在量子物理中，如果观察者是一头猪或者一只蚂蚁，会产生观察者效应吗？ - 贾明子 的回答

观察设备一致

补充问题1：观察这一行为究竟是通过什么方式影响到量子的物理规律的？

补充问题2：如果观测这一行为本身是无意识的(非智慧生物)，是否还会导致坍缩？

量子, 量子物理, 量子理论, 测不准原理, 观察者效应

这个问题是一个深坑。但是在现代量子力学的观点中，大约多数人认为观察是不需要意识介入的。

在回答这个问题之前，我们先要知道，什么行为可以看做是一种“观察”？

在裸量子力学（不附加诠释）中，“观察”是最基本的概念，它是不可约的，也就是不可以进一步解释的。任性地说，观察就是观察。只有在“观察”这个基础概念之上，我们才可以进行量子力学的计算，如果我们想对“观察”本身说些什么，基本上就需要跳出量子力学了，这也就是诸多诠释的分歧点的核心。

• 玻尔和海森堡对观察的看法，以其模糊不清著称，他们认为观察是在经典事物介入量子过程时，在量子-经典边界发生的（Heisenburg Cut），或曰“被不可逆地记录在经典存储器中”；
• 冯诺依曼认为，观察是意识的介入；
• 维格纳认为，观察就是意识中获得的关于系统的印象；
• 爱因斯坦、薛定谔、德布罗意等人认为，量子力学之所以无法解释观察，是因为它是一个表象理论，而不是本质理论 - 存在着某种尚未被理论涵盖的隐变量，这些隐变量才是物理真实，不因观察而改变。

那么，在玻尔和海森堡看来，猪和蚂蚁都是经典事物，它们肯定可以使波函数“坍缩”。

在冯诺依曼和魏格纳看来，猪或蚂蚁能不能坍缩波函数，取决于它们有没有意识。

在爱因斯坦等人看来，存在着独立于观察者的物理真实，量子力学暂时无法对它做出描述，不代表没有更本质的隐变量理论可以完成这个任务。

应该说，这些 早期的大佬们的看法，虽然有其历史意义，但是随着现代量子力学的发展，人们的观念正在超越他们。

那么，什么是“观察”呢？

直观讲，我们可以做出这样的假设：观察应至少具有如下两个特征：

• 假设1：观察伴随着信息的传递。 如果没有任何获取信息的可能，一个行为当然就不能被称为观察。
• 假设2：信息的传递过程可以被某种物理过程描述，任何非物理过程都非必要。

那么，从第一个特征来看，所谓“信息的传递”，就是 系统的某些性质与观察者形成关联（correlation） 。当一个观察者对系统完成了一个观察的时候，它获得了关于系统可观测量的信息（即使是它没有“意识到”这种信息）。也就是说，我们此时通过与观察者的交互，观察者可以“告知”我们系统关于该可观测量的信息。（比如说，我们以某种方式去“询问”那头猪，可以得到猪的观察结果）。对于系统S，以及一个观察仪器A，A对S做出了某种观察，其结果就是，我们可以通过A的某些性质，推知S的某些性质 – 因为A“知道”了S的这些性质。

从第二个性质来看， 观察的全部有意义效应，（至少在原则上）都可以用一个物理过程描述 。即观察是一个物理过程而不是非物理过程。因而观察者就不必然是一种“意识”的拥有者，它可以是一个有意识的主体，也可以是一个无意识的仪器，甚至是任意的某种物理系统。观察，就是系统与观察者的某种“相互作用”。

那么，从这两个特征联合起来看，观察就是系统与观察者的某种共同物理演化，其结果导致两者之间的性质关联。我们可以进一步假设，这种演化满足薛定谔方程：

• 假设3：观察过程可以被薛定谔方程描述。

从这三个假设出发，我们就可以对观察做出分析了。比如说，S是一个双态系统，对应着它的两个态，“猪”（基于假设2，我们就可以把猪看做是一台仪器）也有两个相应的记忆状态 - 请注意，这里的记忆态指的是一种 物理状态 ，也就是猪脑的某种神经激发态（如果是仪器，可以是数据硬盘的两个状态）。在发生观察之前，猪的状态是“无知”。发生了观察之后，它的状态就变成了“知道”。为方便计，我们把猪的“无知”状态记做 ，把“知道系统状态为1”的状态记做1，把“知道系统状态为0”的状态记做0。如果系统一开始处于某种本征态，那么猪的观察不会改变系统的状态，而相应地猪的记忆中就会产生对系统认知的对应状态。

