建構(gòu)結(jié)構(gòu)實在論下信息理論范式探究論文

　　"信息是物理學(xué)"還是"物理學(xué)是信息"?這可以說是一個"先有雞，還是先有蛋"的二難困境。最近，關(guān)于量子信息的一種哲學(xué)研究是認(rèn)為：惠勒（J.A.Wheeler）倡導(dǎo)的信息理論范式---"物理存在產(chǎn)生于信息（it from bit）"正在持續(xù)不斷地向前推進(jìn)。從純信息原則可以推導(dǎo)出量子理論乃至全部物理學(xué)概念。具體說來，我們可以把所有的物理學(xué)概念，諸如能量、電荷、慣性、相對論協(xié)變、引力，恢復(fù)為量子信息處理的特征，從而實現(xiàn)惠勒的夢想：物理世界由信息元組成。在此，奧卡姆剃刀在"物理學(xué)是信息"還是"信息是物理學(xué)"兩個范式的遴選上起著一個重要作用。在兩個假設(shè)之間，奧卡姆剃刀將確定地選擇理論假設(shè)最少的那一個�；堇盏�"物理學(xué)是信息"的假設(shè)似乎最為經(jīng)濟(jì)，因為如果認(rèn)為量子理論是信息，那么這相當(dāng)于單從量子理論就能推出整個物理學(xué)，唯一需要保持的是通常的方法論原則，例如定域相互作用假設(shè)〔1〕.

　　隨著量子信息科學(xué)的到來，信息理論范式真的是自然向我們揭示的真理嗎？物理世界真的是由純信息元組成的嗎？如果說"物理學(xué)是信息"甚或說"物理世界是信息",我們將會得到什么樣的哲學(xué)結(jié)論？在這篇文章中，我們首先說明信息理論范式的最新研究進(jìn)展；然后分析信息理論范式的哲學(xué)導(dǎo)向；最后從建構(gòu)結(jié)構(gòu)實在論的視角給出理解量子信息和量子物質(zhì)關(guān)系的一種可供選擇的哲學(xué)透視。

　　一、信息理論范式的三個研究新進(jìn)展

　　最近，對于信息理論范式的倡導(dǎo)主要基于三個研究新進(jìn)展。第一個研究進(jìn)展是認(rèn)為"時空和狹義相對論產(chǎn)生于信息處理".為了理解狹義相對論如何基于信息范式附隨于信息處理，研究給出狹義相對論如何從計算中產(chǎn)生的"視覺證據(jù)",表明洛倫茲時鐘變慢和空間收縮僅僅是由一臺量子計算機(jī)上的事件計數(shù)推導(dǎo)出來的。在這種信息方法中，真正的實體，即觀測原始物，是事件。我們正是通過在事件之間建立起的一組因果聯(lián)系，構(gòu)想出關(guān)于事件的理論。事件是原始概念，它們不在時空內(nèi)發(fā)生，而是相反，時空是從事件的網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生出來的建構(gòu)物�，F(xiàn)在的目標(biāo)是從事件的網(wǎng)絡(luò)中推出被賦予相對論協(xié)變的時空。因此，時空，作為事件網(wǎng)絡(luò)的一個派生概念，不再是一個"真正的實體",相反附隨于信息處理，事件才是真正的實體和原始概念。狹義相對論也是如此，也是計算的產(chǎn)物，即事件記數(shù)的結(jié)果。以此方式，物理學(xué)脫變?yōu)榧兇獾臄?shù)字計算，即信息。

　　信息范式的第二個進(jìn)展是：在沒有狹義相對論的前提下，狄拉克方程能作為自由信息流獲得。這意味著狄拉克場由與純信息傳輸相對應(yīng)的量子信息處理模擬。自由量子場只是對沿著量子環(huán)路自由傳播的量子信息的描述。在環(huán)路中的一切事物都是數(shù)字的：時空由事件記數(shù)產(chǎn)生，時空的度規(guī)因此是一維的。而且，信息方法也提供了慣性質(zhì)量和普朗克常數(shù)的信息理論意義。因此，量子場論和在量子場論中的所有實體都能從量子環(huán)路中的量子信息處理推導(dǎo)出來，量子場論的實體本質(zhì)上不再是物理實體，它們?nèi)�部都是信息。�?dāng)場質(zhì)量等于普朗克質(zhì)量時，狄拉克方程中的信息流完全停止。

