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[游戏开发]粒子在 n 維空間中「正定勢場」的定態 Schr?dinger 方程

1 引言

在《量子力學》1這本書中,其中一節的內容就是關於「一維諧振子」的定態 Schr?dinger 方程2。內容如下﹕

一維諧振子的勢場 V ( x ) = 1 2 m ω 2 x 2 V(x) = \frac{1}{2}m\omega^2x^2 V(x)=21?mω2x2
其定態波函數 ψ ( x ) \psi(x) ψ(x) 滿足 ? ? 2 2 m d 2 ψ d x 2 + 1 2 m ω 2 x 2 ψ = E ψ -\frac{\hbar^2}{2m}\frac{d^2 \psi}{dx^2}+\frac{1}{2}m\omega^2x^2\psi=E\psi ?2m?2?dx2d2ψ?+21?mω2x2ψ=Eψ
解方程後得 ψ n ( x ) = N n exp ? ( ? α 2 x 2 2 ) H n ( α x ) \psi_n(x)=N_n\exp(-\frac{\alpha^2x^2}{2})H_n(\alpha x) ψn?(x)=Nn?exp(?2α2x2?)Hn?(αx)

N n N_n Nn? 是歸一化因子 α π 1 2 ? 2 n ? n ! \sqrt{\frac{\alpha}{\pi^{\frac{1}{2}}\cdot 2^n\cdot n!}} π21??2n?n!α? ?
α \alpha α 是位移無量綱化因子 m ω ? \sqrt{\frac{m\omega}{\hbar}} ?mω? ?
H n ( x ) H_n(x) Hn?(x) n n n 階 Hermite 多項式 ( ? 1 ) n exp ? ( x 2 ) d n d x n exp ? ( ? x 2 ) (-1)^n\exp(x^2)\frac{d^n}{dx^n}\exp(-x^2) (?1)nexp(x2)dxndn?exp(?x2)
E n E_n En? 是粒子能級分佈 ( n + 1 2 ) ? ω (n+\frac{1}{2})\hbar\omega (n+21?)?ω

我基於一維諧振子的理論,延伸到二維諧振子,逐步延伸 n 維諧振子,然後由二維諧振子延伸到二維「正定勢場」下的波函數,最後擴展到 n 維空間「正定勢場」下的波函數。

2 二維諧振子

二維諧振子下的勢場
V ( x , y ) = 1 2 m ω 2 ( x 2 + y 2 ) V(x,y)=\frac{1}{2}m\omega^2(x^2+y^2) V(x,y)=21?mω2(x2+y2)
其定態波函數 ψ ( x , y ) \psi(x,y) ψ(x,y) 滿足
? ? 2 2 m ? 2 ψ ( x , y ) + 1 2 m ω 2 ( x 2 + y 2 ) ψ ( x , y ) = E ψ ( x , y ) -\frac{\hbar^2}{2m}\nabla^2\psi(x,y)+\frac{1}{2}m\omega^2(x^2+y^2)\psi(x,y)=E\psi(x,y) ?2m?2??2ψ(x,y)+21?mω2(x2+y2)ψ(x,y)=Eψ(x,y)
定義算子
H x ^ = ? ? 2 2 m ? 2 ? x 2 + 1 2 m ω 2 x 2 \hat{H_x}=-\frac{\hbar^2}{2m}\frac{\partial^2}{\partial x^2}+\frac{1}{2}m\omega^2x^2 Hx?^?=?2m?2??x2?2?+21?mω2x2
H y ^ = ? ? 2 2 m ? 2 ? y 2 + 1 2 m ω 2 y 2 \hat{H_y}=-\frac{\hbar^2}{2m}\frac{\partial^2}{\partial y^2}+\frac{1}{2}m\omega^2y^2 Hy?^?=?2m?2??y2?2?+21?mω2y2
利用分離變量法,設 ψ ( x , y ) = f ( x ) g ( y ) \psi(x,y)=f(x)g(y) ψ(x,y)=f(x)g(y),所以有
H ^ ψ = g ( y ) H x ^ f ( x ) + f ( x ) H y ^ g ( y ) = E f ( x ) g ( y ) f ( x ) H y ^ g ( y ) = ( E f ( x ) ? H x ^ f ( x ) ) g ( y ) H y ^ g ( y ) = E y g ( y ) ?且? H x ^ f ( x ) ) = ( E ? E y ) f ( x ) = E x f ( x ) \hat{H}\psi=g(y)\hat{H_x}f(x)+f(x)\hat{H_y}g(y)=Ef(x)g(y)\\[1em] f(x)\hat{H_y}g(y)=(Ef(x)-\hat{H_x}f(x))g(y)\\[1em] \hat{H_y}g(y)=E_yg(y)\ \text{且}\ \hat{H_x}f(x))=(E-E_y)f(x)=E_xf(x) H^ψ=g(y)Hx?^?f(x)+f(x)Hy?^?g(y)=Ef(x)g(y)f(x)Hy?^?g(y)=(Ef(x)?Hx?^?f(x))g(y)Hy?^?g(y)=Ey?g(y)??Hx?^?f(x))=(E?Ey?)f(x)=Ex?f(x)
由一維諧振子的結論可得, H x ^ \hat{H_x} Hx?^? H y ^ \hat{H_y} Hy?^? 的本征值都是 { E 1 , n } n ≥ 0 \{E_{1,n}\}_{n\geq0} {E1,n?}n0?,對應的本征函數是 { ψ n ( x ) } n ≥ 0 \{\psi_n(x)\}_{n\geq0} {ψn?(x)}n0? { ψ n ( y ) } n ≥ 0 \{\psi_n(y)\}_{n\geq0} {ψn?(y)}n0?
現在 f f f g g g 分別是 H x ^ \hat{H_x} Hx?^? H y ^ \hat{H_y} Hy?^? 的本征函數,所以 f ∈ { ψ n ( x ) } n ≥ 0 f \in \{\psi_n(x)\}_{n\geq0} f{ψn?(x)}n0? g ∈ { ψ n ( y ) } n ≥ 0 g \in \{\psi_n(y)\}_{n\geq0} g{ψn?(y)}n0?,即 ψ m + n ( x , y ) = ψ m ( x ) ψ n ( y ) \psi_{m+n}(x,y)=\psi_m(x)\psi_n(y) ψm+n?(x,y)=ψm?(x)ψn?(y)。與此同時,對應的能級是 E 2 , N = E m n = E 1 , m + E 1 , n = ( m + n + 1 ) ? ω E_{2,N}=E_{mn}=E_{1,m}+E_{1,n}=(m+n+1)\hbar\omega E2,N?=Emn?=E1,m?+E1,n?=(m+n+1)?ω,簡並度是 ( N + 1 1 ) = N + 1 \left(\begin{matrix}N+1\\1\end{matrix}\right)=N+1 (N+11?)=N+1

