《張朝陽(yáng)的物理課》解密量子概率密度與概率流

量子力學(xué)中粒子的概率密度滿足守恒方程嗎？氫原子為何擁有磁矩？一個(gè)運(yùn)動(dòng)的粒子如何爬上階梯？4月2日12時(shí)，《張朝陽(yáng)的物理課》第134期開(kāi)播，搜狐創(chuàng)始人、董事局主席兼CEO張朝陽(yáng)坐鎮(zhèn)搜狐視頻直播間，首先為大家介紹了量子力學(xué)中概率密度和概率流的定義，同從薛定諤導(dǎo)出概率流守恒方程。其后，為了更好地理解這兩個(gè)新概念，張朝陽(yáng)計(jì)算了氫原子能量本征態(tài)對(duì)應(yīng)地概率流，發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁量子數(shù)不為零時(shí)，核外電子會(huì)形成環(huán)流，進(jìn)而帶來(lái)非零的磁矩。僅接著他還討論了一個(gè)自由傳播的粒子遇到階梯勢(shì)場(chǎng)時(shí)的行為，發(fā)現(xiàn)當(dāng)粒子能量能夠克服階梯高度時(shí)候，粒子有一定的概率會(huì)爬上階梯繼續(xù)向前，也有一定的概率會(huì)被反彈向后傳播。借助概率流的概念，可以證明這個(gè)過(guò)程中量子力學(xué)概率詮釋是恰當(dāng)而適用的。

在直播課上，張朝陽(yáng)類比流體力學(xué)中的物理流守恒方程和電動(dòng)力學(xué)中的電荷流守恒方程，引出了概率密度和概率流的定義，發(fā)現(xiàn)它們是量子力學(xué)概率詮釋中相互補(bǔ)充的部分。同時(shí)，從薛定諤方程出發(fā)，可以證明了量子力學(xué)中也有形式與經(jīng)典宏觀物理一致的流守恒方程。

緊接著，為了對(duì)概率流有更直觀的認(rèn)識(shí)，張朝陽(yáng)計(jì)算了動(dòng)量本征態(tài)和氫原子能量本征態(tài)等幾個(gè)定態(tài)下的概率流。對(duì)磁量子數(shù)不為零的氫原子，張朝陽(yáng)發(fā)現(xiàn)其中會(huì)存在一個(gè)環(huán)流。由于此時(shí)的我們關(guān)心的是帶電粒子，這個(gè)環(huán)流將誘導(dǎo)出一個(gè)環(huán)形電流，進(jìn)而可以計(jì)算這個(gè)電流產(chǎn)生的磁矩，發(fā)現(xiàn)它正對(duì)應(yīng)氫原子的磁矩，進(jìn)而可以對(duì)氫原子的光譜劈裂等現(xiàn)象給出解釋。

此外，張朝陽(yáng)還計(jì)算了一維量子系統(tǒng)中，一個(gè)本來(lái)自由傳播的粒子遇到階梯勢(shì)后的行為。他發(fā)現(xiàn)，如果粒子的能量能夠克服階梯，則粒子有概率會(huì)放慢速度繼續(xù)向前傳播；但同時(shí)，粒子扔有一定給的概率會(huì)被階梯反彈轉(zhuǎn)向后傳播。利用概率流的定義，可以證明這個(gè)過(guò)程滿足概率守恒定律，量子力學(xué)的概率詮釋是恰當(dāng)且適用的。

截至目前，《張朝陽(yáng)的物理課》已直播一百余期，內(nèi)容豐富、覆蓋廣泛，理論公式由淺入深、繁簡(jiǎn)交融。從去年11月開(kāi)啟第一節(jié)物理直播課，他先是從經(jīng)典物理學(xué)開(kāi)始，科普了牛頓運(yùn)動(dòng)定律等；而后從經(jīng)典物理的“兩朵烏云”說(shuō)起，向近現(xiàn)代物理過(guò)渡，探討了黑體輻射理論中的維恩公式、普朗克公式等知識(shí)。

此后逐步進(jìn)入量子力學(xué)領(lǐng)域，從基礎(chǔ)的薛定諤方程等理論內(nèi)容，到氫原子波函數(shù)，再到氣體定容比熱的溫度階梯，并順勢(shì)講解了熱力學(xué)定律。接著回到了經(jīng)典物理，推導(dǎo)出飛船運(yùn)行軌跡，估算太陽(yáng)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)以及中子星的自轉(zhuǎn)速度，隨后講解了陀螺的進(jìn)動(dòng)，還計(jì)算出月球的潮汐高度。緊接著開(kāi)始介紹狹義相對(duì)論的四維語(yǔ)言，并逐步過(guò)渡到了電磁學(xué)。

《張朝陽(yáng)的物理課》的直播風(fēng)格獨(dú)樹(shù)一幟：以演算物理為特色，注重從日常現(xiàn)象引入，通過(guò)一步一步詳盡計(jì)算和硬核推導(dǎo)，理解自然界的基本規(guī)律。

據(jù)了解，《張朝陽(yáng)的物理課》于每周周五、周日中午12時(shí)在搜狐視頻直播，網(wǎng)友可以在搜狐視頻“關(guān)注流”中搜索“張朝陽(yáng)”，觀看直播及往期完整視頻回放；關(guān)注“張朝陽(yáng)的物理課”賬號(hào)，查看課程中的“知識(shí)點(diǎn)”短視頻；此外，還可以在搜狐新聞APP的“搜狐科技”賬號(hào)上，閱覽每期物理課程的詳細(xì)文章。

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