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建構結構實在論下信息理論范式探究論文
"信息是物理學"還是"物理學是信息"?這可以說是一個"先有雞，還是先有蛋"的二難困境。最近，關于量子信息的一種哲學研究是認為：惠勒（J.A.Wheeler）倡導的信息理論范式---"物理存在產生于信息（it from bit）"正在持續不斷地向前推進。從純信息原則可以推導出量子理論乃至全部物理學概念。具體說來，我們可以把所有的物理學概念，諸如能量、電荷、慣性、相對論協變、引力，恢復為量子信息處理的特征，從而實現惠勒的夢想：物理世界由信息元組成。在此，奧卡姆剃刀在"物理學是信息"還是"信息是物理學"兩個范式的遴選上起著一個重要作用。在兩個假設之間，奧卡姆剃刀將確定地選擇理論假設最少的那一個�；堇盏�"物理學是信息"的假設似乎最為經濟，因為如果認為量子理論是信息，那么這相當于單從量子理論就能推出整個物理學，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〔1〕.
隨著量子信息科學的到來，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結論？在這篇文章中，我們首先說明信息理論范式的最新研究進展；然后分析信息理論范式的哲學導向；最后從建構結構實在論的視角給出理解量子信息和量子物質關系的一種可供選擇的哲學透視。
一、信息理論范式的三個研究新進展
最近，對于信息理論范式的倡導主要基于三個研究新進展。第一個研究進展是認為"時空和狹義相對論產生于信息處理".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生的"視覺證據",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上的事件計數推導出來的。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系，構想出關于事件的理論。事件是原始概念，它們不在時空內發生，而是相反，時空是從事件的網絡中產生出來的建構物。現在的目標是從事件的網絡中推出被賦予相對論協變的時空。因此，時空，作為事件網絡的一個派生概念，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，也是計算的產物，即事件記數的結果。以此方式，物理學脫變為純粹的數字計算，即信息。
信息范式的第二個進展是：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的量子信息處理模擬。自由量子場只是對沿著量子環路自由傳播的量子信息的描述。在環路中的一切事物都是數字的：時空由事件記數產生，時空的度規因此是一維的。而且，信息方法也提供了慣性質量和普朗克常數的信息理論意義。因此，量子場論和在量子場論中的所有實體都能從量子環路中的量子信息處理推導出來，量子場論的實體本質上不再是物理實體，它們全部都是信息。當場質量等于普朗克質量時，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展是"引力的信息起源和引力質量的信息意義".根據洛埃（S.Lloyd），量子信息與霍金輻射存在的糾纏關聯表明，量子信息可能在理解量子引力方面起著關鍵的作用。最終，如果我們能連續地實現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，但是這并不應該成為我們前進道路上的障礙〔2〕.為此，信息綱領主張，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，即慣性質量和引力質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。這意味著引力應該在自由場層次顯露，我們應該在純信息流的量子信息處理中考慮信息效應。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因果聯系的量子計算網絡。因果聯系可能為另一個度規場圖像的環路程式化，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，作為因果聯結的系統變為某些更高層次系統的量子態〔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圖：所有物理學都可以從信息中推導出來，從而可能消解物理學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，量子數字模擬不等于真實的物理世界。引力可能是一個量子效應，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理論，包括所有的物理實體和實驗結果，都被認作是信息或信息實體，那么信息理論范式不是又把我們導向信息非物質主義和工具主義了嗎？
二、信息理論范式的哲學導向
信息理論范式始于20世紀70、80年代，隨著量子信息科學的到來，哲學家和物理學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的概念困難。特別說來，量子信息理論是否能闡明量子力學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，那么物理學理論的基本研究主題---物質，是否最終會由非物質的信息取而代之？對量子信息理論的一種哲學思考是導致了信息理論范式。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，諸如通過操縱物理系統執行某種任務的（不）可能性。在這種方法中，信息處理規則決定物理學理論，即我們通過處理信息能確定物理學理論，甚至物理世界，這與惠勒的綱領"物理存在產生于信息"相一致。根據惠勒，"所有物理上的事物都起源于信息理論"〔3〕.
