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 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 ;正交 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:
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
球上的高度就是投影:z 分量换算成概率,就是 。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?
解析 · 内积 ⟨+|+⟩ 等于 1,模平方还是 1:一个态在自己的方向上投影,长度就是全长。50% 是沿 z 基测 |+⟩ 的结果,基换了,答案就换了;0% 属于正交态,例如沿 |−⟩ 测 |+⟩;25% 没有对应的几何来源。
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?
解析 · 通过概率等于内积的模平方,而模平方按 (1+cosθ)/2 随球面夹角变化,θ=120° 时是 (1−0.5)/2=0.25。75% 是把公式里的符号弄反了;50% 对应夹角 90°,两个布洛赫矢量垂直,但态并不正交;0% 要夹角 180° 才出现。
03两个态正交,最准确的解释是什么?
解析 · 正交的判据是内积为 0,几何上单比特对应球面上相隔 180° 的两点,投影长度为零,于是完全可区分。90° 对应的是「各一半」,不算正交;相对相位为 0 恰好说明两个态方向一致,不是正交;概率幅长度为 0 意味着态不存在,也不符合归一化。