觀察者效應,以及真正的科普

2021-02-08 為了理解而教和學

最近已經在多個場合看到「觀察者效應」這個詞。一個是一篇來自科普團體「量子科學院」的科普文章,說的是,從雙縫幹涉實驗,我們知道「觀察者的觀察行為肯定會產生對被觀察對象的狀態影響」,就好像「一個足球運動隊員,在被觀眾看著的時候,的行為很可能和在沒有被看著的時候的行為,不一樣」。一個是薛兆豐在最強大腦關於「測不準原理」的解釋:由於觀測總是會干擾被觀測者的狀態,於是,測出來的就不一定是被測量者的狀態,因此,測量總是不可能完全測準的。

這都是瞎扯淡。

第一,科學家,或者具有影響力話語權的知識分子,要堅持,沒搞懂的東西不要亂講。

第二,所有用類比的方式,而不是通過幫助讀者和聽眾真正來搞懂最適合解釋和抓住這個現象的語言的方式,來解釋量子現象,或者更一般地所有或現象,都是瞎扯淡,都是非常危險的。

下面,我來嘗試真正地解釋一下觀測者效應和測不準原理。

第一,確實原則上觀測行為肯定會引入一個和觀測狀態有關的擾動的。例如,我們看到一輛車,肯定有從這輛車射入到我們眼睛的光子。但是,這個擾動不一定就會使得測量不準,或者改變系統的狀態。

注意,從實際測量的角度來說,任何時候,物理狀態的測量都是有誤差的。很有可能這個測量儀器帶來的誤差,遠遠就要比上面說過的擾動要更大。於是,上面的擾動可以被認為沒有造成對系統狀態的改變。你難道會認為,從那輛車反射過來的幾個光子,真的就改變了車的狀態?或者,一個硬幣放在那裡,某一面向上,你看一下這個硬幣帶來的這幾個光子的影響就真的可以使得硬皮反過來?扯淡呢。

從理論的角度來說,有巧妙的方法可以讓這個系統的狀態間接地傳遞到某個其他變量(有的時候是這個系統的其他維度的變量)上,使得這個測量本質上就不「擾動」這個原先的被測量狀態。

因此,把「觀測過程必然引入一個和觀測狀態有關的擾動」叫做觀測者效應,是瞎扯淡。第一,它天然對,固然對,顯然對,永遠對,因此也就沒有意義。第二,如果進一步把這個擾動擴大解釋為「改變系統的狀態」,則無論從實驗操作上還是理論上,都是不對的。那麼,第三,依靠這個來理解測不準原理,就更加扯淡了。

哦,順便,足球運動員和觀眾之間的那種「觀察者效應」可以有,那是心理學研究問題,跟物理學沒關係:觀察者——觀察——運動員——改變——心理狀態——改變——行動。

第二,我們來解釋真正的測不準原理:對於量子系統,某些成對的量(測量量記做X,Y,測量值記為x,y)不能同時被準確測量,或者說測量結果同時都是確定性的分布函數,也就是X只有一個確定值x,同時Y只有一個確定值y。如果你懂得Dirac的delta函數,那就是不可能同時滿足兩個分布函數都是delta函數:delta(x), delta(y)。也就是說,測不準原理的含義不是說,對於單獨的變量的測量就不可能得到確定值,例如delta(x);而是,只有對於某些成對的X和Y,不能同時得到確定值。

這樣的XY對可以是位置和動量,不同方向的自旋,不同方向的角動量等等。也就是說,如果我們取X方向位置和Y方向的位置,那麼,完全就可以同時得到確定值,但是,我們不能取X方向的位置和動量。

那,為什麼這樣說(實驗證據),理論上為什麼會這樣?在這裡,我們不再展開解釋。

另外,如果你希望先了解現象,再搞懂真正適合這個現象的語言,最後,用這個最合適的語言來理解這個現象,甚至用上面的這種方式來認識世界(理解科學、科學和數學的關係、學會學習方法),我推薦你去看看吳金閃在B站的「量子力學無基礎入門」(點擊原文連結可訪問)。不過,要注意,這個課程對於你的思維深度的要求很高,並且,最好在聽課過程中做計算、做作業。更多信息,可以看成長型思維和學習,順便說一下《量子力學無基礎入門》,敬告《量子力學無基礎入門》潛在用戶,吳金閃的《零基礎量子力學入門》課程推出。

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