信息理論范式倡導世界的基本理論可能只是關于（非物質的）信息的理論，而不是關于事物（物質）的理論，這在某種程度上與哥本哈根學派的非物質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。認為物理學的任務是發現自然是什么是錯誤的。物理學是關于我們能對自然說些什么。"〔4〕許多物理學家，特別是相信隱參量的物理學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，在當前的物理理論框架內，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，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：度規。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、時空都變為主觀實體或非存在。但是，這聽起來相當奇怪。如果物理學只是關于信息的學說，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。根據日常信念，物理學是關于物體的物理結構和支配這些結構的定理的理論，因此物理學是關于分子、原子、恒星和電子，以及其他東西的結構的學說。事實上，如果把玻爾的評論適當地理解為一個語義上溯（semantic ascent）的例子，這一評論則并不支持非物質主義。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論用以描述它們的術語而消失。
信息理論范式除了倡導信息本體論，還倡導信息認識論，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生上有不可估量的作用，通過一個適當的公理化就能用信息理論術語更明白易懂地產生出所有物理學，從而解決物理學特別是量子力學中的概念困難。具體而言，如果說粒子是場的"量子態",是貝耶斯方法中的主觀實體，而不是客觀的物理態，那么信息理論范式就能通過量子態的認識概念削減量子力學的認識論問題，回答量子力學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的認識概念，這些研究是說量子態不描述量子系統的信息，而是反映了作用者與系統的認識關系〔5〕.因此，根據量子態的認識概念，"我們不能在實在和我們關于實在的知識，實在和信息之間作出區分。"畢竟"如果不運用我們關于實在的信息，就沒有辦法指稱實在。"〔6〕,換言之，根據量子態的認識概念，不可能有不依賴于作用者的"真實"的系統態，因為這樣一個態與態的認識概念不相容，態的認識概念強調主體性，允許不同的作用者可以有不同的知識態，因為對于相同的系統，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識條件。
因此，在信息理論范式中，量子態的認識概念似乎消解了量子測量的棘手問題。簡單說來，如果我們把波函數即量子態解釋為指稱客觀態或一個物理系統的"真實"態，那么在量子測量中量子態的塌縮必然卷入一個要求說明的物理過程。然而，如果波函數只是表示測量結果幾率的知識，那么波函數的突然改變指的是知識的改變，而不是在某一微觀系統中發生的物理改變。因此，就不必從物理上說明量子態的塌縮問題。只要我們承認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的作用者可以有不同的認識態，這里沒有塌縮發生，只有觀察者基于不同的所獲信息給出的不同認識態。
然而，把量子態理解為認識態，一個用來計算測量結果的統計性的設置，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。對于量子力學的創建者來說，工具主義可能似乎是一個令人信服的進步的認識論教義，但現在幾乎不能這樣認為了。
總之，隨著量子信息科學的到來，量子信息理論可能提供了看待物理世界的新洞見，導致我們從一個不同的視角看待量子理論和整個物理學。哲學家也期望把量子信息理論看作一個特別有用的哲學源，而不僅僅是量子理論的一個應用工具。然而，信息理論范式---物理存在產生于信息所誘發的信息非物質主義和工具主義并不是特別有趣的哲學結論。關于量子信息更為深刻的哲學洞見仍然被期待。
三 量子信息：一種新的自然類
對量子信息的哲學探討與量子信息科學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，量子信息的哲學探究就始終是我們的任務。目前，對于量子信息潛在的哲學暗示的探究，似乎仍然處于一個兩極對立的二難困境。"物理學是信息"還是"信息是物理學",答案似乎非此即彼。初看起來，量子信息和量子物質的關系似乎十分脆弱。信息是非物質的，它更像是一個概念而不是事物。量子信息比經典信息甚至更縹緲不定。相反，物質是固體材料，可靠而實在。量子物質也特別穩固，量子力學確保了基本粒子和原子的穩定性，這些基本粒子和原子是自然的建筑磚塊。物質似乎是關于能量和穩定性的，因而對于物質世界來說非常重要，但量子信息對于揭示物質世界的結構更為重要得多，因為信息不是像它可能看起來那樣非物質。
在統計力學中，熵實際上是體現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于量子物質的第一篇論文，也基本上是關于信息和量子力學的論文，普朗克建立起了統計定義的信息和熵之間的比例常數〔2〕.
