测量和坍缩 Measurement And Collapse

  薛定谔宣称,不打开盒子,猫就处于生和死的“叠加态”,又称:“当我们打开盒子,经过了我们的观察,猫就会坍缩到一个确定的生、死状态上”。

图 2.1.5.1

图 2.1.5.1

  什么叫做“观察”之后“坍缩”到确定的状态上?难道不是这个装置而是第一个看到猫的人决定了猫的生死吗?

  这里提出量子的第四个特性:测量和坍缩假设。测量和坍缩对量子态的影响仍然是一个争议话题,所以用了“假设”。这个特性的描述如下:

  对于一个叠加态而言,可以去测量它,测量的结果一定是这一组量子化之后的、确定的、分立的态中的一个。测量得到任意的态的概率是这个叠加态和测量态的内积的平方,测量之后,叠加态就会坍缩到这个确定的态之上。

  简而言之,如果在一个微观粒子处在1楼和2楼叠加态的话,只能测出来它在1楼或者2楼,这个概率是由它们的叠加权重决定的,但是一旦对这个粒子进行测量,这个粒子的状态就会发生变化,不再是原来那个既在1楼又在2楼的叠加态,而是处在一个确定的状态(1楼或者2楼)。换句话说,测量影响了这个粒子本身的状态。

  在上一节中,已经说明了叠加本身是一种客观存在的现象,那么测量、观察这种主观的事情是如何影响到客观叠加的呢?

  比较主流的理论是说因为微观粒子太小,测量仪器本身会对这个粒子产生一定的影响,导致粒子本身发生了变化。但是没有足够的证据证明这种说法。

  回到薛定谔的猫。薛定谔之所以提出这个思想实验,是想让宏观事物——猫,和微观事物——放射性原子,建立“纠缠”,从而把量子力学的诡异现象从微观世界引到现实世界中来。“如果我们承认微观粒子具有这些“叠加“、”坍缩“的性质的话,那猫也具有了”——这是薛定谔的思想。 关于这个问题,目前并没有确切的证据证明猫不是处于这样的状态。

  通过形象的描述介绍了量子力学的一些基础概念,下面将用数学的方式将这些概念重新表述一遍。(阅读下面的内容需要一定的数理基础,包括高等数学,线性代数,概率论中的基本概念。)