在热统里说粒子只会在一个态上，为啥没有叠加态这一说？
热力学：宏观统计的视角
热力学这门学问，它的“出生”和“发展”很大程度上是为了解决宏观的、工程上的问题。想想看，蒸汽机、内燃机，这些东西都需要我们了解能量如何在系统中转化和传递，需要知道系统有多少“势能”可以做功，需要知道热量会往哪里流。所以，热力学关注的是大量粒子组成的宏观系统的整体性质，比如温度、压力、体积、内能、熵等等。
在热力学里，我们通常会说“粒子在某个状态上”。这里说的“状态”通常指的是经典力学意义上的状态，比如粒子的位置和动量。但是，热力学之所以能有效地描述宏观现象，是因为它采用的是统计方法。
想象一下，我们有一箱子的气体分子。你想知道这箱气体的温度，你不可能去测量每一个分子的速度，然后求平均。那太不现实了！热力学厉害的地方就在于，它用统计的手段，通过“大量粒子”这个概念，来描述系统的性质。
所以，当热力学说“粒子只会在一个态上”时，它其实是在描述一个平均的、宏观的概念。它不是说某个特定的、单个的粒子在某一时刻必然占据一个确定的经典状态，而是说：
我们关注的是整个系统的统计分布： 在一个处于热平衡状态的宏观系统中，大量的粒子虽然都在运动，但它们的状态（位置、速度）是随着时间变化的。热力学关注的是在某个时刻，这些粒子大致处于各种可能状态的“概率分布”。例如，玻尔兹曼分布就告诉我们，能量越高的粒子，其数量越少。
“一个态”代表的是平均情况或者说概率平均： 就算真的要考虑单个粒子，热力学语境下的“一个态”更像是描述这个粒子在“大量粒子整体分布”中所扮演的平均角色，或者说是在统计意义上最可能存在的那个状态。它不是量子力学那种“本征态”的概念。
量子效应在宏观尺度下被平均掉了： 即使微观粒子本身具有量子性质，当粒子数量极其巨大时，这些量子叠加、不确定性等效应在宏观尺度上会被平均掉。比如，单个电子处于叠加态，但在一个宏观的物体里，成千上万亿的电子的总状态，以及它们之间的相互作用，最终表现出来的宏观性质（如温度、导电性）是非常确定的。
量子力学：微观粒子的基本规律
量子力学则是另一番景象。它直接研究的是微观粒子（电子、光子、原子等）的行为。在量子力学里，“叠加态”是一个核心概念，而且非常重要。
叠加态是微观粒子固有的性质： 根据量子力学，一个微观粒子在被测量之前，可以同时处于多种可能状态的“叠加”。比如，一个电子的自旋，在被测量之前，它可以同时处于“向上”和“向下”的叠加态。只有当你去测量它时，它才会“坍缩”到其中一个确定的本征态上。
量子力学描述的是个体粒子的概率幅： 量子力学计算的是粒子处于某种状态的概率，而不是一个确定的经典位置或动量。粒子并不“真的”同时占据所有叠加的状态，而是它的“状态向量”是这些可能状态的线性组合，每个组合都有一个对应的概率。
测量行为是关键： 量子力学的测量过程会迫使粒子从叠加态“选择”一个具体的状态。
为什么热力学语境下“没有叠加态”这个说法？
主要原因在于两者关注的尺度和描述方式不同：
1. 尺度差异： 热力学研究的是由大量（通常是阿伏伽德数级别，即 $10^{23}$ 量级）粒子组成的宏观系统。在这个数量级上，任何单个粒子的量子叠加状态，经过大量粒子之间的相互作用和统计平均后，其量子效应几乎可以忽略不计，宏观表现出来的是经典、确定的物理量。
2. 描述目标不同： 热力学旨在预测和解释宏观现象，如传热、做功、相变等。它提供的是一种“全局”的、统计的视角，不需要深入到单个粒子的量子叠加细节。它的“状态”概念是为了描述宏观系统的整体属性，比如给定温度和压力的气体，我们关心的不是每个气体分子的具体量子态，而是整体的能量和运动。
3. “态”的定义不同： 热力学中的“态”（比如“处于某个能量、某个动量的状态”）更多是经典力学意义上的，或者是一种统计意义上的“平均状态”。而量子力学中的“态”则是一种概率幅的叠加，是微观粒子基本属性的描述。
4. 退相干效应： 即使微观粒子处于叠加态，一旦它与环境（比如大量的其他粒子、光子等）发生相互作用，它的量子叠加态就会迅速“退相干”，表现出经典的行为。在宏观热力学系统中，这种退相干效应非常普遍且快速，以至于量子叠加态几乎不存在。
打个比方：
想象一下，你走进一个非常拥挤的演唱会现场。
量子力学视角： 它可以描述你左边这个人戴着红帽子，右边那个人拿着蓝色荧光棒，而你本人可能正处于“想站起来”和“坐着不动”的纠结叠加状态。
