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系綜詮釋是量子力學的一種詮釋,也是一種最小的詮釋,即它提出最少的假設來表述量子力學。系綜詮釋有時也被稱為統計詮釋,其核心是馬克思‧玻恩對於波函數給出的統計詮釋。玻恩因此基礎研究榮獲諾貝爾物理學獎[1]。
系綜詮釋表明,波函數能夠統計地描述系綜的性質,但波函數不一定能完備地描述單獨量子系統的性質,例如,單獨粒子[2]:234-235。在這裏,系綜指的是,理論而言,無窮多個以相同方法與條件製備而成的系統,而單獨系統只的是其中任何一個系統。阿爾伯特‧愛因斯坦是系綜詮釋的著名支持者之一:[3][2]:47
若嘗試將量子理論描述視為單獨系統的完備描述,則這會導致不自然的理論詮釋;反言之,若能接受這描述所提到的是很多系統組成的系綜,而不是單獨系統,則這嘗試立刻會變得不必要。
——阿爾伯特‧愛因斯坦
至今為止,系綜詮釋的最有力發言者當屬西門菲莎大學物理學教授雷斯利·巴倫亭,他撰寫的教科書《量子力學的一種現代發展》(Quantum Mechanics, a Modern Development)對於系綜詮釋有很詳細的說明。[2]
與許多其他量子力學的詮釋不同,系綜詮釋並不試圖從任何決定性程序對於量子力學給出辯解或導引,它也不會給出任何關於量子現像真實內秉性質的說明,它只是一種對於波函數的詮釋方法。
系綜與系統
[編輯]![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/75/Double_Slit_Experiment_no_detector.svg/200px-Double_Slit_Experiment_no_detector.svg.png)
在系綜詮釋裏,系綜指的是,理論而言,無窮多個以相同方法與條件製備出來的系統,而單獨系統只的是其中任何一個系統;由於不確定性原理,這些系統會在某些細節彼此之間有所不同。系綜詮釋與哥本哈根詮釋的主要不同之處為[2]:234-235
- 根據哥本哈根詮釋,純態對於單獨系統給出完備與詳盡的描述。
- 根據系綜詮釋,純態描述的是系綜的統計性質,而不是單獨系統的性質。
在系綜詮釋裏,量子態可以用測量結果的概率分佈來設定,而不可以用單獨測量的結果來設定。[2]:48例如,在雙縫實驗裏,從粒子源 發射出來的相干粒子束,照射在一塊刻有兩條狹縫 和 的不透明擋板。在擋板後方有探測屏。粒子抵達探測屏的輻照度會呈黑白相間的條紋,這是粒子的干涉圖樣,展示於示意圖最右邊。
設定、分別為粒子從狹縫 、狹縫 經過的量子態。粒子的量子態為
- ;
其中,、分別為處於量子態、的概率。
量子態是個疊加態,它描述的只是粒子經過狹縫 、狹縫 概率、,它並不能給出粒子的確切路徑。
哥本哈根詮釋不允許存在任何隱變量理論,因為量子態具有完備性;系綜詮釋對於隱變量理論不置可否,它只強調必須以系綜來詮釋量子態。[4]:第6章
單獨系統
[編輯]雖然系綜詮釋闡明,波函數不適用於單獨系統,但這不意味著系綜詮釋不能被應用於單獨系統,重點是在波函數與單獨系統之間不存在一一對應,例如,一個微觀物體可能處於兩種量子態的疊加態。系綜詮釋只能用來預言,對於單獨系統的某種性質做重複測量得到某個數值的概率。
設想擲骰子遊戲,同時擲兩顆骰子於桌子上。對於這案例,系統是兩顆骰子,擲出骰子後,會得到很多種結果,例如,兩顆五點、兩顆兩點、一顆三點與一顆六點等等,每一種結果都伴隨有對應的概率。擲兩顆骰子100次會得到一個100次試驗的系綜。對於這系綜,經典統計學能夠預言某種結果會發生的次數,但是,它不能夠預言某次擲骰會得到的確切結果。這就是系綜詮釋聲稱波函數不適用於單獨系統的原因。在這裏,單獨系統的意思就是說擲兩顆骰子一次。
對於這案例,哥本哈根詮釋的處理方式並沒甚麼不同。不論是估算單獨系統或是估算很多系統組成的系綜,量子力學不能從量子態預言做實驗會得到哪種結果,只能預言得到某種結果的概率。雖然哥本哈根詮釋主張,純態對於單獨系統給出完備與詳盡的描述,這主張並沒有抵消任何量子力學預測的概率性質。為了要核對量子力學的預測,必須多次重複做同樣的實驗,換句話說,必須給出一個系綜。在這方面,這與系綜詮釋的內涵不謀而同。量子力學不能預測某單獨粒子會明確地在某時間會處於某位置,擁有某動量,儘管它能夠給定這單獨粒子地波函數。從這角度來思考,哥本哈根詮釋無法完備地描述單獨系統。