　　信息理論范式的第三個進(jìn)展是"引力的信息起源和引力質(zhì)量的信息意義".根據(jù)洛埃（S.Lloyd），量子信息與霍金輻射存在的糾纏關(guān)聯(lián)表明，量子信息可能在理解量子引力方面起著關(guān)鍵的作用。最終，如果我們能連續(xù)地實現(xiàn)費曼的量子模擬圖像，可能某一天我們不但能模擬電子和基本粒子的行為，而且能模擬宇宙本身的行為。模擬整個宇宙要求有一個與宇宙一樣大小的量子計算機(jī)，但是這并不應(yīng)該成為我們前進(jìn)道路上的障礙〔2〕.為此，信息綱領(lǐng)主張，今后對于引力的研究可能有兩條研究線路：第一條可能的研究線路是等效原理的強版本，即慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量實際上是相同的信息實體。因此，引力一定是一個量子效應(yīng)。這意味著引力應(yīng)該在自由場層次顯露，我們應(yīng)該在純信息流的量子信息處理中考慮信息效應(yīng)。如果我們不相信強等效原理，那么第二種可能的研究線路是考慮一個具有動力學(xué)因果聯(lián)系的量子計算網(wǎng)絡(luò)。因果聯(lián)系可能為另一個度規(guī)場圖像的環(huán)路程式化，或者說我們甚至可能想放寬量子理論的因果性，考慮一種三次量子化，在三次量子化中，作為因果聯(lián)結(jié)的系統(tǒng)變?yōu)槟承└�高層次系統(tǒng)的量子態(tài)〔1〕.

　　無疑，這些基于信息理論范式的考慮是有趣的，因為它們提供了一個宏偉的藍(lán)圖：所有物理學(xué)都可以從信息中推導(dǎo)出來，從而可能消解物理學(xué)特別是量子理論中的概念困難。然而，不顧信息理論范式在操作方法上可能取得的偉大成功，對于物理世界的理解，這可能只是一個華麗而舒適的軟枕。畢竟，量子數(shù)字模擬不等于真實的物理世界。引力可能是一個量子效應(yīng)，信息理論范式確實具有新穎的洞見，可能有助于我們理解物理世界特別是量子世界的概念困難。但是，如果物理世界和物理學(xué)理論，包括所有的物理實體和實驗結(jié)果，都被認(rèn)作是信息或信息實體，那么信息理論范式不是又把我們導(dǎo)向信息非物質(zhì)主義和工具主義了嗎？

　　二、信息理論范式的哲學(xué)導(dǎo)向

　　信息理論范式始于20世紀(jì)70、80年代，隨著量子信息科學(xué)的到來，哲學(xué)家和物理學(xué)家都想知道量子信息理論是否最終有助于我們解決量子力學(xué)的概念困難。特別說來，量子信息理論是否能闡明量子力學(xué)中臭名昭著的測量問題和非定域性問題。如果說量子信息理論提供了一種思考世界的新方式，那么物理學(xué)理論的基本研究主題---物質(zhì)，是否最終會由非物質(zhì)的信息取而代之？對量子信息理論的一種哲學(xué)思考是導(dǎo)致了信息理論范式。信息理論范式的原則是信息原則，信息原則斷言信息處理的基本性質(zhì)，諸如通過操縱物理系統(tǒng)執(zhí)行某種任務(wù)的（不）可能性。在這種方法中，信息處理規(guī)則決定物理學(xué)理論，即我們通過處理信息能確定物理學(xué)理論，甚至物理世界，這與惠勒的綱領(lǐng)"物理存在產(chǎn)生于信息"相一致。根據(jù)惠勒，"所有物理上的事物都起源于信息理論"〔3〕.

