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在经典的描述中,粒子是一个点。比如一个弹簧振子,它的能量可以用来描述这个点在任意时刻的位置和动量。在量子的图景中,粒子不仅是一个点,还是一个波,这就需要能量的量子化。薛定谔找到了量子化的途经,而且非常简单。
算符就是用来计算的符号,这里最重要的就是牛顿和莱布尼兹发现的用来计算导数的符号(具体的符号形式是莱布尼兹给出的),它把一个函数,变成了另一个函数。
这样一来,描述能量的哈密顿量也就变成了一个算符,那么它就应该作用在一个函数上,然后再把这个函数变成另一个函数。
一步一步的说,首先是经典哈密顿量变成一个算符。比如上边的描述一维简谐振子的哈密顿量,其中的动量p变为算符后,整个哈密顿量为
所有的量子系统的能量都是由这样的哈密顿量来描述,只是像原子核这样的系统会非常复杂,甚至到现在我们都不是很清楚究竟该如何写出来。
量子力学的发现者首先是德国的天才科学家海森堡,在他的理论中,物理量对应到一个矩阵上,这个特点是被他的老师玻恩发现的,后来狄拉克给出了一个抽象的形式,就是物理量对应一个算符,而算符具体是什么样子的,是薛定谔首先给出来的。
量子化的关键就是粒子的波动性。在经典物理学中,波有两种,一种是行波,一种是驻波,这些都已经很清楚。对于孤立系统来说,它的能量是守恒的,描述这个系统的波很显然类似驻波,是不能变化的,所以哈密顿量要给出这个波是不变的,这就非常有意思了。
哈密顿量是一个算符,要作用到一个函数上,而显然这个函数描述这个波。真理,就是当你找对的时候,它必然是自洽的,而且会告诉你真实的答案。此时,我们会看到
中的g(x)和f(x)只能是一个倍数关系,即g(x)=af(x).也就是说哈密顿量作用到一个描述系统的波动性的函数上,只能给出这个函数的倍数。因为波只有一个。所以
这就是薛定谔找到的金钥匙。当他得到这个结果的时候,左看右看,他自然很清楚,这个方程就是算符H的本征方程啊。于是他的几篇文章的名字就是《量子化就是本征值问题》。这里边出现了一个倍数a,猜猜它是什么?
这个推理的过程非常漂亮,我相信薛定谔在将近一百年前就是这么推理的。也许看到的人会看到,这个推理也太简单了。但是物理学史中,最重要的进展,往往就是这些非常简单的推理。这一点和数学不一样。数学的推理大部分都非常复杂,比如勾股定理,是最简单的一类,其实推理也需要好几步。但是物理学中的重要推理往往并不复杂。比如哥白尼提出日心说,就是把太阳围绕地球旋转,变成了地球围绕太阳旋转。比如牛顿意识到苹果落地和月球围绕地球旋转是一个道理。比如爱因斯坦提出狭义相对论,就是在相对性原理的基础上,认为光速不变。
就是这样的推理,没有天赋其实是不可能的,这里就不展开了。
当然也可以说是运气好。
量子力学的发现可不是就这一段。我们知道驻波其实是由于行波在一定的边界条件下出现的情况,所以这本身还隐含着一层更深的意思,就是从行波来思考驻波。这个思路,首先被狄拉克提到,后来被费曼发展了起来,给出了描述量子力学的第三种形式。由于和我们讨论关系不大,这里就不展开了。
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GMT+8, 2024-6-25 14:59
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