波函数缩(wave function collapse)是指在量子力学体系中,当与外界发生作用后,波函数发生突变,变为其中一个本征态或有限个具有相同本征值的本征态的线性组合的现象。这一现象解释了为何在单次测量中物理量的值是确定的,尽管在多次测量中每次的测量值可能都不同。
简介
波函数坍缩是微观领域的现象,其中微观物质如电子表现出波粒二象性,其空间分布和动量以一定概率存在,形成所谓的“电子云”,即波函数。当对这些微观物质进行物理测量时,物质会随机选择一个单一结果表现出来,类似于子落地的过程。
详细说明
波函数从叠加态坍缩成A或A非至少从某种意义上符合最大(最大信息量)原理。
当我们要测量粒子的动量的时候,粒子不一定刚好处于动量的本征态,这个态可以表示为动量本征态的叠加(动量本征态组成一组完备的
希尔伯特空间的基矢),当我们用仪器对粒子进行测量的时候,相当于是对粒子进行了一个作用,即用动量
算符作用在这个态上,只进行一次测量的时候,我们只能得到一个动量值(动量本征值),而这个时候的态,只有处于
动量的相对应的本征态上时才会这样,这就是说,当进行测量的时候,因为我们的仪器对粒子的影响,使得粒子由原来的态坍缩到了这个动量本征态。但是我们测量的时候,也可能得到其他的本征值,即,也可能坍缩到其他的动量本征态,所以,要进行多次测量。
示例
假设量子基态为 A, A非, 又假设叠加态为
B = c1A + c2A非 (1)
从性质上来看,我们总可以认为 B有一部分属于A,另一部分属于A非,于是有,归一化的叠加态为
Bn= rA + (1-r)A非 (2)
0<=r<=1
现在来考虑Bn 所包含的相对信息量,显然相对信息量以A或A非为参照物是合适的,比如考虑“又死又活”的薛定谔猫相对于“死”或“活”包含多少信息是合适的。
于是我们形成了两种泛有序对
(A,Bn) (3-1)
(A非,Bn) (3-2)
我们要问:(3-1)和(3-2)取什么形式所包含的信息量最大呢
现在考虑(3-1)的泛有序对所对应的广义集合
A + Bn = (1+r)A + (1-r)A非 (4)
这个广义集合所对应的信息熵为
H= -(1+r)/2log2 ((1+r)/2) - (1-r)/2log2 ((1-r)/2) (5)
显然当 (1+r)/2 = (1-r)/2, 或 r=0时, 信息熵H取最大值Hmax
Hmax=1(比特) (6)
此时 (A,Bn) = (A, A非) (7)
再考虑(3-2)的泛有序对所对应的广义集合
A非+Bn = rA+ (2-r)A非 (8)
这个广义集合所对应的信息熵为
H= -r/2log2 (r/2) - (2-r)/2log2 ((2-r)/2) (9)
显然当 r/2 = (2-r)/2 , 或 r=1时, 信息熵H取最大值Hmax
Hmax = 1(比特) (10)
此时 (A非,Bn) = (A非, A) (11)
于是我们得出结论:
波函数从叠加态坍缩成A或A非至少从某种意义上符合最大熵(最大信息量)原理。