量子力学 (Quantum Mechanics)

量子力学主要研究微观粒子的行为。本部分将从波函数和薛定谔方程这两个核心概念入手。

波函数 (Wave Function)

波函数是量子力学中描述微观粒子的基本工具，其数学形式和物理含义与经典力学有巨大差异。

经典力学中粒子的描述

在经典力学中，粒子（如质点）的状态通过其在三维空间中的位置矢量 $\vec{r}(t)$ 和速度矢量 $\vec{v}(t)$ 来描述。在任意一个时刻，粒子的位置和速度都可以被精确给出。

量子力学中粒子的描述 - 波函数 $\psi(x, t)$

量子力学中，我们用波函数 $\psi(x, t)$ 来描述粒子。它的数学形式与经典力学中的描述完全不同，因为它是一个复函数。

• 自变量：波函数 $\psi$ 的自变量是空间位置 $x$ （三维空间中可扩展为 $\vec{r}$）和时间 $t$ 。这与经典力学中位置和速度仅依赖于时间 $t$ 不同，在量子力学中，位置本身也是波函数的一个自变量。
• 复数回顾：
  • 复数 (Complex Number)：形如 $A + Bi$ 的数，其中 $A, B$ 是实数， $i$ 是虚数单位，满足 $i^2 = -1$ 。复数可以看作是二维的数，在复平面上，横轴为实轴，纵轴为虚轴。
  • 复共轭 (Complex Conjugate)：对于复数 $A + Bi$ ，其复共轭为 $A - Bi$ （将 $i$ 前的符号取反）。通常用星号 * 表示，如 $(A + Bi)^* = A - Bi$ 。
  • 模方 (Modulus Squared)：复数 $A + Bi$ 的模方为 $|A + Bi|^2 = (A + Bi)(A - Bi) = A^2 + B^2$ 。它代表了复数在复平面上到原点的距离的平方。

概率密度 (Probability Density)

波函数 $\psi(x, t)$ 本身并没有直接的物理意义，但它的模方（Modulus Squared）具有明确的物理含义。

• 定义： $P(x, t) = |\psi(x, t)|^2 = \psi^*(x, t) \psi(x, t)$ 。
• 物理意义： $P(x, t)$ 称为概率密度 (Probability Density)。它表示在 $t$ 时刻，在以 $x$ 为中心的一个微小体积区域 $dx$ 中找到该粒子的概率是 $P(x, t) \cdot dx$ 。
  • 量纲：由于概率本身是无量纲的，而 $dx$ 在三维空间中具有长度立方（ $L^3$ ）的量纲，因此概率密度 $P(x, t)$ 的量纲应为长度的负三次方（ $L^{-3}$ ）。

量子力学中的随机性

量子力学通过概率密度描述粒子，天然地引入了随机性。

• 与经典物理的随机性区别：
  • 经典随机性：例如抛骰子，其结果的不确定性来源于初始条件的不确定性。如果我们能精确控制所有初始条件（如手抖、地面摩擦、空气扰动等），结果将是确定的。
  • 量子随机性：量子力学中的随机性是内禀的、本质的。它不是因为我们无法精确测量初始条件，而是粒子本身的性质决定了其行为具有不确定性。波函数本身的演化（由薛定谔方程控制）可以是确定的，但在进行测量或观测时，粒子的具体物理量（如位置）会呈现随机性。
• 粒子性与波函数：
  • 波函数不应被简单理解为像水波或声波一样的流体，它可以被“切开”。例如，一个电子的波函数可以分布在整个教室，但当我们试图将其“切”成两半时，并不会得到“半个电子”。
  • 当你试图观测或“显示”微观粒子时，它总是以一个完整的“单粒子”形式出现，而不是一个漫布在空间中的波。波函数描述的是粒子存在的可能性或概率分布，一旦这种可能性通过观测显现，粒子便会坍缩成一个确切的粒子态。

波函数的数学性质与要求

归一化 (Normalization)

• 要求：由于 $P(x, t)$ 代表概率密度，在整个感兴趣的（或可及的）空间范围内对它的积分必须为 1 ，即粒子在整个空间中出现的总概率为 1 。

• 可归一化 (Normalizable)：如果一个波函数 $\psi(x, t)$ 的模方在整个空间上的积分是一个有限大的数 $N$ （即 $\int |\psi(x, t)|^2 dx = N < \infty$ ），那么它就是“可归一化”的。我们可以通过乘以一个归一化因子 $1/\sqrt{N}$ ，将其变为一个归一化的波函数 $\psi'(x, t) = \frac{1}{\sqrt{N}} \psi(x, t)$ ，从而满足归一化条件。
• 非法波函数：如果波函数在无穷远处不趋于 0 ，导致其模方的空间积分发散，那么它就不是一个合法的波函数。

