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量子力学

波函数 概率密度

波函数 ψ 本身看不见,但它的平方 |ψ|² 就是在何处发现粒子的概率密度。总面积归一化为 1。

粒子在哪里,自然用波函数 ψ(x) 写下来。ψ 本身可以是负的,也不能直接测量。我们看到的是它的平方 |ψ(x)|²,那就是在那个地方找到粒子的概率密度。第一张图从 ψ 上下起伏开始。起伏先被看见。

ψ 是这一讲第一次出现的符号,是写下粒子状态的波函数。高斯包络里面余弦起伏,看 ψ(x),值先是正的,然后降到负的。挪动中心,形状跟着走,负的那一段不是测量值,而是振幅。ψ 必须走到负的一边,两列波才能相遇相消,永远为正的经典概率模仿不了这种相消。有了负的振幅,相消才可能。

现在画同一个 ψ 的平方 |ψ(x)|²。平方之后,原来为负的谷全部翻成正的峰。挪动同一个中心,这条曲线也跟着走,而且绝不降到 0 以下。符号消失后留下的正的一团,就是概率密度。用平方得到概率的规则是玻恩提出的,成了标准解释,所以叫做玻恩规则。峰就是发现的地方。

概率密度曲线下面的面积才是真正的概率。定下区间的左边和右边,中间涂色的面积读作 P(a ≤ x ≤ b)。区间收窄,概率就小,放宽,概率就大。面积说出在这段里找到粒子的可能。把同样准备的粒子反复测量,在这段里被找到的比例会聚到这块面积,概率就成了实验能够核对的值。面积就是那份可能。

把形状相同的两列波相加,只改变相对相位。相位是 0,两者加强,|ψ|² 鼓起来。靠近 π,两者抵消,曲线变平。两段分开看是一样的,合起来的概率却随相位改变。只看一个 |ψ|²,相位看不见,可它左右干涉。两条路径的相对相位变成亮纹和暗纹,就是双缝干涉,所以相位看不见,也在实验里留下痕迹。相位只作为花纹留下。

粒子总得在某处,所以 |ψ|² 的整块面积必须一直是 1。给 ψ 乘上倍率 c,|c·ψ|² 的总面积就按 c² 变大或变小。面积刚好是 1 的地方,图会被强调。把总概率配成 1,就是归一化。一旦配成 1,时间过去,波移动、铺开,整块面积仍然是 1,粒子不会突然消失。面积被保住,粒子一直在图里的某处。

实际应用ψ(x) 是不能直接看见的复振幅,测量到的永远是平方 |ψ(x)|²。曲线下的面积是区间概率,相位只通过干涉显出来,整块面积靠归一化永远是 1。看见的不是 ψ,而是 |ψ|²,面积就是概率。顺序就是这样。
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