3 n n n 維諧振子

以下用數學歸納法來證明如下命題﹕

n n n 維諧振子的勢場為 V ( r n ? ) = V ( x 1 , x 2 , ? ? , x n ) = 1 2 m ω 2 r n ? 2 V(\vec{r_n}) = V(x_1,x_2,\cdots,x_n) = \frac{1}{2}m\omega^2\vec{r_n}^2 V(rn? ?)=V(x1?,x2?,?,xn?)=21?mω2rn? ?2
本征波函數族為 { ∏ k = 1 n ψ N k ( x k ) ∣ ∑ k = 1 n N k = N } \{\prod\limits_{k=1}^{n}\psi_{N_k}(x_k)|\sum\limits_{k=1}^{n}N_k=N\} {k=1n?ψNk??(xk?)k=1n?Nk?=N},其中 ψ k \psi_k ψk? 是一維諧振子各能級 E k E_k Ek? 對應的定態波函數。與此同時,對應的本征能級是 E n , N = ( ∑ k = 1 n N k + n 2 ) ? ω = ( N + n 2 ) ? ω E_{n,N}=(\sum\limits_{k=1}^nN_k+\frac{n}{2})\hbar\omega=(N+\frac{n}{2})\hbar\omega En,N?=(k=1n?Nk?+2n?)?ω=(N+2n?)?ω,簡並度是 ( N + n ? 1 n ? 1 ) \left(\begin{matrix}N+n-1\\n-1\end{matrix}\right) (N+n?1n?1?)

(1.) 當 n = 1 n = 1 n=1 時,命題等價於一維諧振子結論
(2.) 假設 n = t ? 1 n = t - 1 n=t?1 時命題成立,那麼當 n = t n = t n=t 時,設 ψ ( r t ? ) = ψ ( r t ? 1 → , x t ) = f ( r t ? 1 → ) g ( x t ) \psi(\vec{r_t})=\psi(\overrightarrow{r_{t-1}},x_t) = f(\overrightarrow{r_{t-1}})g(x_t) ψ(rt? ?)=ψ(rt?1? ?,xt?)=f(rt?1? ?)g(xt?)

