編者按

學(xué)界對于量子力學(xué)的詮釋至今沒有達(dá)成共識，存在著“一元論”還是“二元論”的哲學(xué)對立。中國工程物理研究院研究生院院長、北京大學(xué)物理學(xué)院教授孫昌璞院士認(rèn)為，不妨遵循“大道至簡”的價值觀，即如果關(guān)于同一個問題有兩種理論都能作出同樣準(zhǔn)確的預(yù)言，那么應(yīng)該挑選使用假設(shè)最少的那一個。

(相關(guān)資料圖)

孫昌璞還從科學(xué)哲學(xué)的角度進(jìn)行論證，可證偽性、奧卡姆剃刀原則可成為量子詮釋的依據(jù)，也體現(xiàn)了量子力學(xué)“大道至簡”的邏輯之美。

進(jìn)而，孫昌璞批評了當(dāng)下科研界的逆奧卡姆剃刀現(xiàn)象——當(dāng)存在兩個相互競爭的理論時, 對于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供更花里胡哨解釋的理論優(yōu)先，而這也造成了學(xué)術(shù)的灰色地帶。他呼吁從哲學(xué)的高度深刻認(rèn)識這些問題，讓科研實(shí)踐回歸直指發(fā)現(xiàn)真理的科學(xué)實(shí)踐。

■孫昌璞

量子力學(xué)無疑是科學(xué)史上最成功的理論之一，但對于量子力學(xué)的詮釋，人們至今并無基本一致的共識，本質(zhì)上存在“一元論”和“二元論”的哲學(xué)對立。

以玻爾為代表的哥本哈根學(xué)派堅持量子力學(xué)不能回避二元論的詮釋：量子力學(xué)的波函數(shù)描述必須借助經(jīng)典要素——觀測導(dǎo)致波包不可逆塌縮，而相關(guān)的測量儀器和觀察者只能服從經(jīng)典物理。具有二元論屬性的波包塌縮是一種非幺正的演化過程，它與薛定諤方程描述的幺正演化過程不一致。

不同于愛因斯坦質(zhì)疑量子力學(xué)的新角度，薛定諤和溫伯格等許多著名理論物理學(xué)家一次又一次地批評“二元論哲學(xué)”，同時形成了諸如“多世界”和量子退相干等量子力學(xué)的一元論詮釋：無須借助經(jīng)典物理，在量子力學(xué)自身的框架內(nèi)描述儀器和觀察者，以此解釋量子力學(xué)測量的結(jié)果。

然而，僅僅根據(jù)最后的觀測結(jié)果，通常不能決定哪一個理論是正確的，理論通常不具有解釋的唯一性。量子力學(xué)有一元論和二元論的詮釋，但它們對測量結(jié)果的理論預(yù)測在理想的情況下卻常常是一致的，因此無法區(qū)分這些詮釋哪一個更好。

這與“地心說”和哥白尼“日心說”之爭一樣：前者只要加入非常復(fù)雜的“本輪-均輪”、后者用橢圓取代正圓軌道，基本上都能解釋第谷對天象的觀察結(jié)果（嚴(yán)格地說，行星視運(yùn)動有快慢和逆行兩種不規(guī)則性，而沒有均輪的日心說只能解釋后者）。也就是說，僅僅在“單次”實(shí)驗(yàn)的意義下，人們無法區(qū)分量子力學(xué)詮釋的一元論和二元論哪個更好，因?yàn)樵谶@些詮釋的框架下人們只能預(yù)測相同的觀察結(jié)果。

量子力學(xué)的詮釋與可證偽性

基于橢圓軌道 “日心說”的簡約完勝基于諸多“本輪-均輪”“地心說”的煩瑣。不僅如此，“日心說”以較少的參數(shù)給出更多預(yù)言，也因此給出更多待定驗(yàn)證的機(jī)會。從這個意義上講，這就是哲學(xué)上的奧卡姆剃刀效應(yīng)。

不過，從科學(xué)哲學(xué)的角度，我們還是可以分辨出量子力學(xué)詮釋的一元論和二元論哪個更科學(xué)。我們只需遵循“大道至簡”的價值觀：如果關(guān)于同一個問題有兩種理論都能作出同樣準(zhǔn)確的預(yù)言，那么應(yīng)該挑選使用假設(shè)最少的那一個。

