硬核科普量子力学中，为什么观测会导致坍缩？

　　简单总结两句话：
　　这个问题科学家们还不完全清楚。
　　这个问题科学家们知道的，比一般人想象中的要清楚得多。
　　如果用最简的语言来描述一下裸量子力学（baretheory）说了些什么，可以这样说，量子力学描述了系统的量子态如何演化，以及对某确定量子态的系统进行观察时，会得到何种结果。再简言之，就是两件事，一个是演化，一个是观察。
　　对应于这两件事，就有两个概念，一个是量子态（quantumstate），一个是可观测量（observables）。
　　微观粒子与宏观质点不同，它不能用确定的动量和位置来描述。在量子力学的基本公设里面，微观系统的运动状态可以完备地用量子态描述。量子态就是希尔伯特空间中的一个矢量（态矢量）。这个态矢量大家最熟悉的一种表达方式，就是波函数。在量子力学中，一个波函数可以完全定义一个微观粒子的全部运动状态：知道了量子态，就知道了量子系统的一切信息；反之，量子系统的一切信息全部组合起来就构成了量子态。
　　相对地，从实证意义上，我们更关心的是所谓的可观测量，也就是说，当我们观察系统的时候，我们会看到什么结果。这些可观测量包括在经典世界里我们能够看到的位置、动量、角动量、能量等等。我们说，量子态包含了一切可观测量的信息。
　　那么，量子力学的形式理论就围绕着这样两个问题展开：
　　给定初始状态，我们如何预言未来某一时刻的系统量子态？
　　已知一个系统的量子态，我们对其进行一个特定的观察，我们会得到何种可能的观测结果，以及获得这种结果的概率是多少？
　　前者就是演化问题，后者就是观察问题。在量子力学里面，各有一个公设约定这两个问题，前者是薛定谔方程，后者是波恩规则；
　　此外还有另一个公设把两个问题纠缠在一起，叫做投影公设这个公设还有另一个大名鼎鼎的名字，叫做波函数坍缩。
　　我们可以对这三个公设一一道来。
　　第一个公设是薛定谔方程。这个方程的地位，就像是牛顿第二定律在经典动力学中一样，是最基础的基石。它的主要作用，就是描述这个波是如何存在和变化的：它的波包形状如何？它的传播速度如何？它的振幅多大？它的频率和波长有多大？等等。
　　量子态是一个确定的、连续变化的、由决定论方程严格预测的状态函数。
　　第二个公设是波恩规则。在观察时，我们看到的不是波函数，而是某一个可观测量。每一个可观测量都对应着一系列的本征态和本征值（就是对该可观测量可以产生确定观察结果的量子态）。观察的结果就只可能是这些本征值之一。往往地这些本征值是离散的（但不总是这样！），这就是量子这个词的最初由来。那么具体结果会是哪一个本征值呢？这就由粒子的量子态与该本征值对应的本征态之间的重叠所决定。形象点讲，每个本征值对应着一个本征态，本征态也是一种量子态，是希尔伯特空间中的矢量。这个本征态与粒子量子态之间的夹角就决定了它出现的可能性。当量子态恰好是本征态的时候，它们夹角为零（完全重合），那么我们就有100的概率得到这个本征态对应的本征值。夹角越大，概率越低，当夹角为90（正交）时，概率就为零了。这就是波恩规则。
　　第三个公设是投影公设，也就是波函数坍缩。那么这个波函数坍缩是怎么回事？它又奇怪在何处？
　　它的奇怪之处，就在于它是演化与观察的纠结点。按照经典的观念，观察总是可以客观地反映系统的某个状态，系统的状态是独立于观察的。但是投影公设却告诉我们，观察时，我们得到何种结果，系统的量子态就突变为这个结果的本征态。这里就包含了两层意思：
　　第一层，它是与观察相关的，不独立于观察；
　　第二层，它是与薛定谔方程相悖的、突发的波函数演化。
　　请注意，波函数坍缩这个概念，并非玻尔或海森堡这些哥本哈根学者们提出的，而是由冯诺依曼提出的。这里最奇怪之处就在于，波函数的演化似乎是分成两种不同的模式，当我们不理它的时候，它满足薛定谔方程，是确定的、连续的、幺正的（冯诺依曼命名为U过程）；当我们观察它的瞬间，它会瞬间的发生随机突变这个突变不但是观察的瞬间发生的，而且是由你观察什么决定的（冯诺依曼命名为R过程）。你观察时发生了两件事，第一，根据你观察的可观测量，会产生一系列本征态的选项；第二，根据波恩规则，量子态从这些选项中选择其一。
