量子坍塌到底是個什現象？

有人提問：無意間看到 量子坍塌 這個概念，翻了很多資料看了一頭霧水，越看越不明白，最後在腦子總算搭建了一個模式。意思就是說，你不觀察它，也不知道它做了什麼運動，你一觀察，就只能看到它消失前的狀態，最致命的是每一次消失的狀態還不一樣。大概就是這個意思。其實我想說的是，這種現在會不會就是時空穿越？

下面我回答這個問題：

量子力學中，幾率的概念首當其衝，而且是實質性的。對於量子粒子的每個可能位置我們賦予一個複數，稱作波函數。測量粒子的位置，它出現在某個可能的位置；測量另一個也由這個波函數描述的粒子，它出現在某個可能的位置。這樣的過程重複很多遍，然後統計出現在每個位置上的次數，占所有次數的比例就是粒子處於這個位置的幾率，等於波函數在這個位置的大小的平方。

現在我們問怎麼描述粒子的速度。有讀者可能會說，需要一個速度波函數，它的大小的平方就是粒子每個可能的速度的幾率。正確！我們接著問，是不是可以同時描述粒子的位置和速度，比如粒子處在某個位置而且具有某個速度？這是經典物理和日常生活里的常見情況。有讀者可能會說，用位置波函數描述位置，同時用速度波函數描述速度。

量子力學告訴我們不能這麼做，因為速度波函數與位置波函數不是互相獨立的。當量子粒子處於某個確定的位置時，再去測量它的速度，有可能得到各種結果，反之亦然。這是著名的海森堡不確定關係，也是所謂的波粒二象性：當一個量子粒子由一個連續分布的位置波函數描述時，表現出波動性（幾率波）；如果我們測量它的位置，結果它必然出現於某個位置（雖然在每個位置都有可能），表現出粒子性。

為了描述這樣的情形，我們引入量子態的概念，這是量子力學的中心概念。我們將量子粒子的位置和速度看成外部自由度，由一個外部量子態描述，它既可以表示成不同的位置態（具有確定位置）的疊加，也可表示成不同的速度態（具有確定速度）的疊加。波函數就是疊加係數。在數學上，量子態是一種向量（可以理解為一組數），疊加就是這些向量乘以疊加係數後相加。量子態服從疊加原理：同一系統的任意兩個量子態的疊加依然是它可能的量子態。

量子力學的另一個基本假設是，當測量某個屬性時，量子態就隨機「塌縮」到明確具有這個屬性的量子態之一，幾率就是波函數大小的平方。當測量位置時，原來的量子態就變為某個位置態；測量速度時，原來的量子態就變為某個速度態。

在量子力學中，量子態實際上有兩種過程，一個是測量之前由薛定諤方程描述的量子態的演化，是個可逆過程；另一個是測量導致的量子態的塌縮，是個不可逆過程。為什麼不可逆呢？因為測量前的量子態可以塌縮到若干個態之一，根據塌縮以後的態是無法確定塌縮之前的態的。這個變化與薛定諤方程描述的量子態演化不融洽，因此被當作量子力學的一個基本假設。

本文得到作者授權

來源：頭條悟空問答

作者簡介

施郁，復旦大學物理學系教授，理論物理和物理學史專家。主持的微信公眾號、科學網博客、新浪微博、今日頭條號為「物理文化與施郁世界線」。

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