深度長文：量子世界里，觀測為何會導致“波函數”坍縮？

簡單回答就三個字：不知道。

等等，不要因為這三個字就轉身離開，甚至開始“罵街”。對于量子力學，科學家們不知道的太多了，不僅僅有波函數坍縮。但是對于波函數坍縮，科學家們目前了解的程度比普通人要更多，更清楚。

量子力學，本來就是一個完全違背我們傳統認知的學科。雖然人類對量子力學的探索已經有一百多年的歷史，但至今我們都無法弄清楚量子力學的底層邏輯到底是什么。

量子世界里的微觀粒子，與我們平時看到的宏觀物體的行為特征有本質不同，我們并不能同時描述出微觀粒子準確的位置和速度信息，只能用概率去描述，我們可以用概率波描述微觀粒子的狀態，而這里的概率波其實就是波函數。

量子力學中有很多基本公設，可以用來完備地描述微觀粒子的運動狀態，而波函數就可以完全定義微觀粒子的所有運動狀態，也就是量子態。

而研究微觀粒子的量子態時，不可避免地要進行觀測，也就是說，當我們觀測量子系統時，到底會看到什么樣的結果。我們觀測微觀粒子的行為時，會觀測到微觀粒子的速度，位置，角動量，能量等各種信息，這些信息統稱起來就是微觀粒子的量子態信息。

其實，量子力學就是圍繞兩大問題展開的。

第一，在某個給定的初始狀態基礎上，我們該如何預測未來某個時刻微觀粒子的量子態？

第二，對某個系統的量子態進行觀測，我們會得到什么樣的結果？或者得到某種結果的概率有多大？

第一個問題其實就是系統的演化問題，而第二個問題就是觀測問題。而在目前的量子力學里，這兩個問題都有一個約定好的公設，這兩個公設分別是：薛定諤方程和玻恩規則。

除此之外，還有一個公設可以把上面兩個公設緊緊結合在一起，那就是我們今天討論的重點：波函數坍縮。

下面就來具體講述一下上面三個公設。

首先是薛定諤方程。這個方程看起來并不復雜，但公式中的符號并不是我們熟悉的，其實我們沒有必要具體了解薛定諤方程，只需要知道它的地位就行了。

薛定諤方程在量子世界的地位，就相當于牛頓第二定律在經典物理學中的地位一樣。牛頓第二定律是描述宏觀物體運動規律的，而薛定諤方程是量子世界的基石，用來描述微觀粒子的運動規律，具體來講就是描述微觀粒子的“波函數”是如何變化的，這個波函數的波包形狀是什么樣，傳播速度和振幅又是怎樣，等等這樣的問題。

第二個公設，玻恩規則。該規則表明，所謂的“波函數”并不是我們看到的，我們看到的只是某個可觀測量，而每個可觀測量都對應著一系列的本征態和本征值，所謂“本征值”就是進行觀測時可產生確定觀測結果的量子態。而我們的觀測結果只會是本征值中的其中之一。

本征值往往都是離散的，其實這也是“量子”一詞的由來。那么觀測結果會是哪一個本征值呢？是由什么決定的呢？

是由微觀粒子的量子態與本征態之間的“重疊”決定的。通俗來講就是，其實每個本征值都對應一個本征態，而本征態與量子態之間會有夾角，這個夾角就決定了微觀粒子的可能狀態。當夾角為零時，也就是本征態正好與量子態重合，我們的觀測就一定會得到本征態對應的本征值，這個概率就是100%。夾角越大，概率就越小，如果夾角為90度，概率就為零了。

第三個公設是波函數坍縮，這個坍縮到底是怎么一回事呢？為什么會坍縮呢？

按照我們的傳統觀念，任何觀測行為都可以反映出客觀存在的某個狀態，而且這個狀態是獨立于觀測的，不受觀測行為影響。但是波函數坍縮這個公設告訴我們，當我們觀測時，得到的任何結果，其實就是系統的量子態恰好突變為該結果的本征態。該如何理解這句話呢？

