作者kuromu (kuromu)
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标题Re: [问题] 量子力学/薛丁格方程
时间Sat Nov 2 19:59:27 2019
薛丁格绘景是让算子不随时变,态向量时变并依据薛丁格方程
随时间演化,若将动量算子和对x微分算子做对应,
则xp-px=i(h/2π)I的关系自动内建
海森堡绘景则是态向量非时变,物理量算子时变并依据古典力学
形式的方程随时间演化,另外加上xp-px=i(h/2π)I的量子化条件
两者对物理量期望值的预测是一致的
虽不同形式 根本上都是在求解演化算子和期望值
归一化应该是机率诠释必然的要求,算子的本徵值对应观测量,
观测量必须要是实数而hermitian能保证之
历史上探索发展的过程大概是这样: (h,hbar写错请见谅)
当时的old quantum theory常是以古典力学方程加上量子化条件
(推广波尔条件成∮pdx=nh的形式)及对应原理(量子数大趋近於
古典形式)做计算及猜测
海森堡先考虑古典谐震子辐射公式,功率正比於震幅平方x^2,
他认为微观的位置动量不具有实际意义,只当作是计算辐射频率、
强度等观测值的工具,他先用当时常用的action-angle coordinate
表达x,即x(n,t)=Σ [x_m(n)]e^i[mω(n)t],m=-∞->∞,具周期性
而能以傅立叶级数表示,由n跃迁至n-m轨道时变化的能量是h[mω(n)]
则x^2=Σ b_l(n) e^i(lω(n)t],其中b_l(n)=Σ a_m(n) a_k(n),l=m+k
古典的情况是lω(n)=mω(n)+kω(n),由对应原理可用quantum analogue
取代,即用ω(n,n-m-k)=ω(n,n-m)+ω(n-m,n-m-k)的关系式取代
理论飞跃的关键处是把傅立叶系数也用quantum analogue取代
猜测求和公式中的index也有类似情况,
即b(n,n-m-k)=Σ a(n,n-m) a(n-m,n-m-k),且把x抽象对应许多
a(n,n-m)e^i[ω(n,n-m)t]构成的集合,於是x^2对应
b(n,n-l)e^i[ω(n,n-l)t]所成的集合。由傅立叶系数a_m(n)=a_-m(n)*
且ω(n,n-m)+ω(n-m,n)=0, [e^iω(n,n-m)t]*=e^iω(n-m,n)t
可猜测quantum analogue a(n,n-m)=a(n-m,n)*
他把p,x的傅立叶级数代入量子化条件∮pdx=nh,整理後
用quantum analogue置换 猜出了现代xp-px=i(h/2π)I的矩阵对角线
元素,对古典运动方程中的p,x用类似的手法得到a(n,n-m)
需满足的某种代数方程组再进行求解
玻恩看出quantum analogue乘法的规则如同矩阵,
又ω(m,n)=(E_m-E_n)/h, a(m,n)e^i[(E_m-E_n)t/h]
其实是矩阵[a(m,n)]和对角矩阵e^i(Ht/h),e^[-i(Ht/h)]相乘後的分量,
从而写出了正确的海森堡绘景下的物理量矩阵时变方程式
也补完xp-px=i(h/2π)I的非对角项。线性代数中的本徵问题、
对角化等技巧被引入,但是观念停留在本徵值是观测量,
非对角项代表transition amplitude,所谓的(态)向量只是求解
时的数学辅助工具而已。transition amplitude的概念是援引
爱因斯坦解释黑体辐射时提出的跃迁机率(当时认为是统计意义
上的机率)。因为矩阵力学需要解代数方程,物理学家还不太熟悉
薛丁格接受物质波的概念,写出了薛丁格方程,有多种猜法
其中我觉得比较合理的是:在古典理论中,把波动解拆成震幅和
相位变数的组合代入波动方程式,可以发现相位项遵守的方程式
犹如粒子的古典力学方程,折射率的角色类似位能。基本上模仿
就得到非时变的薛丁格方程,而这个方程本质上也是本徵值问题
而能算出正确能阶。但是波函数被误认为是粒子散布於空间的密
度。若考虑非相对论性的能量-动量关系可猜出时变薛丁格方程式
之後多位学者把矩阵推广成算子,结合变换理论,证明矩阵力学
与波动力学等价。波函数是态向量以某基底表示的分量,矩阵是
算子在某基底的representation。
机率诠释则是直到玻恩用波动力学计算散射问题,他认为碰撞、
散射等实验结果否定密度诠释,并援引爱因斯坦在光量子论中
认为电磁场震幅平方代表了光子的机率,物质波应该也是如此,
散射问题的波函数平方代表散射後出现在某位置的机率。
考虑一个受到仅存在短暂时间的微扰位能作用的系统,
原系统各本徵态对应的amplitude系数平方代表了跃迁机率。
再加上海森堡提出不确定性原理以及Ehrenfest theorem(物理量
算子期望值符合古典方程式)而逐渐形成现代诠释
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※ 编辑: kuromu (218.166.141.252 台湾), 11/03/2019 04:55:16
1F:推 wohtp: 其实薛丁格一开始想直上relativistic wave equation,但是 11/03 12:37
2F:→ wohtp: 搞不定负能量的问题,所以最後只发表了non-relativistic理 11/03 12:37
3F:→ wohtp: 论 11/03 12:37
4F:→ yyc2008: 请问w大 Dirac当初不是也没搞定负能量? 11/03 23:29
5F:推 psion: 老薛一开始就是相对性方程 是跟实验数据不符才改非相对性 11/04 10:21
6F:推 wohtp: 啊原来不是负能量… 11/04 10:55
7F:→ yyc2008: 想顺便问一下,电子速度应达相对论性程度,为何非相对论性 11/05 02:03
8F:→ yyc2008: 量子力学仍然能有不错的结果? 11/05 02:03
9F:推 Vulpix: 就是因为还未达相对论性程度…… 11/05 02:09
10F:→ Vulpix: 相对论修正要跟轨道磁场一起看,那就是精细结构。粗略结构 11/05 02:10
11F:→ Vulpix: 还用不到相对论。 11/05 02:11
12F:→ yyc2008: 谢谢V大的解释,终於勾起我的回忆了 11/05 02:37