　　如果说观察结果是由观察手段决定的，这一点还容易接受（经典理论其实连这一点都无法接受，因为观察是客观的）；但是说，系统的演化也是观察手段决定的，这就让人费解了。这是波函数坍缩最有争议的部分。
　　有些教科书说，这是因为观察难免要对系统产生干扰，因而观察就不可避免地改变系统的状态。这个解释很常见，也是最容易理解的，但是它是典型的经典思维，是错的。
　　如果说观察干扰且改变了系统状态，这就意味着在观察前系统已经有一个确定的状态了。而量子力学告诉我们的，是观察改变了量子态。量子力学在使用量子态这个概念，但是并没有说明量子态是什么东西它是系统的状态吗？不知道。如果说量子态就是系统的状态，那么叠加态到底意味着什么？从态矢量的角度看，它不但是可叠加的，而且是可任意叠加的。我们可以根据我们的计算方便，把它随意地看作不同状态的叠加。难道一个系统的状态可以是随着我们的意愿变化的吗？
　　并且，贝尔实验也明确地表明，在满足定域性的前提下，不可能存在一个确定的状态。所谓观察干扰了系统的状态是立不住脚的。
　　量子力学的基本假设中，观察、坍缩、R过程都是原生概念。作为一个公理，它就是基本的、不加解释的。在不对量子力学形式理论做出改变的情况下，我们不可能知道观察到底是什么，它是意识造就现实吗？还是个纯物理过程？不可说，不可说。
　　从纯粹的闭嘴计算态度看来，量子态是我们对观测结果作出预测的工具，量子力学这种工具的使用手册，坍缩只是工具使用手册中的一环。它有用，但是我们也只知道它有用，不知道别的。
　　用物理机制详细分析观察过程的第一人是冯诺依曼。他试图用物理过程解释观察结果试图将坍缩这个神秘过程用某种明确的物理过程消解掉。但是，从系统的由本征态组成的叠加态这个起点，经由系统与仪器的相互作用、观察者介入并接受仪器指示、到最终的我们在意识中认知到某一个特定结果这个终点，他发现过程中间是无法被完全消解的，因为由薛定谔方程的线性性质就可以推出，在系统与仪器、仪器与观察者之间的物理相互作用过程中，一切叠加态都将会保留下来。然而最后我们所意识到的观察结果，却是一个确定的、单一的结果。因而经过他对观察过程的详细分析，他只能消解掉其中的物理部分，而那些未消解的部分，被他归结为归结为非物理，也就是意识。他说，坍缩大概是与意识有关的。这就是意识坍缩的由来。
　　很多人言之凿凿地说观察是个纯物理过程，基本上都没有仔细想过这句话意味着什么，属于随意之语。如果观察是个纯物理过程，这意味着量子力学是不完备的。因为观察过程在量子力学中是作为公理存在的。如果观察过程是物理过程，作为一个完备的物理理论，就应该对这个过程做出描述，而不是付诸公设。以公设的形式作出强行规定，也就是说量子力学对这些物理过程无能为力。
　　以哥本哈根学派为首的一大票人的解释是，态矢量代表的不是物理状态，而是我们的认识状态因为我们无法直接获取微观粒子的物理状态。因而量子力学不描述系统的物理变化过程，而是描述我们对系统认知的更新过程。这就是所谓的认识论波函数，简称为。至于独立于我们认知的系统客观状态则是毫无意义的。叠加态作为一个认知状态的描述，就没有任何奇怪之处了。坍缩就是我们从外界获得观测信息后的贝叶斯更新。这里影响力最大的，就是哥本哈根诠释，它认为，微观世界与经典世界不同，态矢量适用于且只适用于微观系统。而微观粒子经由经典仪器把信息传递给观察者，就必然会在其中某一点坍缩为经典状态。也就是说，用量子态描述的微观粒子、只能接受经典状态信息的我们，这两者之间隔了一个经典仪器。在跨越量子经典边界的时候，波函数就坍缩了。
　　与之相对的，就是本体论波函数
　　，它非常明确地认为量子态就是物理状态，量子力学描述的是物理过程，而不是我们的认知过程。那么，这类理论就必须面临着叠加态是真实的物理状态这个问题，这就是多世界理论。多世界理论认为现实本身就是多重的。多世界理论既然反对认识论波函数，同时就必然会把观察过程看作纯粹的物理过程。那么它就需要对波恩规则和投影公设做出物理解释。有不少文献在这方面做出了开创性的工作（例如Deutsch和Wallace的决策论理论，Carroll和Albeit的postmeasurementuncertainty，Zurek的量子对称性等等），但是到现在还没有取得决定性突破。
