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系统中的观察者(3)——物理中的观察者 (查看源代码)

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→‎量子概率运算法则

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　　~~首先，我们可以把双缝试验改写成一个经典的~~[https://en.wikipedia.org/wiki/Markov_chain 马尔科夫链]：

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首先，我们可以把双缝试验改写成一个经典的[https://en.wikipedia.org/wiki/Markov_chain 马尔科夫链]：

[[File:xtzdgcz3_5g.gif|center|thumb|图3-5 描述粒子行为的马尔科夫链]]

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~~设电子（经典粒子）从O点飞出，以P~~OA的概率飞到A点或者以POB的概率飞到B点，然后再以概率PAC飞到C点或者以PAD的概率飞到不是C的点（我们暂且称之为D点）。那么，我们在C点发现电子的概率就应该是：

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设电子（经典粒子）从O点飞出，以POA的概率飞到A点或者以POB的概率飞到B点，然后再以概率PAC飞到C点或者以PAD的概率飞到不是C的点（我们暂且称之为D点）。那么，我们在C点发现电子的概率就应该是：

<center>[[File:xtzdgcz3_6g.gif]]　　　　　　(1)</center>

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~~假设电子可以源源不断地从O点飞出经过A或者B再打到C或者D点上。这个时候我们在A点放置一个探测器来测量电子到达A点的概率。~~

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假设电子可以源源不断地从O点飞出经过A或者B再打到C或者D点上。这个时候我们在A点放置一个探测器来测量电子到达A点的概率。

<center>[[File:xtzdgcz3_7g.gif]]　　　　　　(2)</center>

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~~由于电子是经典粒子，所以观测电子的行为不会干扰最终在C点观测到电子的最终结果，因此电子到达C点的概率仍然是（1）式。~~

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由于电子是经典粒子，所以观测电子的行为不会干扰最终在C点观测到电子的最终结果，因此电子到达C点的概率仍然是（1）式。

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~~下面，我们进入了量子概率的世界（关于这部分运算，请参考~~[https://book.douban.com/subject/1683152/ 《费曼物理学讲义3》]和[https://book.douban.com/subject/1155470/ 《量子计算和量子信息（一）》]）。首先，对于电子量子的行为，我们仍然可以用类似的图形表示：

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下面，我们进入了量子概率的世界（关于这部分运算，请参考[https://book.douban.com/subject/1683152/ 《费曼物理学讲义3》]和[https://book.douban.com/subject/1155470/ 《量子计算和量子信息（一）》]）。首先，对于电子量子的行为，我们仍然可以用类似的图形表示：

[[File:xtzdgcz3_8g.gif|图3-6|居中]]

<center>图3-6　　描述量子行为的复数概率图</center>

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~~与上图的不同之处就在于所有边上的条件概率都不再是一个~~[0,1]内的实数，而是一个复数，也就是这些条件“概率”可以写成复数的形式：

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与上图的不同之处就在于所有边上的条件概率都不再是一个[0,1]内的实数，而是一个复数，也就是这些条件“概率”可以写成复数的形式：

<center>[[File:xtzdgcz3_9g.gif]]　　　　　　(3)</center>

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这些复数“概率”有一个学名叫做概率波振幅。你一定会好奇怪，为什么要写成复数呢？a和b分别表示什么意思？i又表示什么意思？对不起，估计没有人知道这个问题的答案，这恰恰就是量子力学困惑那么多物理、数学大师的地方所在。不管怎么样，物理学家告诉我们，只要你假设电子的概率可以取复数，那么概率的那些运算法则对概率波振幅都成立。比如，我们可以计算出电子到达C点的概率波振幅：

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这些复数“概率”有一个学名叫做概率波振幅。你一定会好奇怪，为什么要写成复数呢？a和b分别表示什么意思？i又表示什么意思？对不起，估计没有人知道这个问题的答案，这恰恰就是量子力学困惑那么多物理、数学大师的地方所在。不管怎么样，物理学家告诉我们，只要你假设电子的概率可以取复数，那么概率的那些运算法则对概率波振幅都成立。比如，我们可以计算出电子到达C点的概率波振幅：

<center>[[File:xtzdgcz3_10g.gif]]　　　　　　(4)</center>

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量子力学还告诉我们，这个概率波振幅虽然满足概率运算的一切法则，可我们并不能直接观测到它，而只能间接地通过概率推测出它来。也就是说，我们在C点观测电子的概率是C点概率波振幅这个复数的模的平方，即：

