和I理论一并构成了学科体系的核心。在I理论保持不变的情况下，E理论的变化是学科亚系统的常规理论的变化；如果I理论和E理论同时发生变化，则是学科内部的基本理论的变化，用科学哲学家库恩的话来说，即范式的转变。
量子力学属于后一种情况。物理学界接受了新的E理论（量子力学），但并没有完全接受量子力学的假设所提供的I理论（自然界是非决定论的）。物理学家是否接受新的I理论，是形而上学的观念问题。当量子计算和量子信息理论与技术已经取得了实质性进展时，我们就需要依据实验事实和技术应用来接受新的I理论。
当物理学家既接受新的E理论，也接受新的I理论时，则意味着物理学的基本理论发生了变化。在这种情况下，我们虽然可以从本体论意义上承认光子等微观粒子的存在性，但这种存在性并不等同于实在性。因为如果离开现有的E理论与I理论，就无法知道这些粒子的存在。因此，这些粒子在作为我们用来描述其术语的“理论上的指称”或“推定的指称”的意义上是真实的，也就是说，就“自在实在”向我们呈现的方式而言，它们是真实的，但一旦离开其呈现方式，就不再为真。因为它们并不是“真指称”，而是承载理论的指称。因此，我们既不能简单地说对象和事实与实在相符，也不能说理论描述了实在，而只能说，理论是实在的映射，是在理解实在，而不是描述实在。
描述实在是对实在本身的刻画和对实在行为的揭示，描述的对错由是否与实在相符合来加以判断；而理解实在则是对实在在特定条件下的认知内容的具体表达，或者说，是对自在实在机理的整体模拟，而不是直接的言说或描述。机理性的整体模拟是数学模型与物理模型的集合，是在域境化、去域境化和再域境化的动态过程中完成的。在这个过程中，认知主体由扮演“上帝之眼”的角色变成了建构者的身份。从这个意义上来说，理论与实在只具有同构关系，而不存在一一对应的符合关系。
综上所述，量子计算的哲学意蕴是多方面的，本文限于篇幅只揭示了对象与事实的互塑关系以及理论与实在的同构关系。这两对关系的揭示既能说明为什么“认识论的突变”往往会导致本体论的修正，也能说明为什么量子理论的基本原理能够成为量子计算的物理资源。
*本文系国家社科基金重大项目“当代量子论与新科学哲学的兴起”和国家社科基金重大项目“当代量子诠释学研究”的阶段性成果，项目编号分别为：16ZDA113、19ZDA038
文章来源：《学术前沿》杂志2021年4月上（微信有删节）
作者：上海社会科学院哲学研究所副所长 成素梅
原文责编：张贝
新媒体责编：李思琪
视觉：王洋
（图片来自网络）