根据我们的假设3，观察过程满足薛定谔方程，那么对于s的任意状态：

根据薛定谔方程的线性演化：

我们可以看到，系统和猪共同演化形成了 纠缠态 。

对猪而言，当它完成了一个观察，必然会导致它的猪脑的状态相应发生了变化。如果猪脑的两个记忆态可以明确区分，那么每个记忆态就明确对应着一个系统的状态，那么这个观察结果就很清楚地被记忆下来了。我们就可以根据猪脑的状态推知系统的状态（你可以想象成猪产生了清晰的认知印象）

反之，如果猪的两个记忆态完全重叠，那么我们无法区分这猪脑态，因而观察就没有有效的结果（你可以想象成猪产生了完全混乱的印象）。

请注意，为了生动表达，我这里比较不严谨地用了“猪脑”、“印象”这样的措辞。其实这不意味着猪需要有意识。我们完全可以把猪想象成一台仪器，猪脑就是一个仪表盘，仪表盘的指针可以偏向于0和1两个刻度，来指示系统的两个状态。如果两个刻度偏离很大，并且指针也很稳定，那么我们很容易判断出它到底偏向哪一个刻度（“猪脑”清晰的认知印象），这就是一个 完美测量 。但是，如果指针偏离程度很小，并且还在不停地在颤动。那么我们就会犯嘀咕：因为我们不太容易看出指针到底指向哪一个刻度，此时就很容易发生误读，这就是一个 不完美测量 。极端情况下，指针的偏离很小但是颤动很大，于是读数完全被颤动淹没掉了，那么我们就完全无法区分它到底偏向哪一边，此时它就完全“重叠”在一起，那么此时，仪表完全无法获取系统的任何信息 – 此时观察就失败了。

无效测量

完美测量

我们知道，S和猪之间的纠缠程度，可以通过计算它们的 共有信息（mutual information） 来判断。

其中，这里面的信息是用冯诺依曼熵表示的。S或猪的信息，是我们在复合系统中抛弃（trace out）另一方得到的信息量。共有信息的解读之一就是，当我们知道猪的状态时，能够得到S状态的信息多少 – 用大白话说， 就是猪可以“告诉”我们关于S状态的信息量是多少。

简化起见，我们令：

很容易我们可以得知：

我们可以看到，当猪可以明确分辨观察结果的时候，也就是 猪 的时候，猪和系统形成最大纠缠，上述共有信息最大，具体为一个比特（ln2）。而猪完全无法分辨观察结果的时候，也就是 猪 的时候，猪和系统之间就没有任何纠缠，上述共有信息就变成了0。

也就是说，当猪与系统形成最大纠缠的时候，它就从系统获得了最多的信息，（也就是说，S的两个状态和猪的两个 可辨 的状态完全关联。当我们知道猪为0态，我们就有100%的概率知道S也为0态，反之亦然。这种观察是完全确定的，并且是完全准确的。）就完成了一次“ 完美观察 ”。反之，如果它们不形成任何纠缠，猪也就无法从系统获得信息，这就是一次 无效观察 。

当然，观察也可以不那么“完美”但仍然能获得一些信息，此时：

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。

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：

这里，我们用密度矩阵来表示整个复合系统（光子+猪）的状态：

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trace out 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：

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：

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：

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

此时，是一个不完美的部分观察，我们可以看到，光子的密度矩阵中，非对角元素都被削弱但是仍然存在。也就是说，干涉仍然存在，但是被弱化了。

请注意，这里所说的干涉消失、弱化、或保留，指的是干涉在 光子的位置自由度 中消失、弱化、或保留 – 当我们忽略猪， 只观察 光子的时候，我们看到的情况。但是无论我们能否看到干涉，在光子+猪的复合系统中，干涉仍然存在 – 因为很显然，复合系统密度矩阵中，所有的非对角元都存在。只不过 干涉存在与光子和仪器的所有自由度之间的张量积所组成的configuration space中，我们不一定能够观察到可见结果 。