　　还有一类受众较少，就是承认波函数的预测，但是认为波函数只是对更深层现实的认识论描述。这就是隐变量理论。但是贝尔定理告诉我们，隐变量必然是非定域的，与相对论冲突。
　　简单总结这三类观点：
　　物理现实毫无意义，物理现象才是我们应该关注的；物理现实不依赖于主观观察者，它是是多重的；物理现实是隐藏在波函数背后的单一现实，但是是非定域的。
　　也就是无现实、多重现实、单一非定域现实这三大类。传统的唯一的、定域的、确定的现实，是无法成立的。
　　为何说科学家对题主的问题认识其实比人们想象的清楚得多呢？这得益于人们对量子纠缠的认识和退相干理论的发展。请注意，很多人对退相干理论有极大的误解，认为它是一种诠释。其实不是的，它是一种纯粹的动力学理论。它是在量子力学的形式理论框架内，对观察过程做出分析。这个过程中理清楚了很多原来的模糊不清之处，但是并没有从根子上解决这件事。
　　我这里通俗地说一说退相干。退相干理论的核心是，观察就是观测仪器（或观察者）与系统、环境形成量子纠缠的过程。这个过程是纯幺正的、由薛定谔方程唯一描述的。比如说，我们有某个粒子，它可能有两个状态，分别是和；同时我们有一台仪器对之作出测量，仪器有一个仪表盘读数，一开始，它处于就绪状态，此时读数为0；然后我们用它测量粒子，它与粒子发生相互作用，如果粒子状态为，它的读数为1，否则为2。也就是说，粒子与仪器之间的相互作用就表示为：
　　那么对于任意一个处于叠加态的粒子，它在与仪器发生相互作用后，根据薛定谔方程的线性性质，就有：
　　这里就涉及了量子力学的另一个公设：复合系统的希尔伯特空间由子系统希尔伯特空间的张量积构成。这里我不对此作出解释，只是想说，根据这个公设，就有了大名鼎鼎的纠缠态在这种状态下，复合系统的量子态无法被表示成子系统量子态的张量积。通俗点说就是，纠缠态是不可再分的，它的态矢量无法被分割成为粒子仪器两个子系统的态矢量。和叠加的粒子与仪器相互作用后，并不会让仪表进入1和2的叠加，而是粒子和仪表共同进入、1与、2的叠加。此时单独的仪表或单独的粒子的量子态从数学上就不再有定义。
　　而此时我们观察仪表，就是在把这个整体系统（粒子仪表）强行分割为粒子的部分和仪表的部分来对待，如前所述，此时量子态不再有意义，从数学形式上，它就由纯态变成了混合态，也就是从一个叠加态变成了概率。
　　所以说，观察不是观察者对系统产生了什么影响，而是观察者与系统发生纠缠后不再有独立的定义。
　　前面我们提到，测量时其实发生了两件事：
　　1。根据可观测量的本征态形成一系列观测结果的选项；
　　2。系统坍缩至其中某一个本征态。
　　在退相干中，把第一个过程叫做preferredbasisproblem（偏好基问题），回答的是，为何观察所产生的结果总是确定的经典结果？为何我们不能看到既在这儿又在那儿的粒子，不能看到既死又活的猫，甚至既是猫又是狗的动物？
　　而第二个过程叫做outcomeproblem（输出值问题），回答的是，为何观察会产生一个特定的结果，以及为何产生这个结果的概率由波恩规则指定？
　　退相干问题可以回答第一个问题，但是对第二个问题无能为力。这个问题归根结底还是要依赖于诠释。
　　所有那些认为坍缩存在的诠释，对第二个问题的答案就是，这个过程就是坍缩。它仍然是一种（物理的或非物理的）神秘过程。
　　多世界理论对第二个问题的答案是，这是一个符合幺正演化的纯物理过程，因而观察就不会只产生一个特定结果，而是所有可能的结果全部保留下来了，只不过我的一个副本只能在一个分支上意识到一个结果。
　　这就是到现在为止，仍然存在的分歧。
　　最后回到这个问题，量子力学中，为什么观测会导致坍缩？，答案是，科学家们并不清楚观测是不是导致坍缩。更谈不上回答为什么。但是科学家们正在从不同的方向上接近这个答案。