随时间相位旋转,叠加态来回晃动
到目前为止看到的波函数都是时间静止的快照。让这张快照动起来的引擎,就是含时薛定谔方程 iℏ ∂Ψ/∂t = HΨ,其中 H 是负责总能量的哈密顿量。求解它,能量确定的定态会保持形状 |ψ|² 不变,只让相位 e−iEt/ℏ 不停旋转。可一旦把两个能量不同的态叠在一起,两个相位就会错开,概率便开始左右晃动。在第一幅图里,拉动时间滑块,先跟着看定态的相位是怎样旋转的。
单个定态按 Ψ(x,t) = ψ(x) e−iEt/ℏ 随时间演化。上格画的实部 Re(Ψ) 随时间晃动甚至翻转符号,但下格的概率密度 |Ψ|² 纹丝不动,因为相位的模恒为 1,取平方便消失了。用滑块改时间、用步进改量子数 n,就能确认:无论哪个定态,旋转的只有相位,形状始终静止。
现在把两个能量不同的定态 ψ₁ 与 ψ₂ 以振幅 c₁、c₂ 混合。展开 |Ψ|² 会得到 c₁ψ₁ 与 c₂ψ₂ 各自的平方,再加上两者相遇处的干涉项 2 Re[c₁c₂* ψ₁ψ₂* e−i(E₁−E₂)t/ℏ]。这一项随时间改变符号,把概率团块推向左右。用滑块改变两个振幅之比并拉动时间,会看到混合越均匀晃动越大。这里的 ω=(E₂−E₁)/ℏ 是两个相位失步所生的拍频,既不是振子的 ω,也不是色散的 ω(k)。
晃动往返一次所需的时间叫拍周期。公式是 T = h/(E₂−E₁),所以两个能量的间隔越大,周期越短。用滑块加大间隔 (E₂−E₁),就能用两个数字读出 T 缩短而 ω=(E₂−E₁)/ℏ 增大。这里的 T 是晃动的周期,不是隧穿的透射概率 T。能量相距越远晃得越快,两个能量相等时晃动便停止,这个直觉你可以亲手验证。
为何会晃动,用两根钟表指针来画。振幅 c₁、c₂ 是每根指针的长度,两根指针以正比于各自能量 E₁、E₂ 的速度旋转。干涉项只取决于两根指针的相对夹角,也就是 (E₂−E₁)t/ℏ。两针同向时概率偏向一侧,反向时偏向另一侧。转动时间滑块,每当快针把慢针追上整整一圈,就完成一次拍。
把两态混合后粒子的平均位置 ⟨x⟩(t) 对时间作图,得到一条干净的正弦曲线。晃动的概率团块的质心来回往返,正是这一振动。其频率仍是拍 ω=(E₂−E₁)/ℏ,振幅正比于两个振幅之积 c₁c₂。所以只有一个态时(积为 0)平均静止不动,两态均匀混合时(积最大)摆动最大。用滑块改变混合,看振幅如何长大又缩小。