请注意一点，上面的一切讨论，虽然我们用到了“猪”、“观察”、“认知”等措辞，其实这些措辞都不必与意识有关。我们完全可以用“仪表”、“相互作用”、“指针指示”这样的措辞来替代它们。结果没有任何变化。

也就是说， 干涉的消失与猪是否有意识无关 ，这里的猪，完全是一只行尸走肉的“工具猪”。

• 当该工具猪做一个完美观察时，我们就不能得到干涉了。
• 当该工具猪做一个不完美观察时，我们将会得到一个弱化的干涉。
• 当该工具猪做一个无效观察时，干涉就被完全保留下来了。

我们可以考虑这样一个问题，猪有意识和无意识，区别是什么？

在我们看来，并没有任何的区别。但是在猪看来，区别就在于，猪是否“意识到”观察结果。也就是说，既然猪和系统的共同演化最终形成一个共同的叠加态：

那么如果猪有意识，那么猪会认知到何种结果？它会不会意识到一个“叠加态”呢？ 这就是魏格纳朋友思想实验的核心问题。

答案是，不会。

因为猪本身也不是一个孤立系统。猪无时无刻不在与外界环境纠缠着 - 它需要呼吸啊。猪和系统的演化一直是在环境的“监控”下完成的，最终会进入一个与无数环境自由度纠缠在一起的整体状态。猪的认知也需要trace out 环境的 - 也就是抛弃系统与环境的共有信息。

即使是我们不考虑环境，我们只考虑猪本身。猪的观察其实分了好几步才能完成：

1. 系统信息进入猪的眼睛，与眼睛发生相互作用；
2. 系统与眼睛进入纠缠态；
3. 眼睛产生的神经脉冲与大脑相互作用，产生意识态。

最终，猪的认知不是通过对系统的观察完成的，而是“猪脑”通过对“猪眼”的观察完成的。也就是说，在上面的第1、2步之后，系统和眼睛的状态就是：

当猪脑对眼睛的信号进行“观察”的时候，需要trace out系统：

同样，猪脑最后得到的结果就是0或1，而不是0+1.

最后，直观但不严谨地总结一句， 所谓的观察者效应，就是在一个纠缠的复合系统中，提取其中一个子系统信息，导致一部分共有信息的丢失。

INN: 划重点，1.观察是一个物理过程（包含相互作用）2.观察过程中有信息传递 (115 赞)

黄智君 -> INN: 没有意识的参与，有没有信息传递怎么定义？ (10 赞)

劉亞閤 -> 黄智君: 计算机运算过程中，“意识”参与什么了。 (41 赞)

黄智君 -> 劉亞閤: 意识没有参与啊 (2 赞)

周天 -> 劉亞閤: 让计算机这个过程运算本身就是意识主导的，计算机是意识的一个工具，没有人类意识，计算机程序会运行吗？

神秘的名字 -> 周天: 我就先抖个机灵，不要当真。如果用抛硬币的方法决定是否运行程序，这个算不算人意识主导的，严格来说决定计算机运行的是硬币而不是人了。😂 (11 赞)

神秘的名字 -> 黄智君: 反正计算机学科里的信息不牵扯意识，这玩意反映的是信号的种类以及出现的概率，对应到物理上就是熵。然而我也不知道物理上的信息是怎么定义的。 (4 赞)

伏地魔 -> 黄智君: 香农信息论不是说的很清楚吗？ (1 赞)

周天 -> 神秘的名字: 抛硬币决定程序运行这种事本身就是人的意识 (1 赞)

bmrl13: 只看懂好多个猪 (82 赞)

钟小鱼: 在现实中，如果用一台仪器去记录双缝实验中光子通过狭缝的方向，但人不去观看实验记录，那么干涉条纹会消失吗？ (11 赞)

黄智君 -> 钟小鱼: 仪器记录到光子路径，干涉条纹必消失，与人是否观察记录无关。 (78 赞)

