从分析力学到量子力学

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1 从分析力学到量子力学 Jake 量子力学补习班 集智俱乐部

2 整体规划 从分析力学到量子力学 牛顿力学 拉格朗日力学与哈密顿力学 简谐振子 : 从经典到量子产生湮灭算符与二次量子化 产生湮灭算符的引入 多粒子系统与二次量子化量子场论初步 Klen Gordon 场 正则量子化 路径积分量子化 费曼图量子场论初步 Drac 场 李群初步 相对论初步 狄拉克场 其它量子场重正化群 重正化简介 : 渗流模型 ISING 模型 标量场的重正化 统计场论和共形场论

3 本次内容 一个实例 简谐振子牛顿力学求解 微分方程拉格朗日力学 历史渊源最速降线问题与变分法拉氏力学求解 欧拉 - 拉格朗日方程拉氏力学与牛氏力学的关系最美力学定理 Noeher 定理 哈密顿力学 从拉格朗日量到哈密顿量哈密顿力学求解哈密顿方程的直观解释 量子力学 线性代数复习量子力学基本原理量子力学求解量子力学解的意义

4 简谐振子 受力分析 : o =-k 胡克定律 :=-k 弹簧的势能 : V=k /

5 牛顿力学分析 牛顿第二定律 : 受力分析 : =-k o k where d d k d d k d d k d d a Maheac : cos

6 解曲线 任意一时刻的位置 cos where : k 任意时刻的速度 v sn where : k 消去 -v 平面内的轨迹 :

7 拉格朗日力学

8 历史渊源 费马的光行最速原理 A B B 6~665 特德. 将 : 你一生的故事 A B

9 Brachsochrone 最速降线问题 A Galleo Galle Dscourse on wo new scences Johann Bernoull Challenged aheacans n he world 696 Fnd a pah so ha he e o a ball rollng along can be nzed B

10 从微积分到变分学 微积分求函数极值的一般步骤 : 同样道理 求解最优曲线 需要对整个曲线进行微小的改变 变分 然后求函数的极值 * * n * n se d d se n F se F

11 Brachsochrone 最速降线问题 B.. ' n s d g T g g v ' ' / ' g d T g d v dl d d d d dl

12 泛函极值与欧拉 - 拉格朗日方程 g F d F T ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' F d d F d F d d F F d F d d F d F d d F d d F d d d F F d F F d F T 欧拉方程

13 Brachsochrone 最速降线问题 B.. ' n s d g T 欧拉 - 拉格朗日方程 : cos sn ' '' C C

14 拉格朗日力学 最小作用量原理 粒子走的真实路径是一条最偷懒路径 路径 :v Joseph-ous agrange 736~83 最偷懒 : 作用量最小 作用量 : 拉格朗日量沿路径的积分

15 agrangan agrangan: 作用量 Acon: 最小作用量原理 : 变分 : V T b a d S.. n b a b a s d S d d d S b a 欧拉 - 拉格朗日方程

16 用拉格朗日力学求解谐振子 谐振子的运动路径 :v=d/d 谐振子在任意路径 任意时刻的拉格朗日量 : k 代入欧拉 - 拉格朗日方程 : d d k k d d

17 思考题 光滑平面上的相互连接的两个弹簧振子 弹簧的自然长度为

18 思考题 谐振子的运动路径 : v 谐振子在任意路径 任意时刻的拉格朗日量 : 代入欧拉 - 拉格朗日方程 : k k k d d

19 从拉格朗日最小作用量原理到牛顿力学 假设 n 个粒子组成的保守系统的拉格朗日为 : 拉格朗日成立的条件 : 保守力学系统 即外力可以写成势函数对位置的一阶导数 n n F V d d V F

20 最美力学定理 Noeher 定理 在物理学中 物理规律的对称性是指 : 物理系统经过了某种变换之后 物理规律仍然保持不变 例如 : 时间平移对称性 空间平移对称性 角度旋转对称性 时间反演对称性 宇称对称性 著名的 Noeher 定理 : 物理系统中的对称性与守恒量一一对应 E Noeher

21 拉格朗日框架下的证明 从不同的参数的角度看系统 用一组小参数 θ 来刻画变换 相应地 拉格朗日量的自变量会发生变化 : 例如平移 : 平面旋转 : 由于 刻画了系统的全部特性 所以对称性意味着相应的 不变平移旋转 d d ' ' d d

22 推导 Noeher 定理 系统对称的条件 : 拉格朗日欧拉方程 : 从而 : 因此为一个守恒的物理量 例如如果 平移对称 即守恒 如果 旋转对称 即角动量守恒 d d d d d d p J p p