現在，量子信息和量子物質的關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展初期對于量子力學基礎進行深奧研究的作用，變為量子物質科學的有機組成部分。當它與量子物質理論的關系變得更為復雜和更為密切時，量子信息理論有可能闡明物理學中一些深奧的秘密。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。在量子物質的輸運理論和量子信息理論之間產生出不可預期的關聯〔2〕.此外，最近的實驗研究也表明，通過相繼測量系統的兩個互補變量，可以直接測量波函數，即包含相關物理系統所有信息的量子態。在這一直接測量方法中，波函數表現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的一個簡單而無歧義的操作定義：量子態是對一個參量進行強測量后對另一個互補參量進行弱測量的平均結果。這個方法能看作是把系統的量子態轉錄為指針的量子態，這是量子信息的一個非常有用的協議〔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內在的微妙關系。從建構結構實在論的視角出發，我們認為，物理實體或說量子物質，諸如各種粒子，都是通過展示其內稟和本質（因果有效的）特征的結構關系構成的。同樣，量子信息也是由展示其內稟和本質（因果有效的）特征的結構關系構成的，因而能被看作一種新的自然類。自然類是與純主觀建構相對應的，因為盡管量子信息或說量子物質諸如各種粒子，如夸克、膠子等是科學家遵循結構方法構想的，但是這些概念必須得到自然的認可〔9〕.從結構的進路看，量子信息和量子物質之間的關系既不是絕對的量子物質源于量子信息，也不是絕對的量子信息源于量子物質，前者容易滑向信息非物質主義和工具主義，后者容易被貶斥為樸素唯物主義。
在建構結構實在論的視閾下，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，而是一個歷史建構的、可修正的自然類表現，會經受一次又一次的重構。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"得以構成的結構關系的位形不可避免地會發生改變。隨著結構知識的增加、某些核心和外圍陳述的重新配置，以及一些描述本質或非本質特征的核心陳述的功能的改變，位形的定義特征相應地也會改變。結果，一個類的身份認同指稱或內容，形而上或形而下的典型特征，也都發生了改變。也就是說，所構成的因此也是所設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上是一場科學革命，通過這場科學革命，理論家改變了他們的本體論承諾，進而改變了整個理論的本體論取向。因此，承認結構上構成的自然類的可變性，既為順應在科學發展中明顯的本體論不連續性，也為順應科學發展中更深刻意義上的指稱連續性提供了理論資源，這似乎是表達庫恩對科學實在論挑戰的最佳可能方式〔9〕.
在這樣一個認識過程中，自然類的構成和重構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、處于不斷進行之中的重新確定的位形，指稱為實體的等級層次，科學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來定義的。而且，和物理實體一樣，信息實體也會通過動力學的因果相互作用，因果有效地產生現象實體，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先于其他類別；它們相互構成，共存在于物理世界的結構網絡中。當然，上述關于類別的聲稱本質上不意味著我們不能在可能發生的具體情形中做出優先性聲稱。例如，調查一個特殊的類別實例是否本體論優先于另一個類別實例是相當合理的。
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成，類律的因果力賦予具有這種屬性的實體某種氣質，以某種方式行為，并在給定情境中形成某種關系〔9〕.因此，量子信息和量子物質，哪一個更具本體論的優先性，取決于具體的實驗情境和研究視角。當它們在結構中產生現象實體的因果有效力處于不同的配置當中時，就會形成不同的本體論優先性情景。
結語
我們分析了信息理論范式---"物理存在產生于信息"及其最新研究進展。我們對于信息理論范式所倡導的信息非物質主義和工具主義持適當的批評態度，因為非物質主義和工具主義并不是量子信息理論帶給我們的哲學新洞見。我們從建構結構實在論的視角出發認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，也會通過動力學的因果相互作用，因果有效地產生我們可以直接感知的現象實體，從而內在地成為結構研究進路中基本實體的候選者。但是，不可否認，量子信息和量子物質的本體論優先地位具有一定的情境性。在可能發生的某種具體情形，量子信息在決定物質的量子力學方面起著重要作用，從而具有本體論優先性；但是在可能發生的另一種具體情形，量子物質由于在決定物質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先于量子信息。只有以一種辯證統一的觀點來看待量子信息和量子物質的關系，才能更好地理解物理世界的結構特征及其與我們知識之間的關系。
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