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波函数的坍缩速度可以测量吗?

已有 1860 次阅读 2022-5-7 23:30 |个人分类:量子力学|系统分类:科普集锦

突然记起来,很多年前,听说某个科研组用实验证明了,波函数的坍缩速度比光速快多少倍。听说后我哈哈一笑,没有把这件事当成一回事,也从来没有去看原始论文。

这种上新闻的离奇科学结论,一般来说,笑笑就好了。另外一次,我偶尔在新闻中听到了一项重大进展,说某单位制作出石墨烯,可以实现1000倍以上的光压驱动。当时我就喷饭了,马上写了一篇短文,指出这是不可能的(光驱动石墨烯事件),后来在讨论中查了一下原文,现文章中有不应该的十来处错误

那么量子力学中波函数的坍缩速度究竟是多少?这样的问题成立吗?

我们先在哥本哈根学派的理论框架下讨论这个问题。

哥本哈根学派认为,量子力学的波函数是测量中可得到本征值的概率幅,并不是一个可观测量,甚至不是实数。数值上,波函数是一个复函数,或者复数的集合。根据测量和概率的定义,波函数的坍缩速度一定是无穷大。测量波函数的坍缩速度是没有意义的。

量子的波函数,是本征值概率幅的集合,概率幅是一个复数值,有虚部,模方之后才是概率。再说简单一点,波函数是一个集合。哥本哈根诠释定义的测量,就是从集合中选出一个成员。是概率选择,是数学取样过程,不是真实的物理相互作用过程。

讨论一个虚的(复数,虚数)东西有什么性质,和讨论针尖上可以站几个天使,鬼和人如何交往等问题一样,毫无意义,因为这是一个科学上不成立的命题。

另外举一个容易理解的例子,也就是人们经常说的手套比喻。

一副手套分别放在两个盒子里,从盒子外面无法测量手套的状态。也就是说,每个盒子中,手套都处于左右叠加状态。将两个盒子分开非常远。打开其中的一个盒子,马上知道另外一个盒子中手套的左右。这里,手套叠加态到具体状态的坍缩,与盒子间的距离无关,总是瞬时的。但是这种概率性的坍缩,并没有实质的物理过程,没有相互作用,不可能确定出一个任何具体的坍缩速度。或者说,只能是无穷大。如果得到任何一个不是无穷大的数值,无论是光速的多少倍,都不符合哥本哈根诠释对波函数的定义。

哥本哈根诠释中测量的坍缩,是从不明确到明确的“坍缩”,即变化,不是真实粒子突然从弥散的物理波坍缩成点状的粒子。也就是说,哥本哈根诠释下,波函数的坍缩不是一个物理过程。波函数的坍缩速度无意义,是一个不应该出现的概念。认为波函数坍缩有一个速度,是没有理解哥本哈根诠释中波函数的定义,混淆了数学上的集合(概率分布)与物理波概念(某一物理量分布)的结果。

全局近似诠释下,如何理解波函数的坍缩呢?

全局诠释认为波函数是被抽象化后的真实波,要保证波的量子性,也就是相干性,必须保证有充分的建立时间或者相干条件。测量是相互作用的结果。测量本身会改变体系的状态,因此没有波函数的坍缩概念,但是有测量对客体的影响程度概念。如果量子相干性已经建立,在不同位置对量子体系的同时测量会满足相干条件。如果可以做多次测量,所有测量都是相关的。

全局诠释中,手套比喻并不是真实的量子体系,而是关联概率体系,即爱因斯坦的隐变量关联情形。

手套比喻之所以在哥本哈根诠释下可以当成量子体系,是因为哥本哈根诠释的概率性。概率,或者概率幅,都不是物理量,没有量纲,不可直接测量。量子系统的归一性和对测量的定义,导致了“坍缩”的概念。“坍缩”不是物理过程,没有任何真实物理过程发生。自然也不能有“速度”的概念。但的确可以理解为,或者,定义为,无穷大。

手套比喻,其实和薛定谔猫一样,都是确定的宏观状态,测量(打开盒子)并没有改变手套和猫的状态,但是改变了对系统状态的描述,从叠加态变成了确定态。本来是各有一半概率,变成了确定的某一状态。




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2 王安良 徐令予

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