在双缝实验 里,从光源
a
{\displaystyle \mathrm {a} }
传播出来的相干光子束 ,照射在一块刻有两条狭缝
b
{\displaystyle \mathrm {b} }
和
c
{\displaystyle \mathrm {c} }
的不透明挡板
S
2
{\displaystyle \mathrm {S2} }
。在挡板的后面,摆设了摄影胶卷或某种侦测屏
F
{\displaystyle \mathrm {F} }
,用来纪录到达
F
{\displaystyle \mathrm {F} }
的任何位置
d
{\displaystyle \mathrm {d} }
的光子数据。最右边黑白相间的条纹,显示出光子在侦测屏
F
{\displaystyle \mathrm {F} }
的干涉图样。
在量子力学 里,态叠加 原理 (superposition principle)表明,假若一个量子系统的量子态 可以是几种不同量子态中的任意一种,则它们的归一化 线性组合 也可以是其量子态。称这线性组合为“叠加态 ”。假设组成叠加态的几种量子态相互正交 ,则这量子系统处于其中任意量子态的概率 是对应权值 的绝对值平方。[ 1] :316ff
从数学 表述,态叠加原理是薛定谔方程 的解所具有的性质。由于薛定谔方程是个线性方程 ,任意几个解的线性组合 也是解。这些形成线性组合(称为“叠加态”)的解时常会被设定为相互正交(称为“基底态 ”),例如氢原子 的电子 能级态 ;换句话说,这几个基底态彼此之间不会出现重叠。这样,对于叠加态测量任意可观察量所得到的期望值 ,是对于每一个基底态测量同样可观察量所得到的期望值,乘以叠加态处于对应基底态的概率之后,所有乘积的总和。
更具体地说明,假设对于某量子系统测量可观察量
A
{\displaystyle A}
,而可观察量
A
{\displaystyle A}
的本征态
|
a
1
⟩
{\displaystyle |a_{1}\rangle }
、
|
a
2
⟩
{\displaystyle |a_{2}\rangle }
分别拥有本征值
a
1
{\displaystyle a_{1}}
、
a
2
{\displaystyle a_{2}}
,则根据薛定谔方程 的线性关系 ,叠加态
|
ψ
⟩
=
c
1
|
a
1
⟩
+
c
2
|
a
2
⟩
{\displaystyle |\psi \rangle =c_{1}|a_{1}\rangle +c_{2}|a_{2}\rangle }
也可以是这量子系统的量子态;其中,
c
1
{\displaystyle c_{1}}
、
c
2
{\displaystyle c_{2}}
分别为叠加态处于本征态
|
a
1
⟩
{\displaystyle |a_{1}\rangle }
、
|
a
2
⟩
{\displaystyle |a_{2}\rangle }
的概率幅 。假设对这叠加态系统测量可观察量
A
{\displaystyle A}
,则测量获得数值是
a
1
{\displaystyle a_{1}}
或
a
2
{\displaystyle a_{2}}
的概率分别为
|
c
1
|
2
{\displaystyle |c_{1}|^{2}}
、
|
c
2
|
2
{\displaystyle |c_{2}|^{2}}
,期望值 为
⟨
ψ
|
A
|
ψ
⟩
=
|
c
1
|
2
a
1
+
|
c
2
|
2
a
2
{\displaystyle \langle \psi |A|\psi \rangle =|c_{1}|^{2}a_{1}+|c_{2}|^{2}a_{2}}
。
举一个可直接观察到量子叠加的实例,在双缝实验 里,可以观察到通过两条狭缝的光子 相互干涉 ,造成了显示于侦测屏障的明亮条纹和黑暗条纹,这就是双缝实验著名的干涉图样。
再举一个案例,在量子运算 里,量子比特 是的两个基底态
|
0
⟩
{\displaystyle |0\rangle }
与
|
1
⟩
{\displaystyle |1\rangle }
的线性叠加。这两个基底态
|
0
⟩
{\displaystyle |0\rangle }
、
|
1
⟩
{\displaystyle |1\rangle }
的本征值分别为
0
{\displaystyle 0}
、
1
{\displaystyle 1}
。
理论
在数学里,叠加原理 表明,线性方程 的任意几个解所组成的线性组合 也是这方程的解。由于薛定谔方程是线性方程,叠加原理也适用于量子力学,在量子力学里称为态叠加原理。假设某量子系统的量子态可以是
|
f
1
⟩
{\displaystyle |f_{1}\rangle }
或
|
f
2
⟩
{\displaystyle |f_{2}\rangle }
,这些量子态都满足描述这量子系统物理行为的薛定谔方程。则这量子系的量子态也可以是它们的线性组合
|
f
⟩
=
c
1
|
f
1
⟩
+
c
2
|
f
2
⟩
{\displaystyle |f\rangle =c_{1}|f_{1}\rangle +c_{2}|f_{2}\rangle }
,也满足同样的薛定谔方程;其中,
c
1
{\displaystyle c_{1}}
、
c
2
{\displaystyle c_{2}}
是复值系数,为了归一化
|
f
⟩
{\displaystyle |f\rangle }
,必须让
|
c
1
|
2
+
|
c
2
|
2
=
1
{\displaystyle |c_{1}|^{2}+|c_{2}|^{2}=1}
。
假设
θ
{\displaystyle \theta }
为实数,则虽然
e
i
θ
|
f
2
⟩
{\displaystyle e^{i\theta }|f_{2}\rangle }
与
|
