詭異波函數坍塌和薛丁格方程

2020-12-03 愛學習物理的小貓

海森堡為了研究氫原子光譜就提出了矩陣力學的概念,發展成一個學科了,但是要通過舉證力學來算出氫原子光譜,是需要好的數學基礎的,所以當時很多物理學家很痛苦,他們必須要惡補數學基礎才能去研究這個氫原子光譜,那有沒有一個簡單的推導公式呢?答案就是我們這次要說的——薛丁格波動函數(波函數)和薛丁格方程說到薛丁格的波函數和方程就必須先說一個人,正是這個人——德布羅意的出現才出現了薛丁格波函數和薛丁格方程。德布羅意來自在法國那是赫赫有名布羅意家族,僅次於皇室的貴族,這個家族歷代都是是公爵,家族中第1代公爵是法國路易14時代當時的元帥。我們今天要說是第7代公爵叫做路易德布羅意,他爺爺曾經是法國的第37任總理,他爸爸是法國的國務部長,但是到了他這一代,他就喜歡上搞物理了。1924年德布羅意看到了愛因斯坦解釋光電效應的那篇文章,當時正愁著博士論文沒法寫了,他就想既然光既是波又是粒子,那我為什麼不能把一個粒子看成波呢?於是他就寫了一共就不到一頁紙論文交給老師郎之萬了,郎之萬一看就懵了,不到一頁紙的論文肯定過不了學術委員會的5個教授那一關的。郎之萬很聰明,他把這一頁紙的論文寄給了愛因斯坦,並且附上一封信,信上寫著這個論文作者爺爺是法國總理,爸爸是法務部部長等等之類的,愛因斯坦就回信寫說這個創意好,很有研究意義等等之類的話。等到畢業論文那天,郎之萬就把這一頁論文交給評審的教授看,並且附上愛因斯坦的信,教授想著愛因斯坦都說好,自己要是不給過,那就變成自己看不懂這一篇一頁紙的論文了,結果德布羅意就順利畢業了。

在1925年德拜的學術交流會上,德拜就拿了德布羅意的這個物質波的這篇論文給了薛丁格。1925年的時候,薛哥已經是38歲了,當時他是在蘇黎世大學當物理學高級講師。1926年,薛丁格給出了波動方程,就是大家熟知的薛丁格方程。波動力學是建立起來了,物理學家就開始為之歡呼,因為波動力學用的是微分方程當時大部分物理學家都會解,而且可以通過推導出波爾的氫原子能級公式。

海森堡辛辛苦苦建立的矩陣力學,還不到一年,薛丁格就提出了這個波動方程,既簡單又合理,這個海森堡就不開森了,就和這個薛丁格這事吵得不可開交。海森堡提出微觀世界都是不連續的,而波是連續的,薛丁格就這樣解釋,函數和波確實是連續的,但是當波的振動模式發生改變的時候就符合量子化。但是破菜不過是一個虛擬的函數,物理意義都沒有,那有怎麼說的過去呢?薛丁格自己推導出的函數和方程,自己不能解釋它的物理意義,而且更諷刺的是,薛丁格最後還不能理解自己的函數和方程。

給出波函數的物理意義的是量子力學的代表派波爾,波函數的物理意義就是微觀世界中微觀粒子在某個區域內的概率。波函數模的平方對應於微觀粒子在某處出現的概率密度即是說,微觀粒子在各處出現的概率密度才具有明顯的物理意義。這個在當時是很難用經典物理學去理解的,在經典物理學中我們描述一個物理是可以準確的描述出它的位置和狀態的,但是在微觀世界卻是不可確定的,只能是概率出現,簡直毀了當時物理學家的三觀。由於微觀粒子具有波粒二象性,粒子的位置和動量不能同時有確定值因而質點狀態的經典描述方式不適用於對微觀粒子狀態的描述。把波函數的絕對值二次方解釋為與粒子在單位體積內出現的機率成比例是M.玻恩在E.薛丁格建立波動力學後提出的,被稱為是波函數的統計詮釋。波函數所表示的波也常被稱為機率波。

最能體現概率波的實驗就是雙縫幹涉試驗了(請參看我之前發布的文章),到底為什麼電子在我們觀察和不觀察時會體現出不同的性質呢?觀察就是粒子,不觀察就波,原來是因為波函數坍塌了,也就是電子的狀態因為我們的觀察而被我們改變了,觀察到的電子已經不是原來的電子了,它的狀態已經被改變了,那它自然就不再是你不觀察時的樣子了。