? r t ? 1 → 2 = ∑ i = 1 t ? 1 ? 2 ? x i 2 H r t ? 1 → ^ = ? ? 2 2 m ? r t ? 1 → 2 + 1 2 m ω 2 r t 1 → 2 H x t ^ = ? ? 2 2 m ? 2 ? x t 2 + 1 2 m ω 2 x t 2 \nabla_{\overrightarrow{r_{t-1}}}^2=\sum_{i=1}^{t-1}\frac{\partial^2}{\partial x_i^2}\\[1em] \hat{H_{\overrightarrow{r_{t-1}}}}=-\frac{\hbar^2}{2m}\nabla_{\overrightarrow{r_{t-1}}}^2+\frac{1}{2}m\omega^2\overrightarrow{r_{t_1}}^2\\[1em] \hat{H_{x_t}}=-\frac{\hbar^2}{2m}\frac{\partial^2}{\partial x_t^2}+\frac{1}{2}m\omega^2x_t^2 ?rt?1? ?2?=i=1t?1??xi2??2?Hrt?1? ??^?=?2m?2??rt?1? ?2?+21?mω2rt1?? ?2Hxt??^?=?2m?2??xt2??2?+21?mω2xt2?
所以
H ^ = ? ? 2 2 m ? r t → 2 + 1 2 m ω 2 r t → 2 = ( ? ? 2 2 m ? r t ? 1 → 2 + 1 2 m ω 2 r t 1 → 2 ) + ( ? ? 2 2 m ? 2 ? x t 2 + 1 2 m ω 2 x t 2 ) = H r t ? 1 → ^ + H x t ^ \hat{H}=-\frac{\hbar^2}{2m}\nabla_{\overrightarrow{r_t}}^2+\frac{1}{2}m\omega^2\overrightarrow{r_t}^2=\left(-\frac{\hbar^2}{2m}\nabla_{\overrightarrow{r_{t-1}}}^2+\frac{1}{2}m\omega^2\overrightarrow{r_{t_1}}^2\right)+\left(-\frac{\hbar^2}{2m}\frac{\partial^2}{\partial x_t^2}+\frac{1} {2}m\omega^2x_t^2\right)=\hat{H_{\overrightarrow{r_{t-1}}}}+\hat{H_{x_t}} H^=?2m?2??rt? ?2?+21?mω2rt? ?2=(?2m?2??rt?1? ?2?+21?mω2rt1?? ?2)+(?2m?2??xt2??2?+21?mω2xt2?)=Hrt?1? ??^?+Hxt??^?
利用分離變量法,設 ψ ( r t → ) = f ( r t ? 1 → ) g ( r t ) \psi(\overrightarrow{r_t})=f(\overrightarrow{r_{t-1}})g(r_t) ψ(rt? ?)=f(rt?1? ?)g(rt?),類似二維諧振子般,可以得到如下關係式
H x t ^ g ( y ) = E x t g ( x t ) ?且? H r t ? 1 → ^ f ( r t ? 1 → ) ) = ( E ? E x t ) f ( r t ? 1 → ) = E r t ? 1 → f ( r t ? 1 → ) \hat{H_{x_t}}g(y)=E_{x_t}g(x_t)\ \text{且}\ \hat{H_{\overrightarrow{r_{t-1}}}}f(\overrightarrow{r_{t-1}}))=(E-E_{x_t})f(\overrightarrow{r_{t-1}})=E_{\overrightarrow{r_{t-1}}}f(\overrightarrow{r_{t-1}}) Hxt??^?g(y)=Ext??g(xt?)??Hrt?1? ??^?f(rt?1? ?))=(E?Ext??)f(rt?1? ?)=Ert?1? ??f(rt?1? ?)
由 (1.) 知, H x t ^ \hat{H_{x_t}} Hxt??^? 的本征值是 { E 1 , N } N ≥ 0 = { ( N + 1 2 ) ? ω } N ≥ 0 \{E_{1,N}\}_{N\geq0}=\{(N+\frac{1}{2})\hbar\omega\}_{N\geq0} {E1,N?}N0?={(N+21?)?ω}N0?,對應的本征函數是 { ψ N ( x t ) } N ≥ 0 \{\psi_N(x_t)\}_{N\geq0} {ψN?(xt?)}N0?
由歸納假設知, H r t ? 1 → ^ \hat{H_{\overrightarrow{r_{t-1}}}} Hrt?1? ??^? 的本征值是 { E t ? 1 , N } N ≥ 0 = { ( N + t ? 1 2 ) ? ω } n ≥ 0 \{E_{t-1,N}\}_{N\geq0}=\{(N+\frac{t-1}{2})\hbar\omega\}_{n\geq0} {Et?1,N?}N0?={(N+2t?1?)?ω}n0?,每一個本征值 E t ? 1 , N E_{t-1,N} Et?1,N? 對應的本征函數族是 { ∏ k = 1 t ? 1 ψ N k ( x k ) ∣ ∑ k = 1 t ? 1 N k = N } \{\prod\limits_{k=1}^{t-1}\psi_{N_k}(x_k)|\sum\limits_{k=1}^{t-1}N_k=N\} {k=1t?1?ψNk??(xk?)k=1t?1?Nk?=N}
因此, H ^ \hat{H} H^ 的本征值便是 { E t , N } N ≥ 0 = { E t ? 1 , N + E 1 , 0 } N ≥ 0 = { ( N + t ? 1 2 + 0 + 1 2 ) ? ω } N ≥ 0 = { ( N + t 2 ) } N ≥ 0 \{E_{t,N}\}_{N\geq0}=\{E_{t-1,N}+E_{1,0}\}_{N\geq0}=\{(N+\frac{t-1}{2}+0+\frac{1}{2})\hbar\omega\}_{N\geq0}=\{(N+\frac{t}{2})\}_{N\geq0} {Et,N?}N0?={Et?1,N?+E1,0?}N0?={(N+2t?1?+0+21?)?ω}N0?={(N+2t?)}N0?,對應的本征值函數族是 { ∏ k = 1 t ψ N k ( x k ) ∣ ∑ k = 1 t N k = N } \{\prod\limits_{k=1}^{t}\psi_{N_k}(x_k)|\sum\limits_{k=1}^{t}N_k=N\} {k=1t?ψNk??(xk?)k=1t?Nk?=N}

