天天看點

繼續研究量子力學 《張朝陽的實體課》氫原子問題第一講

1月16日12時,《張朝陽的實體課》第二十期開播。搜狐創始人、董事局主席兼CEO張朝陽坐鎮搜狐視訊直播間,繼續研究量子力學。課程中,他帶着網友複習無限深勢阱的薛定谔方程的解、簡述解氫原子問題的重大意義;介紹算符對易關系和運算規則,嘗試在三維空間坐标系下應用薛定谔方程,研究氫原子的定态解并尋找新的正則變量,将二體系統化為質心運動部分與相對運動部分,為後續課程解決氫原子問題,做好知識和推導上的準備。

繼續研究量子力學 《張朝陽的實體課》氫原子問題第一講

“前面用兩堂課來介紹量子力學發現的背景,上一講正式談量子力學,初步‘嘗’了一下薛定谔方程怎麼解。今天我們‘進軍’氫原子,研究氫原子最簡單的狀況。”張朝陽直奔主題,“我對氫原子很感興趣,了解了氫原子問題,我們将來就有可能了解萬物。”他說,“不過,别小看氫原子,要解起來太複雜。”

算符乘法講究對易關系 左右順序在此非常關鍵

“我們隻學會一丁點兒量子力學的知識,就來解最難的氫原子問題。”為解決氫原子問題,張朝陽進一步介紹算符的運算規則與對易關系。

他指出,算符可以相加,算符之和作用到波函數上,定義為分别作用到波函數上再求和。加法滿足交換率與結合率,跟傳統的加法無異,但是算符的乘法就與傳統的乘法非常不同了。算符之積作用到波函數上,定義為先作用右邊的算符再作用左邊的算符。這樣算符的乘積裡左邊算符與右邊算符位置是不能随意交換的,即算符之積不滿足交換率,這導緻了量子力學與經典力學有非常不同的性質。為了描述這種乘積順序的不對易性,我們引入“對易關系”,将兩個算符之積的不同順序相減,具體用數學符号表示為:

繼續研究量子力學 《張朝陽的實體課》氫原子問題第一講

張朝陽具體介紹算符的加法乘法與對易關系之間的運算規則,他邊說邊在“直播小白闆”上推導:

繼續研究量子力學 《張朝陽的實體課》氫原子問題第一講

(對易關系與加法乘法的運算規則)

他指出,了解這些算符的運算規則,才能順利解氫原子的薛定谔方程。

兩體系統選取質心坐标 分離變量展現内部特征

實際上,氫原子由質子與電子組成,其薛定谔方程包含描述質子與電子的算符,是個二體系統,張朝陽向網友展現氫原子的薛定谔方程:

繼續研究量子力學 《張朝陽的實體課》氫原子問題第一講

張朝陽介紹,雖然氫原子的薛定谔方程中,電子與質子的動能項是分開的,但由于質子與電子之間的勢能與他們之間的相對距離有關,是以不能單純地把電子與質子分開,會導緻這個方程變得很複雜。他表示,要解這個方程,需要重新找一組變量,新的這組變量不僅需要滿足原來的正則對易關系,而且可以将複雜的二體薛定谔方程分解成單體薛定谔方程。

張朝陽講到,根據勢能隻與電子和質子的相對距離有關這個性質,可考慮将電子與質子組成的二體系統,分解為相對運動與質心運動,新的這組變量與原來的質子電子變量形成關系。

繼續研究量子力學 《張朝陽的實體課》氫原子問題第一講

經過推導,張朝陽帶着網友證明了這組新的變量滿足正則對易關系。

繼續研究量子力學 《張朝陽的實體課》氫原子問題第一講

另外,他們還發現,利用這組新變量可将原來的氫原子定态薛定谔方程改寫。

繼續研究量子力學 《張朝陽的實體課》氫原子問題第一講

在這個新形式的哈密頓量中,第一項是關于質心運動的,而第二項與第三項是關于相對運動的,進而波函數的質心運動部分與相對運動部分可以分開。

繼續研究量子力學 《張朝陽的實體課》氫原子問題第一講

代入到薛定谔方程之中,再利用分離變量法,就将原來的二體定态薛定谔方程,分解為質心運動部分與相對運動部分。

繼續研究量子力學 《張朝陽的實體課》氫原子問題第一講

(二體定态薛定谔方程分解為質心運動部分與相對運動部分)

“可以看出,能量被分為質心運動能量與相對運動能量,其中質心運動能量對應的薛定谔方程,是描述電子與質子整體自由運動的方程,而相對運動能量對應的定态薛定谔方程,則是關于氫原子内部結構的方程,氫原子能級與氫原子的波函數将會從這個方程裡導出。”張朝陽介紹。

“今後還要花四、五節課把氫原子的問題給算出來。”直播尾聲,他告訴網友,“下一堂課,将探讨角動量問題。”

搜狐視訊發力知識直播 傳播知識玩轉科學

自11月5日至今,《張朝陽的實體課》已直播二十期。在第一、二課中,張朝陽科普了“力”和“速度”,算出馬斯克的飛船和中國空間站每日繞地飛行圈數;第三、四課和“振動”相關,科普可見光的基本知識;第五、六課引發了關于音速和溫度的大讨論;在第七、八、九課重溫經典力學的兩朵烏雲。

第十、十一課重點回顧黑體輻射曲線及其應用;第十二、十三、十四課嘗試進入愛因斯坦的思想世界,推導出著名的公式“E=mc ”,并論證鐘慢尺縮效應;第十五課講解了原子的結構和原子核的衰變;第十六課開始進入量子力學,讨論光的波粒二象性、康普頓散射、海森堡不确定性,以及薛定谔方程等。

從近二十期的實體課可以看出,《張朝陽的實體課》的直播風格獨樹一幟——通過觀察日常生活現象、用網友最熟悉的話題來提升興趣,再以公式推導的方式解釋其背後的實體原理,“透過現象看本質”,進而反過來解決生活中的類似問題。

張朝陽認為研究自然界是特别有意思的事情,他希望實體課的閱聽人能保有好奇心,“在好奇心驅使下,了解自然界的奧秘,了解我們在這個世界生存的道理”。在後續課程中,他還将繼續以這種直播風格解釋生活中常見的實體現象,讓普通人能夠聽懂、專業人士也能認可,激發科學學習的熱潮。該課程于每周周五、周日12時在搜狐視訊直播。同時,網友可以在搜狐視訊“關注流”中搜尋“張朝陽”,觀看往期完整視訊回放。

除《張朝陽的實體課》外,搜狐視訊也邀請多位通識教育播主,科普知識,傳遞價值。北京交通大學理學院教師陳征博士玩起了“奇趣的科學實驗”,走進“光的波粒二象性”;康奈爾大學實體化學博士包坤,化身“包大人玩科學”,教普通人看懂2021年諾貝爾獎;還有天體實體博士劉博洋科普“日全食是怎麼産生的”等,近期走紅的理論實體博士後周思益,也來搜狐視訊開通“弦論世界”直播課。未來,還将有更多知識播主入駐,一起互動玩轉科學。

繼續閱讀