　　信息理論范式倡導(dǎo)世界的基本理論可能只是關(guān)于（非物質(zhì)的）信息的理論，而不是關(guān)于事物（物質(zhì)）的理論，這在某種程度上與哥本哈根學(xué)派的非物質(zhì)主義和工具主義思想線路一脈相承。玻爾曾說"沒有量子世界。只有一個抽象的量子物理描述。認(rèn)為物理學(xué)的任務(wù)是發(fā)現(xiàn)自然是什么是錯誤的。物理學(xué)是關(guān)于我們能對自然說些什么。"〔4〕許多物理學(xué)家，特別是相信隱參量的物理學(xué)家可能并不情愿接受這一新穎的觀點，但是，從信息理論范式的視角出發(fā)，在當(dāng)前的物理理論框架內(nèi)，粒子和時空概念本身作為本體論是非常不一致的，粒子是場的一個量子態(tài)，在貝耶斯方法中這是一個主觀實體，沒有事件的時空是一個"非存在（no-being）",然而它擁有一個性質(zhì)：度規(guī)。因此，信息理論范式的一個非常大膽的革新是用一個由純信息組成的瞬逝宇宙取代由在閔可夫斯基時空中的粒子組成的世界〔1〕.

　　物理世界由純信息組成的瞬逝宇宙取代，這確實是本體論上的一個巨大改變。在這個純信息宇宙中，所有存在，包括所有粒子、時空都變?yōu)橹饔^實體或非存在。但是，這聽起來相當(dāng)奇怪。如果物理學(xué)只是關(guān)于信息的學(xué)說，甚至更令人驚訝地說，物理世界本身只是信息，那么信息理論范式不但使得物理世界變得神秘和夢幻般的，而且無論如何似乎與我們的日常信念相矛盾。根據(jù)日常信念，物理學(xué)是關(guān)于物體的物理結(jié)構(gòu)和支配這些結(jié)構(gòu)的定理的理論，因此物理學(xué)是關(guān)于分子、原子、恒星和電子，以及其他東西的結(jié)構(gòu)的學(xué)說。事實上，如果把玻爾的評論適當(dāng)?shù)乩斫鉃橐粋�語義上溯（semantic ascent）的例子，這一評論則并不支持非物質(zhì)主義。因為在語義層面的意義上，物理世界不將是我們的主題。世界不因為我們能談?wù)撚靡悦枋鏊鼈兊男g(shù)語而消失。

　　信息理論范式除了倡導(dǎo)信息本體論，還倡導(dǎo)信息認(rèn)識論，試圖通過回答量子信息理論是否最終有助于我們解決量子力學(xué)的概念困難，在更大程度上說明信息概念可能在量子理論的產(chǎn)生上有不可估量的作用，通過一個適當(dāng)?shù)墓�理化就能用信息理論術(shù)語更明白易懂地產(chǎn)生出所有物理學(xué)，從而解決物理學(xué)特別是量子力學(xué)中的概念困難。具體而言，如果說粒子是場的"量子態(tài)",是貝耶斯方法中的主觀實體，而不是客觀的物理態(tài)，那么信息理論范式就能通過量子態(tài)的認(rèn)識概念削減量子力學(xué)的認(rèn)識論問題，回答量子力學(xué)中的測量問題和非定域性問題。

　　最近已有一些研究探討量子態(tài)的認(rèn)識概念，這些研究是說量子態(tài)不描述量子系統(tǒng)的信息，而是反映了作用者與系統(tǒng)的認(rèn)識關(guān)系〔5〕.因此，根據(jù)量子態(tài)的認(rèn)識概念，"我們不能在實在和我們關(guān)于實在的知識，實在和信息之間作出區(qū)分。"畢竟"如果不運用我們關(guān)于實在的信息，就沒有辦法指稱實在。"〔6〕,換言之，根據(jù)量子態(tài)的認(rèn)識概念，不可能有不依賴于作用者的"真實"的系統(tǒng)態(tài)，因為這樣一個態(tài)與態(tài)的認(rèn)識概念不相容，態(tài)的認(rèn)識概念強調(diào)主體性，允許不同的作用者可以有不同的知識態(tài)，因為對于相同的系統(tǒng)，不同的作用者有不同的知識，這依賴于不同作用者不同的認(rèn)識條件。