盡管方法越復(fù)雜越能做出更好的預(yù)言，但需要平衡假設(shè)的多少和預(yù)言能力大小的關(guān)系。只有預(yù)言結(jié)果的多少相對于理論假設(shè)的多少呈現(xiàn)出非線性增加，我們才能說這是一個真正好的理論，這正如基于橢圓軌道 “日心說”的簡約完勝基于諸多“本輪-均輪”“地心說”的煩瑣。不僅如此，“日心說”以較少的參數(shù)給出更多預(yù)言，也因此給出更多待定驗(yàn)證的機(jī)會。從這個意義上講，這就是哲學(xué)上的奧卡姆剃刀效應(yīng)。

在量子力學(xué)詮釋的爭論中，基于量子退相干的量子測量理論屬于一元論范疇。它不引入任何額外的假設(shè)，只是把測量過程看成一個少自由度的量子系統(tǒng)（待測系統(tǒng)）和一個多自由度的量子系統(tǒng)（儀器或觀測者）的相互作用，整體大系統(tǒng)和兩個部分都服從薛定諤方程。這種描述是一元論的，它可以給出測量結(jié)果對相互作用（測量）時間依賴的關(guān)系，有比二元論更多的、可被比較驗(yàn)證的理論預(yù)言。因此，不少人認(rèn)為量子力學(xué)一元論的詮釋比哥本哈根學(xué)派的詮釋更“好”。

需要指出的是，這些對量子力學(xué)詮釋的具體分析隱含了可證偽性，是奧卡姆剃刀效應(yīng)的哲學(xué)邏輯基礎(chǔ)。可證偽性指從一個理論推導(dǎo)出來的結(jié)論-理論預(yù)言在邏輯原則上有與觀察陳述發(fā)生矛盾或抵觸的可能。該學(xué)說創(chuàng)立者、哲學(xué)家卡爾·波普認(rèn)為，“所有科學(xué)命題都要有可證偽性，不可證偽的理論不能成為科學(xué)理論”。

事實(shí)上，這里隱含著偽科學(xué)或贗科學(xué)（pseudo-science）的定義：邏輯不可證偽性的“科學(xué)理論”即為偽科學(xué)。你可以證偽“單身漢們是否都happy”，但你無法證偽“單身漢們是否都married”這一語義命題。以上是在講一個好的理論“大道至簡”的道理。這里的“簡”是指推論邏輯的“簡”，這里的“大”是指可預(yù)言的結(jié)果盡可能多，從而使理論有更多被證偽的機(jī)會。因而，從科學(xué)哲學(xué)的角度講，可證偽性是奧卡姆剃刀效應(yīng)的邏輯基礎(chǔ)。

以下我們用“模型”形象地說明可證偽性與奧卡姆剃刀效應(yīng)的關(guān)系。模型如下圖所示：在一個正方形四角上的A、B、C、D代表四個經(jīng)驗(yàn)結(jié)果。連接它們的多邊形代表一個“理論”，其內(nèi)部所有點(diǎn)代表了理論預(yù)言的結(jié)果。然而，理論是不唯一的。從目前的經(jīng)驗(yàn)事件出發(fā)構(gòu)建的“理論”，能包含四點(diǎn)的各種平面圖形。

顯然，“平面紡錘形”理論（b）可以用來解釋A、B、C、D的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，但我們還需要繼續(xù)做各種實(shí)驗(yàn)去證偽理論（b）：當(dāng)大部分實(shí)驗(yàn)都在平面紡錘形區(qū)內(nèi)，理論（b）就是對的；一旦發(fā)現(xiàn)了區(qū)域外事件E，則理論（b）就被證偽了，隨后我們必須用“三個三角形”構(gòu)成新的理論（c），它當(dāng)然包含E；然而當(dāng)域外事件F出現(xiàn)，理論（c）也被證偽了，然后我們建立理論（d），以此推演，最后我們得到最簡單的理論——“圓形”理論（e）：它只有一個參數(shù)——半徑R，只需改變R，就能包含所有事件。

因而同樣包含了A、B、C、D的“圓形”理論（e），比“紡錘形”理論更簡潔、更優(yōu)美，更具“大道至簡”之境界。籠統(tǒng)地說，理論（e）比理論（b）更簡潔，它用到的假設(shè)和參數(shù)更少，但預(yù)言的結(jié)果更多，有更多被證偽的機(jī)會，可證偽性更強(qiáng)。

基于事件A、B、C、D的4個理論（b）、（c）、（d）、（e）。

奧卡姆剃刀下的量子詮釋

奧卡姆剃刀就是要不斷剔除那些有更多假設(shè)的、繁蕪的理論，保留那些簡潔而優(yōu)美的理論，從而實(shí)現(xiàn)科學(xué)上的“大道至簡”核心價值觀。