結合(1.) 和 (2.),根據數學歸納原理可知,原命題對於任意正整數 n n n 皆成立。

4 二維「正定勢場」下的定態 Schr?dinger 方程

我先不引入「正定勢場」的概念,而是用另一個特殊勢場作為引入,求解其定態 Schr?dinger 方程。
V ( x , y ) = 1 2 m ω 2 ( x 2 + x y + y 2 ) V(x,y)=\frac{1}{2}m\omega^2(x^2+xy+y^2) V(x,y)=21?mω2(x2+xy+y2)
考慮座標變換(讀者可以先自行思考)
( u v ) = ( 1 2 1 2 1 2 ? 1 2 ) ( x y ) \left( \begin{matrix} u\\ v \end{matrix} \right)= \left( \begin{matrix} \frac{1}{\sqrt{2}} & \frac{1}{\sqrt{2}}\\ \frac{1}{\sqrt{2}} & -\frac{1}{\sqrt{2}} \end{matrix} \right) \left( \begin{matrix} x\\ y \end{matrix} \right) (uv?)=(2 ?1?2 ?1??2 ?1??2 ?1??)(xy?)
u u u v v v 表示 ? 2 \nabla^2 ?2
? ? x = ? ? u ? u ? x + ? ? v ? v ? x = 1 2 ( ? ? u + ? ? v ) ? 2 ? x 2 = 1 2 ( ? ? u + ? ? v ) ? 1 2 ( ? ? u + ? ? v ) = 1 2 ( ? 2 ? u 2 + ? 2 ? v 2 + ? 2 ? u ? v + ? 2 ? v ? u ) \frac{\partial}{\partial x}=\frac{\partial}{\partial u}\frac{\partial u}{\partial x}+\frac{\partial}{\partial v}\frac{\partial v}{\partial x}=\frac{1}{\sqrt{2}}(\frac{\partial}{\partial u}+\frac{\partial}{\partial v})\\[1em] \frac{\partial^2}{\partial x^2}=\frac{1}{\sqrt{2}}(\frac{\partial}{\partial u}+\frac{\partial}{\partial v})\cdot\frac{1}{\sqrt{2}}(\frac{\partial}{\partial u}+\frac{\partial}{\partial v})=\frac{1}{2}(\frac{\partial^2}{\partial u^2}+\frac{\partial^2}{\partial v^2}+\frac{\partial^2}{\partial u\partial v}+\frac{\partial^2}{\partial v\partial u}) ?x??=?u???x?u?+?v???x?v?=2 ?1?(?u??+?v??)?x2?2?=2 ?1?(?u??+?v??)?2 ?1?(?u??+?v??)=21?(?u2?2?+?v2?2?+?u?v?2?+?v?u?2?)
同理可得
? 2 ? y 2 = 1 2 ( ? 2 ? u 2 + ? 2 ? v 2 ? ? 2 ? u ? v ? ? 2 ? v ? u ) ? 2 = ? 2 ? x 2 + ? 2 ? y 2 = ? 2 ? u 2 + ? 2 ? v 2 \frac{\partial^2}{\partial y^2}=\frac{1}{2}(\frac{\partial^2}{\partial u^2}+\frac{\partial^2}{\partial v^2}-\frac{\partial^2}{\partial u\partial v}-\frac{\partial^2}{\partial v\partial u})\\[1em] \nabla^2=\frac{\partial^2}{\partial x^2}+\frac{\partial^2}{\partial y^2}=\frac{\partial^2}{\partial u^2}+\frac{\partial^2}{\partial v^2} ?y2?2?=21?(?u2?2?+?v2?2???u?v?2???v?u?2?)?2=?x2?2?+?y2?2?=?u2?2?+?v2?2?
簡記
? x y 2 = ? u v 2 \nabla^2_{xy}=\nabla^2_{uv} ?xy2?=?uv2?
u u u v v v 改寫勢場﹕
V = 1 2 m ω 2 ( 3 2 u 2 + 1 2 v 2 ) = 1 2 m ( 3 2 ω ) 2 u 2 + 1 2 m ( 1 2 ω ) 2 v 2 V=\frac{1}{2}m\omega^2(\frac{3}{2}u^2+\frac{1}{2}v^2)=\frac{1}{2}m(\sqrt{\frac{3}{2}}\omega)^2u^2+\frac{1}{2}m(\sqrt{\frac{1}{2}}\omega)^2v^2 V=21?mω2(23?u2+21?v2)=21?m(23? ?ω)2u2+21?m(21? ?ω)2v2

