成素梅：理解量子实在的信息论进路

摘要：量子理论最具革命性的哲学洞见是，承认在物理世界中存在着一个不可还原的随机性，即没有任何定律允许我们确定性地预测单个量子事件。信息论的实在观把观察者、测量过程和被观察对象绑定在一起，提供了一种动态的相互作用的实在论立场，这种立场带来了对理论与观察、实在与信息、概念与对象等关系的新理解，并且预示着一种新的哲学框架的诞生。

联合国宣布2025年为“国际量子科学与技术年”，并进行为期一年的全球性庆祝活动，来展示量子理论对技术、文化以及人类理解自然界所产生的深远影响。与这种大型庆祝活动相比，物理学家对如何理解量子实在等哲学问题却依然未达成共识。经典物理学假设，对象的属性是固有的，与观察无关，这种理解植根于西方哲学。而量子力学则把对象的属性看成是测量设置和被测对象相互作用的结果。近几十年来，备受责难的随机性和量子纠缠概念成为开发量子信息技术的物理资源。这些进展促使物理学家从信息论进路来重新理解量子力学的基本问题，而这些理解又激发出关于世界、实在与信息关系的更深层次的讨论。

量子信息论进路的诞生

将量子理论与“是-否”的二元选择联系起来的关键理念，最早由魏扎克在1954年提出，其主张从所获得的信息来刻画物理对象，使信息概念成为物理学的基本概念。“量子信息”概念则由惠勒于1979年提出，但惠勒的文章没有提到魏扎克的工作。同一年，费曼第一次提出了开发能够模拟任何物理过程的“通用模拟器”的想法。这种通用模拟器是量子计算机，而不是通用图灵机。

与魏扎克着眼于解决量子场论问题和费曼着眼于量子理论的技术应用相比，惠勒倡导物理学家接受玻尔的观点，修正关于物理实在的态度以及关于物理现象的绝对性质等观念。玻尔的互补性原理把物理学家的研究导向最高目标：“从对存在的理解中推断量子。”从信息论的视域来看，量子理论要求的新实在观是：物理量的意义来源于比特，即显示出“是-否”的二元选择。惠勒把这个结论概括为短语“It from Bit”，通常被翻译为“万物源于信息”。

惠勒把“万物源于信息”看成是探索物理学、量子和信息之间联系的指导原则和最有效的工作假设，认为物理学家是从仪器对“是-否”问题给出的回答来推断量子实在的功能、意义及其存在。惠勒的思想中蕴含着信息是第一位的，而量子实在则是派生的观点。这意味着，观测以某种方式产生宇宙过去的物理结构，而不只是告诉我们宇宙是什么样的，这是一个参与性宇宙。

魏扎克和惠勒在论证其观点时，都是从接受量子力学的哥本哈根解释出发，主张根据测量结果来为理解量子理论的结构提供有意义的必要条件。1993年，美国物理学家舒马赫明确提出量子比特概念，为量子信息家簇创建了品牌名称。之后，量子信息理论逐渐地将量子力学与信息科学融合起来，发展成为一门新型的独立学科。

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近20年来，量子信息理论在理论与实践方面都取得了令人瞩目的进步，激发了物理学家用信息论的术语来重新表述量子力学概念问题的热情。他们开始基于量子信息论的原理，而不是更明显的物理学原理，来重新理解量子力学的形式体系，其目标是最小化或避免对理论形式体系的解释。因为他们坚信，信息并不是无形的抽象实体，而是与物理表征相联系，可以帮助我们更多地理解量子物理学的概念基础。他们把量子力学看成是表征信息和操纵信息的理论，而不是关于非经典的波或粒子的力学理论。这些看法不仅使量子信息概念成为物理学的新基元，而且把量子力学的解释从本体论层面转向认识论层面。

但问题在于，当他们基于信息概念来理解物理世界时，“信息是物理的”强观点相当于断言数学和计算机科学成为物理学的一部分。从哲学意义上来看，这蕴含了信息本体论、数字本体论和泛计算主义三种立场，激发了传统哲学资源，导致了关于量子实在与信息之间相互关系的深层次讨论，形成了理解量子实在的信息论进路。在这条进路中，蔡林格提出的论点比较有代表性。

蔡林格论点：无法区分实在与信息

2022年诺贝尔物理学奖授予蔡林格，以表彰他对开创量子信息科学所做出的贡献。“蔡林格论点”是指，不能在实在和我们关于实在的知识之间，在实在与信息之间，作出区分。因为如果我们不使用所掌握的关于实在的信息，就无法谈及实在。实在和信息是一个硬币的两面。在给定情况下所能说出来的东西，一定以某种方式，定义了或至少严格限制了所能存在的东西。

