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关于量子力学的你不可不知的奇妙事情

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本来呢,量子力学这件事应该由本吧的某些报考该专业的人士来说明是最好的,可是他们只顾着自己偷懒,躲到其他吧风流快活去了,这些年不得不化身本吧的诸葛丞相,什么都要去学要去做要去碰壁,被逼不自量力!讲之前我在此咒骂他们XX。
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第一讲:量子论的基石是什么
不必虚应前尘故事,咱们直奔主题。量子力学大厦的构建是由六大基本公设所组成的,它们是量子论的根源,所有的量子力学理论皆发源于斯。
量子力学的六大公设可以解释如下:
1. 量子态空间
量子系统的状态由一个向量(简称态矢量)在复数希尔伯特空间中表示。每个量子态都可以用一个态矢量 ∣ψ⟩ 来描述。
2. 态的叠加原理
量子系统的态具有叠加性,如果 ∣ψ 1 ⟩ 和 ∣ψ 2 ⟩ 是量子态,那么 c 1∣ψ 1 ⟩+c 2 ∣ψ 2 ⟩ 也是该系统的可能状态,其中c 1和 c 2 是复数系数。
3. 量子算符与物理量
物理量(如位置、动量、能量等)由算符来表示。每个算符在量子态上作用,得到一个结果或新的量子态。比如位置算符 x^和动量算符 p^ 。【注意:这实际上是字母上面一个^,这里打不出,故以这种方式代替】
4. 量子测量与坍缩
测量过程导致量子态“坍缩”到某个本征态,且测量的结果是该本征态对应的本征值。测量前,量子系统处于叠加态,测量后,系统就坍缩到某个确定的状态。
5. 测量的概率性
测量的结果是概率性的。如果系统的量子态是 ∣ψ⟩,测量某物理量的结果具有一定的概率,这个概率由量子态在该物理量本征态的投影系数决定。
6. 物理系统时间演化
量子系统的时间演化由哈密顿量决定,通常由薛定谔方程描述。系统的量子态随着时间变化,时间演化由单位算符 U(t)=e^( −1/ ℏ)H^ t给出。
以上这六大基本公设组成了量子力学理论的基本框架。


IP属地:广东1楼2025-03-13 10:22回复
    一,量子系统的每个物理状态都可以由一个态矢量(量子态)来描述。这个态矢量通常存在于一个复希尔伯特空间中,形式上表示为一个向量 ∣ψ⟩,其中每个量子态都对应一个复数向量。
    你可以把量子态想象为一个多维空间中的一个点。量子系统的“位置”就对应于这个点,而不同的量子态则对应于不同的点。
    这已经很有意思了,我不妨一件件说给你听。
    复数希尔伯特空间(通常记作 𝓗 )是一个无限维的抽象空间。这个空间是由复数值的向量构成的,满足一些特定的数学性质,主要包括:
    内积空间、完备性、无限维性、抽象性
    那何谓内积空间?
    希尔伯特空间就是一个内积空间,其中定义了一个内积,⟨⋅,⋅⟩,这个内积满足正定性、线性、共轭对称等性质。而内积的存在,使得我们能够定义向量的长度和角度。
    举一个简单例子:
    二维实数空间 ℝ² 中的两个向量,假设我们有两个二维向量:
    u=(1.2),v=(3.4)1. 计算内积
    在 ℝ² 中,两个向量 的内积是:
    ⟨u, v⟩ = u1 * v1 + u2 * v2
    对于 u = (1, 2) 和 v = (3, 4),内积是:
    ⟨u, v⟩ = (1)(3) + (2)(4) = 3 + 8 = 11
    至于向量的长度(或叫它范数)是通过内积定义的。在 ℝ²中,向量 u = (u1, u2) 的长度是:
    ∥u∥ = √(u1² + u2²)
    对于 u = (1, 2),长度是:
    ∥u∥ = √(1² + 2²) = √(1 + 4) = √5
    对于 v = (3, 4),长度是:
    ∥v∥ = √(3² + 4²) = √(9 + 16) = √25 = 5
    在内积空间中,两个向量之间的角度 θ 通过内积来计算。公式为:
    cos(θ) = ⟨u, v⟩ / (∥u∥ * ∥v∥)
    将我们之前计算得到的内积和范数倒进公式:
    cos(θ) = 11 / (√5 * 5) = 11 / (5√5)
    然后,就:
    θ = cos⁻¹(11 / (5√5)) ▇▇
    就是这样。


    IP属地:广东2楼2025-03-13 10:49
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      2025-08-15 09:10:45
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      从这个计算可以看到:
      内积⟨u, v⟩ = 11反映了向量 u 和 v 之间的相互关系,它包含了向量的长度和它们之间的角度。
      向量 u 的长度是√5,而向量 v 的长度是 5。这表示这两个向量的大小。
      通过内积公式计算出的角度 θ, 反映了两个向量之间的夹角。如果 cos(θ) 的值接近 1,说明它们几乎在同一方向;如果 cos(θ) 的值接近 0,说明它们之间几乎是正交的(垂直);如果 cos(θ) 的值为 -1,说明它们在相反方向上。
      因此才会说内积的存在,使得我们能够定义向量的长度和角度。也正因为向量长度具有如此性质,故被称之为模数。模数使得向量空间具有了几何意义,从此不仅能用来表示方向,还能表示大小。
      而能表示方向,又能表示大小的空间,我们通常叫它欧几里得空间。


      IP属地:广东3楼2025-03-13 11:05
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        既然欧几里得空间是能表示方向,又能表示大小的空间,那前面说的希尔伯特空间又是什么?
        实际上欧几里得空间是希尔伯特空间的一个特殊例子,主要是处理一些“有限维”的例子,而希尔伯特空间则处理“无限维”例子,类似于狭义相对论和广义相对论的关系,它们在数学上的定义是细微的:
        欧几里得空间是有限维的空间,空间内的所有子集,包括柯西序列都可以收敛于空间中的某个点,因此它是完备的。
        希尔伯特空间虽然也要求类似的空间结构,但它要求空间是完备的,即每个柯西序列(指在空间内逐渐接近某个值的序列)都必定收敛到空间中的某个元素里。


        IP属地:广东4楼2025-03-13 11:19
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          这些结论都是可以得到数学证明的,就比如说即每个柯西序列(指在空间内逐渐接近某个值的序列)都必定收敛到希尔伯特空间中的某个元素里。

          而这些只是量子力学知识的第零步,就需要具备一定的数学功底和时间积累。这也是人们不常讨论量子力学的原因之一。


          IP属地:广东6楼2025-03-13 17:08
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            抓个虫,时间演化的表达式正确形式为 e −i H^ t/ℏ。


            IP属地:广东7楼2025-03-15 18:02
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