H x , ω ^ = ? ? 2 2 m ? 2 ? x 2 + 1 2 m ω 2 x 2 ψ ω , n ( x ) = m ω ? π 1 2 ? 2 n ? n ! exp ? ( ? m ω ? x 2 2 ) H n ( m ω ? x ) \hat{H_{x,\omega}}=-\frac{\hbar^2}{2m}\frac{\partial^2}{\partial x^2}+\frac{1}{2}m\omega^2x^2\\[1em] \psi_{\omega,n}(x)=\sqrt{\frac{\sqrt{\frac{m\omega}{\hbar}}}{\pi^{\frac{1}{2}}\cdot 2^n\cdot n!}}\exp(-\frac{\frac{m\omega}{\hbar}x^2}{2})H_n(\sqrt{\frac{m\omega}{\hbar}} x) Hx,ω?^?=?2m?2??x2?2?+21?mω2x2ψω,n?(x)=π21??2n?n!?mω? ?? ?exp(?2?mω?x2?)Hn?(?mω? ?x)
所以在這個勢場下的哈密頓算符是
H ^ = H u , 3 2 ω ^ + H v , 1 2 ω ^ \hat{H}=\hat{H_{u,\sqrt{\frac{3}{2}}\omega}}+\hat{H_{v,\sqrt{\frac{1}{2}}\omega}} H^=Hu,23? ?ω?^?+Hv,21? ?ω?^?
如二維諧振子般利用分離變量法,可得本征波函數
ψ ( x , y ) = ψ 3 2 ω , m ( u ) ψ 1 2 ω , n ( v ) = ψ 3 2 ω , m ( x + y 2 ) ψ 1 2 ω , n ( x ? y 2 ) \psi(x,y)=\psi_{\sqrt{\frac{3}{2}}\omega,m}(u)\psi_{\sqrt{\frac{1}{2}}\omega,n}(v)=\psi_{\sqrt{\frac{3}{2}}\omega,m}(\frac{x+y}{\sqrt{2}})\psi_{\sqrt{\frac{1}{2}}\omega,n}(\frac{x-y}{\sqrt{2}}) ψ(x,y)=ψ23? ?ω,m?(u)ψ21? ?ω,n?(v)=ψ23? ?ω,m?(2 ?x+y?)ψ21? ?ω,n?(2 ?x?y?)
對應的本征能級是
E m , n = [ ( m + 1 2 ) 3 2 + ( n + 1 2 ) 1 2 ] ? ω E_{m,n}=\left[(m+\frac{1}{2})\sqrt{\frac{3}{2}}+(n+\frac{1}{2})\sqrt{\frac{1}{2}}\right]\hbar\omega Em,n?=[(m+21?)23? ?+(n+21?)21? ?]?ω
顯然地,這個能級是非簡並的。

忽略能級簡並度的因素,我們去擴展這個問題﹕

如果勢函數 V ( x , y ) V(x,y) V(x,y) 可以寫成
V ( x , y ) = 1 2 m ω 2 ( x y ) ( a b b c ) ( x y ) V(x,y)=\frac{1}{2}m\omega^2\left(\begin{matrix}x&y\end{matrix}\right)\left(\begin{matrix}a&b\\b&c\end{matrix}\right)\left(\begin{matrix}x\\y\end{matrix}\right) V(x,y)=21?mω2(x?y?)(ab?bc?)(xy?)
且當 ( x , y ) ≠ ( 0 , 0 ) (x,y) \neq (0,0) (x,y)?=(0,0) V ( x , y ) > 0 V(x,y) > 0 V(x,y)>0
那麼定態波函數 ψ ( x , y ) \psi(x,y) ψ(x,y) 是否可以寫成 ψ λ 1 ω , m ( k 1 x + b 1 y ) ? ψ λ 2 ω , n ( k 2 x + b 2 y ) \psi_{\lambda_1\omega,m}(k_1x+b_1y)\cdot\psi_{\lambda_2\omega,n}(k_2x+b_2y) ψλ1?ω,m?(k1?x+b1?y)?ψλ2?ω,n?(k2?x+b2?y)的形式呢?(其中, k 1 , b 1 , k 2 , b 2 , λ 1 , λ 2 k_1,b_1,k_2,b_2,\lambda_1,\lambda_2 k1?,b1?,k2?,b2?,λ1?,λ2? 都是常數)

注意到矩陣 ( a b b c ) \left(\begin{matrix}a&b\\b&c\end{matrix}\right) (ab?bc?) 是實對稱正定矩陣 (若讀者對正定矩陣不瞭解,可以參考 MIT 的 Introduction to Linear Algebra3 書籍),所以可以進行正交對角化。即存在一個正交矩陣 Q = ( q 11 q 12 q 21 g 22 ) Q=\left(\begin{matrix}q_{11}&q_{12}\\q_{21}&g_{22}\end{matrix}\right) Q=(q11?q21??q12?g22??) 和一個對角矩陣 Λ = d i a g ( λ 1 2 , λ 2 2 ) \Lambda=diag(\lambda_1^2,\lambda_2^2) Λ=diag(λ12?,λ22?),滿足
A = Q T Λ Q V ( x , y ) = 1 2 m ω 2 ( x y ) Q T Λ Q ( x y ) = 1 2 m ω 2 q ? T Λ q ? = 1 2 m ( λ 1 ω ) 2 u 2 + 1 2 m ( λ 2 ω ) 2 v 2 A=Q^T\Lambda Q\\[1em] V(x,y)=\frac{1}{2}m\omega^2\left(\begin{matrix}x&y\end{matrix}\right)Q^T\Lambda Q\left(\begin{matrix}x\\y\end{matrix}\right)=\frac{1}{2}m\omega^2\vec{q}^T\Lambda \vec{q}=\frac{1}{2}m(\lambda_1\omega)^2u^2+\frac{1}{2}m(\lambda_2\omega)^2v^2 A=QTΛQV(x,y)=21?mω2(x?y?)QTΛQ(xy?)=21?mω2q ?TΛq ?=21?m(λ1?ω)2u2+21?m(λ2?ω)2v2
此時, u = q 11 x + q 12 y u=q_{11}x+q_{12}y u=q11?x+q12?y v = q 21 x + q 22 y v=q_{21}x+q_{22}y v=q21?x+q22?y
下面證明﹕

? 2 ? x 2 + ? 2 ? y 2 = ? 2 ? u 2 + ? 2 ? v 2 \frac{\partial^2}{\partial x^2}+ \frac{\partial^2}{\partial y^2}= \frac{\partial^2}{\partial u^2}+ \frac{\partial^2}{\partial v^2} ?x2?2?+?y2?2?=?u2?2?+?v2?2?