測量與塌縮
[編輯]系綜詮釋的優點是,它乾脆地擺脫了量子態塌縮這艱澀的論題。系綜詮釋假定,波函數只適用於很多系統所組成的系綜,因此,可以避免要求單獨系統處於幾種不同的量子態這,這樣,波函數不需要涉及約化的概念。舉例而言,設想一個量子骰子,其量子態可以以態向量的形式表示為
注意到,在這方程式裏,符號"+"不是代數加算符,而是在統計學裏的一種標準概率算符。態向量是一種概率數學物體,對其測量所得到的答案是一種結果1或另一種結果2、3、4等等。
很清楚地,每一次擲骰子後,在六種可能量子態至之中,只會觀測到中一種量子態。根據系綜詮釋,沒有任何明文規定,疊加態必須發生塌縮,或疊加態必須實際存在。態向量不能視為物理實體,不能視為照字面解釋的疊加態。態向量應該視為一種抽象的統計函數,只適用於很多個系統組成的系綜,不能應用於單獨系統。
動機與批評
[編輯]大衛‧梅敏恩認為,概率性的基礎物理完全可以直接應用於單獨系統,因為,歸根結底,自然世界是由很多單獨系統組成的。系綜詮釋之所以會被有些物理學者青睞,主要是出自於兩種動機。第一種動機是渴望遵循經典原理(隱變量理論)。在「概率理論必須涉及系綜」這觀念裏有一個隱性地假定,即概率描述的是無知,而隱變量代表的就是我們所無知的。對於這動機,梅敏恩批評[5][6]
"在一個非決定性世界,概率與不完全的知識毫無干係,因此不需要使用系綜的概念來做詮釋。"
然而,根據愛因斯坦,系綜詮釋被青睞的關鍵動機,不是隱隱地假定概率性的無知,而是撤除不自然的理論詮釋。[2]:47
第二個動機涉及到量子力學的概率性質。由於量子力學內秉地具有概率性,量子力學只能是一種系綜理論,否則就不具意義。對於這動機,梅敏恩反駁
"對於單獨系統,概率是否能給出合理的意義,這動機並不能令人信服。因為,一個理論必須能夠描述與預言世界的行為。[雖然現今]物理不能對於單獨系統給出決定性預言,我們追求能夠描述單獨系統物理行為的目標,不能因為這事實而輕易放棄。"
- ^ The statistical interpretation of quantum mechanics (PDF). Nobel Lecture. December 11, 1954.
- ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 Ballentine, Leslie. Quantum Mechanics: A Modern Development 2nd, illustrated, reprint. World Scientific. 1998. ISBN 9789810241056.
- ^ Einstein's Reply to Criticisms, Einstein: Philosopher-Scientist, ed. P.A. Schilpp (Harper & Row, New York)
- ^ Ballentine, Leslie. The Statistical Interpretation of Quantum Mechanics. Reviews of Modern Physics. October 1970, 42 (4): 358–381. doi:10.1103/RevModPhys.42.358.
- ^ Mermin, N. David. The Ithaca interpretation of quantum mechanics. Pramana. 1998, 51 (5): 549–565. doi:10.1007/BF02827447.
- ^ Mermin, N. David. What is quantum mechanics trying to tell us? (PDF). Am. J. Phys. 1998, 66 (9): 753–767. doi:10.1119/1.18955.