f
2
⟩
{\displaystyle |f_{2}\rangle }
标记同样的量子态,他们并无法相互替换。例如,
|
f
1
⟩
+
|
f
2
⟩
{\displaystyle |f_{1}\rangle +|f_{2}\rangle }
、
|
f
1
⟩
+
e
i
θ
|
f
2
⟩
{\displaystyle |f_{1}\rangle +e^{i\theta }|f_{2}\rangle }
分别标记两种不同的量子态。但是,
|
f
1
⟩
+
|
f
2
⟩
{\displaystyle |f_{1}\rangle +|f_{2}\rangle }
和
e
i
θ
(
|
f
1
⟩
+
|
f
2
⟩
)
{\displaystyle e^{i\theta }(|f_{1}\rangle +|f_{2}\rangle )}
都标记同一个量子态。因此可以这样说,整体的相位因子 并不具有物理意义,但相对的相位因子具有重要的物理意义。这种相位因子固定不变的量子叠加称为“相干量子叠加”。[ 1] :317
电子自旋范例
设想自旋 为
1
/
2
{\displaystyle 1/2}
的电子 ,它拥有两种相互正交的自旋本征态,上旋态
|
↑
⟩
{\displaystyle |\uparrow \rangle }
与下旋态
|
↓
⟩
{\displaystyle |\downarrow \rangle }
,它们的量子叠加可以用来表示量子比特 :
|
ψ
⟩
=
c
↑
|
↑
⟩
+
c
↓
|
↓
⟩
{\displaystyle |\psi \rangle =c_{\uparrow }|\uparrow \rangle +c_{\downarrow }|\downarrow \rangle }
;
其中,
c
↑
{\displaystyle c_{\uparrow }}
、
c
↓
{\displaystyle c_{\downarrow }}
分别是复值系数,为了归一化
|
ψ
⟩
{\displaystyle |\psi \rangle }
,必须让
|
c
↑
|
2
+
|
c
↓
|
2
=
1
{\displaystyle |c_{\uparrow }|^{2}+|c_{\downarrow }|^{2}=1}
。
这是最一般的量子态。系数
c
↑
{\displaystyle c_{\uparrow }}
、
c
↓
{\displaystyle c_{\downarrow }}
分别给定电子处于上旋态或下旋态的概率:
p
↑
=
|
c
↑
|
2
{\displaystyle p_{\uparrow }=|c_{\uparrow }|^{2}}
、
p
↓
=
|
c
↓
|
2
{\displaystyle p_{\downarrow }=|c_{\downarrow }|^{2}}
。
总概率应该等于1:
p
=
p
↑
+
p
↓
=
|
c
↑
|
2
+
|
c
↓
|
2
=
1
{\displaystyle p=p_{\uparrow }+p_{\downarrow }=|c_{\uparrow }|^{2}+|c_{\downarrow }|^{2}=1}
。
这电子也可能处于这两个量子态的叠加态:
|
ψ
⟩
=
3
i
5
|
↑
⟩
+
4
5
|
↓
⟩
{\displaystyle |\psi \rangle ={3i \over 5}|\uparrow \rangle +{4 \over 5}|\downarrow \rangle }
。
电子处于上旋态或下旋态的概率分别为
p
↑
=
|
3
i
5
|
2
=
9
25
{\displaystyle p_{\uparrow }=\left|\;{\frac {3i}{5}}\;\right|^{2}={\frac {9}{25}}}
、
p
↓
=
|
4
5
|
2
=
16
25
{\displaystyle p_{\downarrow }=\left|\;{\frac {4}{5}}\;\right|^{2}={\frac {16}{25}}}
。
再次注意到总概率应该等于1:
p
=
9
25
+
16
25
=
1
{\displaystyle p={\frac {9}{25}}+{\frac {16}{25}}=1}
。
非相对论性自由粒子案例
描述一个非相对论 性自由粒子的含时薛定谔方程 为[ 1] :331-336
−
ℏ
2
2
m
∇
2
Ψ
(
r
,
t
)
=
i
ℏ
∂
∂
t
Ψ
(
r
,
t
)
{\displaystyle -{\frac {\hbar ^{2}}{2m}}\nabla ^{2}\ \Psi (\mathbf {r} ,t)=i\hbar {\frac {\partial }{\partial t}}\Psi (\mathbf {r} ,t)}
;
其中,
ℏ
{\displaystyle \hbar }
是约化普朗克常数 ,
Ψ
(
r
,
t
)
{\displaystyle \Psi (\mathbf {r} ,t)}
是粒子的波函数 ,
r
{\displaystyle \mathbf {r} }
是粒子的位置,
t
{\displaystyle t}
是时间。
这薛定谔方程有一个平面波 解:
Ψ
(
r
,
t
)
=
e
i
(
k
⋅
r
−
ω
t
)
{\displaystyle \Psi (\mathbf {r} ,t)=e^{i(\mathbf {k} \cdot \mathbf {r} -\omega t)}}
;
其中,
k
{\displaystyle \mathbf {k} }
是波矢 ,
ω
{\displaystyle \omega }
是角频率 。
代入薛定谔方程,这两个变数必须遵守关系式
ℏ
2
k
2
2
m
=
ℏ