相關焦點

  • 波函數與薛丁格方程
    量子力學的學習一定要對波函數以及薛丁格方程這兩個概念有深刻的認識。目前我們已經學習了量子力學第一章內容,對於這些概念應該有自己的思考。      波函數是描述一個物理系統的時間演化規律的唯一基本函數。知道了它,原則上就可以得到該系統的所有物理量。
  • 量子力學裡的「波函數坍塌」是由於人的意識導致的嗎?
    愛因斯坦的鐵桿粉絲薛丁格堅定地支持他這個觀點,提出了一個「薛丁格的貓」來諷刺測不準定律。這個爭論持續到愛因斯坦和薛丁格逝世,也沒有結論。「薛丁格的貓」就是所謂波函數坍塌的一個典型例子。波函數坍塌實際上也是不確定性原理的一個延伸,是微觀領域一種特別的現象。
  • 薛丁格方程
    薛丁格方程可以分為「含時薛丁格方程」與「不含時薛丁格方程」兩種。含時薛丁格方程與時間有關,描述量子系統的波函數怎樣隨著時間而演化。不含時薛丁格方程則與時間無關,描述了定態量子系統的物理性質;該方程的解就是定態量子系統的波函數。量子事件發生的概率可以用波函數來計算,其概率幅的絕對值平方就是量子事件發生的概率密度。
  • 薛丁格方程及薛丁格的貓
    薛丁格方程解釋了許多已經觀測到的量子現象,並引入了量子波是概率波的奇異解釋。埃爾溫·薛丁格對科學最重大的貢獻當屬薛丁格方程,即決定亞原子粒子運動的波動方程。薛丁格方程是現代量子力學的一大根基。薛丁格1887年出生於維也納,早年興趣非常廣泛,但最終被維也納大學錄取,學習物理學,並於1910年畢業。此後,薛丁格為奧地利物理學家弗朗茨·埃克斯納( Franz Exner)工作了一段時間。
  • 量子力學的核心部分薛丁格的波函數及其物理意義
    薛丁格是量子力學的奠基人之一,1926年他提出薛丁格方程,為量子力學奠定了堅實的基礎。1924年德布羅意提出的德布羅意假說表明,每一種微觀粒子都具有波粒二象性。電子也不例外,具有這種性質。電子是一種波動,是電子波。電子的能量與動量分別決定了它的物質波頻率與波數。
  • 如何利用薛丁格方程的波函數,算出微觀粒子某位置出現的概率
    上一期內容中我詳細講解了薛丁格方程的內涵,我們知道薛丁格方程的解並不是一個常數,解本身是一個函數,所以函數圖像是啥樣的成了關鍵,我們也畫出了波函數在t=1、t=2、t=3的函數圖像,是一個三維的圖像,如下圖所示,注意這是一個三維的立體函數圖,千萬別當成二維圖像來看。
  • 「猜」出來的薛丁格方程
    正是因為薛丁格方程是薛丁格「猜」出來的,所以薛丁格自己也不清楚該波動方程中最重要的波函數Ψ的涵義,於是,這就引發了當時全世界最頂尖的物理學家們都去尋找這個神秘的Ψ之謎。目前,被公認的、同時也被實驗驗證的波函數Ψ的涵義,是由波恩提出的:Ψ是概率振幅。什麼意思呢?就是說,用波函數Ψ可以描述微觀運動粒子在各處被發現的概率[1]。
  • 【仿真百科】薛丁格方程
    在量子力學中,薛丁格方程的解(即波函數)通過波函數的線性組合,產生基本粒子在時間和空間上的位置的概率函數。在大多數情況下,量子化能級存在波函數;也就是說,可能只存在特定的離散值。例如,電子密度波函數可以產生原子和分子的軌道概率函數。我們來看一個使用薛丁格方程公式描述氫原子的例子:
  • 從薛丁格方程到薛丁格的貓,薛丁格的這兩件東西顛覆了整個世界
    作為一位偉大的物理學家,薛丁格對於物理學、尤其是量子物理學最大的貢獻就是創建了薛丁格波動方程,如果說普朗克提出量子概念是量子力學的開端,那麼薛丁格波動方程則是將量子力學上升到了一個全新的高度,這篇文章就重點和大家聊一聊薛丁格波動方程。
  • 薛丁格方程是怎麼推導出來的?
    該論文中提出了物質波的概念,即電子這樣的粒子也可看作是波,其波長、頻率與其動量、能量的關係為:這裡h是普朗克常數。德拜拿到這樣的博士論文和如此簡單的公式不知是什麼表情,他的說得出口的評論是如果認定電子等粒子是波的話,怎麼著也該給湊出個波動方程吧?
  • 為什麼我們常說薛丁格不懂「薛丁格方程」?
    上一期文章我詳細講解了薛丁格方程的內涵,其實薛丁格方程的作用就是預測微觀粒子所處位置的概率,因為量子力學和我們的宏觀運動力學不同,宏觀運動力學只要我們知道了運動的「初始狀態」信息,就可以根據牛頓力學計算出將來發生的一切,並且計算的結果是肯定的,不存在的概率一說。
