量子逻辑与信息的哲学问题研究

本书内容的写作先后跨越了十三年。这十三年中科技界从所谓的“第二次量子革命”的国际量子物理学基础理论变革走向了世界主要大国之间的量子信息科技及与之紧密结合的人工智能和生命科技制高点的争夺；在信息科技领域从3G的应用走向了5G场景的突现，但同时对信息实在的本性仍然远没有形成共识；在量子物理学哲学领域，因为经验科学越来越靠近普朗克标度导致传统数学与实验方法受限，而更需要一种新的具有适应性的哲学观。在这样的认知与实践背景下，逻辑哲学和哲学逻辑的分析作用的重要性更为显著；本研究团队的主要创新思想也从基于经典逻辑与非经典的通用对应性发展为将经典逻辑标准记号体系极致简化而等值变换出非经典逻辑而达到更深层次的统一性。本书体现的是这样一个新范式革命理论的前奏。不仅是直接研究信息哲学与逻辑的相关哲学问题，也为本丛书*后完成时展示一个更加基础理论建构的完成埋下伏笔，在那个理论中，量子物理学基础与信息哲学仅是两个二级应用。
本书从量子力学解释史角度分析量子实在，从形式本体论角度分析信息实在，然后从逻辑哲学角度分析量子信息。书在整个丛书里面既作为一本分科科学哲学专著，也是体现贯穿丛书的从不同学科知识融通性到不同思维间贯穿性主线的初步。本书适合量子物理学哲学和信息哲学研究者作为学术交流著作或教材，也可以作为一般物理学、信息科技和科技哲学等学科师生和其他专业相关爱好者的参考书。

本书分别从量子信息科技理论概要、量子信息哲学问题和量子逻辑三方面概述国内外在量子信息方面的研究成果的历史与现状。并且提出量子信息的科学哲学研究应该立足于其基础科学理论的量子力学的解释和信息科学的哲学反思。通过对各种主流量子力学解释及各种信息论解释的分析比较，*后从依据科学思想史和形式本体论的背景出发，从逻辑哲学的观点看量子力学的基本问题出发，提出研究团队的初步结论，以解释量子逻辑领域目前没有攻克的难题，并给出信息的初步定义。

万小龙，江苏常州人，哲学博士，华中科技大学哲学系教授、博导，文科前沿团队“科学技术前沿的哲学问题与科学哲学新理论”负责人。美国加州大学尔湾分校逻辑与科学哲学系访问学者，巴黎综合理工学院暨法国国家科学研究中心的应用认识论中心博士后。国家马克思主义工程“科学技术哲学”首席专家，中国自然辩证法研究会信息与科学基础专业委员会副主任委员，中国自然辩证法研究会物理学哲学专业委员会副主任委员，湖北省自然辩证法研究会副理事长，湖北省逻辑会副理事长。研究方向：科学哲学、量子哲学。主要研究方向为量子力学哲学，主持*自然科学、社会科学基金项目7项，在国内《哲学研究》《新华文摘全文转载》《自然辩证法通讯》《自然辩证法研究》等期刊发表论文60余篇。英文论文被国际著名逻辑学团队（波兰学派）在世界一流期刊多次引证。