有兩層意思。

第一，波函數坍縮與觀測行為有關，并不會獨立于觀測。

第二，波函數坍縮看起來與薛定諤方程是相悖的，它是突發的波函數演化結果。

其實，“波函數坍縮”并不是海森堡或者玻爾等哥本哈根學派提出來的，而是馮諾依曼首先提出來的。

波函數坍縮最奇怪的地方在于，當我們不做任何事時，不進行觀測時，它就滿足薛定諤方程，是連續的也是確定的。但是當我們觀測的一瞬間，它就會發生隨機變化，這個變化是在我們觀測的瞬間就發生的，同時也與我們的觀測對象有很大關系。

這其實說明了我們的觀測行為會帶來兩點變化。

一，我們觀測時，系統會產生一系列有關本征態的選項。二，量子態會從所有這些選項中選擇其中之一。

這就很奇怪了，讓人很難接受。其實如果說觀測結果是由觀測方式和手段決定的，還比較容易讓人接受，但如果說量子系統的演化結果同樣是由觀測方式手段決定的，就很難讓人接受了，而這也是波函數坍縮最讓人難以接受，最具爭議的一點。

很多科普文中會這樣解釋波函數坍縮，認為人類的任何觀測行為都不可避免地影響系統，對量子系統會產生干擾，所以觀測行為當然會改變系統的狀態。

這種解釋看起來很合理，很容易讓人接受，畢竟這種解釋的思維模式更符合我們的經典世界，但其他這種解釋是不嚴謹的，是錯誤的。

為什么這樣說？

因為如果說“觀測行為干擾了量子系統的狀態”，就說明在觀測之前，量子系統已經有某個確定的狀態了，但是量子力學表明“觀測行為改變了量子狀態”，顯然這就出現了矛盾。

同時，貝爾實驗也告訴我們，在滿足定域性的基礎上，量子系統不可能存在某個確定的狀態，所以“觀測行為干擾了量子系統”的觀點是不成立的。

說白了，量子力學中的基本公設，比如說“觀測”“坍縮”等概念都是原生的。什么意義呢？可以理解為這些概念都是公理，是最基本的存在，不需要任何解釋。

言外之意，就連我們自認為最熟悉的“觀測”，其實我們都不知道是什么。何為“觀測”？是人類意識造就的現實嗎？亦或只是單純的物理過程？其實我們并不知道。

所謂的“量子態”只是人們對觀測結果做出預測的工具罷了，而“坍縮”也只是這個工具使用過程中的某個環節。我們知道“坍縮”的概念確實有用，但別的就不知道了。

物理學家馮諾依曼曾努力試圖將“坍縮”這個神秘概念和過程用某種確定的物理過程消除掉，但不管怎么努力，他發現都是無法消除的。

這是因為，薛定諤方程就可以推導出，在量子系統與觀測者之間發生物理作用時，所有的疊加態都會被保留。但是最終我們的觀測結果只是單一確定的。

馮諾依曼通過對“觀測過程”的詳細分析，最終也只能消除其中的物理部分，那些不能消除的部分，他定義為“非物理部分”，說白了就是“意識”。馮諾依曼就此也表明了自己的觀點：坍縮或許真的與意識有關，這就是“意識可能導致波函數坍縮”的由來。

網絡上很多對于“意識與坍縮”之間關系時，總是會振振有詞地說“觀測行為是純粹的物理過程，與意識沒有任何關系”，其實這種觀點并沒有完全理解馮諾依曼的意圖。當然，這并非說明“意識一定就與坍縮有關”，只能說明“觀測行為大概率不是純粹的物理過程”。

因為如果觀測是純粹的物理過程，就意味著量子力學并不完備。為什么這樣講？

因為在量子力學中，觀測過程是公理，所以如果把觀測行為強行定義為物理過程，任何一個完備的理論都需要對這個過程做出詳細具體描述，而不是用公理對付。因為公理說白了就是假設。

