電子學考試解答

Saturday, October 14, 2017

薛丁格方程式

一個粒子在空間中的"狀態",滿足薛丁格方程式 (Schrodinger Equation):
\[ i\hbar\frac{\partial\Psi}{\partial t} = -\frac{\hbar^2}{2m}\frac{\partial^2\Psi}{\partial x^2} + V\Psi \]
是一個波動方程式 (Wave Equation),其中$i = \sqrt{-1}$是複數符號,$\Psi = \Psi (x, t)$是一個波函數,代表粒子在時間$t$時,"可能"出現的位置$x$;$\hbar = 1.054572\times 10^{-34}$ J-s 為普朗克常數 (Planck's Constant);$V$是位能函數 (Potential Energy Function)。$\Psi (x, t)$代表的並非是粒子的動態,而是粒子在空間中某一個位置出現的機率,這種解釋方式是由Max Born提出來的,他的解釋是一個粒子在時間$t$時,出現在位置$x$的機率密度函數為$|\Psi (x, t)|^2$,也就是說,依據統計學的觀點
\[\int^b_a\left|\Psi (x, t)\right|^2 dx = \mbox{時間為t,在位置a與b之間發現粒子的機率} \]


如上圖所示,a與b之間的面積是機率,且由圖中可以得知,在A點發現粒子的機率,比在B點發現的機率高。可是由古典力學的觀點來看,在某一個時刻,粒子所在的位置應該是確定的,所以上述的波函數要如何解釋能?量子力學的解釋是都有可能,有點像是說粒子可能同時出現在所有滿足波函數的位置上,這就是後來大家可能聽過的薛丁格的貓的故事:在打開微波爐之前,貓可能是死可能是活,也可能兩個狀況同時存在。

現在假設我來實際觀測 (或者說是測量) 這個粒子的位置 (微波爐被打開了),會發生甚麼事呢?實際上是我應該會在某一個位置發現粒子,例如在$C$發現,接著我再馬上重複一次測量 (馬上關上微波爐的門,然後再次打開),此時粒子的位置會是在哪裡呢?量子學家都同意,應該還是會在$C$點上。這樣一來就衍伸出一個新的問題了,這時候機率的說法不就不成立了嗎?或者說,這時候的波函數是甚麼?物理學家Paul Dirac發明了一個新的函數,解決了這個問題。當我第一次測量的時候,粒子的狀態就會塌縮成如下圖的樣子,會是一個在$C$點上一個非常狹長的"脈波",它的面積是1,所以幾乎可以確定會在$C$上再次發現粒子。這個函數就是我們在工數課本中提到的Delta Function (更明確的說是Dirac Delta Function),通常記做$\delta (x)$,他也是一個"波函數"。









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