證﹕

? ? x = ? ? u ? u ? x + ? ? v ? v ? x = q 11 ? ? u + q 21 ? ? v ? 2 ? x 2 = ? ? x ? ? ? x = ( q 11 ? ? u + q 21 ? ? v ) ( q 11 ? ? u + q 21 ? ? v ) = q 11 2 ? 2 ? u 2 + q 21 2 ? 2 ? u 2 + q 11 q 21 ( ? 2 ? u ? v + ? 2 ? v ? u ) \frac{\partial}{\partial x} = \frac{\partial}{\partial u}\frac{\partial u}{\partial x}+\frac{\partial}{\partial v}\frac{\partial v}{\partial x} = q_{11}\frac{\partial}{\partial u}+q_{21}\frac{\partial}{\partial v}\\[1em] \frac{\partial^2}{\partial x^2}=\frac{\partial}{\partial x} \cdot \frac{\partial}{\partial x}=(q_{11}\frac{\partial}{\partial u}+q_{21}\frac{\partial}{\partial v})(q_{11}\frac{\partial}{\partial u}+q_{21}\frac{\partial}{\partial v})=q_{11}^2\frac{\partial^2}{\partial u^2}+q_{21}^2\frac{\partial^2}{\partial u^2}+q_{11}q_{21}(\frac{\partial^2}{\partial u\partial v}+\frac{\partial^2}{\partial v\partial u}) ?x??=?u???x?u?+?v???x?v?=q11??u??+q21??v???x2?2?=?x????x??=(q11??u??+q21??v??)(q11??u??+q21??v??)=q112??u2?2?+q212??u2?2?+q11?q21?(?u?v?2?+?v?u?2?)
同理可得
? 2 ? y 2 = q 12 2 ? 2 ? u 2 + q 22 2 ? 2 ? u 2 + q 12 q 22 ( ? 2 ? u ? v + ? 2 ? v ? u ) \frac{\partial^2}{\partial y^2}=q_{12}^2\frac{\partial^2}{\partial u^2}+q_{22}^2\frac{\partial^2}{\partial u^2}+q_{12}q_{22}(\frac{\partial^2}{\partial u\partial v}+\frac{\partial^2}{\partial v\partial u}) ?y2?2?=q122??u2?2?+q222??u2?2?+q12?q22?(?u?v?2?+?v?u?2?)
利用正交矩陣的定義
q 11 2 + q 12 2 = q 21 2 + q 22 2 = 1 q 11 q 21 + q 12 q 22 = 0 q_{11}^2+q_{12}^2=q_{21}^2+q_{22}^2=1\\[1em] q_{11}q_{21}+q_{12}q_{22}=0 q112?+q122?=q212?+q222?=1q11?q21?+q12?q22?=0
可證得
? 2 ? x 2 + ? 2 ? y 2 = ? 2 ? u 2 + ? 2 ? v 2 \frac{\partial^2}{\partial x^2}+ \frac{\partial^2}{\partial y^2}= \frac{\partial^2}{\partial u^2}+ \frac{\partial^2}{\partial v^2} ?x2?2?+?y2?2?=?u2?2?+?v2?2?

利用上方結論,可以得出算符量
T ^ = T u ^ + T v ^ V ^ = V λ 1 ω ^ + V λ 2 ω ^ H ^ = H λ 1 ω , u ^ + H λ 2 ω , v ^ \hat{T}=\hat{T_u}+\hat{T_v}\\[1em] \hat{V}=\hat{V_{\lambda_1\omega}}+\hat{V_{\lambda_2\omega}}\\[1em] \hat{H}=\hat{H_{\lambda_1\omega,u}}+\hat{H_{\lambda_2\omega,v}} T^=Tu?^?+Tv?^?V^=Vλ1?ω?^?+Vλ2?ω?^?H^=Hλ1?ω,u?^?+Hλ2?ω,v?^?
因此,本征波函數為
ψ ( x , y ) = ψ λ 1 ω , m ( u ) ψ λ 2 ω , n ( v ) = ψ λ 1 ω , m ( q 11 x + q 12 y ) ψ λ 2 ω , n ( q 21 x + q 22 y ) \psi(x,y)=\psi_{\lambda_1\omega,m}(u)\psi_{\lambda_2\omega,n}(v)=\psi_{\lambda_1\omega,m}(q_{11}x+q_{12}y)\psi_{\lambda_2\omega,n}(q_{21}x+q_{22}y) ψ(x,y)=ψλ1?ω,m?(u)ψλ2?ω,n?(v)=ψλ1?ω,m?(q11?x+q12?y)ψλ2?ω,n?(q21?x+q22?y)
對應的本征能級為
E m , n = [ ( m + 1 2 ) λ 1 + ( n + 1 2 ) λ 2 ] ? ω = ( m + 1 2 n + 1 2 ) Λ ( 1 1 ) ? ω E_{m,n}=\left[(m+\frac{1}{2})\lambda_1+(n+\frac{1}{2})\lambda_2\right]\hbar\omega=\left(\begin{matrix}m+\frac{1}{2}&n+\frac{1}{2}\end{matrix}\right)\sqrt{\Lambda}\left(\begin{matrix}1\\1\end{matrix}\right)\hbar\omega Em,n?=[(m+21?)λ1?+(n+21?)λ2?]?ω=(m+21??n+21??)Λ ?(11?)?ω