  • 五分鐘徹底搞懂「薛丁格方程」
    首先你要明白薛丁格方程的解是一個「函數」,請注意我們以往解一個方程都是求出一個值,比如5x=20,我們可以算出解x=4。但是你要明白,薛丁格方程出來的解不是一個定值而是一個函數,函數就意味著說有x和y,一旦x值變化了,y值也要變化,比如函數y=x*2+3。
  • AI求解薛丁格方程,兼具準確度和計算效率,登上《自然-化學》
    去年,DeepMind 科學家開發一種新的神經網絡來近似計算薛丁格方程,為深度學習在量子化學領域的發展奠定了基礎。今年九月份,柏林自由大學的幾位科學家提出了一種新的深度學習波函數擬設方法,它可以獲得電子薛丁格方程的近乎精確解。相關研究發表在 Nature Chemistry 上。
  • 深入淺出講解薛丁格的貓
    另外一派系則是波爾、海森堡等科學家,他們則認為量子力學已經完美解釋了微觀世界的運動規律,在量子世界,一切都是不確定的,只能夠用波函數描述,而波函數的意義就是粒子運動狀態的概率統計而已。當我們對量子進行觀察時,量子的波函數會瞬間坍塌為本徵態,從而表現為一個確定的量子態,這就是對量子力學的著名哥本哈根釋義。
  • 薛丁格方程與粒子的衍射、幹涉現象漫談
    薛丁格波函數方程在量子力學中的地位被描述為同經典力學中的牛頓力公式、電磁學中的麥克斯韋方程一樣重要,是量子力學的數學靈魂!但薛丁格波函數方程卻是量子力學的神來之筆,它不是從任何物理原理中推導出來的,而是薛丁格「靈光一現」的產物,直到現在也沒有人知道薛丁格是如何得出這個波函數的
  • 含有自旋磁矩量的新薛丁格方程誕生了
    )理論中,並由此提出p=h/λ;後來薛丁格將p=h/λ引用到機械波方程y(x,t)=Acos2π(γt-x/λ)中,於是得出了大名鼎鼎的薛丁格波函數方程,即Ψ(x,t)=ψ0•e^-i2π/h•(Et-px);從ε=hγ的引用與物理意義的變遷過程可以看出,不論是愛因斯坦的光電效應方程hγ=mv²/2-w,還是德布羅意的物質波公式p=h/λ,以及最終的薛丁格波函數方程Ψ(x,t)=ψ0•e
  • 量子力學的核心:薛丁格方程 究竟神奇在哪裡?
    這個理論的核心是薛丁格方程,可以類比經典力學中的牛頓第二定律。波和粒子「在經典力學中,我們用位置和動量來描述一個物理系統的狀態」,劍橋大學的理論物理學家納齊姆·布瓦塔解釋道。此時,最好先放棄你的直覺,不去想表現的像波的粒子究竟意味著什麼,而是僅跟著數學的邏輯走下去。在經典力學中,波(比如聲波和水波)隨時間的演化,可用波動方程來描述:其是一個微分方程,解為波函數,可以給出在任意時刻服從恰當邊界條件的波的形狀。舉例來說,假設波沿在x方向延伸的弦傳播,在xy平面內振動。為了完全描述這個波,你需要知道在每個點x每個時刻t弦在y方向的位移。
  • 五分鐘量子力學(七),量子史話:偉大的薛丁格方程
    也許您是第一次看我的文章,也沒學過量子力學,更沒聽說過神馬薛丁格方程,但是您一定聽說過薛丁格的貓。嗯,就是那隻又死又活的貓。在這裡小編插播一下,對這隻貓進行一下說明。其實這隻又死又活的貓是因為薛丁格沒有理解波函數的真正物理含義——統計的概率解釋。也就是說,這隻貓或死或活的概率都是50%,這是一個大量樣品的統計結果。
  • 科學家成功利用人工智慧解薛丁格方程
    德國柏林自由大學(Freie Universitt Berlin)的科學家發明了一套方法,使用人工智慧計算量子化學領域薛丁格方程,幫助設計化工和藥物分子。量子化學研究的目標是僅基於內部原子空間布局的信息,預測分子的化學和物理特性,省去傳統研究開發出實際藥物在實驗室進行測試的過程。研究人員發現從理論上說,這個過程可以利用薛丁格方程解決,但是實際操作上非常困難。在這份研究之前,科學家無法通過計算找到藥物分子設計的精確方案。
  • AI學會解薛丁格方程了!精度和速度不遜色最流行的數學工具
    德國柏林自由大學物理系和計算機系的科學家們近日聯合開發了一種人工智慧(AI)方法,用於求解量子化學領域薛丁格方程的基態,突破傳統方法在精確度和計算效率上兩難全的困境。 相關論文於12月21日發表在《自然-化學》(Nature Chemistry)上,領導該工作的弗蘭克·諾埃(Frank Noé)相信,這個方法可能會對量子化學的未來產生重大影響。