这个论点是蔡林格基于实验研究为量子力学提供信息解释的过程中形成的。他把物理学家对理论的解释分为两个层次：一是基本层次的解释，即由可操作的实验规则和把理论符号与观察联系起来的概念所组成；二是元层次的解释，即提出了理论深层次的意义问题。在量子力学的解释中，物理学家之间的分歧不是关于波函数概率的可操作性问题（即第一层次），而是关于理论所蕴含的世界观问题（即第二层次）。

那么，为什么物理学家在运用量子力学的形式体系解决问题时不会产生疑问，而当探究其更深层次的意义问题时，却无法达成共识呢？蔡林格把造成这种局面的原因归结为，量子力学体系不像爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论那样，具有公认的概念原理作为其理论基础。量子力学的不同解释蕴含了不同的哲学立场。这些解释共存发出的信号是：物理学家有必要为量子力学寻找公认的基本原理。

蔡林格认为，当代物理学界已经达成两种共识，一是承认量子力学是最成功的理论，二是承认量子事件的随机性和量子纠缠特征是量子信息科学与技术发展的前提。我们应该从这两种共识出发，获得关于量子力学基础的新见解。于是，蔡林格把通过测量仪器提供的信息，看成是对关于量子特性问题的回答，提出了两个基本原理：“信息量化原理”和“信息有限原理”。

蔡林格运用信息概念对单个量子事件的随机性和多粒子之间的量子纠缠现象的理解，避免了过去运用“物质-能量”概念的理解所陷入的困境。他认为：“量子是我们关于世界能够说些什么的一种结果。”这是玻尔、魏扎克和惠勒观点的具体化。他的信息解释被看成是量子力学哥本哈根解释的信息论版本。蔡林格认为，量子测量结果的随机性，恰好是量子系统无法再被分割下去的证据。

蔡林格像玻尔那样也把测量仪器和被测量的量子系统之间的相互作用看成是量子现象的一个组成部分，认为如果我们不运用测量过程中所得到的关于实在的信息，就没有办法谈及实在。这样，就在实在与信息之间画上了等号，把量子实在看成是从获得测量信息的过程中产生出来的，而不再是作为一种静态的内在结构存在于那里。这一认识揭示了将某些属性归因于物理对象的经典观念的局限性。

但问题在于，虽然量子信息科学与技术的发展，为我们理解量子世界提供了新的概念突破，但当蔡林格运用简单的信息概念框架来说明非直观的量子行为时，他所概括出的“实在与信息无法区分”的论点依然遭到褒贬不一的评论。其中，既有反对者，也有拥护者。但无论如何，他们之间的概念辨析，极大地深化了我们关于量子实在的理解，将我们的实在观从经典视域推向信息视域，形成了一种新型的信息论的实在观。

信息论的实在观

理解量子实在的信息论进路和蔡林格论点，被看成是一个很激进的哲学命题，受到了学界的高度关注。

一种批评认为，把世界的基本理论只看成是关于信息的理论，而不是关于事物的理论，是用非物质的信息概念取代了作为物理学主题的物质概念。这种信息论进路没有明确定义量子理论信息基础的哲学根据，而是提供了一种非物质主义的形而上学。事实上，量子力学最关键的难题是量子测量问题。这条进路既没有认真对待这个问题，也没有解决这个问题，而是新瓶装旧酒，为旧观念披上华丽的服装而已，在某种程度上说，是本末倒置。

因为从信息和知识的事实性特征来看，如果我们根据薛定谔方程，能够知道测量一个系统得到的概率分布，那么，这些分布必须在客观上如此，对与错的问题是由系统的属性来决定的。正是事物本身决定了我们对它的描述，即最终确定哪些概念在科学理论中是最合适的。不承认这个简单的事实，只遵守蔡林格的“信息量化原理”提供的定义性陈述，就无法指望获得真正的经验真理。因此，非物质主义的形而上学观点是不值得称赞的。在批评者看来，实在总是存在于那里，会影响物理学所说的内容，信息只是实在的表现而已。

另一种批评认为，蔡林格论点支持了惠勒提出的“参与性宇宙”观点对物理实在的极端推测。蔡林格对“无法区分实在与信息”这个反直觉断言的论证是：如果不运用我们所拥有的关于实在的信息，就无法谈及实在。换言之，我们所说出的关于实在的情况一定与我们具有的关于实在的信息相符合。这相当于说，我们所知道的关于实在的情况必须符合我们所知道的关于实在的情况，这显然是一种同义反复。并且，失去了有助于定义信息本质的外在于信息的一些关系，无法回答“谁的信息？关于什么的信息？”的问题。

