четыре разных ситуации
Разных? Вы серьёзно выделили в отдельную ситуацию пример, когда чистое состояние было собственным для одной наблюдаемой, а потом сколлапсировало по отношению к другой наблюдаемой? Любое чистое состояние является собственным для некоторой наблюдаемой.
Если в смешанном состоянии у нас был спектр значений, а при измерении возникло одно значение соответствующее чистому состоянию, например основному уровню невозмущенного атома водорода, то что мешает нам назвать это коллапсом?
Если мы вообще говорим о смешанных состояниях, то признаём существование матриц плотности, отвечающим системам, в которых возможны несколько разных волновых функций, выбор между которыми происходит вероятностным образом и полностью является классическим. Например, когда у нас много частиц. Процесс, при котором происходит этот
классический выбор, коллапсом никто не называет (если считаете иначе – приведите пример; Ваша цитата была абсолютно не об этом). Здесь прямая аналогия с классической статистической механикой: допустим, нам дано распределение частиц по координатам и скоростям (какая-то плотность в фазовом пространстве), а потом мы взяли случайную частицу и измерили (точно) её координату и скорость. Никто не называет этот процесс коллапсом, это просто классическая вероятностная выборка из одной частицы. У нас частица квантовая, но на выборку это не влияет.
В терминах матриц плотности наиболее последовательное описание коллапса – это как раз переход от чистого состояния к смешанному. Если есть состояние
и прибор
с собственными состояниями
, то квантовый коллапс – это переход из состояния
(или матрицы плотности
, которая является проектором) в матрицу плотности
, а дальше выбор одного из состояний
произойдёт классическим образом с соответствующими вероятностями. Существование последнего перехода – не проблема, если мы уже договорились о существовании матриц плотности; последний переход является классическим вероятностным, и к квантовой механике уже не имеет отношения.
Другими словами, берется проектор
, записывается в базисе
, а потом из него оставляется только диагональная часть (которая уже, вообще говоря, не является проектором). В принципе, можно, наверное, так подобрать гамильтониан, что эта внедиагональная часть будет вырезаться (например, экспоненциально быстро) квантовой эволюцией (уравнением Лиувилля по отношению к этому гамильтониану). Насколько я понимаю, на этом основаны современные модели с конечным временем декогеренции.
Если же изначально система была в смешанном состоянии, квантовый коллапс переведёт её в "ещё более смешанное" состояние, т. к. будет происходить для каждой волновой функции отдельно.