測量問題

在量子力學中，測量問題是關於確定結果的問題：量子系統處於疊加態，但量子測量卻只會給出一個確定的結果。

在量子力學中，波函數根據薛丁格方程式，以不同狀態的線性疊加形式進行決定性的演化。然而，實際的測量總會發現物理系統處於一個確定的狀態。波函數未來的任何演化，都基於測量時發現系統所處的狀態，這意味著測量對系統「做了些什麼」，而這顯然不是薛丁格演化的結果。測量問題所要描述的，就是這個「什麼」是什麼，以及一個由許多可能值組成的疊加態如何變成單一的測量值。

換一種方式表達（套用史蒂文·溫伯格的說法），薛丁格方程式決定了波函數在之後任何時間點的狀態。如果觀察者和他們的測量儀器本身也由一個決定性的波函數所描述，為何我們無法預測測量的精確結果，而只能預測機率？作為一個普遍性問題：如何能在量子現實與古典現實之間建立起對應關係？

薛丁格的貓

一個名為薛丁格的貓的思想實驗闡述了測量問題。實驗設計了一個機制，如果一個量子事件（例如一個放射性原子的衰變）發生，該機制就會殺死一隻貓。這個機制和貓被封閉在一個箱子裡，因此在箱子被打開前，貓的命運是未知的。根據量子力學，在觀察之前，原子處於量子疊加態，是已衰變和未衰變狀態的線性組合。同樣根據量子力學，這個由原子、機制和貓組成的複合系統，是由複合狀態的疊加態所描述。因此，這隻貓會被描述為處於一個疊加態中，即「原子未衰變—貓是活的」與「原子已衰變—貓是死的」這兩種狀態的線性組合。然而，當箱子被打開時，貓要嘛是活的，要嘛是死的：觀察不到任何疊加態。測量之後，貓的狀態就確定為活著或死亡。

貓的情境闡明了測量問題：一個不確定的疊加態如何能產生單一確定的結果？它也闡明了量子測量中的其他議題，包括：測量何時發生？是在貓被觀察到的時候嗎？測量儀器如何定義？是偵測放射性衰變的機制？是貓？是箱子？觀察者的角色又是什麼？

詮釋

通常被歸類為哥本哈根詮釋的觀點，是歷史最悠久、且總體而言可能仍是關於量子力學最廣為接受的看法。N·大衛·默爾敏創造了「閉嘴，算就對了！」這句話來總結哥本哈根式的觀點，這句話常被誤認為是理查·費曼所說，而默爾敏後來發現這句話不夠細膩。

一般而言，哥本哈根傳統的觀點假定，在觀察行為中有某種因素導致了波函數的塌縮。這個概念雖然常被歸功於尼爾斯·波耳，但實際上是由維爾納·海森堡提出的，海森堡後期的著作掩蓋了他與波耳在合作期間許多未曾解決的分歧。在這些學派的思想中，波函數可被視為關於量子系統的統計資訊，而波函數塌縮則是因應新數據而對該資訊進行的更新。如何確切理解這個過程，至今仍是個爭議話題。

波耳在1947年給包立的一封信中討論了他的觀點。波耳指出，諸如雲室或感光板等測量過程涉及巨大的放大效應，其所需能量遠超過被研究的量子效應，他並提到這些過程是不可逆的。他認為對此問題提出一個一致性的解釋，是一個尚未解決的難題。

休·艾弗雷特的多世界詮釋試圖透過提出宇宙只有一個波函數，即整個宇宙的疊加態，且它永不塌縮——因此沒有測量問題——來解決這個難題。取而代之的是，測量行為僅是量子實體（例如觀察者、測量儀器、電子／正電子等）之間的交互作用，這些實體糾纏在一起，形成一個更大的單一實體，例如活貓／快樂的科學家。艾弗雷特也試圖證明量子力學的機率性如何在測量中顯現，這項工作後來由布萊斯·德維特擴展。然而，艾弗雷特學派的支持者尚未就證明使用波恩定則計算機率的正確方式達成共識。

德布羅意-玻姆理論試圖以一種截然不同的方式解決測量問題：描述系統的資訊不僅包含波函數，還包含給出粒子位置的補充數據（一條軌跡）。波函數的角色是為粒子生成速度場。這些速度使得粒子的機率分佈與正統量子力學的預測保持一致。根據德布羅意-玻姆理論，在測量過程中與環境的交互作用會在位形空間中將波包分開，這就是表面上的波函數塌縮的由來，儘管實際上並沒有發生真正的塌縮。

第四種方法由客觀塌縮模型提供。在這類模型中，薛丁格方程式被修改並加入了非線性項。這些非線性的修改是隨機性的，並導致其行為對於微觀量子物體（例如電子或原子）而言，與通常的薛丁格方程式給出的結果極為接近，以至於無法測量出差異。然而，對於宏觀物體，非線性的修改變得重要，並引發波函數的塌縮。客觀塌縮模型是有效理論。這種隨機性的修改被認為源於某種外部的非量子場，但該場的性質未知。一個可能的候選是引力交互作用，如迪歐西與潘洛斯的模型所示。客觀塌縮模型與其他方法的主要區別在於，它們提出了與標準量子力學不同且可被證偽的預測。實驗已經接近可以測試這些預測的參數範圍。

吉拉迪-里米尼-韋伯（GRW）理論提出，波函數塌縮是動力學的一部分，會自發地發生。粒子有非零的機率經歷一次「撞擊」，或稱波函數的自發塌縮，其機率大約是每億年一次。儘管塌縮極為罕見，但測量系統中龐大的粒子數量意味著系統中某處發生塌縮的機率很高。由於整個測量系統是（透過量子糾纏）糾纏在一起的，單一粒子的塌縮會引發整個測量儀器的塌縮。由於GRW理論在某些條件下做出的預測與正統量子力學不同，嚴格來說，它並非量子力學的一種詮釋。

退相干的角色

埃里希·尤斯和海因茨-迪爾特·策主張，於1980年代奠定堅實基礎的量子退相干現象解決了這個問題。其想法是，環境導致了宏觀物體的古典外觀。策進一步主張，退相干使得識別量子微觀世界與古典直覺適用世界之間的模糊邊界成為可能。量子退相干成為一些基於一致性歷史的哥本哈根詮釋現代更新版的重要部分。量子退相干並不描述波函數的實際塌縮，但它解釋了量子機率（其展現出干涉效應）如何轉換為普通的古典機率。可參見，例如，祖瑞克、策和施洛紹爾的著作。

目前的情況正逐漸明朗，施洛紹爾在2006年的一篇文章中描述如下：

參見

關於此主題涉及的更技術性的數學處理，請參閱量子力學中的測量。

• 絕對時間與空間
• 構造器理論
• 愛因斯坦的思想實驗
• EPR悖論
• 格里森定理
• 觀察者效應（物理學）
• 觀察者（量子物理學）
• 物理哲學
• 量子認知
• 量子偽心靈感應
• 量子芝諾效應
• 維格納的朋友

進階閱讀

• R. Buniy, S. Hsu and A. Zee On the origin of probability in quantum mechanics (2006)
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de:Quantenmechanische Messung#Das Messproblem