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《張朝陽的實體課》探究諧振子模型的量子化問題

2月6日12時,《張朝陽的實體課》第二十六期開播。搜狐創始人、董事局主席兼CEO張朝陽坐鎮搜狐視訊直播間,開講諧振子模型的量子化問題。張朝陽先回顧經典力學中諧振子的運動方程、勢能,再從雙原子分子中兩個原子間的勢能出發,通過泰勒展開得到最低勢能點附近的諧振子近似,以此闡述了諧振子在微觀世界的普遍性,最後通過求解諧振子的薛定谔方程,帶領網友成功了解諧振子模型的量子化問題。

《張朝陽的實體課》探究諧振子模型的量子化問題

“人生的意義在于幹活。”張朝陽在小白闆上寫下“虎年第二課”,同時為網友送上虎年祝福,他說,“幹活需要學習,有了知識,才能更有效地幹活。學實體,可以了解世界。”他也介紹,已有很多實體學家來搜狐視訊開講,“短視訊時代,有心學習,除了看直播,還可反複看回放。”

回顧經典線性諧振子:胡克定律與運動方程

張朝陽先帶着網友回顧經典力學中的諧振子問題。以彈簧-小球模型為例,在經典力學中,諧振子的回複力是F=-kx,即所謂的胡克定律。根據牛頓第二運動定律,可以得到諧振子的運動方程:

《張朝陽的實體課》探究諧振子模型的量子化問題

他告訴網友,在通常的進行中,實體學家會通過定義角頻率ω0=√(k/m)來簡化符号的使用。他快速給出上述方程的解的形式:x=Re[x0 e^(iω0 t)]。他提醒說,“諧振子以正弦的形式振動,ω0是振動的角頻率。”他也順勢介紹諧振子在振動過程中,動能和勢能互相轉化,總能量保持不變。在諧振子中,勢能的微分du=-Fdx,于是得出諧振子的勢能公式。

《張朝陽的實體課》探究諧振子模型的量子化問題

分子勢能模型:選取平衡位置點 泰勒展開做近似

諧振子是彈簧的理想模型,但是微觀世界并沒有彈簧,那麼諧振子對于量子力學有什麼意義呢?張朝陽以雙原子分子為例,對此作出生動的介紹。他在小白闆上明示雙原子分子中的兩個原子之間的勢能。

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(雙原子分子中的兩個原子之間的勢能曲線(右上角))

他說,“這個勢能曲線有一個最低點。”從經典力學來看,當系統能量比較小時,雙原子分子将會處在最低能處附近。而勢能曲線在勢能最低的形狀恰好和抛物線類似,是以可以近似成諧振子。對此,張朝陽帶着網友進行公式推導,主要方法來自于勢能在能量最低點的泰勒展開:

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他提醒網友,“省略号表示泰勒展開的高階項,可忽略。”他還指出,在勢能最低點,勢能的一次導數為0,于是上式的一次項為0。把二階導數記為k,重新定義勢能零點和坐标原點,即可以把勢能近似為諧振子勢能的形式:

“諧振子在實體中顯得特别重要”,張朝陽強調了這個結論的普遍性。總的來說,隻要是考慮勢能極小值附近的微擾問題,都可以近似為諧振子。

求解薛定谔方程:諧振子能級與波函數

提到諧振子的哈密頓算符,張朝陽再列公式做推導。

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“μ是等效品質”,他說,處理氫原子的時候由于質子比電子重很多,質子可以近似為在質心系中靜止,是以哈密頓量可以直接用電子品質m。但是對于雙原子分子,分子間的品質相差不大,哈密頓量裡邊的品質不能再直接使用其中某個原子的品質。

“有了諧振子的哈密頓量之後,就可以直接寫出定态薛定谔方程了。”他告訴網友。

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《張朝陽的實體課》探究諧振子模型的量子化問題

(張朝陽講解諧振子的薛定谔方程)

于是,張朝陽作了變量代換:

将薛定谔方程化簡為:

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他邊推導邊介紹,解此類方程在前面的課程已經進行過很多次了。為了進一步簡化上述方程,需考慮當ξ趨向于無窮大時,這個方程近似為:

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根據此近似,張朝陽把波函數變換為:

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将此式代入原來的方程,即可得到:

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其中關于ξ的二次項已經被消掉了。至此,張朝陽将H展開成幂級數代入方程,得到了系數的遞推關系。(備注:後面将看到波函數中的H函數為Hermite多項式形式,故這裡取其首字母。)

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緊接着,張朝陽分析了如此遞推公式下的幂級數,如果不截斷成多項式,會導緻波函數不滿足邊界條件,也就是波函數無法歸一化。如果要求這個幂級數截斷成多項式,則有2k+1-λ=0,進而λ=2k+1。按照一般習慣将k寫為n,再結合前方變量代換中λ和E的關系,可得:

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據此,張朝陽強調,諧振子的能量不是連續的,而是存在間隔的。這就是諧振子量子化的展現。他說,“經典力學中的諧振子能量就像斜坡,量子力學中的諧振子能量則是台階,一級一級的。”

最後,他還介紹了諧振子定态波函數的具體形式。

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(張朝陽介紹諧振子的定态波函數和能級)

拓展讨論:基态波函數、不确定性關系、等間距能級與零點能

張朝陽以諧振子基态波函數為例,強調基态的機率分布是高斯分布。先是通過機率分布的集中部分估算了Δx,然後根據動量和能量的關系估算了Δp,最後确認了兩者的乘積确實滿足不确定性關系。

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(諧振子基态滿足不确定性關系)

他強調,諧振子最低能态(n=0的态)的能量不是0,也就是具有所謂的“零點能”。這是和經典力學不一樣的。不過,由于諧振子相鄰能級之間的差為固定值,而熱激發隻和能量差有關,是以,當年普朗克的黑體輻射公式才能和實驗完全吻合。

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》已直播二十多期。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、九課重溫經典實體學的兩朵烏雲。

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、海森堡不确定性原理,以及薛定谔方程等。

從二十多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”。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,搜狐視訊也邀請各專業領域頭部播主入駐,直播科普知識,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”,理論實體博士後周思益也開通“弦論世界”直播課等。未來,還将有更多知識播主入駐,一起互動玩轉科學。

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