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初學(xué)量子力學(xué)該側(cè)重于偏微分方程,還是線(xiàn)性代數(shù)?

 大隆龍 2018-04-21

這是個(gè)相當(dāng)專(zhuān)業(yè)的問(wèn)題。是的,在某種意義上,初學(xué)量子力學(xué)應(yīng)該以線(xiàn)性代數(shù)為主,而不是微分方程(更不用說(shuō)偏微分方程)。

這里說(shuō)的線(xiàn)性代數(shù),指的是量子力學(xué)中這些要點(diǎn):

一個(gè)體系的全部信息,都包含在它的量子狀態(tài)中(這話(huà)的意思是,任何一個(gè)可測(cè)量的物理量,都可以通過(guò)對(duì)這個(gè)量子狀態(tài)做一系列計(jì)算得到);

一個(gè)量子狀態(tài),對(duì)應(yīng)于一個(gè)態(tài)空間中的矢量;

兩個(gè)矢量可以進(jìn)行相加運(yùn)算,也可以把一個(gè)矢量乘以一個(gè)常數(shù),加法和乘法的結(jié)果仍然是這個(gè)態(tài)空間里的矢量;

兩個(gè)矢量可以進(jìn)行點(diǎn)乘(dot product)運(yùn)算,得到一個(gè)數(shù),稱(chēng)為它們的內(nèi)積;

每一個(gè)可測(cè)量的物理量,都對(duì)應(yīng)于一個(gè)算符(operator),更具體地說(shuō),是一個(gè)厄米(Hermitian)算符,意思就是對(duì)這個(gè)算符做轉(zhuǎn)置再做復(fù)共軛,就會(huì)回到這個(gè)算符自身。為什么可測(cè)量的物理量對(duì)應(yīng)的都是厄米算符呢?因?yàn)槲锢砹康臏y(cè)量值必然是實(shí)數(shù),而厄米算符的本征值(eigenvalue)也必然是實(shí)數(shù),這樣兩者才能對(duì)應(yīng)上;

每一個(gè)厄米算符,都對(duì)應(yīng)著一系列本征矢量(eigenvector)和相應(yīng)的本征值,這些本征矢量構(gòu)成這個(gè)態(tài)空間的一組基,也就是說(shuō),態(tài)空間中的每一個(gè)矢量都可以表示成這些本征矢量的線(xiàn)性疊加;

對(duì)一個(gè)量子狀態(tài)測(cè)量某個(gè)物理量時(shí),得到的結(jié)果必然是這個(gè)物理量對(duì)應(yīng)的某個(gè)本征矢量,而得到這個(gè)本征矢量的幾率等于最初的量子態(tài)與最終的本征態(tài)之間的內(nèi)積的絕對(duì)值平方……

所有這些要點(diǎn),都是非?;径锩缘?,思維方式和經(jīng)典力學(xué)或者日常直覺(jué)完全不同。

而學(xué)量子力學(xué)的一個(gè)常見(jiàn)的毛病,就是一頭扎進(jìn)薛定諤方程的求解當(dāng)中。那你有無(wú)窮的細(xì)節(jié)可以推敲了,一時(shí)半會(huì)出不來(lái):一維無(wú)限深方勢(shì)阱怎么求,一維有限深方勢(shì)阱怎么求,球形勢(shì)阱怎么求,勢(shì)阱中間加個(gè)delta函數(shù)怎么求,氫原子怎么求,氫分子離子怎么求,氦原子怎么求,氫分子怎么求,一般性的分子體系怎么求……

問(wèn)題在于,你干嘛要一上來(lái)就知道這么多數(shù)學(xué)技巧?!如果你不會(huì)解這些微分方程,難道你對(duì)量子力學(xué)就一無(wú)所知了嗎?常有的一種情況是,解起具體的方程來(lái)一套一套的,說(shuō)到量子力學(xué)的整體框架反而錯(cuò)誤百出。當(dāng)然,更常見(jiàn)的情況是,直接被微分方程嚇跑了,量子力學(xué)根本學(xué)不下去。

既然如此,何不先把用線(xiàn)性代數(shù)語(yǔ)言表示的量子力學(xué)基本框架搞清楚?在這方面,狄拉克的名著《量子力學(xué)原理》就非常值得推薦。

《量子力學(xué)原理》

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