系綜詮釋

系列条目
量子力学
${\displaystyle i\hbar {\frac {\partial }{\partial t}}|\psi (t)\rangle ={\hat {H}}|\psi (t)\rangle }$ 薛定谔方程
入门 术语（英语：Glossary of elementary quantum mechanics） 历史
背景 经典力学 舊量子論 狄拉克符号 哈密顿算符 干涉
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表述 概览 海森堡繪景 相互作用繪景 矩陣力學 相空间表述 薛丁格繪景 路徑積分表述
方程 狄拉克方程式 克莱因-戈尔登方程 包立方程式 里德伯公式 薛定谔方程
诠释 概览 量子贝叶斯主义（英语：Quantum Bayesianism） 一致性历史 哥本哈根詮釋 德布罗意-玻姆理论 系綜詮釋 隱變量理論 局部隐变量（英语：Local hidden-variable theory） 多世界诠释 客觀坍縮理論 量子逻辑（英语：Quantum logic） 關係性量子力學 交易詮釋
高阶 相对论量子力学（英语：Relativistic quantum mechanics） 量子场论 量子信息科学 量子计算 量子混沌（英语：Quantum chaos） 密度矩陣 散射理论（英语：Scattering theory） 量子统计力学 量子機器學習
科学家 阿哈罗诺夫 貝爾 贝特 布莱克特 布洛赫 玻姆 玻尔 玻恩 玻色 德布罗意 康普顿 狄拉克 戴维孙 德拜 埃伦费斯特 爱因斯坦 艾弗雷特三世 福克 费米 費曼 格劳伯 古茨威勒 海森堡 希尔伯特 约尔旦 克喇末 泡利 兰姆 朗道 劳厄 莫塞莱 密立根 昂內斯 普朗克 拉比 拉曼 里德伯 薛定谔 米歇尔·西蒙斯（英语：Michelle Simmons） 索末菲 冯·诺伊曼 外尔 维恩 维格纳 塞曼 蔡林格
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系综诠释是量子力学的一种诠释，也是一种最小诠释，即它提出最少的假设来表述量子力学。系综诠释有时也被称为「统计诠释」，其核心是馬克思·玻恩對於波函數給出的統計詮釋。玻恩因此基礎研究榮獲諾貝爾物理學獎。^[1]

系综诠释表明，量子態能夠描述系綜的統計性質，但量子態不一定能完備地描述單獨量子系統的性質，例如，單獨粒子^[2]:234-235。在這裏，系綜指的是，理論而言，無窮多個以相同方法製備而成的系統，而單獨系統只的是其中任何一個系統。阿爾伯特·愛因斯坦是系綜詮釋的著名支持者之一，他主張，^[3][2]:47

若嘗試將量子理論描述視為單獨系統的完備描述，則這會導致不自然的理論詮釋；反言之，若能接受這描述所提到的是很多系統組成的系綜，而不是單獨系統，則這嘗試立刻會變得不必要。

——阿爾伯特‧愛因斯坦

至今為止，系綜詮釋的最有力發言者當屬西門菲莎大學物理學教授雷斯利·巴倫亭（英语：Leslie Ballentine），他撰寫的教科書《量子力學的一種現代發展》（Quantum Mechanics, a Modern Development）對於系綜詮釋有很詳細的說明。^[2]

與許多其他種詮釋不同，系綜詮釋並不試圖從任何決定性程序對於量子力學給出辯解或導引，它也不會給出任何關於量子現像真實內秉性質的說明，它只是一種對於量子態的詮釋方法。

在系綜詮釋裏，系綜指的是，理論而言，無窮多個以相同方法製備出來的系統，而單獨系統只的是其中任何一個系統。這些以相同方法製備而成的系統，會擁有某些類似的性質，又會擁有某些差異的性質。例如，由很多動量相同的電子所組成的系綜，其位置會呈均勻分佈，這些電子擁有類似的動量，但位置則不類似。這是因為不確定性原理，製備量子態的方法所製成的系綜，其任意兩個系統的每一種可觀察量數值不可能都完全相同。^{[4]:第1.3節}

系綜詮釋與哥本哈根詮釋的主要不同之處為^[2]:234-235

• 根據哥本哈根詮釋，純態對於單獨系統給出完備與詳盡的描述。
• 根據系綜詮釋，純態描述的是系綜的統計性質，而不是單獨系統的性質。

在系綜詮釋裏，量子態可以用測量結果的概率分佈來設定，而不可以用單獨測量的結果來設定。^[2]:48例如，在雙縫實驗裏，從粒子源 ${\displaystyle \mathrm {S} }$ 發射出來的相干粒子束，照射在一塊刻有兩條狹縫 ${\displaystyle \mathrm {S1} }$ 和 ${\displaystyle \mathrm {S2} }$ 的不透明擋板。在擋板後方有探測屏。粒子抵達探測屏的輻照度會呈黑白相間的條紋，這是粒子的干涉圖樣，展示於示意圖最右邊。

設定${\displaystyle |\chi _{1}\rangle }$、${\displaystyle |\chi _{2}\rangle }$分別為粒子從狹縫 ${\displaystyle \mathrm {S1} }$ 、狹縫 ${\displaystyle \mathrm {S2} }$ 經過的量子態。粒子的量子態${\displaystyle |\psi \rangle }$為