贾明子 -> 钟小鱼: 干涉条纹消失了，但是干涉仍在。仪器在探测的同时，就进入与光子的纠缠，变成了干涉的一部分了。这个时候，仪器+光子仍然是一个纯态，所以干涉仍在。干涉发生在仪器和光子的所有自由度之间。但是单独的光子则变成了一个混合态了，只在光子的自由度内，没有干涉（也就是干涉条纹）。 (55 赞)

yzxdc -> 钟小鱼: 这不就是薛定谔的猫的恐怖之处么，哪怕你在房间里放了一百台摄像机，录了一百台胶带，因为这些东西都是量子构成的，所以这一百盘胶带都和猫一起进入了量子叠加态 (15 赞)

yzxdc -> 黄智君: 没有，人是观测者，所以要么生要么死。上面我说的那个例子，只要有人看了100盘胶带的一盘，那整个系统所有东西就会直接坍缩回经典态 (3 赞)

刘伯平 -> 钟小鱼: 跟人看不看没有关系。观测是指的仪器观测。你把宏观概念应用到微观是没法想明白问题的。观测并记录是需要与光子发生互动的，平时我们看见物体是因为光的反射，光进入人眼人才看见东西，那么首先要有光射到物体上，宏观上光当然不会使物体的位置和运动状态发生改变。但如果这个物体是光子呢？哪怕一个光子撞到这个光子它也会被弹飞，所以观测本身就造成了与被观测对象的互动，导致其与未被观测的状态有异。所谓人的意识如何如何的，那是半瓶子水或者在忽悠门外汉。这仍然是一个唯物主义的世界。 (4 赞)

哲学家888 -> 贾明子: 请教一下大牛，一直有个疑惑：探测光子的路径是怎么做到的？那只是一个光子啊，随便怎么探测都会影响它的波动/方向吧？那干涉条纹消失也就很好理解了。可目前看过的文章给我的印象都是这个探测只是提取了信息，而没有在其他方面影响到光子，所以双缝实验才这么恐怖。 (3 赞)

asdlittle -> 刘伯平: 测不准是内禀性质，能不能测准取决于算符是否对易，跟测量手段无关。这在数学上再清晰不过：你对A作测量相当于态矢量落到了A的某个本征态，从基变换的观点看自然就是B的本征态的线性组合，也就是B测不准了，除非你再测B让态矢量落到B的本征态，但这样又变成了A的本征态的线性组合，A又测不准了。而你的解释相当于把光子看成个同时有确定位置和动量的经典小球，只是由于测量技术手段的原因造成干扰测不准了，但被干扰后的光子还是个有确定位置和动量的小球，这不就完全变成了经典力学的说法么？ (3 赞)

asdlittle -> 刘伯平:

你这是把量子力学直接否定了好不好？你这等于说电子光子本质上都是经典的，量子力学只是测量技术手段限制造成的假象，Are you
serious？我觉得即便只知道量子力学的几大基本公理也不致于理解成这样，我甚至怀疑您连我之前说的态矢量、算符、非对易、本征态这些基本术语都没搞懂，这样没法有效沟通，您还是找本量子力学的教材读读吧 (4 赞)

艾姆普欧曼:

每一个字我都认识，怎么连起来我就。。。哦不好意思，公式我不认识

摊手 (33 赞)

沸腾的幻景 -> 艾姆普欧曼: 嗯，一个无效观察者观察了这篇文章😱😱😱 (55 赞)

知乎用户 -> 艾姆普欧曼: 我提取出了有效信息“猪”

杨玉皓: 观察只是个相互作用而已，测量也是，其实没有观察，只是相互作用使得波变成了粒子。再大胆的说，根本就没有波动粒子之分，只是同一个东西在大自然能找到两种类比而已。 (25 赞)

黄智君 -> 杨玉皓: 后面一句更接近真相。 (8 赞)

伏地魔 -> 杨玉皓: 互补原理

wei子: 我一直好奇，所谓的观察，不管是人或者机器，实际上都是对光的记录吧，镜头上采集到了光子，会有光的反射吗？造成自我干扰。而且我看网上的文章，都没有说清楚是用什么仪器，怎么观察的。不好意思，物理知识都快忘光了，用词比较白话一点。 (11 赞)

