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束缚在一点的粒子有无穷大的速度?张朝阳的物理课验证不确定性关系
发表时间:2023年3月14日 13:10 来源:新科技 责任编 辑:麒麟

解薛定谔方程的数学技巧中蕴藏着怎样的物理原理?为何被紧束缚在一点的粒子会瞬间弥散?一个可以真实存在的高斯波包如何自由地演化?3月12日12时,《张朝阳的物理课》第129期开播,搜狐创始人、董事局主席兼CEO张朝阳坐镇搜狐视频直播间,首先带领大家复习了如何在方程中引入虚数来实现对量子世界的描述,然后解释了其中设计的数学方法对应的物理思想,自然地引入了动量空间和坐标空间的概念。分别在两个空间下研究狄拉克δ波包和高斯波包的演化,可以对狄拉克δ波包均匀弥散做出合理地解释,并且验证两种波包的演化都满足量子力学中的不确定性原理。

张朝阳首先给网友们复习了上一节直播课中对含虚参数的高斯积分的推导。引入虚数后,我们得到了对量子世界的正确描述,但是具体计算中,高斯积分的结果需要重新给出证明。张朝阳提示,利用复数和复平面上向量的对应,可以将积分计算转换成几何问题,进而可以推导出高斯积分公式。

紧接着,张朝阳承接上一节课中对狄拉克δ波包的计算分析,指出由于量子力学不确定性原理的越苏,坐标空间上被紧紧束缚于一点的微观粒子,在动量空间上是均匀分布。也就是该粒子的动量的取值是任意的,甚至包括正无穷和负无穷。因此,开始演化后,在任意短的瞬间,粒子就可能奔跑到世界上的任意角落,哪怕是无穷远处。这是因为薛定谔在提出他的方程的时候并没有脱离牛顿力学的框架,完全不考虑任何相对论的效应。因此,它忽视了现在我们熟知的光速最大原理,理论存在内在的瑕疵。

张朝阳指出,因此考虑一个被束缚于一点的粒子不是一个真实的物理模型。为了更好地理解量子力学中的演化现象和不确定性原理,他以同样的方法分析了高斯波包的演化。可以发现,这一类粒子无论是在坐标空间或者动量空间,它们都呈现一种高斯分布,并且分布的展宽满足量子力学不确定性原理。在初始时刻,粒子所在状态使得不确定性关系取得等号,这个状态达到了自然允许我们所能制备和测量的最高精度。其后,粒子在坐标空间上逐渐向外弥散,动量和坐标分布展宽的乘积将随时间逐渐增大。

截至目前,《张朝阳的物理课》已直播一百余期,内容丰富、覆盖广泛,理论公式由浅入深、繁简交融。从去年11月开启第一节物理直播课,他先是从经典物理学开始,科普了牛顿运动定律等;而后从经典物理的“两朵乌云”说起,向近现代物理过渡,探讨了黑体辐射理论中的维恩公式、普朗克公式等知识。

此后逐步进入量子力学领域,从基础的薛定谔方程等理论内容,到氢原子波函数,再到气体定容比热的温度阶梯,并顺势讲解了热力学定律。接着回到了经典物理,推导出飞船运行轨迹,估算太阳的结构与性质以及中子星的自转速度,随后讲解了陀螺的进动,还计算出月球的潮汐高度。紧接着开始介绍狭义相对论的四维语言,并逐步过渡到了电磁学。

《张朝阳的物理课》的直播风格独树一帜:以演算物理为特色,注重从日常现象引入,通过一步一步详尽计算和硬核推导,理解自然界的基本规律。

据了解,《张朝阳的物理课》于每周周五、周日中午12时在搜狐视频直播,网友可以在搜狐视频“关注流”中搜索“张朝阳”,观看直播及往期完整视频回放;关注“张朝阳的物理课”账号,查看课程中的“知识点”短视频;此外,还可以在搜狐新闻APP的“搜狐科技”账号上,阅览每期物理课程的详细文章。

除了《张朝阳的物理课》外,在直播方面,搜狐视频正持续打造知识直播平台,邀请各个科学领域的头部播主入驻,进行科普知识直播。在“科学的浪漫”公开课中,清华大学化学博士、化学工程师、科普作家孙亚飞带你探究“中国媒娥探测器的材料秘密”;中国科学院国家授时中心副研究员、中国科学院青年促进会会员、国际天文学会会员陈江教会你“古人如何准确测算重要节日时间”;天文科普播主、科学队长联合创始人魏朝博讲解“月球对于人类的意义”;北京师范大学系统科学学院副教授、博士生导师崔晓华分享“天体运动如何变轨”……未来将有更多知识主播入驻搜狐视频,一同玩转科学,探索不同领域。

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