波函数塌缩:路径信息与干涉条纹相互制约
双缝实验里,路径信息的可区分度与干涉条纹的可见度相互制约。路径越容易辨认,条纹越弱;两条路径完全可区分时,干涉才会消失。哥本哈根解释把完整路径测量后的变化写成波函数塌缩:原先覆盖两条路径的状态,在测量后给出一个确定结果。《上帝掷骰子吗》先用了最直接的双缝例子。
在电子通过双缝前,假如我们不去测量它的位置,那么它的波函数就按照方程发散开去,同时通过两个缝而自我互相干涉。但要是我们试图在两条缝上装个仪器以探测它究竟通过了哪条缝,在那一刹那,电子的波函数便坍缩了,电子随机地选择了一个缝通过。而坍缩过的波函数自然就无法再进行干涉,于是乎,干涉条纹一去不复返。
奇怪,非常奇怪。为什么我们一观测,电子的波函数就开始坍缩了呢?
这里的“观测”指实际测量产生的物理相互作用,不要求有人用眼睛盯着电子。路径信息一旦被装置或环境记录,电子便会与这些自由度发生纠缠;路径的可区分程度决定干涉还剩多少。这个连续关系可以追溯到 Englert 关于路径信息与干涉可见度的不等式。坍缩究竟是一个真实的物理过程,还是用来更新测量结果的理论规则,仍然取决于采用哪一种量子诠释。
原摘录随后用了两个武侠和评话里的比喻:
金庸在《笑傲江湖》第二十六回里描述了令狐冲在武当脚下与冲虚一战,冲虚一柄长剑幻为一个个光圈,让令狐冲眼花缭乱,看不出剑尖所在。用量子语言说,这时候冲虚的剑已经不是一个实体,它变成许许多多的“虚剑”,在光圈里分布开来,每一个“虚剑尖”都代表一种可能性,它可能就是“实剑尖”所在。冲虚的剑可以为一个波函数所描述,很有可能在光圈的中心,这个波函数的强度最大,也就是说这剑最可能出现在光圈中心。现在令狐冲挥剑直入,注意,这是一次“测量行为”!好,在那瞬间冲虚剑的波函数坍缩了,又变成一柄实剑。令狐冲运气好,它真的出现在光圈中间,于是破了此招。要是猜错了呢?那免不了断送一条手臂,但冲虚剑的波函数总是坍缩了,它无论如何要实实在在地出现在某处,这才能伤敌。
在张国良的《三国演义》评话里,有一个类似的情节。赵云在长坂坡遇上张绣(另一些版本说是高览),后者使一招百鸟朝凤,枪尖幻化为千百点,赵云侥幸破了此招——他随便一挡,迫使其波函数坍缩,结果正好坍缩到两枪相遇的位置,然后张绣心慌意乱,反死于赵云之蛇盘七探枪下,这就不多说了。
这些是解释性的比喻,不是波函数塌缩的物理模型。把叠加放大到猫的死活,便进入 薛定谔的猫把量子叠加推到宏观世界。
Links to this note
- 上帝掷骰子吗
这条线继续经过 波粒二象性:互斥表现属于同一个量子对象、波函数塌缩:路径信息与干涉条纹相互制约,最后到了 薛定谔的猫把量子叠加推到宏观世界。当观测频繁到足以改变演化时,又出现了 量子芝诺效应:频繁观测会抑制量子演化。
- 多世界解释:波函数从未坍缩
《上帝掷骰子吗》用双缝实验说明这种解释:电子通过左缝和右缝的两种可能都发生了,连同观察者所在的世界一起分开。波函数坍缩 在这里不再是一项额外过程。薛定谔的猫也不必等到开箱后才决定死活,活猫与死猫分别属于不同分支。
- 薛定谔的猫把量子叠加推到宏观世界
这里把坍缩归到意识,是量子测量问题里的一种历史性解释,并非公认结论。实验中的观察指系统与测量装置或环境发生物理耦合,不要求有人类意识参与;猫、箱子和环境本身都会记录信息并发生退相干。退相干仍然没有替所有量子诠释解决单一结果怎样出现的问题。双缝实验中的基本说法见 波函数塌缩:路径信息与干涉条纹相互制约。