　　因此，在信息理論范式中，量子態(tài)的認(rèn)識概念似乎消解了量子測量的棘手問題。簡單說來，如果我們把波函數(shù)即量子態(tài)解釋為指稱客觀態(tài)或一個物理系統(tǒng)的"真實"態(tài)，那么在量子測量中量子態(tài)的塌縮必然卷入一個要求說明的物理過程。然而，如果波函數(shù)只是表示測量結(jié)果幾率的知識，那么波函數(shù)的突然改變指的是知識的改變，而不是在某一微觀系統(tǒng)中發(fā)生的物理改變。因此，就不必從物理上說明量子態(tài)的塌縮問題。只要我們承認(rèn)不同的作用者有不同的知識，難以解決的量子測量問題就變得容易處理〔7〕.例如在薛定諤貓佯謬中，貓是死是活，在實驗室外和實驗室內(nèi)的作用者可以有不同的認(rèn)識態(tài)，這里沒有塌縮發(fā)生，只有觀察者基于不同的所獲信息給出的不同認(rèn)識態(tài)。

　　然而，把量子態(tài)理解為認(rèn)識態(tài)，一個用來計算測量結(jié)果的統(tǒng)計性的設(shè)置，不可避免會滑向工具主義或操作主義。如果訴求信息最終僅僅是要發(fā)展為一種工具主義形式，那么我們并沒有獲得一個特別有趣的解釋教義，更談不上新穎。一個產(chǎn)品因其重新包裝了華麗的外表，我們就相信它值得購買顯然是錯誤的。對于量子力學(xué)的創(chuàng)建者來說，工具主義可能似乎是一個令人信服的進(jìn)步的認(rèn)識論教義，但現(xiàn)在幾乎不能這樣認(rèn)為了。

　　總之，隨著量子信息科學(xué)的到來，量子信息理論可能提供了看待物理世界的新洞見，導(dǎo)致我們從一個不同的視角看待量子理論和整個物理學(xué)。哲學(xué)家也期望把量子信息理論看作一個特別有用的哲學(xué)源，而不僅僅是量子理論的一個應(yīng)用工具。然而，信息理論范式---物理存在產(chǎn)生于信息所誘發(fā)的信息非物質(zhì)主義和工具主義并不是特別有趣的哲學(xué)結(jié)論。關(guān)于量子信息更為深刻的哲學(xué)洞見仍然被期待。

　　三 量子信息：一種新的自然類

　　對量子信息的哲學(xué)探討與量子信息科學(xué)的理論和實驗研究密不可分。只要量子信息的理論和實驗不斷向前推進(jìn)，量子信息的哲學(xué)探究就始終是我們的任務(wù)。目前，對于量子信息潛在的哲學(xué)暗示的探究，似乎仍然處于一個兩極對立的二難困境。"物理學(xué)是信息"還是"信息是物理學(xué)",答案似乎非此即彼。初看起來，量子信息和量子物質(zhì)的關(guān)系似乎十分脆弱。信息是非物質(zhì)的，它更像是一個概念而不是事物。量子信息比經(jīng)典信息甚至更縹緲不定。相反，物質(zhì)是固體材料，可靠而實在。量子物質(zhì)也特別穩(wěn)固，量子力學(xué)確保了基本粒子和原子的穩(wěn)定性，這些基本粒子和原子是自然的建筑磚塊。物質(zhì)似乎是關(guān)于能量和穩(wěn)定性的，因而對于物質(zhì)世界來說非常重要，但量子信息對于揭示物質(zhì)世界的結(jié)構(gòu)更為重要得多，因為信息不是像它可能看起來那樣非物質(zhì)。

　　在統(tǒng)計力學(xué)中，熵實際上是體現(xiàn)原子和分子的微觀運動的一種信息形式。普朗克1901年黑體輻射的論文是關(guān)于量子物質(zhì)的第一篇論文，也基本上是關(guān)于信息和量子力學(xué)的論文，普朗克建立起了統(tǒng)計定義的信息和熵之間的比例常數(shù)〔2〕.