${\displaystyle |\psi \rangle =a|\chi _{1}\rangle +b|\chi _{2}\rangle }$；

其中，${\displaystyle |a|^{2}}$、${\displaystyle |b|^{2}}$分別為${\displaystyle |\psi \rangle }$處於量子態${\displaystyle |\chi _{1}\rangle }$、${\displaystyle |\chi _{2}\rangle }$的概率。

量子態${\displaystyle |\psi \rangle }$是個疊加態，它描述的只是粒子經過狹縫 ${\displaystyle \mathrm {S1} }$ 、狹縫 ${\displaystyle \mathrm {S2} }$ 概率${\displaystyle |a|^{2}}$、${\displaystyle |b|^{2}}$，它並不能給出粒子的確切路徑。

哥本哈根詮釋不允許存在任何隱變量理論，因為量子態具有完備性；系綜詮釋對於隱變量理論不置可否，它只強調必須以系綜來詮釋量子態。^[4]:第6節

雖然系綜詮釋闡明，波函數不適用於單獨系統，但這不意味著系綜詮釋不能被應用於單獨系統，重點是在波函數與單獨系統之間不存在一一對應，例如，一個微觀物體可能處於兩種量子態的疊加態。系綜詮釋只能用來預言，對於單獨系統的某種性質做重複測量得到某個數值的概率。

設想擲骰子遊戲，同時擲兩顆骰子於桌子上。對於這案例，系統是兩顆骰子，擲出骰子後，會得到很多種結果，例如，兩顆五點、兩顆兩點、一顆三點與一顆六點等等，每一種結果都伴隨有對應的概率。擲兩顆骰子100次會得到一個100次試驗的系綜。對於這系綜，經典統計學能夠預言某種結果會發生的次數，但是，它不能夠預言某次擲骰會得到的確切結果。這就是系綜詮釋聲稱波函數不適用於單獨系統的原因。在這裏，單獨系統的意思就是說擲兩顆骰子一次。

對於這案例，哥本哈根詮釋的處理方式並沒甚麼不同。不論是估算單獨系統或是估算很多系統組成的系綜，量子力學不能從量子態預言做實驗會得到哪種結果，只能預言得到某種結果的概率。雖然哥本哈根詮釋主張，純態對於單獨系統給出完備與詳盡的描述，這主張並沒有抵消任何量子力學預測的概率性質。為了要核對量子力學的預測，必須多次重複做同樣的實驗，換句話說，必須給出一個系綜。在這方面，這與系綜詮釋的內涵不謀而同。量子力學不能預測某單獨粒子會明確地在某時間會處於某位置，擁有某動量，儘管它能夠給定這單獨粒子的波函數。從這角度來思考，哥本哈根詮釋無法完備地描述單獨系統。

系綜詮釋的優點是，它乾脆地擺脫了量子態塌縮這艱澀的論題。系綜詮釋假定，波函數只適用於很多系統所組成的系綜，因此，可以避免要求單獨系統處於幾種不同的量子態，這樣，波函數不需要涉及約化的概念。舉例而言，設想一個量子骰子，其量子態可以以態向量的形式表示為

${\displaystyle |\psi \rangle ={\frac {|1\rangle +|2\rangle +|3\rangle +|4\rangle +|5\rangle +|6\rangle }{\sqrt {6}}}}$

注意到，在這方程式裏，符號"+"不是代數加算符，而是在統計學裏的一種標準概率算符。態向量${\displaystyle |\psi \rangle }$是一種概率數學構造，對其測量所得到的答案是一種結果1或另一種結果2、3、4等等。

很清楚地，每一次擲骰子後，在六種可能量子態${\displaystyle |1\rangle }$至${\displaystyle |6\rangle }$之中，只會觀測到其中一種量子態。沒有任何明文規定疊加態${\displaystyle |\psi \rangle }$必須發生塌縮，或疊加態${\displaystyle |\psi \rangle }$必須實際存在。態向量${\displaystyle |\psi \rangle }$不能視為物理實體，不能視為照字面解釋的疊加態。根據系綜詮釋，態向量應該視為一種抽象的統計構造，只適用於很多個系統組成的系綜，不能應用於單獨系統；態向量${\displaystyle |\psi \rangle }$代表很多擲骰子事件組成的系綜，假設骰子沒有瑕疵，則得到每一種骰子數1至6的概率都是1/6。

大衛·梅敏恩（英语：David Mermin）認為，概率性的基礎物理完全可以直接應用於單獨系統，因為，歸根結底，自然世界是由很多單獨系統組成的。系綜詮釋之所以會被有些物理學者青睞，主要是出自於兩種動機。第一種動機是渴望遵循經典原理（隱變量理論）。在「概率理論必須涉及系綜」這觀念裏有一個隱性地假定，即概率描述的是無知，而隱變量代表的就是我們所無知的。對於這動機，梅敏恩批評^[5][6]

"在一個非決定性世界，概率與不完全的知識毫無干係，因此不需要使用系綜的概念來做詮釋。"

然而，根據愛因斯坦，系綜詮釋被青睞的關鍵動機，不是隱隱地假定概率性的無知，而是撤除不自然的理論詮釋。^[2]:47

第二個動機涉及到量子力學的概率性質。由於量子力學內秉地具有概率性，量子力學只能是一種系綜理論，否則就不具意義。對於這動機，梅敏恩反駁

"對於單獨系統，概率是否能給出合理的意義，這動機並不能令人信服。因為，一個理論必須能夠描述與預言世界的行為。[雖然現今]物理不能對於單獨系統給出決定性預言，我們追求能夠描述單獨系統物理行為的目標，不能因為這事實而輕易放棄。"

• 玻恩定則