叠加学堂superposition

内积:概率为什么是模平方

内积给出投影,模平方给出概率

概念7 分钟第 18 / 80 节更新于 2026-10-18

概率为什么是模平方,而不是模?一个振幅大小为 0.5 的分量,为什么贡献 0.25 而不是 0.5?答案不在归一化里,在几何里:概率量的是投影,而投影要用内积算。

一个态在另一个态上的影子

内积 ⟨ϕ∣ψ⟩\langle\phi|\psi\rangle 是一个复数。它的模告诉你两个态重叠多少:完全重合时是 1,正交时是 0。它的辐角告诉你两个态差多少相位——这一点平时看不见,只有两个振幅相加时才显形。

三条立刻能用的结论:归一化是 ⟨ψ∣ψ⟩=1\langle\psi|\psi\rangle=1;正交 ⟨ϕ∣ψ⟩=0\langle\phi|\psi\rangle=0 意味着两个态完全可区分,在其中一个上测另一个,通过率为零;内积的模永远不超过 1,概率因此不会溢出。

正交的图像最好记:布洛赫球上相隔 180° 的两点。|0⟩ 与 |1⟩ 是一对,|+⟩ 与 |−⟩ 是另一对。球面上夹角 θ 的两个态,投影概率按 (1+cosθ)/2 走,θ=180° 时恰好归零。

玻恩规则就是投影

沿 z 测量,等于把态投影到 |0⟩ 与 |1⟩ 两个方向上,再取投影长度的平方:

P(0)=∣⟨0∣ψ⟩∣2P(0)=|\langle 0|\psi\rangle|^2

如果 ψ 写成 α|0⟩+β|1⟩,这个内积就是 α,概率是 |α|²。换一组基,公式不变,只是投影方向换了。

沿着 z 方向投影
箭头本来在北极,P(0) 读 100%。把 Ry 拉到 90°,箭头落到赤道,两个读数各 50%;按 X,箭头翻到南极,P(1) 变成 100%。读数跟着高度走,不跟着方位角走。

球上的高度就是投影:z 分量换算成概率,就是 (1+z)/2(1+z)/2。同一个高度上的所有态,测 z 的统计一模一样,它们的差别只在方位角,也就是相对相位——那要靠下一次干涉才读得到。这也是概率幅与概率的分工:振幅带相位,概率只留模平方。

内积的模就是概率,模平方只是写法上的习惯。
模平方才是概率,模本身是概率幅的大小;单个振幅不可观测,两个振幅相加之后再取模平方,才会出现干涉项。
把模当概率,归一化立刻出错:两个各为 1/√2 的分量,模之和是 √2,概率却只能是 1。
一句话结论

内积给投影,模平方给概率,这就是玻恩规则的全部内容。正交意味着完全可区分,归一化意味着总概率为 1,相位藏在复数的辐角里,只在两个振幅相加时显形。往后所有的测量,都可以读成同一句话:把态投影到你选的那组基上。

本节自测 · 3 题
未作答
01态 |+⟩ 沿 |+⟩ 方向测量,得到「通过」的概率是多少?
02布洛赫球上夹角 120° 的两个纯态,在一个态上测另一个,通过概率是多少?
03两个态正交,最准确的解释是什么?