量子力學裡的「觀察」「觀測」到底是什麼意思呢？比如電子雙縫干涉實驗中，「觀察」導致不干涉？

是不是不如類似「威爾遜雲室」「氣泡室」之類的，顯示電子經過的整個路徑？這就是觀察導致雙縫不干涉嗎？

在量子力學中，「觀察」作為最基本的概念之一，對它的確切解釋卻並不清楚。例如說，

玻爾和海森堡對觀察的看法，以其模糊不清著稱，認為是在經典事物介入時，在量子-經典邊界發生的（Heisenburg Cut），或曰「被不可逆地記錄在經典存儲器中」；
馮諾依曼認為，觀察是意識的介入；
維格納認為，觀察就是意識中獲得的關於系統的印象；
在量子貝葉斯主義中，維格納的觀點被繼承下來，只不過它並不直接討論觀察是意識的還是物理的，而是更加抽象地認為觀察是「信息」的 - 觀察不過是貝葉斯信息更新；
多世界理論認為，觀察是純粹的物理過程；這一點在退相干理論得到強化，認為觀察就是形成糾纏的過程。

應該說，早期的哥本哈根、馮諾依曼-維格納解釋，雖然有其歷史意義，但是隨著現代量子力學的發展，它們的理念已經漸漸被放棄了。在現代理論裡面，大家更樂於用信息的觀點或物理相互作用的觀點來看待觀察。

這裡談論一下我個人對觀察的膚淺看法，觀察應該至少具有如下兩個特徵：

特徵1：一個「行為」要想成為觀察，那麼它至少要有一個特徵：它伴隨著信息的傳遞。如果沒有任何獲取信息的可能，一個行為當然就不能被稱為觀察。

特徵2：我們做出這樣一個物理主義的假設：任何信息處理過程，都可以被某種物理過程描述，任何非物理過程都非必要。

那麼，從第一個特徵來看，所謂「信息的傳遞」，就是系統的某些性質與觀察者形成關聯（correlation）。假設說我們有一個系統S，以及某一個觀察儀器A，A對S做出了某種觀察，其結果就是，我們可以通過A的某些性質，即可以推知S的某些性質 – 因為A「知道」了S的這些性質。

從第二個性質來看，觀察的全部有意義效應，（至少在原則上）都可以用一個物理過程描述。如果我們不太嚴謹地表述，那麼我們可以說，觀察是一個物理過程而不是非物理過程。因而觀察者就不必然是一種「意識」的擁有者，它可以是一個有意識的主體，也可以是一個無意識的儀器，甚至是任意的某種物理系統。觀察，就是系統與觀察者的某種共同物理演化（我不太確定是否該用「相互作用」來描述這種演化，例如在Elitzur–Vaidman bomb-tester中，是否相互作用也難說）。

那麼，從這兩個特徵聯合起來看，觀察就是系統與觀察者的某種共同物理演化，其結果導致兩者之間的性質關聯。我們可以進一步假設，這種演化滿足薛定諤方程。也就是說，不存在「坍縮」。熟悉馮諾依曼測量理論的人，立刻就得到這樣一個結論：觀察就是系統與觀察者（包括人、儀器、或者其它物理系統）之間量子糾纏的形成。

我們知道，S和A之間的糾纏程度，可以通過計算它們的共有信息（mutual information）來判斷。

其中，這裡面的信息是用馮諾依曼熵表示的。S或A的信息，是我們在複合系統中trace out另一方得到的信息量。共有信息的解讀之一就是，當我們知道A的狀態時，能夠得到S狀態的信息多少 – 用大白話說，就是A對S的觀察過程總共獲得的S的信息量。我們知道，當系統處於最大糾纏態時，它們有著最大的共有信息。也就是說，當A和S形成最大糾纏時，A對S完成了「最完美」的觀察。