热力学视角： 它关注的是整个演唱会现场的“热度”——有多少观众（粒子数），他们的平均情绪（平均能量），以及人群的整体拥挤程度（密度）。它不会去关心你个人此刻是不是处于“想站起来”的叠加状态，因为在如此庞大的人群中，你个人的细微状态被巨大的整体效应所掩盖。即使你真的处于纠结状态，也很快会被周围人群的运动、音乐的节奏等环境因素“拉扯”，最终表现出更符合群体规律的行为。
所以，在热力学里，我们谈论的“粒子状态”是为了描述宏观系统的统计行为，它是一种简化和平均后的结果，不是量子力学意义上的微观粒子叠加态。就好比我们谈论“一锅水的温度是100摄氏度”，我们关注的是水的整体热状态，而不是锅里每一个水分子此刻的量子状态。
网友意见
我觉得 @傅铁强 已经说得很明白了，我这里梳理一下思路。因为整个推导需要同时用到量子力学的基础知识，和（注意这里仅讨论平衡态统计力学，非平衡态统计力学还没有完善的理论）统计力学的基本假设：
思路1
统计力学里，有兴趣的是统计算符，而用得最多的，是玻尔兹曼算符（其他统计算符同理，反正在热力学极限下，所有的统计算符将给出一样的结果）：
那么要做具体计算，显然弄一套让统计算符为对角的表象最为合适。肉眼观察，统计算符是哈密顿量的函数，那么能让哈密顿量成为对角的表象，也能让统计算符为对角的。
思路2
考虑密度算符（ 是系综中系统的数目）：
这里并没有规定 是什么态。它只需要是某一个Hilbert空间里的态矢量即可。注意系综里所有的系统，都共享同一个Hilbert空间。（以下推导使用了量子统计力学的独有的基本假设：先验无规相位假设）
这是一个非对角矩阵。但是平衡态统计力学里，只关心密度矩阵的迹，因为密度矩阵的信息是过量的，在平衡态统计力学里只有迹是有用的。容易验证上边的本征态表象下的密度矩阵仍然满足密度矩阵的三个主要性质。
（三个主要性质见这里：Dan C. Marinescu, Gabriela M. Marinescu, inClassical and Quantum Information, 2012）
性质1:
性质2:
这就是：
性质3:
正定。容易证明，留做习题。
（相关推导可见：Jay Theodore CremerJr., in Advances in Imaging and Electron Physics, 2012；William H. Louisell, Quantum Statistical Properties of Radiation, Wiley 1973）
密度矩阵入门级的详细讨论：
量子统计近几十年的发展表明，过去的想法有不完全的地方。Pathria的最新版统计力学已经写进去了本征值热化和多体局域化这两个重要论题。
很简单，因为你看的是经典统计力学。真正的量子统计力学不会只字不提密度矩阵算子光讲半天“哪个粒子占据了哪个能级上的哪个态”的。既然本质是经典理论，那当然不讨论量子叠加态了。这就跟玻尔的旧量子论一样的，虽然也用一些量子力学术语，但思路还是经典的。你不能指望它能完全重现所有的量子效应：
首先，题目的原文没有讨论系统随时间演化，且认为N,E,V都是确定的，说明是忽略环境作用的孤立系统。因此在量子统计里用不含时的密度算子来描述该系统。
（以下可能有细节疏漏，请 @贾明子 @Triborg @赵明毅@渣渣健@正樹@赵泠@lesser@荀白龙@李长星@Mistmoore@田三川难波兎NO.2@Xi Yang@Pieris CuiHJo@PhilosopherMBJ@张越之@DerJungePrinz 诸位老师指教）
根据密度算子 服从的Liouville–von Neumann方程
所以不显含时间的密度算子会和 对易，从而在能量表象下是对角的。那么根据密度算子的自然定义，可以将它看做是多个能量本征态按经典概率直接混合而得，不需要用到这些能量本征态的相干叠加。所以相应的“经典”解释也只需要提到能量本征态就行了，也就是题目引文中“能级上的第1,2……个量子态”而不考虑它们无穷多种的相干叠加。这样就可以既能解释实验结果又回避详细说明的麻烦。
注意其他表象下密度算子未必是对角矩阵，不要相信什么“不同表象没有区别，没必要重复考虑”的民科梦呓。要真这样干嘛不随便找个角动量的本征态来整活呢？
事实上，如果是显含时间的密度算子，上面那套就会失效，未必是对角阵。那你“只把能量本征态全都考虑一遍”相当于只考虑了矩阵的对角元，怎么可能算得上全部？还什么“相当于所有态都考虑过一遍”，唉……
连个对角化都不会证明，就推托“只能当成一个假设”。这民科，难怪会说：
先不说存不存在的事，【退相干】什么时候便乘【薛定谔的猫】了？因为你说了“就是”啊？
还有，高爆鸣人居然还就此向本人发起了威胁恐吓：
物 以 类 聚
1，为什么“根本不在乎别人看法”，却要记着一大堆名人有样学样呢？
