03.07 能否通俗地解釋什麼是波函數?

彼淇之子美如玉


“波函數”,英文叫“wave function”。

要理解什麼是波函數,首先要理解什麼是波動現象。

波動現象是一種常見的物理現象,比如“水波”,比如琴絃上的“駐波”等等。

波動現象雖然常見,但並不好理解,因為它是一種“整體式”的運動,我們沒法盯著一個點觀察波動,我們必須“整體”地想,才能理解什麼是波動。

這不是水波,這只是水波在時間中的一個“切片”。

但如果波動用數學函數來表示的話,又是很清晰的,首先我們考慮到底是什麼物理量在漲落起伏,比如水波就是水面偏離平靜狀態時的位移q,同時由於波動是一種整體式的運動,不同地方(用不同x表示)對應的位移是不一樣的,這意味著q是x的函數,類似的,位移在不同時間t也是不一樣的,因此水波的波動就可以用函數q(x,t)來表示。

表示水波波動的函數q(x,t)就是一個波函數。

在物理裡面常見的還有電磁波,電磁波中“波動變化”的物理量是“電場E”和“磁場B”,電磁波的波函數就是E(x,t)和B(x,t),電磁波比我們想象的要複雜的多,因為電場和磁場分別都是矢量(就是有方向的物理量),換句話說一個電磁波有六個分量(三個電分量和三個磁分量),不過好在只有三個分量是獨立的,但即便如此也比水波的波函數要複雜,在那裡波函數只有一個分量。

單看波動的一個分量的話,最簡單的波函數是正弦或餘弦波:

正弦或餘弦函數可以看做是圓周運動向某一個方向的投影(正弦是向y軸投影,餘弦是向x軸投影),影子落在哪裡,取決於旋轉箭頭與x軸的夾角是多少,這個夾角就是相位φ:

假如有幾個波動的話,這幾個波動在相同位置會疊加起來,如果這幾個波動(為了簡單,你可以考慮兩個)振盪的頻率ω相同,它們將會發生干涉現象,簡單說如果兩個波動同步的話,一起達到最大,一起達到最小,波動疊加的效果就是波變強了,但如果兩個波動正好“節奏相反”,一個達到最大,另一個達到最小,那麼波動疊加的效果就是波變弱了,甚至會被完全抵消。


最後,在量子力學中我們也經常會提到波函數,在很多方面量子力學中的波函數和上述波函數是一樣的,但有一條,量子力學中的波函數它並不直接對應物理量,比如波函數不是電子雲,不直接對應電子的數密度。

但在量子力學中我們可能知道的所有知識都蘊含在波函數中,我們可以通過一些標準的步驟,把這些知識(比如物理量的取值)從波函數中提取出來。

這聽起來還是有些神奇的(之所以覺得神奇,是因為我們兜了個圈子,不過這是理論物理的共同特徵,比如在分析力學中我們研究的是拉格朗日量,在統計力學中我們研究的是配分函數,它們離我們的直覺都很遠)。

波動是理解量子力學的基本圖像,上圖是用水波演示雙縫干涉。

波函數是對波動這一物理圖像的數學表示。鑑於在量子力學中波函數並不直接對應物理量,我們可以放心的讓波函數取複數的形式。

最後,玻恩解釋告訴我們波函數ψ(x,t)絕對值的平方對應粒子出現在相應位置x的概率。


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