波函数的等价性 (Equivalence of Wave Functions)

• 概念：对波函数进行某些操作后，如果物理性质（如概率密度）不变，则操作后的波函数与原波函数在物理上是等价的。
• 全局相位变换：
  • 对一个合法的波函数 $\psi(x, t)$ ，如果乘以一个因子 $e^{i\alpha}$ ，其中 $\alpha$ 是一个实数常数，得到的新波函数 $\psi'(x, t) = e^{i\alpha} \psi(x, t)$ 与原波函数在物理上是等价的。
  • 验证：它的模方 $|\psi'(x, t)|^2 = |e^{i\alpha} \psi(x, t)|^2 = (e^{i\alpha} \psi(x, t))^* (e^{i\alpha} \psi(x, t)) = e^{-i\alpha} \psi^*(x, t) e^{i\alpha} \psi(x, t) = e^0 \psi^*(x, t) \psi(x, t) = |\psi(x, t)|^2$ 。由于概率密度不变，因此是等价的。
  • 欧拉公式 (Euler's Formula)： $e^{i\alpha} = \cos \alpha + i \sin \alpha$ 。它在复平面上表示单位圆上的一个复数，与实轴夹角为 $\alpha$ 。其模为 1 。
  • “全局相位变换”：因为 $\alpha$ 是一个常数，它对空间中任意位置和任意时间点的波函数都施加了相同的相位旋转，故称其为“全局”的。
• 非等价变换：如果 $\alpha$ 是一个依赖于空间位置或时间（即 $\alpha(x, t)$ ）的函数，那么这种变换将导致薛定谔方程的形式发生改变，因此不再是物理上等价的。这种局部相位变换通常与电磁场中的规范变换（Gauge Transformation）联系起来，是一个更复杂的概念。

叠加原理 (Superposition Principle)

• 描述：如果 $\psi_1(x, t)$ 和 $\psi_2(x, t)$ 都是合法的（即满足归一化条件，或至少是可归一化的）量子态，那么它们的任意线性组合也是一个合法的量子态。

  $$\psi_{new}(x, t) = \alpha \psi_1(x, t) + \beta \psi_2(x, t)$$

  其中， $\alpha$ 和 $\beta$ 是任意的复数。

• 意义：这一性质是量子力学中线性代数语言描述的基础。它表示粒子可以同时处于多个状态的叠加态，只有当进行测量时，叠加态才会坍缩到某个确定的本征态。

薛定谔方程 (Schrödinger Equation)

薛定谔方程是量子力学中的基本方程，它描述了波函数随时间的演化，在量子力学中扮演着类似于经典力学中牛顿定律的角色。

薛定谔方程的形式

薛定谔方程告诉我们波函数 $\psi(x, t)$ 如何随时间变化，它是一个描述波函数时间演化的微分方程。

• $i$：虚数单位， $i^2 = -1$ 。
• $\hbar$：约化普朗克常数 (reduced Planck constant)，是一个基本物理常数，等于普朗克常数 $h/2\pi$ 。
• $\frac{\partial \psi(x, t)}{\partial t}$：波函数对时间的一阶偏导数，描述了波函数随时间的变化率。
• $\hat{H}$：哈密顿算符 (Hamiltonian Operator)，在量子力学中代表体系的总能量。它是一个作用在波函数上的数学“操作符”，通常包含对空间坐标的导数项。

哈密顿算符 $\hat{H}$

对于一个在势场 $V(x, t)$ 中运动的单粒子，哈密顿算符 $\hat{H}$ 的形式为：

• $m$：粒子的质量。

• $\nabla^2$：拉普拉斯算符 (Laplacian Operator)。在三维空间中，它表示对空间坐标的二阶导数之和：

  $$\nabla^2 = \frac{\partial^2}{\partial x^2} + \frac{\partial^2}{\partial y^2} + \frac{\partial^2}{\partial z^2}$$
• $-\frac{\hbar^2}{2m} \nabla^2$：这一项在量子力学中对应于粒子的动能算符。在经典力学中，动能是 $\frac{p^2}{2m}$ ，这里可以将其视为动量算符 $\hat{P}$ 的平方与 $2m$ 的比值。
• $V(x, t)$：势能算符，它描述了粒子所受到的势场，例如原子间的相互作用能或电子与原子核之间的库仑作用能。

将 $\hat{H}$ 代入薛定谔方程，我们可以得到完整的薛定谔方程。对于单粒子而言，它是一个对时间一阶导，对空间二阶导的偏微分方程。

与经典波动方程的比较

经典物理中也有描述波动的方程，例如常见的经典波动方程（一维情形）：

• 相同点：两者都包含对空间坐标的二阶导数项。
• 不同点：
  • 时间导数阶数：薛定谔方程是对时间的一阶导数，而经典波动方程是对时间的二阶导数。
  • 虚数单位：薛定谔方程中包含虚数单位 $i$ ，这是一个关键特征，在经典波动方程中不存在。