目录
绪论1
第一章量子信息及其哲学问题概述8
第一节量子信息的理论基础8
第二节量子信息科技发展历史与现状14
第三节量子信息哲学问题概述21
第二章量子力学解释的建构与比较37
第一节物理理论与解释37
第二节整体知识场视角下的量子力学解释39
第三节从哥本哈根解释到退相干解释41
第四节量子力学解释比较47
第三章从逻辑观点看EPR悖论、量子远程关联及其判决性
实验51
第一节悖论的根源在于背景知识是可错的或“有毛病的”51
第二节从EPR论证到贝尔不等式的实验检验52
第三节“判决性实验”有相对可靠的逻辑基础:“船上修船”与“沼泽地”隐喻55
第四节量子整体性或远程关联性58
第四章量子视域：意识研究的新进路65
第一节意识哲学研究需要借鉴量子实在66
第二节量子与意识概念上的相似性67
第三节量子力学与意识科学描述层次上的互通性69
第四节一种融合量子现象的意识世界图景72
第五章从逻辑哲学观点看量子逻辑77
第一节引入量子逻辑的基本进路78
第二节量子逻辑的哲学争论81
第三节在几种不同的量子力学解释下看逻辑可修正性83
第四节对应原理——“普特南二难”的理解87
第六章伽利略的原子论思想——近代科学革命的形而上学
基础93
第一节亚里士多德宇宙论与托勒密天文学间的不协调94
第二节伽利略原子论思想96
第三节哥白尼天文学革命实现的基础98
第四节伽利略原子论为近代科学奠定认识论和方法论基础100
第五节近代科学之后的发展101
第七章史密斯的形式本体论解读——从逻辑和科学哲学观点看基础105
第一节古希腊时期的形式本体论思想106
第二节逻辑研究对形式本体论的影响108
第三节史密斯的形式本体论109
第四节计算科学及人工智能研究所关注的“形式化本体”112
第八章量子逻辑、量子悖论与量子疑难基础116
第一节冯·诺依曼量子逻辑释疑117
第二节莱欣巴赫为代表的多值量子逻辑释疑120
第三节互补型辩证量子逻辑释疑121
第四节范·弗拉森模态逻辑释疑122
第五节四种量子逻辑的不足与优势124
第九章一元算符逻辑理论研究初步128
第一节STRF前研究129
第二节STRF概述132
第三节对STRF的解释137
第四节结语139
第十章一元算符理论的应用(上)——模态问题144
第一节模态句法问题144
第二节模态语义问题147
第三节对一些重要问题的运算结果及其分析149
第四节结语153
第十一章一元算符理论的应用(下)——毕克霍夫冯·诺依曼量子逻辑存疑157
第一节学术背景158
第二节量子逻辑的主要思想158
第三节量子逻辑注：用下画线表示以区别于其他类型的量子逻辑。的非经典格论模型解释160
第四节一元算符逻辑理论准备161
第五节量子逻辑的*小经典解释162
第六节量子逻辑的哲学意义164
第十二章量子信息的形式科学本性的理论建构展望170
后记181
绪论1
第一章量子信息概述8
第一节量子信息的理论基础8
第二节量子信息科技发展历史与现状14
第三节量子信息哲学问题概述21
第二章量子力学解释的建构与比较37
第一节物理理论与解释37
第二节整体知识场视角下的量子力学解释39
第三节从哥本哈根解释到退相干解释41
第四节量子力学解释比较47
第三章从逻辑观点看EPR悖论、量子远程关联及其判决性
实验51
第一节悖论的根源在于背景知识是可错的或“有毛病的”51
第二节从EPR论证到贝尔不等式的实验检验52
第三节“判决性实验”有相对可靠的逻辑基础:“船上修船”与“沼泽地”隐喻55
第四节量子整体性或远程关联性58
第四章量子视域：意识研究的新进路65
第一节意识哲学研究需要借鉴量子实在66
第二节量子与意识概念上的相似性67
第三节量子力学与意识科学描述层次上的互通性69
第四节一种融合量子现象的意识世界图景72
第五章从逻辑哲学观点看量子逻辑77
第一节引入量子逻辑的基本进路78
第二节量子逻辑的哲学争论81
第三节在几种不同的量子力学解释下看逻辑可修正性83
第五节对应原理——“普特南二难”的理解87
第六章伽利略的原子论思想——近代科学革命的形而上学
基础93
第一节亚里士多德宇宙论与托勒密天文学间的不协调94
第二节伽利略原子论思想96
第三节哥白尼天文学革命实现的基础98
第四节伽利略原子论为近代科学奠定认识论和方法论基础100
第五节结语：近代科学之后的发展101
第七章史密斯的形式本体论解读——从逻辑和科学哲学观点看基础105
第一节古希腊时期的形式本体论思想106
第二节逻辑研究对形式本体论的影响108
第三节史密斯的形式本体论109
第四节计算科学及人工智能研究所关注的“形式化本体”112
第八章量子逻辑、量子悖论与量子疑难基础116
第一节冯·诺依曼量子逻辑释疑117
第二节莱欣巴赫为代表的多值量子逻辑释疑120
第三节互补型辩证量子逻辑释疑121
第四节范·弗拉森模态逻辑释疑122
第五节四种量子逻辑的不足与优势124
第九章一元算符逻辑理论研究初步128
第一节STRF前研究129
第二节STRF概述132
第三节对STRF的解释137
第五节结语139
第十章一元算符理论的应用(上)——模态问题144
第一节模态句法问题144
第二节模态语义问题147
第三节对一些重要问题的运算结果及其分析148
第四节结语153
第十一章一元算符理论的应用(下)——毕克霍夫冯·诺依曼量子逻辑存疑157
第一节学术背景158
第二节量子逻辑的主要思想158
第三节量子逻辑的非经典格论模型解释160
第四节一元算符逻辑理论准备161
第五节量子逻辑的*小经典解释162
第六节量子逻辑的哲学意义164
第十二章量子信息的形式科学本性的理论建构展望170
后记181

