建构结构实在论下信息理论范式探究

时间：2015-12-20 18:11:05 所属分类：中国哲学 浏览量:

信息是物理学还是物理学是信息?这可以说是一个先有鸡，还是先有蛋的二难困境。最近，关于量子信息的一种哲学研究是认为：惠勒（J.A.Wheeler）倡导的信息理论范式---物理存在产生于信息（it from bit）正在持续不断地向前推进。从纯信息原则可以推导出量子理

　　"信息是物理学"还是"物理学是信息"?这可以说是一个"先有鸡，还是先有蛋"的二难困境。最近，关于量子信息的一种哲学研究是认为：惠勒（J.A.Wheeler）倡导的信息理论范式---"物理存在产生于信息（it from bit）"正在持续不断地向前推进。从纯信息原则可以推导出量子理论乃至全部物理学概念。具体说来，我们可以把所有的物理学概念，诸如能量、电荷、惯性、相对论协变、引力，恢复为量子信息处理的特征，从而实现惠勒的梦想：物理世界由信息元组成。在此，奥卡姆剃刀在"物理学是信息"还是"信息是物理学"两个范式的遴选上起着一个重要作用。在两个假设之间，奥卡姆剃刀将确定地选择理论假设最少的那一个。惠勒的"物理学是信息"的假设似乎最为经济，因为如果认为量子理论是信息，那么这相当于单从量子理论就能推出整个物理学，唯一需要保持的是通常的方法论原则，例如定域相互作用假设〔1〕.

　　随着量子信息科学的到来，信息理论范式真的是自然向我们揭示的真理吗？物理世界真的是由纯信息元组成的吗？如果说"物理学是信息"甚或说"物理世界是信息",我们将会得到什么样的哲学结论？在这篇文章中，我们首先说明信息理论范式的最新研究进展；然后分析信息理论范式的哲学导向；最后从建构结构实在论的视角给出理解量子信息和量子物质关系的一种可供选择的哲学透视。

　　一、信息理论范式的三个研究新进展

　　最近，对于信息理论范式的倡导主要基于三个研究新进展。第一个研究进展是认为"时空和狭义相对论产生于信息处理".为了理解狭义相对论如何基于信息范式附随于信息处理，研究给出狭义相对论如何从计算中产生的"视觉证据",表明洛伦兹时钟变慢和空间收缩仅仅是由一台量子计算机上的事件计数推导出来的。在这种信息方法中，真正的实体，即观测原始物，是事件。我们正是通过在事件之间建立起的一组因果联系，构想出关于事件的理论。事件是原始概念，它们不在时空内发生，而是相反，时空是从事件的网络中产生出来的建构物。现在的目标是从事件的网络中推出被赋予相对论协变的时空。因此，时空，作为事件网络的一个派生概念，不再是一个"真正的实体",相反附随于信息处理，事件才是真正的实体和原始概念。狭义相对论也是如此，也是计算的产物，即事件记数的结果。以此方式，物理学脱变为纯粹的数字计算，即信息。

　　信息范式的第二个进展是：在没有狭义相对论的前提下，狄拉克方程能作为自由信息流获得。这意味着狄拉克场由与纯信息传输相对应的量子信息处理模拟。自由量子场只是对沿着量子环路自由传播的量子信息的描述。在环路中的一切事物都是数字的：时空由事件记数产生，时空的度规因此是一维的。而且，信息方法也提供了惯性质量和普朗克常数的信息理论意义。因此，量子场论和在量子场论中的所有实体都能从量子环路中的量子信息处理推导出来，量子场论的实体本质上不再是物理实体，它们全部都是信息。当场质量等于普朗克质量时，狄拉克方程中的信息流完全停止。

　　信息理论范式的第三个进展是"引力的信息起源和引力质量的信息意义".根据洛埃（S.Lloyd），量子信息与霍金辐射存在的纠缠关联表明，量子信息可能在理解量子引力方面起着关键的作用。最终，如果我们能连续地实现费曼的量子模拟图像，可能某一天我们不但能模拟电子和基本粒子的行为，而且能模拟宇宙本身的行为。模拟整个宇宙要求有一个与宇宙一样大小的量子计算机，但是这并不应该成为我们前进道路上的障碍〔2〕.为此，信息纲领主张，今后对于引力的研究可能有两条研究线路：第一条可能的研究线路是等效原理的强版本，即惯性质量和引力质量实际上是相同的信息实体。因此，引力一定是一个量子效应。这意味着引力应该在自由场层次显露，我们应该在纯信息流的量子信息处理中考虑信息效应。如果我们不相信强等效原理，那么第二种可能的研究线路是考虑一个具有动力学因果联系的量子计算网络。因果联系可能为另一个度规场图像的环路程式化，或者说我们甚至可能想放宽量子理论的因果性，考虑一种三次量子化，在三次量子化中，作为因果联结的系统变为某些更高层次系统的量子态〔1〕.