　　現(xiàn)在，量子信息和量子物質(zhì)的關(guān)系正在為量子信息理論和實驗研究所揭示。在過去的幾十年，量子信息理論已超越它發(fā)展初期對于量子力學(xué)基礎(chǔ)進(jìn)行深奧研究的作用，變?yōu)榱孔游镔|(zhì)科學(xué)的有機(jī)組成部分。當(dāng)它與量子物質(zhì)理論的關(guān)系變得更為復(fù)雜和更為密切時，量子信息理論有可能闡明物理學(xué)中一些深奧的秘密。迄今為止，量子信息理論已提議了在量子物質(zhì)中范圍廣泛的基本實驗，諸如宏觀量子相干的說明。在量子物質(zhì)的輸運理論和量子信息理論之間產(chǎn)生出不可預(yù)期的關(guān)聯(lián)〔2〕.此外，最近的實驗研究也表明，通過相繼測量系統(tǒng)的兩個互補變量，可以直接測量波函數(shù)，即包含相關(guān)物理系統(tǒng)所有信息的量子態(tài)。在這一直接測量方法中，波函數(shù)表現(xiàn)為測量儀器的指針改變。在這個意義上，這一方法提供了對于量子態(tài)的一個簡單而無歧義的操作定義：量子態(tài)是對一個參量進(jìn)行強測量后對另一個互補參量進(jìn)行弱測量的平均結(jié)果。這個方法能看作是把系統(tǒng)的量子態(tài)轉(zhuǎn)錄為指針的量子態(tài)，這是量子信息的一個非常有用的協(xié)議〔8〕.

　　如此看來，量子信息的理論和實驗研究已向我們顯露了量子信息和量子物質(zhì)內(nèi)在的微妙關(guān)系。從建構(gòu)結(jié)構(gòu)實在論的視角出發(fā)，我們認(rèn)為，物理實體或說量子物質(zhì)，諸如各種粒子，都是通過展示其內(nèi)稟和本質(zhì)（因果有效的）特征的結(jié)構(gòu)關(guān)系構(gòu)成的。同樣，量子信息也是由展示其內(nèi)稟和本質(zhì)（因果有效的）特征的結(jié)構(gòu)關(guān)系構(gòu)成的，因而能被看作一種新的自然類。自然類是與純主觀建構(gòu)相對應(yīng)的，因為盡管量子信息或說量子物質(zhì)諸如各種粒子，如夸克、膠子等是科學(xué)家遵循結(jié)構(gòu)方法構(gòu)想的，但是這些概念必須得到自然的認(rèn)可〔9〕.從結(jié)構(gòu)的進(jìn)路看，量子信息和量子物質(zhì)之間的關(guān)系既不是絕對的量子物質(zhì)源于量子信息，也不是絕對的量子信息源于量子物質(zhì)，前者容易滑向信息非物質(zhì)主義和工具主義，后者容易被貶斥為樸素唯物主義。

　　在建構(gòu)結(jié)構(gòu)實在論的視閾下，量子信息作為一種新的自然類，是信息實體；與物理實體一樣，它們的組分都不是一個固定的自然類成員，而是一個歷史建構(gòu)的、可修正的自然類表現(xiàn)，會經(jīng)受一次又一次的重構(gòu)。新的自然類的這種靈活性和開放性根源于：一組可以使一個"類"得以構(gòu)成的結(jié)構(gòu)關(guān)系的位形不可避免地會發(fā)生改變。隨著結(jié)構(gòu)知識的增加、某些核心和外圍陳述的重新配置，以及一些描述本質(zhì)或非本質(zhì)特征的核心陳述的功能的改變，位形的定義特征相應(yīng)地也會改變。結(jié)果，一個類的身份認(rèn)同指稱或內(nèi)容，形而上或形而下的典型特征，也都發(fā)生了改變。也就是說，所構(gòu)成的因此也是所設(shè)想之物是一種不同于原初之物的新的自然類。這樣一個重新確定位形的過程的完成實質(zhì)上是一場科學(xué)革命，通過這場科學(xué)革命，理論家改變了他們的本體論承諾，進(jìn)而改變了整個理論的本體論取向。因此，承認(rèn)結(jié)構(gòu)上構(gòu)成的自然類的可變性，既為順應(yīng)在科學(xué)發(fā)展中明顯的本體論不連續(xù)性，也為順應(yīng)科學(xué)發(fā)展中更深刻意義上的指稱連續(xù)性提供了理論資源，這似乎是表達(dá)庫恩對科學(xué)實在論挑戰(zhàn)的最佳可能方式〔9〕.

