如何理解很多物理理论中的「观察者」？这是不是属于比较唯心的说法？ 第1页

半夜睡不着，不请自来。

我争取从头说起，写一个中学水平能够看得懂的答文。太长懒得看的同学可以直接下拉到第五点。

短目录：1：电子双缝干涉实验；2：观察者效应的发现；3：观察者效应现象的物理意义;4量子擦除实验；5：观察者效应的机制；6：总结

先说结论：观察者效应揭示的问题本质，就是这个世界是遵循逻辑的。

对于量子物理的问题，应当从杨氏双缝干涉实验说起。

1. 电子双缝干涉实验：
   电子双缝干涉实验，在于一位先生开了个脑洞，在已知电子具有波的性质的前提下，他在想：如果让电子一个一个通过双缝装置，是否可以产生干涉图像。
   这个脑洞鸡贼的地方在于，双缝干涉的原理，是波通过双缝装置，被分成了两份，然后这两份波和自身产生干涉，形成干涉图像。
   而微观粒子除了具有波动性，还具有粒子性。那么单个电子，是否“被双缝装置分成两份”，就是关键点。
   即在双缝实验中“波通过双缝”和“产生干涉图像”互为充要条件。
   做这个实验的人自己估计都不会想到，这个实验的结果，竟然是真的产生了双缝干涉图像。
   
   很快这个脑洞止不住之下，另一个实验就顺势被设计出来了，这个实验设计的初衷，是为了探究”电子是否真的同时通过了双缝“，所以就有了以下这个实验：
2. 观察者效应的发现：
   为了探究电子双缝干涉实验中，电子通过双缝的细节，脑洞停不下来的各位很容易就能想到一个实验，我们接下来称其为”观察实验“。
   实验装置很简单，在杨氏双缝干涉实验的基础上，在双缝上各自安装一个探测器，如果电子通过其中一个缝隙，则能被仪器记录下来。脑洞先生满心以为这将能够很好的解释杨氏双缝干涉实验问题。
   万万没想到，这一探测，出了岔子：
   当实验者试图探测电子的实际路径时，实验结果发生了改变，干涉图像消失了。
   这就是观察者效应。
   接下来我先简单解释一下观察者效应的物理意义
3. 观察者效应现象的物理意义描述：
   量子物理里有一个简单的共识，就是不确定性原理。
   题外话：目前来说我要反对Ivony同
   学关于不确定性原理的解释：Ivony同学解释的不确定性原理，是基于测量会在一定程度上对系统本身造成扰动，而造成测量的不准确。这种情形是客观存在
   的，也是我们早期将不确定性原理翻译成“测不准原理”的出发点之一。但是必须要说的是，不确定性原理是有着严格的数学证明的，哪怕没有测量行为造成的扰
   动，不确定性依旧是客观存在的。具体的情形，就是矩阵数学中证明了动量和位置是一组不对易的量。同样的还有时间和能量。
   因而将这种扰动解释为不确定性原理的机制，是不严谨的。
   题外话结束
   不确定性原理体现在许多方面，而有一点，微观粒子的叠加态。
   简单的说，就是微观粒子如果可能存在A或B两种状态的话，那么在我们观察它之前，他是处于A和B的叠加态之中的。
   当然这对于某些非离散的状态，比如粒子的空间位置，也是成立的。
   薛定谔老人家提出著名的猫盒问题，就是试图否定这种叠加态的存在。当然我们说的杨氏双缝干涉实验证实了这种叠加态的存在。
   
   杨氏双缝干涉实验的基本形态，其实就是揭示了叠加态的存在：电子可能会通过缝隙A，也可能会通过缝隙B，但是只有这个电子既通过缝隙A，又通过B的时候，才会出现双缝干涉。这种情形就是叠加态。也就是我们说的薛定谔的猫又死又活。
   而这种叠加态并不难制备，应该说叠加态才是微观粒子最普遍的状态。
   而观察者效应，说的就是我们的观察让叠加态坍缩成某种A或B的确定状态的过程。
   这个坍缩是一个非常形象的词，在后面我会解释。
   
   在观察实验里，观察者效应，表现在：
   在我们观察电子的路径时，电子的路径通过缝A且通过缝B的叠加态消失，而转化为A或B的确定状态。
   而由于电子确定只通过缝A或者B，因而不会产生双缝干涉图像。
4. 量子擦除实验。
   我们接下来用这个同样脑洞大开的实验去试图解释管擦者效应。
   量子擦除实验的脑洞在于：如果我们观察了电子的路径，但是却处在一个没有人能够知道的情形——比如观察设备的输出和存储系统坏掉了，但是输入系统依旧完好的情形——我们是否可以看到干涉图像的出现。
   
