了不起的物理

71 哥本哈根詮釋:上帝真的擲骰子

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哥本哈根詮釋,是以玻爾和海森堡為代表的哥本哈根學派對量子力學係統行為的基本描述。

我們該如何理解波函數?哥本哈根詮釋的解答是:一個量子係統可以同時處在不同的狀態,這個狀態叫疊加態。當你去測量這個係統的狀態時,隻能隨機地獲得其中一個狀態,並且當你測量它的時候,這個處在疊加態係統的波函數就隨機地瞬間坍縮成其中一個波函數。

譬如,電子可以同時處在原子核周圍不同的地方。如果你真的去測量它的位置,那你測量到的是它其中的一個位置,至於具體是哪個位置,完全是隨機的。例如,準備十萬個完全相同的量子係統並測量它們的狀態,你會得到十萬個結果。但可能某些結果出現的頻率高一些,某些結果出現的頻率低一些,這個頻率的分布就是概率分布,也就是波函數。

可以這樣理解哥本哈根詮釋:一個原子中的電子未被測量時,它同時處在無限個狀態的疊加態,但當測量時,你隻能得到一個最終的狀態。也就是它的波函數在測量前是分散的,但測量後立刻變為在一個位置的概率是100%,其他位置的概率都是0。這個電子的波函數在測量前後發生了瞬間的變化,從一個分散的函數變成了一個集中在一點的函數。根據哥本哈根詮釋,這個由測量導致波函數驟變的過程,叫作坍縮。測量之後原本分散的波函數,隨機坍縮到了其中一個集中的波函數。坍縮的過程是完全隨機、不可預測的,它沒有從大變小的中間態,而是不連續的,像瞬間完成的一樣。就像一支雪糕,你沒看見它融化,也沒看見有人吃了一口,就突然少了一截,是沒有中間過程的,這就是哥本哈根詮釋。

但2019年的一項研究表明,哥本哈根詮釋對於波函數坍縮的過程描述並不準確。波函數具體坍縮到哪個狀態雖然是隨機的,但是一旦決定好了坍縮到哪個狀態,它就需要一定的時間來連續完成,也就是它並非從一個分散的波函數立刻變成了一個集中的波函數,而是在分散和集中兩個狀態之間,有波函數形態的連續變化。