量子世界里，观测为什么会导致波函数坍缩？

发布时间：2023-11-11 10:01:10 所属栏目：外闻来源：转载

导读： 　　只用简单的词汇来表达：不晓得！

　　等等，不要因为这三个字就转身离开，甚至开始“骂街”。对于量子力学，科学家们不知道的太多了，不仅仅有波函数坍缩。但是对于波

　　只用简单的词汇来表达：不晓得！

　　等等，不要因为这三个字就转身离开，甚至开始“骂街”。对于量子力学，科学家们不知道的太多了，不仅仅有波函数坍缩。但是对于波函数坍缩，科学家们目前了解的程度比普通人要更多，更清楚。

　　量子世界里的微观粒子，与我们平时看到的宏观物体的行为特征有本质不同，我们并不能同时描述出微观粒子准确的位置和速度信息，只能用概率波去描述，我们可以用概率波描述微观粒子的状态，而这里的概率波其实就是波函数。

　　量子力学中有很多基本公式，可以用来完备地描述微观粒子的运动状态，而波函数就可以完全定义微观粒子的所有运动状态，也就是量子态。

　　而研究微观粒子的量子态时，不可避免地要进行观测，也就是说，当我们观测量子系统时，到底会看到什么样的结果。我们观测微观粒子的行为时，会观测到微观粒子的速度，位置，角动量，能量等各种信息，这些信息统称起来就是微观粒子的量子态信息。

　　其实，量子力学就是围绕两大问题展开的。

　　第一，在某个给定的初始状态基础上，我们该如何预测未来某个时刻微观粒子的量子态？

　　第二，对某个系统的量子态进行观测，我们会得到什么样的结果？或者得到某种结果的概率有多大？

　　第一个问题其实就是系统的演化问题，而第二个问题就是观测问题。而在目前的量子力学里，这两个问题都有一个约定好的公设，这两个公设分别是：薛定谔方程和玻恩规则。

　　除此之外，还有一个公设可以把上面两个公设紧紧结合在一起，那就是我们今天讨论的重点：波函数坍缩。

　　下面就来具体讲述一下上面三个公设。

　　首先是薛定谔方程。这个方程看起来并不复杂，但公式中的符号并不是我们熟悉的，其实我们没有必要具体了解薛定谔方程，只需要知道它的地位就行了。

　　无法定义的薛定谔方程在我们的量子世界的地位，就相当于无所不知的牛顿第二定律在我们经典世界的物理学中的地位一样。牛顿第二定律是描述宏观物体运动规律的，而薛定谔方程是量子世界的基石，用来描述微观粒子的运动规律，具体来讲就是描述微观粒子的“波函数”是如何变化的，这个波函数的波包形状是什么样，传播速度和振幅又是怎样，等等这样的问题。

　　第二个公设，玻恩规则。该规则表明，所谓的“波函数”并不是我们看到的，我们看到的只是某个可观测量，而每个可观测量都对应着一系列的本征态和本征值，所谓“本征值”就是进行观测时可产生确定观测结果的量子态。而我们的观测结果只会是本征值中的其中之一。

　　本征值往往都是离散的，其实这也是“量子”一词的由来。那么观测结果会是哪一个本征值呢？是由什么决定的呢？

　　是由微观粒子的量子态与本征态之间的“重叠”决定的。通俗来讲就是，其实每个本征值都对应一个本征态，而本征态与量子态之间会有夹角，这个夹角就决定了微观粒子的可能状态。当夹角为零时，也就是本征态正好与量子态重合，我们的观测就一定会得到本征态对应的本征值，这个概率就是100%。夹角越大，概率就越小，如果夹角为90度，概率就为零了。

　　第三个公设关键点是波函数一次性坍缩，这个坍缩到底具体来说是怎么一回事呢？为什么三角函数*会一定程度的坍缩呢？

　　按照我们的传统观念，任何观测行为都可以反映出客观存在的某个状态，而且这个状态是独立于观测的，不受观测行为影响。但是波函数坍缩这个公式告诉我们，当我们观测时，得到的任何结果，其实就是系统的量子态恰好突变为该结果的本征态。该如何理解这句话呢？

　　有两层意思。

　　第一，波函数坍缩与观测行为有关，并不会独立于观测。

　　第二，波函数坍缩看起来与薛定谔方程是相悖的，它是突发的波函数演化结果。

　　其实，“波函数坍缩”并不是海森堡或者玻尔等哥本哈根学派提出来的，而是冯诺依曼首先提出来的。

　　波函数坍缩最奇怪的地方在于，当我们不做任何事时，不进行观测时，它就满足薛定谔方程，是连续的也是确定的。但是当我们观测的一瞬间，它就会发生随机变化，这个变化是在我们观测的瞬间就发生的，同时也与我们的观测对象有很大关系。

　　这其实说明了我们的观测行为会带来两点变化。

　　一，我们观测时，系统会产生一系列有关本征态的选项。二，量子态会从所有这些选项中选择其中之一。

　　这就很奇怪了，让人很难接受。其实如果说观测结果是由观测方式和手段决定的，还比较容易让人接受，但如果说量子系统的演化结果同样是由观测方式和手段决定的，就很难让人接受了，而这也是波函数坍缩最让人难以接受，最具争议的一点。