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量子力学还告诉我们，这个概率波振幅虽然满足概率运算的一切法则，可我们并不能直接观测到它，而只能间接地通过概率推测出它来。也就是说，我们在C点观测电子的概率是C点概率波振幅这个复数的模的平方，即：

<center>[[File:xtzdgcz3_11g.gif]]　　　　　　(5)</center>

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~~让我们再来考虑在A点对电子的观测行为。首先，我们在A点观测到电子的概率是：~~

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让我们再来考虑在A点对电子的观测行为。首先，我们在A点观测到电子的概率是：

<center>[[File:xtzdgcz3_12g.gif]]　　　　　　(6)</center>

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其次，量子力学还告诉我们，一旦我们知道了电子到达A点的概率，电子的状态就会发生严重的扭曲变形（也就是观测行为会影响电子的状态），使得电子在整个行程中的状态都会发生变化。当在A点观测到电子的时候（概率是PA），概率图转变成(a)的情况，当在B点（概率是PB）观测到电子的时候概率图变成(b)的情况。

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其次，量子力学还告诉我们，一旦我们知道了电子到达A点的概率，电子的状态就会发生严重的扭曲变形（也就是观测行为会影响电子的状态），使得电子在整个行程中的状态都会发生变化。当在A点观测到电子的时候（概率是PA），概率图转变成(a)的情况，当在B点（概率是PB）观测到电子的时候概率图变成(b)的情况。

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[[File:xtzdgcz3_13.jpg|图3-7|500px~~|居中~~]]

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[[File:xtzdgcz3_13.jpg|center|thumb|图3-7 观测后的两张图|500px]]

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~~<center>图3-7　　观测后的两张图</center> ~~

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这样，综合(a)、(b)两种情况，只要在A,B发生测量，那么在C点观测到电子的概率就变为：

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~~这样，综合~~(a)、(b)两种情况，只要在A,B发生测量，那么在C点观测到电子的概率就变为：

<center>[[File:xtzdgcz3_15g.gif]]　　　　　　(7)</center>

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~~这样，对于任意的四个复数~~[[File:xtzdgcz3_15gg.gif]] 有：

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这样，对于任意的四个复数[[File:xtzdgcz3_15gg.gif]] 有：

<center>[[File:xtzdgcz3_16g.gif]]　　　　　　(8)</center>

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~~所以在中间AB屏测量电子的行为会严重干扰最终在C点测量粒子的概率。~~

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所以在中间AB屏测量电子的行为会严重干扰最终在C点测量粒子的概率。

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~~为了让我们对这种复数的运算有更清晰、直观的认识，让我们来考察一种特殊的情况，即让AC和BC的概率波振幅相等：~~

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为了让我们对这种复数的运算有更清晰、直观的认识，让我们来考察一种特殊的情况，即让AC和BC的概率波振幅相等：

<center>[[File:xtzdgcz3_17g.gif]]　　　　　　(9)</center>

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~~这样，我们可以计算得到：~~

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这样，我们可以计算得到：

<center>[[File:xtzdgcz3_18g.gif]]　　　　　　(10)</center>

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其中*表示复数的共轭运算，而：

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其中*表示复数的共轭运算，而：

<center>[[File:xtzdgcz3_19g.gif]]　　　　　　(11)</center>

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~~比较这两个式子，我们发现，关键的因素就在于P~~C和PC’相差一个项：

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比较这两个式子，我们发现，关键的因素就在于PC和PC’相差一个项：

<center>[[File:xtzdgcz3_20g.gif]]　　　　　　(12)</center>

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~~这一项在量子力学中称为相干项，也就是互斥的两条路径~~[[File:xtzdgcz3_lj1.gif]]和[[File:xtzdgcz3_lj2.gif]]会发生相互干涉，使得最后的测量结果发生偏差。我们知道由于Cos函数可以取正值或者负值，所以最终的PC有可能大于PC’也有可能小于它。

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这一项在量子力学中称为相干项，也就是互斥的两条路径[[File:xtzdgcz3_lj1.gif]]和[[File:xtzdgcz3_lj2.gif]]会发生相互干涉，使得最后的测量结果发生偏差。我们知道由于Cos函数可以取正值或者负值，所以最终的PC有可能大于PC’也有可能小于它。

===量子测量理论===

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