比如說，S是一個雙態系統，對應著它的兩個態，儀器也有兩個指示態。在發生觀察之前，A的狀態是「無知」。發生了觀察之後，它的狀態就變成了「知道」。為方便計，我們把A的「無知」狀態記做，把A的「知道系統狀態為1」的狀態記做1，同理把A的「知道系統狀態為0」的狀態記做0：

根據我們的基本假設，觀察過程滿足薛定諤方程，那麼對於s的任意狀態：

根據薛定諤方程的線性演化：

我們可以看到，S和A共同演化形成了糾纏態。如果說，當A的兩個狀態可以完全分離，也就是他們互相正交的時候：

這就是一種最大糾纏態，因而就形成了「完美觀察」。也就是說，S的兩個狀態和A的可辨的狀態完全關聯。當我們知道A為0態，我們就有100%的概率知道S也為0態，反之亦然。這種觀察是完全確定的，並且是完全準確的。

當然，觀察也可以不那麼「完美」。當A的兩個指示態不正交，即：

此時A與S形成部分糾纏，與S的兩個狀態相關聯的A的指示態並不完全可辨。

極端情況下，當A的兩個指示態重合，即：

此時A與S就完全沒有糾纏，那麼這種演化就不構成一種觀察行為。

我們可以做一個經典類比。我們把儀器想像成為一個儀錶盤，盤中有個指針，指針在就緒的時候位於中間，在測量之後，它就指向0或1，對應著系統的兩個狀態。如果指針偏離很大，並且指針也很穩定，那麼我們很容易判斷出它到底偏向哪一個刻度。此時我們對指針的判斷就準確地揭示了系統的狀態，這就是一個完美測量。但是，如果指針偏離程度很小，並且還在不停地在顫動。那麼我們就會犯嘀咕：因為我們不太容易看出指針到底指向哪一個刻度，此時就很容易發生誤讀，這就是一個不完美測量。極端情況下，指針的偏離很小但是顫動很大，於是讀數完全被顫動淹沒掉了，那麼我們就完全無法區分它到底偏向哪一邊，此時它就完全「重疊」在一起，那麼此時，儀錶完全無法獲取光子的任何信息 – 此時觀察就失敗了。

完美測量、不完美測量、非測量，就分別對應著最大糾纏、部分糾纏、以及沒有糾纏的情況。

既然我們用這種方式定義了觀察，我們就可以用它來分析一下經典的雙縫干涉實驗了。如果我們在光路中間設置某一個觀察儀器，來觀察雙縫干涉中光子所經過的路徑。我們不必細究這個儀器的具體工作方式（例如用一個BBO），我們只是假定，該儀器有著一個雙態的輸出（我們可以把它想像成為一個可以偏左和偏右的量子指針） – 比如說它用L和R表示。當光子經過它時觸發它的演化，。如果光子從左縫經過，那麼儀器的狀態變為L，反正則變為左：

整個複合系統（光子+儀器）的密度矩陣就是：

其中，分別表示L和R；

當我們trace out 儀器，得到光子的約化密度矩陣就是這樣的：

我們可以看到，非對角元素全部正比於

如果說，儀器的兩個狀態，L、R之間能夠完美可辨，系統處於最大糾纏態，此時是一個完美測量：

此時我們看到，約化密度矩陣的非對角元全部消失了，即干涉消失了。

反之，如果L、R完全重合，系統就不處於糾纏態，

此時約化密度矩陣就完全不受儀器的影響，它的干涉就被完全保留下來了。

當介於兩者之間的時候，這就是一個不完美測量

此時，干涉仍然可見，但是被弱化了。

請注意，這裡所說的干涉消失、弱化、或保留，指的是干涉在光子的位置自由度中（在實驗中，就是屏幕上）消失、弱化、或保留 – 當我們忽略儀器，只觀察光子的時候，我們看到的情況。但是無論我們能否看到干涉，在光子+儀器的複合系統中，干涉仍然存在 – 因為很顯然，複合系統密度矩陣中，所有的非對角元都存在。只不過干涉存在與光子和儀器的所有自由度之間的張量積所組成的configuration space中，我們不一定能夠觀察到可見結果。