精彩文摘1：
一、量子信息推动量子力学基础与解释研究
自从量子力学建立以来，人们一直寻求量子力学深层的解释，有关量子力学的世界图景与我们熟悉的客观世界之间关系的争论不但没有停止，而且还在不断深入。量子力学解释的历史漫长，但逐步形成哥本哈根解释、冯·诺依曼测量理论、系综解释(*低限度解释)、玻姆理论、模态解释、多世界与多心解释和退相干解释等七种主要解释群，以及量子逻辑这种独有的试图简化量子力学数学的视角。并同时形成了量子测量、量子概率和量子关联三大量子力学的科学哲学问题。尽管每种解释的解释力强度不同，附加的解释性要求也不一样，但都揭示了量子力学的一些特征。不过，似乎还没有一种解释能够提供一种系统表述量子力学的核心概念(波函数)的基本特征(叠加性、等概率不可区分性和远程关联性)的本体论，于是量子信息论解释在这种局面中凭借量子信息科技的新发展应运而生。
量子信息虽然也大大地推动了量子测量、量子概率的科学性与哲学解释性研究，但直接推动的是对量子关联的研究。值得庆幸的是，我们对量子关联的系统性解释研究曾经是走在我国物理学界同行的前面的，虽然他们现在的研究在科学上要深刻得多。我们曾经在21世纪头几年就对范·弗拉森关于EPR关联的分析给予细致的介绍和评述。范·弗拉森认为，EPR关联作为量子纠缠态，是一种十分特殊的关联。范·弗拉森仔细考察传统上的各种解释后认为，在哲学史和科学史上，存在六种试图解除关联的神秘性的解释：机遇、巧合、同格、前定和谐、逻辑同一和共因万小龙：《范·弗拉森对EPR关联的分析》，《自然辩证法研究》，2004年第4期。。但量子关联不属于其中任何一种。虽然笔者一贯坚持“Metaphysics In，Metaphysics Out”(即“形上学入，形上学出”)原则，不大相信一种新科学可以证伪一个流传广久的形上学陈述，同样也不大相信量子力学可能导出一种人类历史上之前没有发现的新的“关联类”，但由于我们的能力有限，面对如此复杂的量子力学基础理论，十年前只能做到那里为止，当时只是模糊地认识到量子格论或许是简单、明确地展示量子力学复杂数学的一个恰当模型。然而，当我们开始本项目研究时，国外和国内学界对以EPR为代表的量子关联的哲学研究已经发展为对量子纠缠态的科学研究，并且进一步发展为量子信息的不可克隆性等新的神奇特征的解释，这导致了我们希望进一步研究量子信息哲学的决心。
关联是自然界中普遍存在的现象，而国际科学界对量子关联的哲理性基础研究虽然在量子力学发展早期就有涉及，但主要的科学研究都是集中在近几年。经典关联可以很好地在申农的信息理论框架内进行刻画，但量子关联并不是经典关联。现在人们已经认识到量子关联比量子纠缠更具有广泛性和基础性，量子纠缠仅是不同量子系统间的一种特殊关联,即使在没有量子纠缠的情况下的可分离量子态中也含有非经典量子关联。理论上和实验上都已经发现这种非纠缠的量子关联可以在非幺正的量子计算模型中实现计算的加速段开敏、李传锋：《量子信息物理基础研究进展》，《中国科学：物理学力学天文学》，2012年第11期。。
经典世界中的两个事件集之间的关联由两者的互信息量来定义。对于两体量子系统,可以用量子互信息量来刻画其总的关联量。于是,从总的关联量中减去经典关联量,剩下来的就是量子关联量。但是由于量子系统的复杂性,很难给出一个一般性的解析式，其中非常著名的一个替代方案被称为量子失协：在经典情况下对经典互信息量存在两种等价的表达形式,而对于两体量子系统而言,对其中一个子系统的测量,将不可避免地导致对另一个子系统状态的扰动，因此这两种定义形式会表现出不一致,它们之间的差值被定义为量子失协。量子失协包含量子体系中的量子纠缠和非纠缠的量子关联,它度量了量子体系中总的非经典关联。量子失协概念可能将有助于澄清量子信息能超越经典的真正原因。量子失协这一概念除了在某些基本的量子信息理论方面有重要的应用之外,在一些基本的物理问题中也起到重要的作用,如解释麦克斯韦妖和量子相变等，它还对海森伯不确定原理提供了新认识。