　　很多科普文中会这样解释波函数坍缩，认为人类的任何观测行为都不可避免地影响系统，对量子系统会产生干扰，所以观测行为当然会改变系统的状态。

　　这种理论上的解释或许看起来似乎很合理，可是很容易让很多人无法接受，毕竟这种解释的思维模式更符合我们的经典世界，但其他这种解释是不严谨的，是错误的。

　　为什么这样说？

　　因为如果说“观测行为干扰了量子系统的状态”，就说明在观测之前，量子系统已经有某个确定的状态了，但是量子力学表明“观测行为改变了量子状态”，显然这就出现了矛盾。

　　同时，贝尔实验也告诉我们，在满足定域性的基础上，量子系统不可能存在某个确定的状态，所以“观测行为干扰了量子系统”的观点是不成立的。

　　说白了，量子力学中的基本公式，比如说“观测”“坍缩”等概念都是原生的。什么意义呢？可以理解为这些概念都是公理，是最基本的存在，不需要任何解释。

　　言外之意，就连我们自认为最熟悉的“观测”，其实我们都不知道是什么。何为“观测”？是人类意识造就的现实吗？亦或只是单纯的物理过程？其实我们并不知道。

　　所谓的“量子态”只是人们对观测结果做出预测的工具罢了，而“坍缩”也只是这个工具使用过程中的某个环节。我们知道“坍缩”的概念确实有用，但别的就不知道了。

　　物理学家冯诺依曼曾努力试图将“坍缩”这个神秘概念和过程用某种确定的物理过程消除掉，但不管怎么努力，他发现都是无法消除的。

　　这是因为，薛定谔方程就可以推导出，在量子系统与观测者之间发生物理作用时，所有的叠加态都会被保留。但是最终我们的观测结果只是单一确定的。

　　冯诺依曼通过对“观测过程”的详细分析，最终也只能消除其中的物理部分，那些不能消除的部分，他定义为“非物理部分”，说白了就是“意识”。冯诺依曼就此也表明了自己的观点：坍缩或许真的与意识有关，这就是“意识可能导致波函数坍缩”的由来。

　　网络上很多对于“意识与坍缩”之间关系时，总是会振振有词地说“观测行为是纯粹的物理过程，与意识没有任何关系”，其实这种观点并没有完全理解冯诺依曼的意图。当然，这并非说明“意识一定就与坍缩有关”，只能说明“观测行为大概率不是纯粹的物理过程”。

　　因为如果观测是纯粹的物理过程，就意味着量子力学并不完备。为什么这样讲？

　　因为在量子力学中，观测过程是公理，所以如果把观测行为强行定义为物理过程，任何一个完备的理论都需要对这个过程做出详细具体描述，而不是用公理对付。因为公理说白了就是假设。

　　对此，哥本哈根学派的解释是，我们并不能直接获取微观粒子的运动状态，量子力学描述的并不是系统的物理变化过程，而是人类对系统认知的更新过程，其实这也是所谓的“认知论波函数”观点。

　　哥本哈根学派据此认为，所谓的“独立于人类认知的系统客观状态”是没有意义的。微观世界与我们所在的经典宏观世界截然不同，量子态只适用于微观世界，微观粒子通过经典仪器把相关信息传给观测者的过程中，一定会在某个节点“坍缩”为经典状态。

　　与“认知波函数”对应的是“本体论波函数”，该观点认为，所谓的量子态完全是物理状态，描述的也是物理过程而不是人们的认知过程。但这种观点就意味着“叠加态是真实的物理现实状态”，由此就会引申出“多世界理论”，该理论认为现实世界本身就是多重的，就像量子世界里的叠加态那样。但是既然多世界理论反对认知论波函数，那就意味着一定会把观测过程当做纯粹的物理过程，就需要对“波函数坍缩”做出物理解释，但直到目前也没有突破性的解释。

　　总结这三种观点就是：

　　第一种观点，也就是哥本哈根诠释认为，物理现实其实是没有意义的，我们更应该关注物理现象。

　　第二种观点认为，所谓的物理现实是多重的，并不依赖于我们的主观观测。

　　第三种观点认为，所谓的物理现实背后一定存在某种隐变量，是单一现实。

　　这也是为什么哥本哈根学派提出的“认知论波函数”会被主流科学界接受认可，不是说哥本哈根诠释一定是对的，目前未知并没有其他诠释比哥本哈根诠释更好地诠释诡异的量子力学。

　　最后来解释一下，为什么开头我会说“科学家们比我们想象的要清楚很多”，其实这多亏了量子纠缠和退相干理论的发展。

　　量子纠缠就不过多阐述了，之前讲述过很多了，这里重点提一下退相干理论。其实网络上很多人对该理论有误解，总会认为该理论是一种诠释，其实不然，它只是在量子力学框架内对观测过程做出分析，虽然解释了很多原本让人模糊的地方，但其实并没有从根本上解决问题。

　　那么，何为“退相干”？通俗理解就是，当我们进行观测时，就会与系统和环境发生纠缠，形成量子纠缠，进而使得原有的纠缠态退出，失去相干性，就是所谓的“退相干”。

　　说白了，并不是说观测行为对系统造成了影响，而是观测者本身与系统发生纠缠之后，就不再独立于系统之外，不再有独立的明确定义，而是与系统融为一体了。

　　对于退相干理论，有两个问题需要解释。

　　第一，为什么观测的结果总是确定的，为什么我们不能看到“同时在两个不同地方”的微观粒子，或者说看到“既死又活”的猫？

　　第二，为什么观测行为总会产生某个特定结果？而这个结果产生的概率是由玻恩规则决定的呢？

　　退相干理论只能回答第一个问题，并不能回答第二个。这意味着第二个问题本身终究还是要用诠释来回答。

　　包括哥本哈根诠释在内的所有诠释，回答第二个问题时，都会回答“过程就是坍缩”，但这个过程仍旧显得很神秘。

　　而多世界理论认为，观测行为并不会只产生一个特定结果，所有的结果都会保留，但我们只能观测到某一个结果罢了。换句话说，如果我们能够看到宇宙中所有的物质，那么我们就可以知道宇宙中的一切都是有规律的，这也是多世界理论的核心思想。

（编辑：云计算网_泰州站长网）

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