海森堡的推导完全就是哄孩子的,凭什么用衍射极限公式,当我没有学过啊,我就是光电的本科,你那个公式我还看不懂。还有那个爱因斯坦,一天到晚就是光子像个子弹一样,撞啊撞啊,你又不是没有学过电动力学,maxwell的协变关系都是你给的,你怎么就不用电动力学搞一下啊,要不然二次量子化的功劳就是你的了。你的子弹模型可害苦我了,我当初学量子力学的时候满脑子都是子弹乱射在墙上。后来学了波动光学后(量子力学之后才教,我们学校也是醉了),用面团才想明白那些波函数。扯远了,不好意思。

海森堡推导的核心就是那个德布罗意的关系式,看出来没有,没有那个,就是衍射极限公式。而德布罗意的那个关系式,是实验做出来的。(其实是他先猜的,然后给出了氢原子的光谱模型,结果和波尔的提出的光谱公式是符合的,而波尔的那个又是符合实验的)。我来重点聊聊现在的不确定关系是怎么推出来的。

薛定谔自己都承认了当年是受到了波动光学的启发。其实几何光学对比波动光学就好比经典力学对比量子力学。几何光学里面是射线,当然也可以说是子弹的轨迹。经典力学那就是我们一直都用的无坚不摧的小球了。其实你也可以说就是运动的子弹了。波动光学考虑了光的波动性,呸,说人话,就是考虑了波长。波动光学在波长趋于0的时候就是几何光学。而波动方程的形式真的就是薛定谔方程的翻版了,好多文献上都直接叫光的波动方程是薛定谔方程。哦,不对是定态的薛定谔方程。那个一般的薛定谔方程,右边不是0,而是虚数乘以对时间的导数。这个完全是神来之笔了。

波长和频率对于光来说很平常,但是对于电子来说却是前所未有的。等一下,几何光学里面没有考虑光的波长,而几何光学和经典力学相近,所以量子力学应该考虑电子的波长。哦,原来是这样。

然后根据这个关系式,猜想存在一种波动,就像光波一样。就用平面波吧。其他的都可以用傅里叶叠加得到。用复数的平面波(波动光学里面也是用复数振幅的平面波,一开始只是一个数学技巧,但是现在看来别有深意啊)。好的,正好也方便用傅里叶叠加。嗯,我真是个天才。

海森堡测不准原理例子(海森堡测不准原理的推到)(1)

(k是波矢,w是频率,h上面带了一横,是表示h除以2π)

薛定谔同学,电子震动的是什么量,对于光来说还可以解释成电磁场震荡,电子有什么好震荡的,自己瞎震荡个什么。然后,薛定谔就发明了一个名字——物质波。不扯远了。后来波恩把它解释成了概率在震荡,然后就是量子力学建立了。这里面有很复杂的爱恨情仇故事。主演:爱因斯坦和波尔,配角:薛定谔,海森堡,波恩什么的。为什么不拍电视剧,话说。这么跌荡起伏的悬疑剧情。

然后,就是薛定谔方程的来源了,某日,他发现了一个数学技巧,可以用力学量算符直接作用在平面波的波函数上,然后得到该力学量的值

海森堡测不准原理例子(海森堡测不准原理的推到)(2)

当然,对于其他的波函数形式,就只是得到积分的平均值,推导思路就是先把其他形式的波函数用傅里叶拆成平面波的叠加。数学上引入本征函数的概念,作用在本征函数就可以直接得到本征值,而对于其他函数,都不行。

然后,按照经典力学里面的结论

海森堡测不准原理例子(海森堡测不准原理的推到)(3)

直接把里面的p换成算符可以吗,管他的呢,先试一试吧

海森堡测不准原理例子(海森堡测不准原理的推到)(4)

所以

海森堡测不准原理例子(海森堡测不准原理的推到)(5)

这就是薛定谔方程。然后薛定谔用这个方程,推导出了氢原子的光谱公式。就是把势能项用库伦势表示。解这个微分方程时,设想波函数具有球对称性,然后自动解释了离散化能量是怎么来的。哈哈。薛定谔的工作是奠基性的,以后所有的量子力学都用算符,波函数,本征函数,本征值这些工具。按照数学推导,自然推出了不确定关系。就是位置算符的方程和动量算符的方程,无论波函数取什么形式,其乘积都大于二分之一的h上面一横。(这个推导过程我真不想打了,哭~,你们自己看量子力学书吧)

时间和能量的不确定关系和位置和动量的不确定关系是一样的。也是这么来的。嗯,我就先说这么几个关键的地方吧。还有什么问题,你们下边留言吧。

关于塌缩的解释,这个我个人是打算用真空来解释,只是个思路,目前我见过的其他解释有多宇宙,隐变量和消相干。有一回有一个搞原子钟的教授过来给我们做过一个关于塌缩的报告,多宇宙和隐变量都不说了,太扯了。多宇宙逻辑上都走不通,隐变量实验直接否定了。目前国际上流行的是消相干。它的意思是说,任何环境,不论是不是真空,本身真空有涨落的嘛,都会不断对物质产生作用。这种作用会导致波函数的相位发生漂移,积累到一定的时候,波函数就会改变。具体而言,就是对于一个非本征态,可以拆成几个本征态的叠加,而环境会分别对这几个本征态作用,每一个本征态都会有不同的相位漂移。但是最后为什么会有些本征态消失,就是塌缩的本义嘛,我就不知道了,我也没有查文献,他报告也没有继续说了。我估计是有一个环境的态,那些态不是消失了,而是被扰乱得变成了接近环境的态了,所以无法识别了,而这个扰乱的过程是真空提供的,所以是概率的。我想我的真空解释应该可以顺着这个思路搞。

感觉给大家传播正确的知识是很必要的啊。其实现在量子力学的科普的书很多,但是真是良莠不齐。有些东西仅仅科普是说不清楚的。而且有些道理教科书上都没有说,还是我自己感悟出来的。量子力学出现后,半导体技术发展起来了,成果怎么样,我不说大家都知道。做纯理论没有钱的,而且理论证明很容易自圆其说,关键是要实验检验,而应用实践就是最高级的检验。

有很多高中生,初中生表示要自学量子力学,真是后生可畏,我那个年纪的时候就只有功夫考虑考试的事情。哎,其实说实话估计只能科普一下,首先要学习的数学太多了,而且环环相扣,差一个都不行,必须按顺序来。有一个大二的学弟过来说要学量子力学,我都说太急了,先把数学都补上吧。最少需要的数学——微积分、线性代数、概率论、复变函数、数理方程,不能再少了,其实把随机过程,矩阵论上更好,可以的话,再学泛函分析。光有数学还不够,最好懂波动光学。经典力学不学就不学吧,还能看懂。搞量子光学,还必须会电动力学,这样怎么样也得大三了。我当初是大二下上的量子力学,结果就是听天书,后来自己补回来的,真的不能太急。统计物理可以放一放,因为没有用到,除非你是打算学凝聚态,那估计还要学固体物理,半导体物理。其实你们完全可以先把这个追求放一放,就好比看上哪个妹子,完全可以等到了大学再去追啊,一样的道理。

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