时间反演对称性 (Time Reversibility)

时间反演对称性是指物理规律在时间方向反转时保持不变的性质。

• 经典力学中的时间反演：
  • 经典运动方程 $m \frac{d^2 \vec{r}}{dt^2} = -\nabla V(\vec{r})$ （即牛顿第二定律），对时间是二阶导数。
  • 如果我们有一个解 $\vec{r}(t)$ ，那么 $\vec{r}(-t)$ 也会是该方程的一个解。这是因为时间变量 $t$ 变为 $-t$ 时，二阶导数 $\frac{d^2}{dt^2}$ 会产生 $(-1)^2 = 1$ 的因子，不改变方程形式。因此，经典力学满足时间反演对称性。

• 薛定谔方程中的时间反演：

  • 薛定谔方程 $i\hbar \frac{\partial \psi(x, t)}{\partial t} = \hat{H} \psi(x, t)$ 对时间是一阶导数。
  • 如果进行时间反演 $t \rightarrow -t$ ，方程变为 $i\hbar \frac{\partial \psi(x, -t)}{\partial (-t)} = \hat{H} \psi(x, -t)$ ，即 $-i\hbar \frac{\partial \psi(x, -t)}{\partial t} = \hat{H} \psi(x, -t)$ 。
  • 这个新方程与原方程的形式不同，多了一个负号，因此 $\psi(x, -t)$ 不是原薛定谔方程的解，直接的时间反演不满足对称性。

  • 解决方案：为了使薛定谔方程满足时间反演对称性，我们需要引入复共轭操作。如果我们对薛定谔方程两边同时取复共轭，得到：

    $$(i\hbar \frac{\partial \psi}{\partial t})^* = (\hat{H} \psi)^* \implies -i\hbar \frac{\partial \psi^*}{\partial t} = \hat{H}^* \psi^*$$

    注意， $\hat{H}$ 通常是实算符（或至少不包含虚数单位 $i$ 在其非对时间导数部分），所以 $\hat{H}^* = \hat{H}$ 。 若 $\psi_{rev}(t) = \psi^*(-t)$ ，则 $\frac{\partial \psi_{rev}}{\partial t} = -\frac{\partial \psi^*(-t)}{\partial (-t)} = -\frac{\partial \psi^*(-t)}{\partial t}$ 。 代入上式，它在时间反演下具有对称性，即时间反演操作包含对波函数的复共轭。这表明了薛定谔方程中虚数单位 $i$ 的重要性，它与时间的一阶导数密不可分。

动量算符 (Momentum Operator)

从哈密顿算符的动能项 $-\frac{\hbar^2}{2m} \nabla^2$ 与经典动能 $\frac{p^2}{2m}$ 的对应关系，我们可以推导出量子力学中的动量算符：

其中，$\nabla$ 是梯度算符。这个算符描述了在量子力学中如何对动量进行测量或计算。

概率守恒 (Probability Conservation)

概率守恒定律是量子力学中一个非常重要的概念，它与经典物理中的质量守恒定律相对应，是描述概率如何在空间中流动和变化的。

• 推导： 我们来考察概率密度 $P(x, t) = \psi^*(x, t) \psi(x, t)$ 随时间的变化率：

  $$\frac{\partial P}{\partial t} = \frac{\partial (\psi^* \psi)}{\partial t} = \psi^* \frac{\partial \psi}{\partial t} + \psi \frac{\partial \psi^*}{\partial t}$$

  利用薛定谔方程 $i\hbar \frac{\partial \psi}{\partial t} = \hat{H} \psi$ 和其复共轭形式 $-i\hbar \frac{\partial \psi^*}{\partial t} = (\hat{H} \psi)^*$ ，代入上式并进行化简，最终可以得到概率连续性方程 (Probability Continuity Equation)：

  $$\frac{\partial P(x, t)}{\partial t} + \nabla \cdot J(x, t) = 0$$

• 概率流密度 (Probability Current Density) $J(x, t)$：

  $$J(x, t) = \frac{\hbar}{2mi} (\psi^* \nabla \psi - \psi \nabla \psi^*)$$

• 物理意义：

  • 这个方程的数学形式与经典流体力学中的质量守恒方程（质量密度 $\rho$ 和质量流密度 $\vec{j}$ ） $\frac{\partial \rho}{\partial t} + \nabla \cdot \vec{j} = 0$ 相似。
  • 它表明在某个区域内，概率密度的变化率（ $\frac{\partial P}{\partial t}$ ）等于通过该区域边界的概率流密度净值（ $-\nabla \cdot J$ ）。如果某区域的概率增加了，那一定是概率从其他区域流入了该区域。
  • 实函数与概率流：如果波函数 $\psi(x, t)$ 是一个实函数（即不含虚数部分），那么其共轭 $\psi^*$ 就等于 $\psi$ ，此时概率流密度 $J$ 将为零。这意味着如果波函数是实的，则没有概率流，粒子处于束缚状态，不会在空间中运动。