5 正定勢場的定義

定義﹕ 對於任意向量 r ? = ( x 1 , x 2 , ? ? , x n ) T ≠ 0 ? T \vec{r}=(x_1,x_2,\cdots,x_n)^T\neq\vec{0}^T r =(x1?,x2?,?,xn?)T?=0 T,勢場
V ( r ? ) = 1 2 m ω 2 r ? T A r ? > 0 V(\vec{r})=\frac{1}{2}m\omega^2\vec{r}^TA\vec{r}>0 V(r )=21?mω2r TAr >0
其中 A A A 是一個實數矩陣,那麼勢場 V V V 就是正定勢場。

一般而言, A A A 會被寫成實對稱矩陣 (若非,則 A A A 可用 A + A T 2 \frac{A+A^T}{2} 2A+AT? 代替),下一節的矩陣 A A A 都會默認是實對稱矩陣。根據線性代數知識可知, A A A 就是正定矩陣。

6 n n n 維「正定勢場」下的定態 Schr?dinger 方程

試着把二維情況推廣到 n n n 維空間中,結論又是否會成立呢?
考慮
r ? = ( x 1 , x 2 , ? ? , x n ) T ≠ 0 ? T V ( r ? ) = 1 2 m ω 2 r ? T A n r ? \vec{r}=(x_1,x_2,\cdots,x_n)^T\neq\vec{0}^T\\[1em] V(\vec{r})=\frac{1}{2}m\omega^2\vec{r}^TA_n\vec{r} r =(x1?,x2?,?,xn?)T?=0 TV(r )=21?mω2r TAn?r
V V V 是一個正定勢場,尋找其本征波函數 ψ ( r ? ) \psi(\vec{r}) ψ(r )
首先,對 A n A_n An? 進行正交對角化,同時改寫勢能表達式﹕
A n = Q T Λ Q Λ = d i a g ( λ 1 2 , λ 2 2 , ? ? , λ n 2 ) Q = ( q i j ) n × n = ( q 1 ? T q 2 ? T ? q n ? T ) V = 1 2 m ω 2 r ? T Q T Λ Q r ? = 1 2 m ω 2 u ? T Λ u ? = ∑ i = 1 n 1 2 m ( λ i ω ) 2 u i 2 ( u 1 , u 2 , ? ? , u n ) T = u ? = Q r ? A_n = Q^T\Lambda Q\\ \Lambda=diag(\lambda_1^2,\lambda_2^2,\cdots,\lambda_n^2)\\[1em] Q=(q_{ij})_{n\times n}=\left(\begin{matrix}\vec{q_1}^T\\\vec{q_2}^T\\\vdots\\\vec{q_n}^T\end{matrix}\right)\\[1em] V = \frac{1}{2}m\omega^2\vec{r}^TQ^T\Lambda Q\vec{r}=\frac{1}{2}m\omega^2\vec{u}^T\Lambda\vec{u}=\sum_{i=1}^n\frac{1}{2}m(\lambda_i \omega)^2u_i^2\\(u_1,u_2,\cdots,u_n)^T=\vec{u}=Q\vec{r} An?=QTΛQΛ=diag(λ12?,λ22?,?,λn2?)Q=(qij?)n×n?=??????q1? ?Tq2? ?T?qn? ?T???????V=21?mω2r TQTΛQr =21?mω2u TΛu =i=1n?21?m(λi?ω)2ui2?(u1?,u2?,?,un?)T=u =Qr
然後,我們證明一個結論﹕