在拥护者看来，这两种批评都是站在决定论立场上提出的，是希望退回到本体论进路的实在论立场。这种实在论把关于实在的科学知识视为实在的直接呈现，而忽略了观察对信息的影响。这种质疑是不必要的，回归经典实在论并不是唯一的前进方式。因为蔡林格论点中的信息不能像经典信息那样从技术意义上来理解，而是被理解为观测结果，是对观察者所提出的被观测系统属性问题的一种回答。这是一种认识论的进路。这种进路认为，我们总是根据所拥有的信息来谈及实在。我们一旦通过测量获得新知识，原有的知识就发生变化。波函数和所测量到的属性恰好是对不同信息的不同表征。由此，蔡林格论点中的信息不是关于实在的信息，而是我们唯一的实在。

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这些争论使我们联想到哲学史上的许多哲学资源。比如，贝克莱关于“存在就是被感觉”的论述，布里奇曼的操作主义观点，维特根斯坦关于“世界是事实之和而不是事物之和”的命题，罗素等人提出的逻辑原子主义的主张，胡塞尔认为一种现象同时受制于事物/实在和观察方式的立场，以及逻辑经验主义者阐述的观察优先的实证原则等。但本文转向一个更加有效的应对策略：厘清物理量、实在与信息概念分别在经典物理学和量子物理学中发生的语义变化，来更新我们对问题的关注视域。

在此，有必要把“经典实在观”与“实在”概念区分开来。蔡林格等人虽然不是经典实在论者，但从来也没有否认原子、电子等基本粒子的实在性。蔡林格之所以把实在概念与信息概念相提并论，是因为在量子物理学中，我们不能独立于测量信息或我们所说的实在来谈论实在。但这并不等于说，将物理学的任务降低为建构的主观陈述。因为任何关于物理世界的陈述最终都必须接受实验的检验。蔡林格认为，在经典实在观中，实在是独立于观察的概念；而在量子力学的新观点中，实在和信息的概念是等价的，缺任何一个都不足以对世界作出完备的理解。

在经典物理学中，命题所描述的属性是对象所拥有的。赋予物理对象的属性既是通过观察得到的，也不能与未来的观察相矛盾。但在量子物理学中，如果我们只有通过观察才能获得关于对象的知识或信息，那么，任何关于实在的概念都必须以观察为基础。但这同样并不意味着，实在是人为的主观建构。因为任何人都可以借助观察来检验模型的预言，在主体间性意义上达成关于模型的共识，并赋予心理建构的对象客观意义。

物理学的作用正是希望根据事先获得的信息做出关于未来的预言。这些预言是关于对象的未来属性的预言，它们既对未来的观察有意义，也是关于未来观察的命题。因此，物理学是将过去的观察与未来的观察联系起来，物理学定律则是把在这些联系中的规律性和普遍性表达出来。在量子力学中，这种表达是通过薛定谔方程来实现的，但这个方程只提供测量后获得未来属性的特定概率，而量子态的具体结果在客观上是随机的。

就物理量而言，在经典物理学中，被认为具有确定的性质，被视为是物体的固有属性，与观察者无关。在量子测量中，由于被观察系统的行为表现会随着测量设置的改变而改变，所以，观察者、测量设置和被观察系统之间的相互作用，将物理量从实在的固有属性概念化为关系属性。物理量不再是物体的内在属性，而是成为与测量相关的属性。因此，测量获得的信息是观察者在测量过程中所感知到的信息，不完全属于被观察对象。这表明，我们一直以来不加批判地将物理量视为物理实在的固有属性，是简单化的做法。阿斯派克特实验对贝尔不等式的违反，理解量子实在的信息论进路的兴起，以及蔡林格论点的提出，均对这些经典直觉提出了概念挑战。

在量子测量过程中，信息、观察者和被观察对象之间的复杂关系，揭示了理解量子实在的信息论进路的哲学洞察力。学术界围绕理解量子实在的信息论进路所展开的讨论揭示出，在信息与被观察对象之间存在着两种不同的关联方式：一种是以经典实在论为核心的本体论关联；一种是以蔡林格论点为核心的认识论关联。前者主张把信息归属于对象；后者主张把信息看成是对观察者所提出的关于被观察对象的二元选择问题的一种回答。从本体论关联的立场来看，蔡林格论点是激进的反实在论；但从认识论关联的立场来看，蔡林格论点提供了一种新的实在观——信息论的实在观。

结语

量子理论最具革命性的哲学洞见是，承认在物理世界中存在着一个不可还原的随机性，即没有任何定律允许我们确定性地预测单个量子事件。信息论的实在观把观察者、测量过程和被观察对象绑定在一起，提供了一种动态的相互作用的实在论立场，这种立场带来了对理论与观察、实在与信息、概念与对象等关系的新理解，并且预示着一种新的哲学框架的诞生。

作者：成素梅，上海社会科学院哲学研究所研究员

摘自：《自然辩证法研究》2025年第1期