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2.6

期望值、方差与不确定性原理

从概率分布里提取数字:平均值、涨落,以及一条限制它们的不等式。

建议先掌握

学完本节你应该能

  • 计算任意可观测量的期望值与标准差
  • 说明动量算符为什么是 −iħ∂/∂x,而不是别的什么
  • 正确陈述不确定性原理,并指出「观测者干扰」式解读的问题
  • 用 Ehrenfest 定理说明经典力学如何从量子力学中浮现

有了 ∣Ψ∣2|\Psi|^2,我们就有了一个概率分布。剩下的事情是统计学:算平均值,算涨落。

期望值

的定义直接来自概率论:

⟨x⟩=∫−∞∞x ∣Ψ(x,t)∣2 dx(2.6.1)\langle x\rangle=\int_{-\infty}^{\infty}x\,|\Psi(x,t)|^2\,\dd x\tag{2.6.1}

动量算符从哪来

位置的期望值好写。动量呢?我们并不知道「粒子的动量分布」长什么样。 但有一条线索:⟨p⟩\langle p\rangle 应该等于 m d⟨x⟩/dtm\,\dd\langle x\rangle/\dd t。

一般地,任何经典量 A(x,p)A(x,p) 对应的算符由代换 x→xx\to x、p→−iℏ∂xp\to-\ii\hbar\partial_x 得到, 其期望值为

⟨A^⟩=∫Ψ∗ A^ Ψ dx(2.6.8)\langle \hat A\rangle=\int\Psi^*\,\hat A\,\Psi\,\dd x\tag{2.6.8}

注意 A^\hat A 必须夹在 Ψ∗\Psi^* 和 Ψ\Psi 中间——算符要作用在右边的 Ψ\Psi 上,顺序不能随便换。

方差与标准差

σA2=⟨A^2⟩−⟨A^⟩2(2.6.10)\sigma_A^2=\langle \hat A^2\rangle-\langle \hat A\rangle^2\tag{2.6.10}

σA\sigma_A 衡量的是测量结果的离散程度。特别地,σA=0\sigma_A=0 当且仅当 Ψ\Psi 是 A^\hat A 的本征态—— 这时每次测量都给出同一个值。

不确定性原理

σx σp ≥ ℏ2(2.6.16)\sigma_x\,\sigma_p\ \ge\ \frac{\hbar}{2}\tag{2.6.16}

严格证明要用到广义不确定性关系(3.6 节), 这里先把它到底在说什么讲清楚。

拖动阱宽 LL 并观察读数区的 Δx/L\Delta x/L:它是个常数(约 0.181)。 也就是说 σx∝L\sigma_x\propto L,而能量 ∝1/L2\propto1/L^2 意味着 σp∝1/L\sigma_p\propto1/L。 乘积与 LL 无关——不等式在任何盒子尺寸下都同样紧。

Ehrenfest 定理:经典力学的回归

接下来

工具备齐了。接下来五节把它们用在具体的势上,从最简单的开始: 一个粒子,两堵无限高的墙。

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