而如今量子力學強行把觀測行為以公理的形式定義，其實已經表明了量子力學本身就無法描述觀測這種物理過程。

對此，哥本哈根學派的解釋是，我們并不能直接獲取微觀粒子的運動狀態，量子力學描述的并不是系統的物理變化過程，而是人類對系統認知的更新過程，其實這也是所謂的“認知論波函數”觀點。

哥本哈根學派據此認為，所謂的“獨立于人類認知的系統客觀狀態”是沒有意義的。微觀世界與我們所在的經典宏觀世界截然不同，量子態只適用于微觀世界，微觀粒子通過經典儀器把相關信息傳給觀測者的過程中，一定會在某個節點“坍縮”為經典狀態。

與“認知波函數”對應的是“本體論波函數”，該觀點認為，所謂的量子態完全是物理狀態，描述的也是物理過程而不是人們的認知過程。但這種觀點就意味著“疊加態是真實的物理現實狀態”，由此就會引申出“多世界理論”，該理論認為現實世界本身就是多重的，就像量子世界里的疊加態那樣。但是既然多世界理論反對認知論波函數，那就意味著一定會把觀測過程當做純粹的物理過程，就需要對“波函數坍縮”做出物理解釋，但直到目前也沒有突破性的解釋。

還有一種解釋就是“隱變量解釋”，該解釋承認波函數的預測結果，但是所謂的“波函數”也只是對更深層現實的描述罷了，并非本質體現。不過后來的貝爾定律表明，隱變量一定是非定域的，這與愛因斯坦的相對論發生了矛盾，所以后來就被否定了。

總結這三觀點就是：

第一種觀點，也就是哥本哈根詮釋認為，物理現實其實是沒有意義的，我們更應該關注物理現象。

第二種觀點認為，所謂的物理現實是多重的，并不依賴于我們的主觀觀測。

第三種觀點認為，所謂的物理現實背后一定存在某種隱變量，是單一現實。

這也是為什么哥本哈根學派提出的“認知論波函數”會被主流科學界接受認可，不是說哥本哈根詮釋一定是對的，目前未知并沒有其他詮釋比哥本哈根詮釋更好地詮釋詭異的量子力學。

最后來解釋一下，為什么開頭我會說“科學家們比我們想象的要清楚很多”，其實這對虧了量子糾纏和退相干理論的發展。

量子糾纏就不過多闡述了，之前講述過很多了，這里重點提一下退相干理論。其實網絡上很多人對該理論有誤解，總會認為該理論是一種詮釋，其實不然，它只是在量子力學框架內對觀測過程做出分析，雖然解釋了很多原本讓人模糊的地方，但其實并沒有從根本上解決問題。

那么，何為“退相干”？通俗理解就是，當我們進行觀測時，就會與系統和環境發生糾纏，形成量子糾纏，進而使得原有的糾纏態退出，失去相干性，就是所謂的“退相干”。

說白了，并不是說觀測行為對系統造成了影響，而是觀測者本身與系統發生糾纏之后，就不再獨立于系統之外，不再有獨立的明確定義，而是與系統融為一體了。

對于退相干理論，有兩個問題需要解釋。

第一，為什么觀測的結果總是確定的，為什么我們不能看到“同時在兩個不同地方”的微觀粒子，或者說看到“既死又活”的貓？

第二，為什么觀測行為總會產生某個特定結果？而這個結果產生的概率是由玻恩規則決定的呢？

退相干理論只能回答第一個問題，并不能回答第二個。這意味著第二個問題本身終究還是要用詮釋來回答。

包括哥本哈根詮釋在內的所有詮釋，回答第二個問題時，都會回答“過程就是坍縮”，但這個過程仍舊顯得很神秘。

而多世界理論認為，觀測行為并不會只產生一個特定結果，所有的結果都會保留，但我們只能觀測到某一個結果罷了。

真相到底是什么，目前仍舊存在爭議。有爭議就對了，有爭議才正常，沒有爭議就不正常了。因為直到目前為止，也沒有任何人真的了解量子力學。

完！