　　无疑，这些基于信息理论范式的考虑是有趣的，因为它们提供了一个宏伟的蓝图：所有物理学都可以从信息中推导出来，从而可能消解物理学特别是量子理论中的概念困难。然而，不顾信息理论范式在操作方法上可能取得的伟大成功，对于物理世界的理解，这可能只是一个华丽而舒适的软枕。毕竟，量子数字模拟不等于真实的物理世界。引力可能是一个量子效应，信息理论范式确实具有新颖的洞见，可能有助于我们理解物理世界特别是量子世界的概念困难。但是，如果物理世界和物理学理论，包括所有的物理实体和实验结果，都被认作是信息或信息实体，那么信息理论范式不是又把我们导向信息非物质主义和工具主义了吗？

　　二、信息理论范式的哲学导向

　　信息理论范式始于20世纪70、80年代，随着量子信息科学的到来，哲学家和物理学家都想知道量子信息理论是否最终有助于我们解决量子力学的概念困难。特别说来，量子信息理论是否能阐明量子力学中臭名昭著的测量问题和非定域性问题。如果说量子信息理论提供了一种思考世界的新方式，那么物理学理论的基本研究主题---物质，是否最终会由非物质的信息取而代之？对量子信息理论的一种哲学思考是导致了信息理论范式。信息理论范式的原则是信息原则，信息原则断言信息处理的基本性质，诸如通过操纵物理系统执行某种任务的（不）可能性。在这种方法中，信息处理规则决定物理学理论，即我们通过处理信息能确定物理学理论，甚至物理世界，这与惠勒的纲领"物理存在产生于信息"相一致。根据惠勒，"所有物理上的事物都起源于信息理论"〔3〕.

　　信息理论范式倡导世界的基本理论可能只是关于（非物质的）信息的理论，而不是关于事物（物质）的理论，这在某种程度上与哥本哈根学派的非物质主义和工具主义思想线路一脉相承。玻尔曾说"没有量子世界。只有一个抽象的量子物理描述。认为物理学的任务是发现自然是什么是错误的。物理学是关于我们能对自然说些什么。"〔4〕许多物理学家，特别是相信隐参量的物理学家可能并不情愿接受这一新颖的观点，但是，从信息理论范式的视角出发，在当前的物理理论框架内，粒子和时空概念本身作为本体论是非常不一致的，粒子是场的一个量子态，在贝耶斯方法中这是一个主观实体，没有事件的时空是一个"非存在（no-being）",然而它拥有一个性质：度规。因此，信息理论范式的一个非常大胆的革新是用一个由纯信息组成的瞬逝宇宙取代由在闵可夫斯基时空中的粒子组成的世界〔1〕.

　　物理世界由纯信息组成的瞬逝宇宙取代，这确实是本体论上的一个巨大改变。在这个纯信息宇宙中，所有存在，包括所有粒子、时空都变为主观实体或非存在。但是，这听起来相当奇怪。如果物理学只是关于信息的学说，甚至更令人惊讶地说，物理世界本身只是信息，那么信息理论范式不但使得物理世界变得神秘和梦幻般的，而且无论如何似乎与我们的日常信念相矛盾。根据日常信念，物理学是关于物体的物理结构和支配这些结构的定理的理论，因此物理学是关于分子、原子、恒星和电子，以及其他东西的结构的学说。事实上，如果把玻尔的评论适当地理解为一个语义上溯（semantic ascent）的例子，这一评论则并不支持非物质主义。因为在语义层面的意义上，物理世界不将是我们的主题。世界不因为我们能谈论用以描述它们的术语而消失。

　　信息理论范式除了倡导信息本体论，还倡导信息认识论，试图通过回答量子信息理论是否最终有助于我们解决量子力学的概念困难，在更大程度上说明信息概念可能在量子理论的产生上有不可估量的作用，通过一个适当的公理化就能用信息理论术语更明白易懂地产生出所有物理学，从而解决物理学特别是量子力学中的概念困难。具体而言，如果说粒子是场的"量子态",是贝耶斯方法中的主观实体，而不是客观的物理态，那么信息理论范式就能通过量子态的认识概念削减量子力学的认识论问题，回答量子力学中的测量问题和非定域性问题。

