
文章图片

文章图片

文章图片
----------- (但愿)适用于有高中理科程度知识的人 -----------------------------------
如果你要问的是教科书式的答案 , 那我记得应该是这几条:
1、“态”构成希尔伯特空间;
2、“可测量”由希尔伯特空间上的厄米算符表示;
3、态的“时间演化”满足薛定谔方程;
【深度长文:量子力学如此诡异,如何通俗易懂地了解量子力学?】4、“测量”相关:态之间的内积(波函数)的模平方等于坍缩概率 。
没有翻书 , 如果有遗漏欢迎补充 。
那么怎样通俗地理解呢?
当然我不赞成向广场舞大妈科普量子力学 , 所以我所说的“通俗”至少是建立在高中理科物理知识基础上 。
很多科普都会向你解释量子力学的理论 , 每个人思路不同 , 我也只是提供一种思路 , 未必适合所有人 , 但我希望可以启发一些人 。
(你也许用到的知识包括并不仅限于:函数、向量空间、概率与平均值、牛顿力学)
*** 经典力学回顾 ***
首先 , 让我们仔细看看非量子力学是什么样的 。 原则上 , 到了大学学习分析力学才能系统地了解经典力学 , 我们这里只是大概描述一下框架 。
任何力学里都有一个概念:相空间 。 相空间里的元素是“物理状态” , 简称“态” 。 在经典力学里 , 相空间由质点的位置和动量描述 , 意思就是当你知道一个质点的位置和动量 , 你就完整地知道了它的状态 。 同理 , 如果你有很多质点组成系统 , 那么相空间就由每个质点的位置和状态描述 , 自由度就多了很多 , 但基本思路还是这样的 。
有了“态”的概念 , 我们就考察它怎么变化 。 由于“态“涵盖了所有可能的物理信息” , 所以它的变化率应该已经确定了 。 也就是说 , 我们知道了所有质点的位置和动量 , 我们就应该能够知道它们的加速度 , 否则我们的相空间就没有定义好 。
怎样通过“状态”知道“状态的变化率”呢?就是通过各种力的公式 , 比如胡克定律 , 库仑定律 , 牛顿引力定律 , 磁力(洛伦兹力 , 依赖于速度) , 它们结合牛顿第二定律 , 就能告诉你在特定状态下所有质点的加速度 。
所有这些力的公式 , 它们的信息可以隐含在一个量里 , 叫哈密顿量 , 你暂时不用明白它怎么来的 。 你需要知道的是 , 经典力学运作的框架就是:你知道一个相空间长什么样 , 然后你知道一个叫哈密顿量的东西 , 这个量能够告诉你在相空间里任意一处状态会随时间怎样变化 。
*** 向量空间与波函数 ***
那么量子力学的理论有哪些本质上的不同呢?在以上的图像里 , 有一点对于“经典力学”尤为重要 , 那就是相空间的结构(余切丛) 。 量子力学主要就是相空间的结构不同 , 量子力学里的相空间是个线性空间 , 也就是中学学的向量空间 。
我们来看看量子力学的相空间怎样描述状态的 。 作为一个向量空间 , 中学知识就可以告诉你 , 可以选取一组互相垂直的基向量 , 然后任何一个向量都可以用这些基向量的组合来表示 。 量子力学里 , 我们可以这样选基向量:质点在位置A是一个态|A> , 质点在位置B是另一个态|B> , 由于这两件事是互斥的 , 我们定义这两个态在相空间里是互相垂直的向量 , 那么我们可以把所有有确定位置的态定义为基向量 。 这样定义后 , 相空间就是一个无限维的线性空间了 。
既然是向量 , 就可以相加 。 于是我们有了一个“叠加态”:a*|A>+b*|B> 。 量子力学相空间的结构表明了这样的态是存在的 。 这就是科普书里说的 , 既在A地又在B地的状态 。 而这里的系数a b就是波函数 。 这是一个位置的函数 , 位置A的函数值是a , 位置B的函数值是b(此处有归一化问题 , 不严格) 。 这里只给两个位置赋了函数值 , 你可以给所有位置都赋一个值 , 就可以得到一个连续的函数 , 比如高斯函数 , 正弦函数等等 。
如果你擅长向量空间 , 那么我们可以把一个向量用不同的基向量下的坐标表示(高中有学么?没有的话百度百科一下 , 不难) 。 上面我们用的基向量是有确定位置的态(术语是位置本征态) , 你也可以用别的基向量 , 比如有确定动量的本征态 。 用群论可以证明 , 这两个本征态之间的变换就是傅里叶变换 , 这句话的意思就是说 , 有确定动量的态的波函数是一个简谐波(正弦波余弦波这种) 。 你现在也许没法证明 , 事实上本科生也基本上是把这个当结论 。 这个波 , 就是德布罗意说的波粒二象性的波 。 一个粒子以确定的动量运动 , 它同时也是一个简谐波 。
推荐阅读
- 为什么越来越多人,不相信量子力学呢?
- 量子力学中最神奇的实验,双缝实验为什么让科学家感到不安?
- 网友发现基因变异猩猩,手指已进化成和我们一样,引科学家热议
- 爱因斯坦的理论得到证实,“灵魂”被拍到,神秘而又玄乎的量子!
- 平行宇宙真的存在吗?80多年前,1只猫给出了答案
- 尤金:埋在月球上的人。
- 物理学家观察超冷原子形成量子龙卷风晶体
- 离世的亲人为什么会托梦?科学家给出答案,这不是封建迷信
- 《张朝阳的物理课》讨论康普顿散射,进一步证明光量子假说
- 一个简单的物理实验,却让科学家看到了害怕的结果,怎么回事?