Rambo -> wei子: 那就别想弄明白啦，观察这个概念在现代物理中是很艰深的，专业人士也不是特别懂。这里只是量子理论，广义相对论扯进来后可观测的概念就更不容易理解了。 (11 赞)

黄智君 -> wei子: 观察就是提取系统信息，人的观察和仪器的记录都是提取系统信息。这样的提取系统信息的操作可能产生2个结果，纠缠或者不纠缠(事实上是无穷多个结果，因为还有部分纠缠)。贾的文章对这一块的解释通俗易懂，详尽透彻。 (11 赞)

沧海水 -> wei子: 有人已经想到你这个点，因为“光或者仪器 造成干扰”。所以设计了一个 延迟选择量子擦除实验 (1 赞)

树先生 -> wei子: 观察不一定是看，可以是听，皮肤感受波动温度，或者其他非直接接触行为啊

时间囚徒 -> 黄智君: 你是女孩👧？

黄智君 -> 时间囚徒: 有什么问题・_・?吗

时间囚徒 -> 黄智君: 没问题，就是对思维严谨，强大的女孩比较好奇。😲 (2 赞)

wei子 -> 沧海水: 不太清楚擦除实验的环境参数，因为光子速度很快，如果距离很短，仪器应该判断不出结果有没有发生变化，比如你观测到光子打到其中一个光板，另一边就没有产生干涉，其实光子打到光板后，反射波已经通过原路返回，影响到另一边纠缠的光子，但是这种反射波很快，仪器来不及反应。我瞎说一下哦，大概表达一种猜测~~

夜明的月下: [大哭]为什么!为什么开头的文章好好的。后面就上数学了呢？[大哭]为什么! (11 赞)

黄智君 -> 夜明的月下: 因为数理不分家 (4 赞)

知乎用户 -> 夜明的月下: 因为不上数学才不好，那个叫民科 (1 赞)

八年前我竟然: 对不起，我知道这个是干货，但是我看不下去[大哭][大哭][大哭] (10 赞)

知乎用户 -> 八年前我竟然: 直白点，不是看不下去，是看不懂了 (2 赞)

新王手提箱:

明白了，我是(￣(oo)￣)

吃瓜 (8 赞)

马老五: 可是观察和测量，本身就和意识有关啊，一个物体，无时不刻不在向外发射电磁波，可以被空气，被墙壁，被桌子，被仪器，被人眼观察到。其中，只有仪器和人眼是特殊的，能让波函数坍缩的。那么仪器和人眼对比空气与墙壁，有什么特殊之处呢？根据经典物理理论，信息是永远不会被磨灭的。那么照这么说来，干涉条纹永远不会出现。因为信息一直都在被记录。只要信息被记录，将不会有叠加态。 (3 赞)

云端 -> 马老五: 我和你的想法一样，实验的时候光在空气中传播与空气作用没有发生坍缩，被仪器记录后却会，这不很奇怪很矛盾么？如果观察只是信息交换，那么实验只能观察到粒子性。所以观测不是仪器记录而是人查看了仪器记录的这一行为本身。

Fcmorrowind -> 马老五: 你错了，双缝消失不代表纠缠小时，只代表纠缠跑到你看不见的地方去了。答主对延迟选择有一篇回答，分析的很清楚。 (1 赞)

马老五 -> Fcmorrowind: “观察”引起了“变化”，首先，是什么样的变化无关紧要。重要的是为什么“观察”会引发“变化”。“观察”是否有其特殊意义。空气以及其他普通物体与仪器为什么不能使干涉条纹消失？

流浪诗人 -> 马老五:

看了你的评论应该挺好的，顺便请教个问题
2022年诺贝尔物理学奖授予了研究量子纠缠的三位科学家，量子纠缠和双缝干涉实验都说明一个事——因果律不成立，可能先有结果再有原因。按照这个逻辑，平行世界是不是就不存在了？因为平行世界是不同的选择/结果产生的，既然只有一个结果，平行世界如何存在呢？
#诺贝尔物理学奖# #量子纠缠# #平行世界理论#

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