上文已經(jīng)指出，當(dāng)存在兩個相互競爭的理論時，為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供更簡單的解釋的理論具有選擇的優(yōu)先性。這一奧卡姆剃刀原則剔除了物理上那些有更多假設(shè)、可證偽機(jī)會少之又少、花里胡哨的理論。其實(shí)，由于事實(shí)的無限性，任何理論都不可能是絕對真理，科學(xué)的方法就是通過證偽試錯不斷發(fā)現(xiàn)理論邊界。而越簡單的理論就越接近普適的真理——由較少的基本假設(shè)引申出更多的事實(shí)預(yù)測。奧卡姆剃刀就是要不斷剔除那些有更多假設(shè)的、繁蕪的理論，保留那些簡潔而優(yōu)美的理論，從而實(shí)現(xiàn)科學(xué)上的“大道至簡”核心價值觀。

就量子力學(xué)而言，相比于不需要引入額外二元論假設(shè)的多世界和退相干等量子力學(xué)的一元論詮釋，二元論的詮釋（隱性）假設(shè)了一個瞬間內(nèi)完成的波包塌縮的非幺正過程，這是人類借助任何工具都無法觀察到的“瞬間”過程，在物理上沒有任何實(shí)驗(yàn)?zāi)茏C偽它相關(guān)的理論。因此，對比量子力學(xué)一元論和二元論詮釋的假設(shè)多少，并基于奧卡姆剃刀原則，人們會傾向多世界詮釋這樣的一元論。

需要指出的是，不明就里者常常用可證偽性質(zhì)疑“多世界詮釋”，因?yàn)橛^察者從來沒有“看到”不同的分支世界。事實(shí)上，“存在多個世界”只是后人望文生義的臆想，“多世界”創(chuàng)立者、美國量子物理學(xué)家休·艾弗雷特從來沒有這么說。他只是嚴(yán)格定義了“世界分支”和“觀察”，并在量子力學(xué)自身的框架下證明不同分支間永遠(yuǎn)不能交換信息，因而別人臆想的世界分裂也不可觀察。

這種證明恰恰體現(xiàn)了量子力學(xué)“大道至簡”的邏輯之美。這正如量子色動力學(xué)基于夸克假設(shè)可以證明“自由夸克不存在”，而“地心說”通過后來的牛頓定律自證相對運(yùn)動不可感受一樣，都是基于邏輯力量的奧卡姆剃刀效應(yīng)：證偽的科學(xué)方法并不只是基于直接的實(shí)驗(yàn)，通常也要基于有以往實(shí)驗(yàn)支持的邏輯推理。

物理學(xué)當(dāng)下發(fā)展的逆奧卡姆剃刀現(xiàn)象

近年科研界出現(xiàn)了與奧卡姆剃刀原則相反的傾向——逆奧卡姆剃刀效應(yīng)：當(dāng)存在兩個相互競爭的理論時, 對于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供更花里胡哨解釋的理論優(yōu)先。

以上看似“形而上”的“哲學(xué)”議論并非沒有現(xiàn)實(shí)意義。大家知道，物理學(xué)是實(shí)驗(yàn)科學(xué)，但什么是實(shí)驗(yàn)“證實(shí)”理論，怎么使用好實(shí)驗(yàn)這把“剃刀”，有不少人有著關(guān)聯(lián)利益的理解和實(shí)踐。

最近美國凝聚態(tài)物理學(xué)家Igor Mazin在Nature Physics雜志上發(fā)表了論文Inverse Occams razor，犀利地指出當(dāng)前物理學(xué)特別是凝聚態(tài)物理學(xué)中“逆奧卡姆剃刀效應(yīng)”，破壞了科學(xué)可證偽性的基本原則。

他說，一些人用新奇的、能夠博人眼球的理論解釋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以求結(jié)果能夠在“高檔次”雜志上發(fā)表，這顯然違背了奧卡姆剃刀給出的“大道至簡”原則：在兩個相互競爭的理論之間作選擇時，要選擇對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供更簡單的解釋的理論。

事實(shí)上，近年科研界出現(xiàn)了與奧卡姆剃刀原則相反的傾向——逆奧卡姆剃刀效應(yīng)：當(dāng)存在兩個相互競爭的理論時, 對于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供更花里胡哨解釋的理論優(yōu)先。例如，當(dāng)你觀測到反常霍爾電導(dǎo)和線性磁電阻相關(guān)的一些輸運(yùn)效應(yīng)，原則上可以歸因于能帶簡并（Dirac）能帶錐，也可以歸因于一般的能帶理論詮釋。但有些人為了發(fā)表“高檔次”文章，更愿意采用復(fù)雜Dirac點(diǎn)來解釋，因?yàn)檫@和更復(fù)雜的能帶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相聯(lián)系。有時候，人們用一些可能與實(shí)際材料毫無關(guān)系的解析模型來解釋，產(chǎn)生大量的fancy的理論名詞，沒有實(shí)際意義。