關於「干涉在複合系統中存在，但是在子系統中無法看到」的一個直觀例子，可以參見：

賈明子：可視化雙縫干涉之三：干涉條紋去哪兒啦？?

zhuanlan.zhihu.com

所以說，所謂的干涉消失，並非是干涉真的消失，而是我們看不到了 - 它「擴散」到複合系統的自由度中去了。

上面的分析中，並沒有談及這個可以檢測光子路徑的儀器A的具體機制。這在實際上是可實現的，人們常用的方法是通過BBO產生一對糾纏光子，然後通過idler光子的檢測來判斷signal光子的路徑。對於這種檢測機制的具體分析，可以參見：

在Kim的延遲選擇量子擦除實驗中，如果換成低速運動的粒子會怎麼樣？?

www.zhihu.com

那麼，從約化密度矩陣中，就可以很明顯地反映出觀察對干涉消失的影響。

當我們做一個完美觀察時，我們就不能在屏幕上看到干涉條紋了。
當我們做出不完美觀察時，我們將會在屏幕上看到一個弱化的干涉條紋。
當儀器無法做出觀察時，儀錶上的干涉條紋就被完全保留下來了。

這就是我們對波爾的「互補原理」 – 路徑信息與干涉條紋之間的互補 – 的一個合理解釋。

要完整回答需要很大篇幅，簡單講一下吧。微觀粒子是以概率波的形式運動的，當你實際觀測到該粒子的位置時（比如雙逢干涉時電子光子通過了哪一條縫），概率波坍縮，並表現為一個宏觀上的結果：該粒子出現在左縫或者在右縫。觀測本身會影響到粒子的狀態，即粒子在被觀測以前處於什麼狀態，不可知，只能用概率描述，被觀測時，粒子受到了觀測儀器的影響，並表現出唯一的狀態，這時候粒子運動的波函數坍縮，體現出粒子性，波動性消失，干涉條紋消失。

所謂的觀察可以簡單理解為：（宏觀）測量工具與被測量的系統之間發生的相互作用。這個相互作用的概念非常寬泛，從儀器直接接觸導致的物理幹擾到一對兒相隔遙遠的糾纏量子對彼此狀態變化的瞬時響應，都可以被叫做「觀測」。比如你提到的「威爾遜雲室」，相應的觀察行為不是你用眼睛看，而是電子和雲室裏的微粒混合物發生相互作用。你在雲室外蒙著黑布不看，雲室裡邊照樣有軌跡。

跟「觀測」也可以被簡單理解為「信息提取」。比如在電子雙縫干涉實驗中，如果我們對粒子方面的信息進行提取（比如在雙縫上裝上儀器觀察其穿過哪條狹縫），那麼電子就會表現出粒子性，干涉條紋消失。這個結果與你讀不讀取這個信息都無關，只要「提取」這個動作發生就可以。也就是無論你看不看狹縫上安裝的儀器，結果都是一樣的。

「什麼是觀測？」「觀測者是誰？」「觀測後的波粒狀態突變（坍縮）是為什麼產生的？」。。。。。這些都是量子理論裏最玄妙（也是最沒用）的問題。

「觀察」就是干涉行為。

A觀察B，A必須向B發射粒子，B纔有粒子反射（散射）作用到A。

A才知道B的數據。

這個過程，A得到B的數據是B變化了（函數坍塌）了的數據。

B的原始數據（原來面貌）人類永遠不能測到。

有個B，它以原始數據態運動，當光子作用B後，再由B反射出粒子作用A，A觀察到B。

B的原始數據（原來面貌）是光子沒作用B時候的函數，人類永遠不能測到。

電子雙縫干涉實驗中，有幾個干涉：

一、實驗場非真空，有物質粒子干涉電子雙縫實驗。

二、人類的觀察儀器發射粒子帶入物質粒子干涉電子雙縫實驗。

三、實驗場牆壁反射先進入電子去幹涉後進入電子。