2，小P刚知道WYB居然也爱喝奶茶，惊呼偶像个性鲜明，不拘一格，敢说敢做，试问小P平时是活得多压抑啊？
3，杨振宁就是清华的，谢谢。
高爆鸣人赶紧呼叫雷奕安团伙圆场手“莫非驴”来圆场辣！
莫非驴：对体温就37摄氏度的我而言，谈论100摄氏度的水蒸气毫无意义，纯属扯淡！热学整天讨论什么400K的气体，什么200K的孤立系统？毫无意义，纯属扯淡！所以哪有什么热学？哪有什么热统（热力学和统计力学）？这就是驴的简单粗暴！听懂掌声！
同理，莫非驴是一个碳基生物，按照他的暴论，他谈论的内容不是碳基生物，所以他也在██意义，纯属██！莫非驴绝对不是什么【连█都不懂】！没有谁比莫非驴更懂█了，因为他有自知之明！
猫立刻压根就没打过什么圆场，“傅同学的意思是……”都是莫非驴的妄想。实际上我压根就没讨论什么【趋向热平衡的过程】怎样怎样。哥解释已经到了热平衡的体系会如何就完了，怎么趋近的过程与题目根本就没关系。只有莫非驴在疯狂加戏，自我脑补复杂化，好方便莫非驴浑水摸鱼。
哇！莫非驴报的菜名好多好多喔！“观察者”“弱测量”“拉普拉斯妖”一大堆名词好叼好炫酷，不愧是资深中学二年级的莫同学呢！莫非驴一会儿又说观察者是光一会儿又说是拉普拉斯妖，下回轮到是迪迦奥特曼还是飞天小女警啊？
所以说啊，莫非驴最末尾的话就是自白了他这个“回答”是干什么的。莫非驴就是把物理名词当咒语念，当佛经诵，蒙混你忘掉原问题是啥了，这就叫做简单粗暴。莫非驴在汉江师范学院卖拐多年，没这经验哪行啊！
类似的话题
-
在理解这个问题之前，咱们得先捋清楚热力学和量子力学这两门学科在描述微观世界时的不同视角和关注点。它们虽然都研究物质的性质，但出发点和侧重点有很大的区别。热力学：宏观统计的视角热力学这门学问，它的“出生”和“发展”很大程度上是为了解决宏观的、工程上的问题。想想看，蒸汽机、内燃机，这些东西都需要我们了解............. -
.......
-
.......
-
在热武器已经高度发达、战场上硝烟弥漫的现代社会，仍然有相当一部分人对冷兵器抱有深深的痴迷，这背后有着复杂而多样的原因，可以从几个层面来详细解读：一、 源于人类本能与历史传承： 身体力量的直接体现与掌控感： 冷兵器，如剑、刀、斧、矛等，是人类自身力量的延伸。使用冷兵器作战，需要使用者具备体能、技巧.............
-
.......
-
.......
-
.......
-
.......
-
企鹅这种可爱的生物，虽然我们常能在纪录片里看见它们在冰天雪地的南极洲摇摇摆摆，但你可能不知道，有些企鹅种类其实生活在赤道附近，比如加拉帕戈斯企鹅，它们可是极少数能适应热带气候的企鹅家族成员。那么问题来了，既然它们能在赤道生存，为什么我们不能像养猫猫狗狗一样，把它们带到城市里和我们一起生活呢？这背后的.............
-
.......
-
.......
-
.......
-
.......
-
.......
-
.......
-
.......
-
热刺官宣解雇主帅穆里尼奥：一次充满争议与遗憾的执教生涯评价穆里尼奥被热刺解雇，这标志着他为期17个月的北伦敦执教生涯画上了句号。这位曾经的“特殊一个”在执教热刺期间，留下了一系列复杂而矛盾的印记，既有短暂的亮点，也有深刻的失望。要评价他在热刺的执教生涯，需要从多个维度进行深入分析。一、初登诺普·波切.............
-
从“救世主”到“匆匆过客”：努诺在热刺的短暂执教生涯当安吉·波斯特科格鲁在2023年夏天接手托特纳姆热刺帅印时，恐怕很少有人还会记得，仅仅两年之前，另一位新帅也曾带着相似的期待走马上任——他就是努诺·桑托。这位以防守稳健著称的葡萄牙教头，在经历了一个不温不火的赛季后，便草草地结束了他在北伦敦的执教生.............
-
孙兴慜在热刺对阵切尔西的比赛中被红牌罚下，这件事确实让很多球迷感到扼腕叹息，也引发了不少讨论。要看待这件事，咱们得从几个层面来聊聊。首先，从场面和比赛进程来看，那是一场非常胶着的比赛。两支球队实力相当，尤其是在中场争夺非常激烈。孙兴慜作为热刺的进攻核心，自然是对方重点盯防的对象，同时也承担着打破僵局.............
-
.......
本站所有内容均为互联网搜索引擎提供的公开搜索信息，本站不存储任何数据与内容，任何内容与数据均与本站无关，如有需要请联系相关搜索引擎包括但不限于百度，google,bing,sogou 等
© 2025 tinynews.org All Rights Reserved. 百科问答小站 版权所有