Mazin還探討了為什么不提供任何理論解釋的實(shí)驗(yàn)文章很難通過“高檔次”雜志的編輯和審稿人這一關(guān)。事實(shí)上，提供了理論解釋的文章雖說有第一性原理計算支持，然而因其使用的大量可調(diào)參數(shù)，實(shí)際上并不支持任何東西。筆者認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家看到的“理論”預(yù)言有可能只是某種“有效近似理論”的結(jié)果。不過，近似成立的條件有時十分苛刻，不滿足這個條件時實(shí)驗(yàn)證實(shí)理論都是空談。

最近關(guān)于Majorana（馬約拉納）零模實(shí)驗(yàn)的文章被大量撤稿，大都源于盲目相信超導(dǎo)-納米線（超導(dǎo)-拓?fù)浣^緣體）緊鄰復(fù)合系統(tǒng)理論上一定會約化到Kitaev模型。然而，在實(shí)際條件下，它到底能不能約化到理想的Kitaev模型，一些理論和實(shí)驗(yàn)并沒有進(jìn)行深入細(xì)致的探究。如果不能約化到Kitaev模型，即使觀察到零偏壓信號，也不能代表Majorana零模，拓?fù)湎嘧円膊粫l(fā)生，更不會有Majorana激發(fā)。在這些被撤稿件中，實(shí)驗(yàn)家相信了并不符合實(shí)驗(yàn)條件的有效模型理論預(yù)言，有取向地處理數(shù)據(jù)，得到看似與理論相符合卻十分錯誤的結(jié)論。

以上例子表明，如果與個人和團(tuán)體的利益相關(guān)，人們不僅會誤用可證偽性，也會亂用奧卡姆剃刀原則。逆奧卡姆剃刀其刃向內(nèi)、不傾向簡潔而直接的理論，留下了錯誤（或不精確）的東西，造成了近乎于黑的學(xué)術(shù)灰色地帶。

理論物理“大道至簡”的哲學(xué)觀

基于可證偽性要求，物理學(xué)“大道至簡”、以簡為美，也導(dǎo)致了“寧拙勿巧”的方法論選擇，這從科學(xué)哲學(xué)的角度回答了物理學(xué)為什么是基礎(chǔ)科學(xué)之基礎(chǔ)。最基礎(chǔ)的一定是最簡潔的。

以上關(guān)于可證偽性和奧卡姆剃刀原則的分析、討論，寓示著科學(xué)理論應(yīng)當(dāng)“大道至簡”，它不僅與具體科學(xué)實(shí)踐蘊(yùn)含的科學(xué)思想有某種令人驚奇的契合（如量子力學(xué)詮釋），而且從新的視角大大深化了人們關(guān)于理論和實(shí)驗(yàn)關(guān)系的哲學(xué)性思考。

1961年，在一個題為《物理學(xué)的未來》的演講中，物理學(xué)家楊振寧先生對理論物理的未來提出了看似悲觀的觀點(diǎn)。在他最近出版的《晨曦集》和《曙光集》新附的后記里，人們可以看出他的觀點(diǎn)至今沒有多大改變。

雖然楊振寧一直在大力推動高能物理加速器的研究、鼓勵自己的學(xué)生從事加速器物理的研究工作，但他仍然認(rèn)為，高能物理實(shí)驗(yàn)越來越復(fù)雜、費(fèi)用越來越高、發(fā)展需要的錢越來越多，而理論和實(shí)驗(yàn)之間“越來越充滿隔膜，而且距離物理的現(xiàn)象越來越遠(yuǎn)”，但“物理現(xiàn)象說到底是物理學(xué)的源泉”。因此楊振寧“感到今日物理學(xué)所遇到的困難有增無減”，他擔(dān)心“愛因斯坦和我們曾經(jīng)的大統(tǒng)一的夢想在下一個世紀(jì)（21世紀(jì)）可能無法實(shí)現(xiàn)”。

面對如此巨大的科學(xué)挑戰(zhàn)，基礎(chǔ)物理學(xué)或理論物理未來的出路在哪里？楊振寧認(rèn)為，“愛因斯坦從自己的經(jīng)驗(yàn)及本世紀(jì)初物理學(xué)的幾次大革命中認(rèn)識到，雖然實(shí)驗(yàn)定律一直是物理學(xué)的根基，然而數(shù)學(xué)的簡和美對于基礎(chǔ)物理概念的形成起著越來越大的作用”。

