量子力学核心概念之“测量”,测量行为是如何影响系统的属性的?( 二 )
你可能已经听说过这个实验 。让我们回顾一下 , 将一束量子粒子射入两个狭窄的狭缝中 。如果你设法非常准确地缩小狭缝 , 而且足够近 , 你应该能够看到这张图片中的双缝图案 。现在 , 让我们再次进行这个实验 , 但要做一点修改:在使光子通过狭缝之前测量它们(放置一个探测器) , 然后看屏幕 。你看到什么了!?
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如果你说 , 双缝图案的消失 , 你是对的! 这就是测量的效应 , 它瓦解了量子物体的波粒二象性 。你让单个粒子通过狭缝;你会在屏幕上看到单个粒子以及阴影部分——就这么简单 。
怎么会这样呢?为什么呢?那么 , 我们可以把这个问题重构为这样的问题 。为什么量子测量会影响(量子)系统的属性?因为 , 在经典尺度上 , 测量行为并不影响系统的属性 。
发展一种直觉
正如前面提到的 , 量子预测本质上是概率性的 。因此 , 我们需要在经典尺度上有一个类似的概率事件模拟来理解这一点 。
让我们想象一个简单的概率情况 。假设在我做的10次足球射门中 , 我有1次能够射进 。现在 , 让我问你一个问题 , 我在第11次射门时进球的概率是多少 , 答案应该很直接:1/10 , 对吗?
现在 , 我们假设 , 你在电视上观看我的比赛 , 我刚要射门 , 突然停电了(量子测量的经典模拟) 。如果在此期间 , 有人问你关于概率的同一个问题 , 你会怎么回答?当然 , 答案会保持不变:1/10 。所以 , 这里有一个不确定的状态 , 无论那一脚是否成功 。因此 , 你可以把这称为两种可能性的叠加 。
现在 , 我们假设 , 在两秒钟内 , 电又恢复了 , 电视打开了 。有两种可能情况:
射门成功 。
射门失败 。
因此 , 你在 "测量 "系统的结果 。但是 , 这里有一个大转折 。在测量了这个结果之后 , 你现在能不能说 , 再次射中球门的概率是1/10?
问题就在这里 。你不能 , 因为我们的概率是基于观察统计的 , 而现在 , 我们观察到了最新的结果 。所以这个结果也需要纳入系统的概率中 。因此 , 系统的新概率将变成2/11(射门成功) , 或者变成1/11(射门失败) 。但需要注意的是 , 无论哪种情况 , 系统的概率在测量时都会受到某种影响 , 这也是在量子范围内发生的事情!仅仅是测量行为就影响了系统的概率 。仅仅是测量的行为就影响了系统的属性 , 即使是在经典尺度上也是如此 。
现在 , 有人可能会争辩说 , 这种方法算作经验(统计)概率 , 它把概率当作系统的内在属性 。确实是这样 , 但真正说来 , 即使在量子尺度上 , 概率也是统计的 , 这证明了这一事实 。就像 , 你不能说在SG实验中 , 电子自旋被测量为向上或向下的概率是一样的 。只是通过观察数据 , 我们发现根据大数法则 , 它确实接近50-50的几率 。对于第二个问题——概率是量子系统的一个固有属性 。这种方法之所以让人感觉困惑 , 是因为我们不习惯把概率看作是经典系统的固有属性来联系 。
量子测量的另一个方面在上一篇文章中已经讲得很深入了 。量子对象是受线性代数规则支配的向量/复数 。再次重复我在上一篇文章中的观点 , 在事物的经典本质中 , 我们并没有 "看到 "复数(虚数部分) 。尽管它们在与现象有关的数学中被广泛使用 , 但在这些现象中并不直接 "看到 "它们;这就是为什么它们是 "虚数" 。这就是为什么对量子力学的解释可以是这样的 。在测量时 , 量子现象必须崩溃为经典的可观察现象 , 只是因为在自然界中没有任何已知的 "虚数" 。我们已经把它定义为一个虚数! 这就是为什么量子对象在测量时坍缩为特定的积分数(称为其特征值)的原因 。
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