若存在一個正交矩陣 Q = { q i j } n × n Q=\{q_{ij}\}_{n\times n} Q={qij?}n×n?,滿足 u ? = Q r ? = ( q 1 ? T q 2 ? T ? q n ? T ) r ? \vec{u}=Q\vec{r}=\left(\begin{matrix}\vec{q_1}^T\\\vec{q_2}^T\\\vdots\\\vec{q_n}^T\end{matrix}\right)\vec{r} u =Qr =??????q1? ?Tq2? ?T?qn? ?T???????r ,那麼
? r ? 2 = ? u ? 2 ? ( ∑ i = 1 n ? 2 ? x i 2 = ∑ i = 1 n ? 2 ? u i 2 ) \nabla^2_{\vec{r}}=\nabla^2_{\vec{u}}\ (\sum_{i=1}^n\frac{\partial^2}{\partial x_i^2}=\sum_{i=1}^n\frac{\partial^2}{\partial u_i^2}) ?r 2?=?u 2??(i=1n??xi2??2?=i=1n??ui2??2?)
證﹕
? ? x i = ∑ k = 1 n ? ? u k ? u k ? x i = ∑ k = 1 n q k i ? ? u k ? 2 ? x i 2 = ( ∑ k = 1 n q k i ? ? u k ) ( ∑ m = 1 n q m i ? ? u m ) = ∑ k = 1 n ∑ m = 1 n q k i q m i ? 2 ? u k ? u m ? r ? 2 = ∑ i = 1 n ? 2 ? x i 2 = ∑ i = 1 n ∑ k = 1 n ∑ m = 1 n q k i q m i ? 2 ? u k ? u m = ∑ k = 1 n ∑ m = 1 n [ ? 2 ? u k ? u m ( ∑ i = 1 n q k i q m i ) ] = ∑ k = 1 n ∑ m = 1 n [ ? 2 ? u k ? u m ( q k ? T q m ? ) ] = ∑ k = 1 n ∑ m = 1 n [ ? 2 ? u k ? u m δ k m ] = ∑ k = 1 n ? 2 ? u k 2 = ? u ? 2 \frac{\partial}{\partial x_i}=\sum_{k=1}^n\frac{\partial}{\partial u_k}\frac{\partial u_k}{\partial x_i}=\sum_{k=1}^nq_{ki}\frac{\partial}{\partial u_k}\\[1em] \frac{\partial^2}{\partial x_i^2} = (\sum_{k=1}^nq_{ki}\frac{\partial}{\partial u_k})(\sum_{m=1}^nq_{mi}\frac{\partial}{\partial u_m})=\sum_{k=1}^n\sum_{m=1}^nq_{ki}q_{mi}\frac{\partial^2}{\partial u_k\partial u_m}\\[1em] \nabla^2_{\vec{r}}=\sum_{i=1}^n\frac{\partial^2}{\partial x_i^2}=\sum_{i=1}^n\sum_{k=1}^n\sum_{m=1}^nq_{ki}q_{mi}\frac{\partial^2}{\partial u_k\partial u_m}=\sum_{k=1}^n\sum_{m=1}^n\left[\frac{\partial^2}{\partial u_k\partial u_m}\left(\sum_{i=1}^nq_{ki}q_{mi}\right)\right]=\sum_{k=1}^n\sum_{m=1}^n\left[\frac{\partial^2}{\partial u_k\partial u_m}\left(\vec{q_k}^T\vec{q_m}\right)\right]=\sum_{k=1}^n\sum_{m=1}^n\left[\frac{\partial^2}{\partial u_k\partial u_m}\delta_{km}\right]=\sum_{k=1}^n\frac{\partial^2}{\partial u_k^2}=\nabla^2_{\vec{u}}\\[1em] ?xi???=k=1n??uk????xi??uk??=k=1n?qki??uk????xi2??2?=(k=1n?qki??uk???)(m=1n?qmi??um???)=k=1n?m=1n?qki?qmi??uk??um??2??r 2?=i=1n??xi2??2?=i=1n?k=1n?m=1n?qki?qmi??uk??um??2?=k=1n?m=1n?[?uk??um??2?(i=1n?qki?qmi?)]=k=1n?m=1n?[?uk??um??2?(qk? ?Tqm? ?)]=k=1n?m=1n?[?uk??um??2?δkm?]=k=1n??uk2??2?=?u 2?

因此,對應的算符量是
T i ^ = ? ? 2 2 m ? 2 ? u i 2 V λ i ω , i ^ = 1 2 m ( λ i ω ) 2 u i 2 H λ i ω , i ^ = T i ^ + V λ ω , i ^ H ^ = ∑ i = 1 n H λ i ω , i ^ \hat{T_i}=-\frac{\hbar^2}{2m}\frac{\partial^2}{\partial u_i^2}\\[1em] \hat{V_{\lambda_i\omega,i}}=\frac{1}{2}m(\lambda_i \omega)^2u_i^2\\[1em] \hat{H_{\lambda_i\omega,i}}=\hat{T_i}+\hat{V_{\lambda\omega,i}}\\[1em] \hat{H}=\sum_{i=1}^n\hat{H_{\lambda_i\omega,i}} Ti?^?=?2m?2??ui2??2?Vλi?ω,i?^?=21?m(λi?ω)2ui2?Hλi?ω,i?^?=Ti?^?+Vλω,i?^?H^=i=1n?Hλi?ω,i?^?
如第 3 節的「 n n n 維諧振子」般利用數學歸納法可得,本征波函數
ψ ( r ? ) = ∏ i = 1 n ψ λ i ω , m i ( q i ? T r ? ) \psi(\vec{r})=\prod_{i=1}^{n}\psi_{\lambda_i\omega,m_i}(\vec{q_i}^T \vec{r}) ψ(r )=i=1n?ψλi?ω,mi??(qi? ?Tr )
對應的本征能級 m ? = ( m i ) n × 1 T \vec{m}=(m_i)^T_{n\times 1} m =(mi?)n×1T?
E m ? = ? ω ∑ i = 1 n ( m i + 1 2 ) λ i = ( m ? T + ( 1 2 ) 1 × n ) Λ ( 1 ) n × 1 ? ω E_{\vec{m}}=\hbar\omega\sum_{i=1}^n(m_i+\frac{1}{2})\lambda_i=(\vec{m}^T+(\frac{1}{2})_{1\times n})\sqrt{\Lambda}(1)_{n\times 1}\hbar\omega Em ?=?ωi=1n?(mi?+21?)λi?=(m T+(21?)1×n?)Λ ?(1)n×1??ω

7 資料來源


  1. 《量子力學》,錢伯初,高等教育出版社,2017年。 ??

  2. 一維諧振子https://en.wikipedia.org/wiki/Schr%C3%B6dinger_equation#Harmonic_oscillator ??

  3. Gilbert Strang, Introduction to Linear Algebra, fifth edition ??

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