他進(jìn)一步解釋了愛因斯坦的觀點(diǎn)：“如果一個理論的基本概念和假設(shè)接近于經(jīng)驗(yàn)，它就具有一種重要的優(yōu)越性，人們對這樣的一種理論自然就有更大的信心……然而，隨著認(rèn)識的深入，我們要尋求物理理論基礎(chǔ)的邏輯簡單性和一致性，因而我們要放棄上述的這種優(yōu)越性?！边@些論述表明了求簡唯美的追求可以幫助物理學(xué)發(fā)展走出困境。

愛因斯坦、狄拉克和楊振寧本人的具體科學(xué)實(shí)踐佐證了“美”的標(biāo)準(zhǔn)的合理性。雖然“美”看上去是主觀的東西，但它卻可以作為理論物理學(xué)又一條價值標(biāo)準(zhǔn)。

為說明物理學(xué)中的美是什么，楊振寧復(fù)述了奧地利物理學(xué)家L.玻爾茲曼的說法：物理理論有美妙的地方，每一位物理學(xué)家對這種美妙有了不同感受，就能形成自己的風(fēng)格。物理理論之美在于自然物質(zhì)有結(jié)構(gòu)之美，描述它的理論框架必定有數(shù)學(xué)之美。數(shù)學(xué)美給出了比較主觀的藝術(shù)之美和（物理）科學(xué)之美的理性分野：數(shù)學(xué)美不是人造的，是天道自然的基本屬性，亙古有之，在一定意義上是客觀的。如在平直空間三角形內(nèi)角和等于180度，不依賴任何人的好惡。

以上討論旨在強(qiáng)調(diào)，物理學(xué)不僅需要基于實(shí)驗(yàn)的奧卡姆剃刀使之“大道至簡”，而且存在基于數(shù)學(xué)和邏輯的美學(xué)原則，通過唯美的價值取向引導(dǎo)物理學(xué)發(fā)展。也就是說，基于可證偽性要求，物理學(xué)“大道至簡”、以簡為美，也導(dǎo)致了“寧拙勿巧”的方法論選擇，這從科學(xué)哲學(xué)的角度回答了物理學(xué)為什么是基礎(chǔ)科學(xué)之基礎(chǔ)。最基礎(chǔ)的一定是最簡潔的。

事實(shí)上，在理論選擇中，我們不僅要遵從基于實(shí)驗(yàn)的奧卡姆剃刀原則，而且要致敬科學(xué)邏輯的力量。在追求科學(xué)真理的過程中，邏輯證偽與實(shí)驗(yàn)證偽兩種方法并重，這是理論自身的取舍之道，也是科學(xué)發(fā)展路徑優(yōu)化選擇的價值指南：若無必要，勿增實(shí)體。這個“大道至簡”的原則回答了為什么歷史上人們偏愛有“均輪”無“本輪”的“日心說”，而非附加了諸多“本輪”的“地心說”。這也從哲學(xué)角度說明，為什么我們傾向沒有額外假設(shè)的量子力學(xué)一元論詮釋，擯斥為湊結(jié)果而多做公理假設(shè)的“二元論”。

物理學(xué)的發(fā)展要剝掉那些只有“名詞創(chuàng)新”、式樣花里胡哨的外衣，讓科研實(shí)踐回歸直指發(fā)現(xiàn)真理的科學(xué)實(shí)踐，使主要的科學(xué)活動不再滑向?qū)W術(shù)腐敗的灰色地帶。

我們常常看到，當(dāng)今科學(xué)研究的確存在一些問題：經(jīng)費(fèi)追求無上限、科研目標(biāo)無界定、百科全書式地漫游與探索，產(chǎn)生了更廣義的逆奧卡姆剃刀效應(yīng)：增加的多是非必要的，既不面向科學(xué)前沿的基礎(chǔ)性創(chuàng)新，也不解決需求應(yīng)用中的“卡脖子“問題。今天，我們的科技要自立自強(qiáng)、走向體系性的學(xué)術(shù)原創(chuàng)，而對這些問題，我們既需要有哲學(xué)高度的深刻理解，也要有遵循奧卡姆剃刀原則的具體科研實(shí)踐。

（感謝王川西博士文字協(xié)助和翟若迅等同學(xué)參與討論，感謝郝劉祥教授提出的寶貴意見）

奧卡姆剃刀藝術(shù)效果圖。圖片來源：視覺中國

郭剛制版

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