   而量子擦除实验的结果是振奋人心的：虽然我们的探测器在工作，但是干涉图像依旧产生了！
   
   量子擦除实验告诉我们：是否存在观察者并不重要，重要的是，观察者知不知道
   或者说，严谨点的表述是，逻辑上来说，观察者有没有可能知道。
   
   是不是感觉更唯心了？我可以先丢结论：并不是，而且恰恰相反，唯物的不行。这个我很快会解释。
   
   我们接下来去探究这一系列实验背后真实作用的机制。
5. 观察者效应的机制
   
   先丢结论：逻辑，观察者效应机制存在于逻辑之中。
   至少基于杨氏双缝实验和其一系列的衍生实验，这个结论是十分明确的。
   
   我们把之前提过的几个概念都拿出来，其中会有一些有用的东西
   
   • 一个关键词：概率波。
   • 我们在杨氏实验中研究的叠加态，是电子的位置/路径，而电子的位置可以用概率波去描述
     最原始的杨氏双缝实验，“电子同时通过双缝”的说法，更严谨的表达是：电子的概率波同时通过双缝。
   • 观察的过程，本质上来说，是一个确定概率的过程

   就是这么一回事。观察的过程，在观察实验里，具体的说，就是：

   一开始，电子有一定概率通过缝A，也有一定概率通过缝B。而当我们的观察装置探测到电子通过缝A时，那电子就一定是通过了缝A而不可能同时通过缝B，反之亦然。

   
   

   Ivony同学提到观察会导致被观察对象的扰动，虽然不是能够从根本上去解释不确定性原理，但是用在观察者效应中是再好不过了。但是需要说明的是，Ivony同学提到的是观测手段对对象的扰动，而且近似于对其经典的物理状态，比如位置和动量的扰动，而这里所指的，是观测结果本身对对象的影响，而这种影响主要在概率上，而非某个确定的物理量。

   观察改变了电子的概率波站在空间中的分布。

   我们打一个比比方，在我们观察之前，电子可能出现的位置是一团云，概率云。中间密集，边缘稀薄。

   在杨氏双缝干涉实验中，我们实际就是发射了这样一朵概率云。概率云飞过双缝装置，被双缝分成两份，然后产生了自干涉，最终产生干涉图像。

   而在观察实验中，我们通过设备的观察，在设备探测到电子通过的一瞬间，我们确定了电子通过缝隙A。如果我们看得到概率云，就会发现概率云整个的体积缩小了，
   它全部出现在了缝隙A的范围之内——因为探测到电子就通过这里，缝隙A以外的地方电子出现的概率为零。这就是我们刚才说的，坍缩。概率云的体积坍缩了，变小了，我们可以简单的这样理解。只通过了缝隙A的概率云自然不会发生自我干涉，也就没有了干涉图像。

   而在量子擦除实验里，虽然我们观察了，但是我们依旧不知道电子会出现在什么位置。只要逻辑上不存在记录电子位置的可能性，概率云本身就不会发生坍缩。它依旧被双缝装置分成两份，分别从A和B中通过，然后自我干涉，产生干涉图像。

   
   

   观察者效应在于：我们从逻辑上排除了一部分可能性，重新确定了粒子状态的可能取值（值域），从而重新确定了概率。

   当然量子擦除实验也提示到一点：只要存在逻辑上能够获知观察结果的可能性，无论观察者本身是否利用了这种可能性，甚至是当前技术手段不能实验而仅仅存在于理论中的可能性，只要有，那么就不会产生干涉图像。
6. 总结：
   

   观察的行为本身，是对逻辑进行修正的概念。如果我们的观察无益于对观察的叠加态对象进行逻辑上的修正，那么观察就没有观察者效应的意义。

   因而我们说，观察者效应不是唯心的，而是严格的遵从于逻辑，是非常唯物的一种现象。

   增补 2016.4.29：我这里使用的唯心/唯物更多的是通识教育里的概念，并非是哲学术语。哲学术语里对于唯心/唯物的定义和我日常的理解是有所偏差的。

   我愿换一种表达方式：观察者效应是严格遵从一个客观的存在，并没有因人的意志去改变。

   另：指正了我关于唯心/唯物概念的Gaberber知友提到我这是比较「正统」的哥本哈根解释。这让我荣幸又惶恐，但是还是很不好意思的说，其实我一直不是很理解哥本哈根解释。我并非专业出身，整理这篇答文的时候加入了很多个人的想当然，在评论区内尤其。我一直觉得这篇答文里我提到的“观察修正逻辑”，其实大约相当于「微观现象被通过某种方式在宏观上造成影响，这里的某种方式就是观察」，不过这种拍脑袋下定义的方式很民科，大家笑过就好。

PS：对于观察者效应及其背后更根本的问题，学界应该说争议还是挺多的，无论是哥本哈根解释也好，或者后来出来的林林总总的各种假说，再到最近很热门的退相干，包括我自己在上面认同的观点，到目前为止都只能算是假说，缺乏决定性的证实，或者说是”诸多假说的一种”。

但是就观察者效应本身，这种解释目前来看是自洽的，而且并没有引入很多的其他假设。

我在正文之中并没有体现"假说”这一点，这是不严谨的，不过为了行文的流畅性，只好把这放在这里来说明了。