ω
{\displaystyle {\frac {\hbar ^{2}k^{2}}{2m}}=\hbar \omega }
。
由于粒子存在的概率 等于1,波函数
Ψ
(
r
,
t
)
{\displaystyle \Psi (\mathbf {r} ,t)}
必须归一化 ,才能够表达出正确的物理意义。对于一般的自由粒子而言,这不是问题。因为,自由粒子的波函数,在位置或动量方面,都是局部性的。在量子力学 里,一个自由粒子的动量与能量不必须拥有特定的值。自由粒子的波函数可以表示为很多平面波的量子叠加 :
Ψ
(
r
,
t
)
=
1
(
2
π
)
3
/
2
∫
K
A
(
k
)
e
i
(
k
⋅
r
−
ω
t
)
d
k
{\displaystyle \Psi (\mathbf {r} ,t)={\frac {1}{(2\pi )^{3/2}}}\int _{\mathbb {K} }A(\mathbf {k} )e^{i(\mathbf {k} \cdot \mathbf {r} -\omega t)}\mathrm {d} \mathbf {k} }
;
其中,积分区域
K
{\displaystyle \mathbb {K} }
是
k
{\displaystyle \mathbf {k} }
-空间。
为了方便计算,只思考一维空间,
Ψ
(
x
,
t
)
=
1
2
π
∫
−
∞
∞
A
(
k
)
e
i
(
k
x
−
ω
(
k
)
t
)
d
k
{\displaystyle \Psi (x,t)={\frac {1}{\sqrt {2\pi }}}\int _{-\infty }^{\infty }A(k)~e^{i(kx-\omega (k)t)}\ \mathrm {d} k}
;
其中,振幅
A
(
k
)
{\displaystyle A(k)}
是量子叠加的系数函数。
逆反过来,系数函数表示为
A
(
k
)
=
1
2
π
∫
−
∞
∞
Ψ
(
x
,
0
)
e
−
i
k
x
d
x
{\displaystyle A(k)={\frac {1}{\sqrt {2\pi }}}\int _{-\infty }^{\,\infty }\Psi (x,0)~e^{-ikx}\,\mathrm {d} x}
;
其中,
Ψ
(
x
,
0
)
{\displaystyle \Psi (x,0)}
是在时间
t
=
0
{\displaystyle t=0}
的波函数。
所以,知道在时间
t
=
0
{\displaystyle t=0}
的波函数
Ψ
(
x
,
0
)
{\displaystyle \Psi (x,0)}
,通过傅里叶变换 ,可以推导出在任何时间的波函数
Ψ
(
x
,
t
)
{\displaystyle \Psi (x,t)}
。
参见
参考文献
Bohr, N. (1927/1928). The quantum postulate and the recent development of atomic theory, Nature Supplement 14 April 1928, 121 : 580–590 (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 ).
Cohen-Tannoudji, C. , Diu, B., Laloë, F. (1973/1977). Quantum Mechanics , translated from the French by S. R. Hemley, N. Ostrowsky, D. Ostrowsky, second edition, volume 1, Wiley, New York, ISBN 0471164321 .
Dirac, P. A. M. (1930/1958). The Principles of Quantum Mechanics , 4th edition, Oxford University Press.
Einstein, A. (1949). Remarks concerning the essays brought together in this co-operative volume, translated from the original German by the editor, pp. 665–688 in Schilpp, P. A. editor (1949), Albert Einstein: Philosopher-Scientist (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 ), volume II , Open Court, La Salle IL.
Feynman, R. P. , Leighton, R.B., Sands, M. (1965). The Feynman Lectures on Physics , volume 3, Addison-Wesley, Reading, MA.
Merzbacher, E. (1961/1970). Quantum Mechanics , second edition, Wiley, New York.
Messiah, A. (1961). Quantum Mechanics , volume 1, translated by G.M. Temmer from the French Mécanique Quantique , North-Holland, Amsterdam.
Wheeler, J. A. ; Zurek, W.H. Quantum Theory and Measurement. Princeton NJ: Princeton University Press. 1983.