波函数塌缩 (Wave Function Collapse)

波函数塌缩是量子力学中一个非常反直觉且与经典力学完全不同的概念。它描述了波函数除了遵循薛定谔方程的确定性演化之外的另一种突变式演化。

两种波函数演化形式

1. 薛定谔方程演化： 波函数 $\psi(x, t)$ 按照薛定谔方程 $i\hbar \frac{\partial \psi}{\partial t} = \hat{H} \psi$ 确定性地、平滑地演化。这个方程是完全确定的，没有不确定性。
2. 波函数塌缩： 当对粒子进行观测或测量时，波函数会瞬间地、随机地从一种叠加态“塌缩”成一个特定的本征态。这个过程是突变的，不遵循薛定谔方程。

塌缩的例子

假设一个粒子在 $T_0$ 时刻的波函数是一个由两个高斯函数叠加而成的形式，例如: $\psi(x, T_0) = c_1 e^{-(x-X_1)^2/\sigma^2} + c_2 e^{-(x-X_2)^2/\sigma^2}$ 。 这表示粒子有一定概率（取决于 $|c_1|^2$ ）出现在 $X_1$ 附近，有一定概率（取决于 $|c_2|^2$ ）出现在 $X_2$ 附近。 如果此时进行测量以确定粒子的位置：

• 有 $|c_1|^2$ 的可能性，测量结果发现粒子在 $X_1$ 附近，此时波函数会瞬间塌缩为以 $X_1$ 为中心的高斯波包。
• 有 $|c_2|^2$ 的可能性，测量结果发现粒子在 $X_2$ 附近，此时波函数会瞬间塌缩为以 $X_2$ 为中心的高斯波包。

塌缩过程是由人为观测或干预引起的突然变化，其背后的动力学机制目前仍未完全明晰，更多地被视为一种为解释实验现象而引入的理论观点。

双缝干涉实验 (Double-Slit Experiment)

双缝干涉实验是量子力学中一个非常重要的实验，它直观地展示了微观粒子的波粒二象性以及波函数塌缩的概念。

实验设置

一个粒子源，一个带有两个狭缝的挡板，以及一个能探测粒子撞击位置的接收屏。

经典粒子（如小球）的行为

如果向双缝发射经典粒子，每个粒子都会随机通过其中一个缝并撞击接收屏。随着大量粒子的发射和积累，接收屏上会得到两个峰状的分布图，总分布是来自单个缝的分布的简单叠加。不会出现干涉条纹。

经典波（如水波、光波）的行为

如果向双缝发射经典波，波会通过两个缝形成两个子波，这两个子波会发生相干叠加。在接收屏上会形成明暗相间的干涉条纹，波幅的叠加不是简单相加，而是波幅相加后再取模方。

其中 $A_1, A_2$ 是来自两个缝的子波的振幅。这种干涉现象是波的典型特征。

量子粒子（如电子）的行为

该实验通过单电子发射源，一次只发射一个电子，来探测电子是粒子还是波。

• 单个电子的撞击：当电子一个接一个地发射时，每个电子都会在接收屏上形成一个离散的点，这体现了电子的粒子性（像经典粒子一样撞击）。
• 大量电子的积累：令人惊讶的是，如果重复这个实验很多次，当大量的电子撞击点积累起来时，它们在接收屏上会呈现出与经典波完全相同的干涉条纹。这体现了电子的波动性。

这个结果表明，单个电子在通过双缝时，似乎“知道”两个缝的存在，并与自身发生干涉。

• 波粒二象性：在被观测到（撞击到屏幕）之前，电子以波的形式传播，通过两个缝并与自身干涉（波的演化）。一旦被观测（撞击到屏幕），它就塌缩成一个粒子，在屏幕上留下一个确定的点（粒子的存在）。
• 观测的影响：电子的波动性体现在其概率分布上，而粒子性体现在每次测量的单一结果上。

对双缝进行观测

如果我们在双缝处放置探测器，试图观测电子到底通过了哪个缝：

• 结果：一旦我们知道了电子通过了哪个缝，接收屏上的干涉条纹就会消失，转而出现类似经典粒子的两个峰状分布。
• 解释：当进行观测时，电子的波函数发生塌缩。它被迫选择通过其中一个缝，这时它的波的相干性遭到破坏（相位随机化），导致无法与自身发生干涉，因此干涉条纹消失。这意味着观测行为本身会影响粒子的量子态，使其从波的行为转变为粒子行为。