这个问题是一个深坑。|硬核:在量子世界,如果观察者是一头猪,也会产生观察者效应吗?( 三 )


当然 , 观察也可以不那么“完美”但仍然能获得一些信息 , 此时:
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也就是说猪与S形成部分纠缠 , 与S的两个状态相关联的猪的两个状态不完全可辨 。 此时就是一次部分观察 。
用大白话说 , 猪和系统形成多大的纠缠 , 猪就可以“告诉”我们多少关于S状态的信息 。
一般科普读物上会强调纠缠的非定域性 , 但是在观察过程中 , 纠缠的最大特性就是不可分割性 。 当?猪?和系统不形成任何纠缠的时候 , 虽然?猪?和系统可以构成一个更大的复合系统 , 但是我们仍然可以单独地描述?猪?、单独地描述系统 , 复合系统的性质仅仅是?猪?和系统性质的加和 。 但是我们知道 , 一旦形成了纠缠态 , 系统和猪就成了一个不可分割的整体 。 我们没有办法脱离猪的状态谈论系统本身的状态 。 而系统的所有信息 , 就和猪的信息纠缠不清了 。 此时 , (猪+系统)的复合系统性质就不再是(猪的性质+系统的性质)了 。
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这个时候 , 猪和系统共同构成一个完整的量子态(纯态) 。 而单独的系统和单独的猪 , 就都不能构成一个完整的纯态了 。 当我们谈论“系统”的时候 , 我们实际上是把系统和猪纠缠的那部分信息抛弃掉了 。 抛弃的结果 , 就是系统从叠加态变成了若干本征态的混合-从“and”变成了“or” 。
用一个不太严谨的话来说 , 薛定谔方程的幺正性意味着整个观察过程中的信息守恒 。 (猪+系统)作为一个纯态 , 整个过程中信息量保持不变 。 那么猪获得的信息 , 并不是在观察过程从猪这里额外产生的 , 而是在观察过程中 , 原本系统的独有信息“扩散”成为(系统+猪)的复合系统中的广域信息 。 此时刨除猪单独观察系统 , 就意味着刨除了这部分纠缠信息 。 这部分系统的丢失 , 就使得叠加态的丢失 。
比如说 , 一只这样的“仪表猪”对一个双缝干涉进行了观察 。 我们假定 , 该猪有着一个双态的记忆状态分别对应着光子的两个路径(我们可以把它想象成为一个可以偏左和偏右的量子指针)–我们用L和R表示 。 当它完成一次观察时 , 如果光子从左缝经过 , 那么猪的状态变为L , 反之则变为R:
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这里 , 我们用密度矩阵来表示整个复合系统(光子+猪)的状态:
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这是一个纯态 , 其中 , 分别表示L和R;
此时 , 如果我们想要观察光子 , 我们需要traceout猪(用大白话说 , 就是把猪的信息抛弃掉 , 伴随着这种抛弃 , 共有信息也就一起被抛弃掉了) , 得到光子的信息 , 用光子的约化密度矩阵就是这样的:
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我们可以看到 , 光子的密度矩阵中 , 表征干涉的非对角元素全部正比于
如果说 , 猪的两个记忆状态-L、R-之间能够完美可辨:
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此时根据我们前面的讨论 , 是一个完美观察 , 相应地我们看到 , 约化密度矩阵的非对角元全部消失了 , 即干涉消失了 。 反之 , 如果L、R完全重合:
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此时根据我们前面的讨论 , 是一个无效观察 , 光子的密度矩阵就完全不受猪的影响 , 它的干涉就被完全保留下来了 。 当介于两者之间的时候 , 这就是一个不完美测量