　　最近已有一些研究探讨量子态的认识概念，这些研究是说量子态不描述量子系统的信息，而是反映了作用者与系统的认识关系〔5〕.因此，根据量子态的认识概念，"我们不能在实在和我们关于实在的知识，实在和信息之间作出区分。"毕竟"如果不运用我们关于实在的信息，就没有办法指称实在。"〔6〕,换言之，根据量子态的认识概念，不可能有不依赖于作用者的"真实"的系统态，因为这样一个态与态的认识概念不相容，态的认识概念强调主体性，允许不同的作用者可以有不同的知识态，因为对于相同的系统，不同的作用者有不同的知识，这依赖于不同作用者不同的认识条件。

　　因此，在信息理论范式中，量子态的认识概念似乎消解了量子测量的棘手问题。简单说来，如果我们把波函数即量子态解释为指称客观态或一个物理系统的"真实"态，那么在量子测量中量子态的塌缩必然卷入一个要求说明的物理过程。然而，如果波函数只是表示测量结果几率的知识，那么波函数的突然改变指的是知识的改变，而不是在某一微观系统中发生的物理改变。因此，就不必从物理上说明量子态的塌缩问题。只要我们承认不同的作用者有不同的知识，难以解决的量子测量问题就变得容易处理〔7〕.例如在薛定谔猫佯谬中，猫是死是活，在实验室外和实验室内的作用者可以有不同的认识态，这里没有塌缩发生，只有观察者基于不同的所获信息给出的不同认识态。

　　然而，把量子态理解为认识态，一个用来计算测量结果的统计性的设置，不可避免会滑向工具主义或操作主义。如果诉求信息最终仅仅是要发展为一种工具主义形式，那么我们并没有获得一个特别有趣的解释教义，更谈不上新颖。一个产品因其重新包装了华丽的外表，我们就相信它值得购买显然是错误的。对于量子力学的创建者来说，工具主义可能似乎是一个令人信服的进步的认识论教义，但现在几乎不能这样认为了。

　　总之，随着量子信息科学的到来，量子信息理论可能提供了看待物理世界的新洞见，导致我们从一个不同的视角看待量子理论和整个物理学。哲学家也期望把量子信息理论看作一个特别有用的哲学源，而不仅仅是量子理论的一个应用工具。然而，信息理论范式---物理存在产生于信息所诱发的信息非物质主义和工具主义并不是特别有趣的哲学结论。关于量子信息更为深刻的哲学洞见仍然被期待。

　　三 量子信息：一种新的自然类

　　对量子信息的哲学探讨与量子信息科学的理论和实验研究密不可分。只要量子信息的理论和实验不断向前推进，量子信息的哲学探究就始终是我们的任务。目前，对于量子信息潜在的哲学暗示的探究，似乎仍然处于一个两极对立的二难困境。"物理学是信息"还是"信息是物理学",答案似乎非此即彼。初看起来，量子信息和量子物质的关系似乎十分脆弱。信息是非物质的，它更像是一个概念而不是事物。量子信息比经典信息甚至更缥缈不定。相反，物质是固体材料，可靠而实在。量子物质也特别稳固，量子力学确保了基本粒子和原子的稳定性，这些基本粒子和原子是自然的建筑砖块。物质似乎是关于能量和稳定性的，因而对于物质世界来说非常重要，但量子信息对于揭示物质世界的结构更为重要得多，因为信息不是像它可能看起来那样非物质。

　　在统计力学中，熵实际上是体现原子和分子的微观运动的一种信息形式。普朗克1901年黑体辐射的论文是关于量子物质的第一篇论文，也基本上是关于信息和量子力学的论文，普朗克建立起了统计定义的信息和熵之间的比例常数〔2〕.

　　现在，量子信息和量子物质的关系正在为量子信息理论和实验研究所揭示。在过去的几十年，量子信息理论已超越它发展初期对于量子力学基础进行深奥研究的作用，变为量子物质科学的有机组成部分。当它与量子物质理论的关系变得更为复杂和更为密切时，量子信息理论有可能阐明物理学中一些深奥的秘密。迄今为止，量子信息理论已提议了在量子物质中范围广泛的基本实验，诸如宏观量子相干的说明。在量子物质的输运理论和量子信息理论之间产生出不可预期的关联〔2〕.此外，最近的实验研究也表明，通过相继测量系统的两个互补变量，可以直接测量波函数，即包含相关物理系统所有信息的量子态。在这一直接测量方法中，波函数表现为测量仪器的指针改变。在这个意义上，这一方法提供了对于量子态的一个简单而无歧义的操作定义：量子态是对一个参量进行强测量后对另一个互补参量进行弱测量的平均结果。这个方法能看作是把系统的量子态转录为指针的量子态，这是量子信息的一个非常有用的协议〔8〕.