精彩文摘2：
纵观科学哲学的历史,各种科学理论都是不同风格场的竞争,在解释力强弱与附加性要求的张力中比较量子力学解释,既澄清了量子理论与量子力学解释的区别,又表明了理论与解释之间的联系。各种解释的存在表明在科学理论发展的任何阶段中都普遍存在着对理论解释之间的互相竞争。我们不应该因为某个解释在某个别方面的成功而片面抬高它的作用,也不要因为它在另一个方面的失常而抛弃它,在寻求附加性要求与解释力之间的张力中,要认识到理论与对应的一个或多个解释的构建是整体科学知识的需要,也是语义一致性的需要。可以说，每一个解释群都从不同角度正确反映了量子力学的不同侧面的根本特性，但要全面反映其本质属性还有待于其技术的发展，就这个意义而言，量子信息技术与信息范式可能是一个很有希望的候选者。
量子力学解释是对量子理论的扩展理解,必须体现量子理论语义上的一致性。正统的哥本哈根解释、*低限度的系综解释、本体论解释、多世界解释、模态解释、退相干解释,它们的解释力强弱与附加性要求不同,从两者之间的张力比较这些解释,既是整体科学知识的需要,也是理论语义上一致性的需要。

“船上修船”与“沼泽地”隐喻所谓判决性实验,是科学家为了在关于同一个论题相互竞争的假说之间作出非此即彼的判决而设计的一种实验,实验结果对其中一方表示决定性的支持,而对另一方表示决定性的反驳,从而可以作出公正裁决。例如,量子力学和相对论所争议论题是“定域实在性是否有效”。
由于科学理论是由核心假说、辅助假说加先行条件这几个要素所组成的复杂整体,并且处于一定的背景知识之中。因此,当某个理论作为整体遭受实验反驳时,其核心假说未必有错,仍有可能通过调整其他要素来取得协调。一个科学理论就像是一座结构复杂的城堡,单单是某一面墙的毁坏,影响不了整个城堡的存在,经过修复城堡仍旧可以坚固如初。笔者在《判决性实验的相对确定性与判决效力》桂起权、姜琳：《判决性实验的相对确定性与判决效力——以光的判决性实验为例》，《山东科技大学学报(社会科学版)》,2006年第1期。一文中,肯定了判决性实验在科学理论的检验和辩护中起着重要的方法论功能。根据整体主义的方法论理念,判决性实验没有近代科学家想象的绝对化的判决力,虽然如此,却仍有相对的确定性与判决效力。判决性实验涉及两个相互竞争假说,实验结果对其中一方的支持和对另一方的反驳都是相对于当时的背景知识而言的,因而具有相对的性质。尽管背景知识是随着时代的发展不断向前推进的,然而它仍然具有足够的确定性和可靠性来支持理论的合理性。
从物理学史上看,判定的历史过程确实包含着复杂性。虽说1850 年的傅科实验在当时给“光的波动说”以决定性的支持,但对粒子说的反驳并非决定性的,那时关于“光不是粒子”的推断是过火的。因为牛顿的粒子说中真正有错的只是“光密媒质中引力更大”,其实那只是一个附加假说,而核心假说“光是粒子”未必有错。也就是说,傅科对光的粒子说的反驳,只证伪其辅助假说,未证伪其核心假说。换句话说,只是局部证伪,而不是整体证伪。无论单纯的波动说还是单纯的微粒说都并不拥有完全真理,而只是拥有局部真理。直至 20世纪初,有了光电效应的光量子论解释,人们才算弄明白这一点。可是这些只能算是“事后的明鉴”。
上述这段历史教训,对于解读爱因斯坦与玻尔关于EPR悖论之争来说,不能说没有启示。在关于“贝尔不等式”的判决性实验中,如果“定域性假设”成立,实验结果就要受到“贝尔不等式”的限制；如果只满足量子力学一般性要求,则不必受到“贝尔不等式”的限制。初看起来,结果必定是泾渭分明、非此即彼的。然而,这里涉及的不是理论与实验之间简单的双方关系,而是相互竞争理论与实验之间复杂的三方关系。可见,判定过程确实包含着复杂性。在目前所讨论的问题上,贝尔不等式的判决性实验就比一般人所想象的“判决”意味要弱了很多。
其实,不同科学学派之争,正如论辩术的交锋过程那样,正方与反方往往各自都有相对充分的理由。对方的批评往往是一方面起到局部证伪(迫使你放弃不合理的辅助假说)的作用,而在另一方面却又有帮助澄清“硬核”(迫使你亮出底牌,交代出不可放弃的核心原理究竟是什么)的作用。2009年,中山大学舒国萱博士在其博士论文《宇称不守恒与判决性实验》舒国萱：《宇称不守恒与判决性实验》,中山大学博士论文，2009年。中提出,判决性实验应当具有精细的逻辑结构。这种研究当然是很有必要的。精彩文摘3：