　　在這樣一個認(rèn)識過程中，自然類的構(gòu)成和重構(gòu)不是一步就可以完成的，可能需要許多步才能完成。

　　確切地說，這些步驟把對自然界的一個客觀的、處于不斷進(jìn)行之中的重新確定的位形，指稱為實體的等級層次，科學(xué)家能以各種各樣的方法接近它們，這取決于不同的情境和視角。在此，客觀性概念不是一個與人類參與不相干的概念，那是一個幻想。確切地說，客觀性是用自然界反抗任何隨意的人為建構(gòu)來定義的。而且，和物理實體一樣，信息實體也會通過動力學(xué)的因果相互作用，因果有效地產(chǎn)生現(xiàn)象實體，從而成為物理世界基本實體的候選者，從這個意義上講，量子信息和量子物質(zhì)享有同等的本體論地位。因為就本體論類別是類別而言，沒有那個類別能宣稱優(yōu)先于其他類別；它們相互構(gòu)成，共存在于物理世界的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中。當(dāng)然，上述關(guān)于類別的聲稱本質(zhì)上不意味著我們不能在可能發(fā)生的具體情形中做出優(yōu)先性聲稱。例如，調(diào)查一個特殊的類別實例是否本體論優(yōu)先于另一個類別實例是相當(dāng)合理的。

　　更特殊地說，一個明確屬性的存在性和同一性由其特殊的類律因果力構(gòu)成，類律的因果力賦予具有這種屬性的實體某種氣質(zhì)，以某種方式行為，并在給定情境中形成某種關(guān)系〔9〕.因此，量子信息和量子物質(zhì)，哪一個更具本體論的優(yōu)先性，取決于具體的實驗情境和研究視角。當(dāng)它們在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生現(xiàn)象實體的因果有效力處于不同的配置當(dāng)中時，就會形成不同的本體論優(yōu)先性情景。

　　結(jié)語

　　我們分析了信息理論范式---"物理存在產(chǎn)生于信息"及其最新研究進(jìn)展。我們對于信息理論范式所倡導(dǎo)的信息非物質(zhì)主義和工具主義持適當(dāng)?shù)呐�評態(tài)度，因為非物質(zhì)主義和工具主義并不是量子信息理論帶給我們的哲學(xué)新洞見。我們從建構(gòu)結(jié)構(gòu)實在論的視角出發(fā)認(rèn)為量子信息是一種新的自然類，屬于信息實體。信息實體和物理實體一樣，也會通過動力學(xué)的因果相互作用，因果有效地產(chǎn)生我們可以直接感知的現(xiàn)象實體，從而內(nèi)在地成為結(jié)構(gòu)研究進(jìn)路中基本實體的候選者。但是，不可否認(rèn)，量子信息和量子物質(zhì)的本體論優(yōu)先地位具有一定的情境性。在可能發(fā)生的某種具體情形，量子信息在決定物質(zhì)的量子力學(xué)方面起著重要作用，從而具有本體論優(yōu)先性；但是在可能發(fā)生的另一種具體情形，量子物質(zhì)由于在決定物質(zhì)的量子性方面起著更為重要的作用，因而其本體論地位要優(yōu)先于量子信息。只有以一種辯證統(tǒng)一的觀點來看待量子信息和量子物質(zhì)的關(guān)系，才能更好地理解物理世界的結(jié)構(gòu)特征及其與我們知識之間的關(guān)系。

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