　　如此看来，量子信息的理论和实验研究已向我们显露了量子信息和量子物质内在的微妙关系。从建构结构实在论的视角出发，我们认为，物理实体或说量子物质，诸如各种粒子，都是通过展示其内禀和本质（因果有效的）特征的结构关系构成的。同样，量子信息也是由展示其内禀和本质（因果有效的）特征的结构关系构成的，因而能被看作一种新的自然类。自然类是与纯主观建构相对应的，因为尽管量子信息或说量子物质诸如各种粒子，如夸克、胶子等是科学家遵循结构方法构想的，但是这些概念必须得到自然的认可〔9〕.从结构的进路看，量子信息和量子物质之间的关系既不是绝对的量子物质源于量子信息，也不是绝对的量子信息源于量子物质，前者容易滑向信息非物质主义和工具主义，后者容易被贬斥为朴素唯物主义。

　　在建构结构实在论的视阈下，量子信息作为一种新的自然类，是信息实体；与物理实体一样，它们的组分都不是一个固定的自然类成员，而是一个历史建构的、可修正的自然类表现，会经受一次又一次的重构。新的自然类的这种灵活性和开放性根源于：一组可以使一个"类"得以构成的结构关系的位形不可避免地会发生改变。随着结构知识的增加、某些核心和外围陈述的重新配置，以及一些描述本质或非本质特征的核心陈述的功能的改变，位形的定义特征相应地也会改变。结果，一个类的身份认同指称或内容，形而上或形而下的典型特征，也都发生了改变。也就是说，所构成的因此也是所设想之物是一种不同于原初之物的新的自然类。这样一个重新确定位形的过程的完成实质上是一场科学革命，通过这场科学革命，理论家改变了他们的本体论承诺，进而改变了整个理论的本体论取向。因此，承认结构上构成的自然类的可变性，既为顺应在科学发展中明显的本体论不连续性，也为顺应科学发展中更深刻意义上的指称连续性提供了理论资源，这似乎是表达库恩对科学实在论挑战的最佳可能方式〔9〕.

　　在这样一个认识过程中，自然类的构成和重构不是一步就可以完成的，可能需要许多步才能完成。

　　确切地说，这些步骤把对自然界的一个客观的、处于不断进行之中的重新确定的位形，指称为实体的等级层次，科学家能以各种各样的方法接近它们，这取决于不同的情境和视角。在此，客观性概念不是一个与人类参与不相干的概念，那是一个幻想。确切地说，客观性是用自然界反抗任何随意的人为建构来定义的。而且，和物理实体一样，信息实体也会通过动力学的因果相互作用，因果有效地产生现象实体，从而成为物理世界基本实体的候选者，从这个意义上讲，量子信息和量子物质享有同等的本体论地位。因为就本体论类别是类别而言，没有那个类别能宣称优先于其他类别；它们相互构成，共存在于物理世界的结构网络中。当然，上述关于类别的声称本质上不意味着我们不能在可能发生的具体情形中做出优先性声称。例如，调查一个特殊的类别实例是否本体论优先于另一个类别实例是相当合理的。

　　更特殊地说，一个明确属性的存在性和同一性由其特殊的类律因果力构成，类律的因果力赋予具有这种属性的实体某种气质，以某种方式行为，并在给定情境中形成某种关系〔9〕.因此，量子信息和量子物质，哪一个更具本体论的优先性，取决于具体的实验情境和研究视角。当它们在结构中产生现象实体的因果有效力处于不同的配置当中时，就会形成不同的本体论优先性情景。

　　结语

　　我们分析了信息理论范式---"物理存在产生于信息"及其最新研究进展。我们对于信息理论范式所倡导的信息非物质主义和工具主义持适当的批评态度，因为非物质主义和工具主义并不是量子信息理论带给我们的哲学新洞见。我们从建构结构实在论的视角出发认为量子信息是一种新的自然类，属于信息实体。信息实体和物理实体一样，也会通过动力学的因果相互作用，因果有效地产生我们可以直接感知的现象实体，从而内在地成为结构研究进路中基本实体的候选者。但是，不可否认，量子信息和量子物质的本体论优先地位具有一定的情境性。在可能发生的某种具体情形，量子信息在决定物质的量子力学方面起着重要作用，从而具有本体论优先性；但是在可能发生的另一种具体情形，量子物质由于在决定物质的量子性方面起着更为重要的作用，因而其本体论地位要优先于量子信息。只有以一种辩证统一的观点来看待量子信息和量子物质的关系，才能更好地理解物理世界的结构特征及其与我们知识之间的关系。

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