量子力學如何退化為牛頓力學?
在經典力學中,通過求解牛頓第二定律(F=ma)我們可以得到粒子的軌跡。在量子力學中由於不確定原理的存在,我們無法同時確定粒子的位置和粒子的動量,所以在量子力學中沒有軌跡。
根據不確定原理,我們猜測,當普朗克常數?→0時,量子力學會退化為牛頓力學。換句話說量子力學的本質就是普朗克常數不為0。
為了進一步說明這個觀點,讓我們來考慮一個雙縫。假設粒子由左側的點O出發,我們想知道粒子落在P點的幾率幅是多少。
由於是雙縫,粒子可能走兩個路徑到達P,最終的幾率幅應當是粒子分別通過這兩個路徑的幾率幅的迭加。
根據量子力學的費曼路徑積分表示,可表示為:
這裡S1表示粒子沿路徑1走的作用量,S2表示粒子沿路徑2走的作用量。在經典力學中,作用量S被定義為拉格朗日量L對時間t的積分:
假設我們讓粒子由O出發穿過三縫,粒子落在P的幾率幅可表示為:
假設中間的「障礙物」上開滿了縫(相當於沒有「障礙」),粒子由O出發落在P的幾率幅是:
換句話說就是要把粒子沿所有路徑的幾率幅都加起來才行。量子力學的路徑積分表示與薛定諤的波動力學是等價的,比如我們可以證明用以上方案求出的幾率幅滿足薛定諤方程。
根據經典力學,粒子最終走過的路徑(經典路徑),對應使作用量S取極值的路徑:δS=0,對自由運動的粒子而言,就是粒子由O出發沿直線走到P。這裡δS表示的是對S的變分,即考慮粒子的路徑變化了一點點時S的變化。
由δS=0,我們可以求出粒子的運動方程:
這個方程實際上就是牛頓第二定律。
現在我們來論證當?→0時,我們將得到使δS=0的路徑。此時量子力學退化為牛頓力學。
假設經典路徑對應的相位因子是1,它臨近路徑的相位因子是:
對靠近經典路徑(C)的臨近路徑,δS=0,?雖然也趨於0但不是0,此時臨近路徑的相位因子趨於1,它和經典路徑就構成了相長干涉,換句話說經典路徑就會加強凸顯出來。
對一般路徑(δS≠0),這意味著它和它附近路徑的相位差是δS/?,這裡δS≠0,而?→0,δS/?就是個很大的不確定的數,反映在相位上就是任意相位,這樣對一般路徑而言,它附近的那些路徑與它的相位差是任意取值的,因此會互相抵消掉。這樣在?→0時,非經典路徑的貢獻就消失了。
小結:在經典力學中,我們研究的是軌跡,即粒子位置隨時間的變化。粒子的軌跡可以通過求解δS=0得到。在量子力學中我們研究的是幾率幅,幾率幅是對「所有路徑」的求和,這意味著粒子會「同時」沿所有的路徑走一遍,這樣求解出來的幾率幅滿足薛定諤方程。
當普朗克常數?→0時,量子力學退化為經典力學。
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