23 哈密顿力学

24 哈密顿 作用量是一个全局的信息 欧拉拉格朗日方程是二阶方程 哈密顿给出了一种一阶方程的描述 哈密顿量是系统的状态量 哈密顿使得牛顿力学便成为一个动力系统 Wlla Rowan Halon

25 从拉格朗日方程导出哈密顿方程 动量 : 哈密顿量 : 由欧拉拉格朗日方程 由哈密顿量定义 : 综合 : p V T p p H V 与无关如果 H d d p p H q H p p H q 哈密顿方程

26 由哈密顿方程求解谐振子 系统的哈密顿量 : 哈密顿方程 : q k p H q H p p H q kq p p q k p k k q cos sn

27 如何理解哈密顿方程 如果将粒子运动的轨迹画在 pqhpq 三维空间中 则哈密顿方程刚好是的运动轨迹沿着 H 曲面的等高线运动 这也就是意味着哈密顿的守恒性导出了哈密顿方程

28 量子力学

29 线性代数基础 向量 T n 思考 : 一个函数 可以看作是无穷维空间中的向量 向量内积 : * * * n n 赋予了内积的向量空间为希尔伯特空间 设线性空间为 S 向量的集合 如果任意一个向量 > 都可以展开为一组向量 a > a > 的线性组合 则该向量组为该空间的一组基 且 n 为向量 > 在该组基下的坐标 a a n a n

30 线性代数基础 算符 矩阵 :A B 算符作用到向量上可以得到新的向量 例如旋转算符 不同的基之间可以通过算符进行坐标变换 例如 : 基变换 : 设两组基 : > > > > 那么从第一组基到第二组基的变换矩阵为 : ' ' cos sn sn cos cos sn sn cos T cos sn sn cos cos sn sn cos ' ' T ' ' j j T

31 线性代数基础 算符 A 的本征值 egen value 方程 : AX X 其中满足该方程的 λ 为本征值 一般的 A 的阶是 n 的话 A 就会有 λ 个本征值 对于任意一个本征值 λ 满足如下方程的向量为本征向量 A 例如 : A / / /3 / /3 /6 5 算符 A 的本征向量构成了一组基 33

32 量子力学基本原理 简化版 P: 微观物理系统的状态可以表示为希尔伯特空间中的向量 P: 物理量都用厄米算符表示 特征根为实数的算符 来表示 其中算符的本征值对应着可得到的物理量数值 本征向量 v> 与状态向量 s> 的内积平方 <v s> 为测到物理量为 v 的概率! 其中 <v s> 为概率幅 P3: 设粒子的位置对应算符 X 动量对应算符 P 则对于任何一个状态 s> 它在 X 算符的本征向量空间下的概率幅分布 与它在 P 算符本征向量概率幅分布 gp 构成了傅立叶变换对 在位置表象下 : h g p e p h dp X P h X P h

33 薛定谔方程 P4: 物理系统态向量的演化遵循薛定谔方程 其中 H 为哈密顿算符 h s h h s s H s Hs Hs

34 量子版本的谐振子 实体变成了概率浮云

35 薛定谔方程 X k P H 在 X 的表象下 : k H 薛定谔方程 : k h H h 二阶偏微分方程

36 薛定谔方程求解求解二阶偏微分方程 k h 假设 : g k d g dg h k g d dg h 观察发现 左边仅仅与时间有关 右边仅仅与空间有关 左 = 右意味着 : 它们都等于某个常数 E E H E k Ce g E d g dg h h E 问题归结为 H 的本征值问题

37 谐振子薛定谔方程的解 要使得上述方程成立 首先 E 必须取分立的值 即哈密顿算符的本征值 n 为任意 >= 的整数 : 其次 对于任意一个本征值 H 的本征向量 波函数 为 : 其中是一个很复杂的函数 被称为厄米多项式 最终薛定谔方程的解为 : 其中 n 由初始条件确定 k h n E n / ep! / / h h n h E n n n n / h n h E h h n h g n n n n n / ep / ep! / /

38 几率解释 在任意时刻 振子的位置为 的概率为 : 所以概率分布是稳定的 p n n n n

39 总体图景 经典 经典 量子 量子

40 参考文献 有关量子概率 不确定性原理等内容 当概率变成复数 量子决策 读书会 3 一本从信息论角度讨论量子概率等问题的好书 : 宇宙极问 有关分析力学 : 理论物理学 有关量子力学的进一步阅读 : 高等量子力学

从分析力学到量子力学

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