两朵乌云量子力学和相对论

相对论与量子力学的启示----科学论道

一、本质问题的疑问

当我们还是懵懂的小孩时，我们对周遭的一切都感到那么的好奇，天空为什么是蓝色？为什么会有白天黑夜？星星为什么会闪烁？对于一颗探求的心灵，好像总有问不完的问题。人类求知的欲望，正是起始于幼年时期的好奇。如今，我们接受了良好的教育，思维变得成熟、理性，但对于这个不再陌生的世界，我们是否已经了解得足够透彻？

在21世纪的今天，科学的发展取得了空前的成就，月球已留下人类的足迹，对火星的探索也在紧锣密鼓的开展。计算机技术的更新更是以指数的规律向前发展，人们之间的交流比以往任何时候都要方便快捷。科学成果的应用，使人类毫无疑问成为了地球的主人。然而，在关于这个世界的本质方面，即使是现在最前沿的理论物理学家，也没有形成统一的认识，有些观点可能完全相反。1994年在剑桥大学的伊萨克·牛顿数学科学研究所进行了一场辩论，两位顶尖的科学家——罗杰·彭罗斯和史蒂芬·霍金，在有关宇宙本性的某些最基本观念上展开了深入而严肃的讨论。他们讨论的主要是这样的问题：为何时间具有方向性？宇宙是否有边界？辩论的双方并没有得出一致的结论，显然，对于这些本质的问题，未来的不确定性还非常大。

科学家

课程名称：相对论与量子论

论文题目：寻找生活中的相对论

和量子论

学 院 信息工程学院_ 专 业_计算机测控与仪器_

年级班别_08计测2班_

学 号

学生姓名__张丽敏________

联系方式

指导教师_杨中服

2011年 4 月18 日

寻找生活中的相对论与量子论

在一般人看来，相对论和量子论都是很高深莫测的高等知识，不是一般人能理解的，所以很多人始终都不敢推开这一扇门，无法看到里面精彩的画面。

来看看在交通方面的贡献：

GPS，全球定位系统，相信很多人都知道他，在自驾车、公交车、飞机等都有使用这一种技术。早期的GPS接收器确定物体位置的误差是在15米范围内，这个误差实际是需要爱因斯坦相对论来修正。如果不考虑相对论效应，卫星上的时钟就和地球的时钟不同步；相对论认为，快速移动物体随时间的流逝比静止的要慢。每个GPS卫星每小时跨过大约1.4万千米，这意味着它的星载原子钟每天要比地球上的钟慢7微秒。卫星所受的较弱引力添加了另一种相对论效应，使得时钟每天快45微秒。因此，为了得到准确的GPS数据，将星载时钟每天拨回38微秒的修正项必须计算在内。因为广域增强系统依赖从地面基站发出的额外信号，配备了该系统的GPS接收器，就消除了相对性误差。

从车上走下

课程名称：相对论与量子论

论文题目：寻找生活中的相对论

和量子论

学 院 信息工程学院_ 专 业_计算机测控与仪器_

年级班别_08计测2班_

学 号

学生姓名__张丽敏________

联系方式

指导教师_杨中服

2011年 4 月18 日

寻找生活中的相对论与量子论

在一般人看来，相对论和量子论都是很高深莫测的高等知识，不是一般人能理解的，所以很多人始终都不敢推开这一扇门，无法看到里面精彩的画面。

来看看在交通方面的贡献：

GPS，全球定位系统，相信很多人都知道他，在自驾车、公交车、飞机等都有使用这一种技术。早期的GPS接收器确定物体位置的误差是在15米范围内，这个误差实际是需要爱因斯坦相对论来修正。如果不考虑相对论效应，卫星上的时钟就和地球的时钟不同步；相对论认为，快速移动物体随时间的流逝比静止的要慢。每个GPS卫星每小时跨过大约1.4万千米，这意味着它的星载原子钟每天要比地球上的钟慢7微秒。卫星所受的较弱引力添加了另一种相对论效应，使得时钟每天快45微秒。因此，为了得到准确的GPS数据，将星载时钟每天拨回38微秒的修正项必须计算在内。因为广域增强系统依赖从地面基站发出的额外信号，配备了该系统的GPS接收器，就消除了相对性误差。

从车上走下

普通物理2习题参考解答 单元20 相对论动力学

一. 选择、填空题

451. 观测者甲以c的速度(c为真空中光速)相对于静止的观察者乙运动，若甲携带一长度为L、截面

积为S，质量为m的棒，这根棒安放在运动方向上，则

mLS25m9LS1) 甲测得此棒的密度为?0?； 2）乙测得此棒的密度为??。

2. 匀质细棒静止时质量为m0，长度l0，当它沿棒长方向作高速匀速直线运动时，测得长为l，那么棒的运动速度v?c1?(ll0)；该棒具有的动能Ek?(2ll0?1)m0c。

23. 设电子静止质量为Me，若将一个电子从静止加速到速率0.6c ( c为真空中光速)，需做功

A?14Mec。

24. 一静止质量为m0，带电量为q的粒子，其初速为零，在均匀电场E中加速，在时刻t时它所获得的速度是

qEct(qEt)?mc2202。如果不考虑相对论效应，它的速度是

qEtm0。

? 经过时间t加速后粒子的速度v、质量m?m01?v/cm0v1?v/c2222

根据相对论动量定理：qEt?mv，qEt?

求得速度大小：v?qEct(qEt)?mc2202

如果不考虑相对论效应，qEt?m0v，v?qEtm0

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量子力学的变分法-量子力学的变分法

　　当一个人真正觉悟的一刻，他放弃追寻外在世界的财富，而开始追寻他内心世界的真正财富。　　
量子力学的变分法-量子力学的变分法
解薛定谔方程的一种应用范围极广的近似方法
对于束缚定态
它是基于能量本征值方程（即不含时间的薛定谔方程）与能量变分原理的等价性
通过求能量的极值得到能量本征值方程的解
在处理具体问题时
总是采用波函数某种特殊的变化去代替最普遍的任意变分
这样就可得到依赖于波函数特殊形式的近似解
这种方法称为变分法

　　若体系的哈密顿量算符为彑
其能量本征值方程为

(1)
该体系的能量平均值
(2)
是波函数φ的泛函
式中表示对体系全部坐标积分
可以证明
求彑的本征值方程
等价于求解
(3)
也就是满足变分原理(3)的φ为彑的本征函数
唕的极值为所对应的本征值
即
(4)
　　这样
如果能猜测到一个φ正好满足式(1)
则由式(2)所得的唕【φ】等于E
如果猜测的φ与ψ 略有不同
则唕【φ】必定大于E
因而唕【φ】总是给出唕的一个上限
当做了多次猜测之后
其中最小的唕一定是这些猜测中最好的
这样就把最小的唕取作E的近似值
应用以上手续可得到一种通过猜测去计算能量近似值的方法
改善波函数通常是通过一个含连续参数的特殊形式的波函数φ(q
α1
α2
α3
...)来实现

《量子力学》题库

一、简答题

1 试写了德布罗意公式或德布罗意关系式，简述其物理意义 答：微观粒子的能量和动量分别表示为： E?h????

??h?p?n??k

?其物理意义是把微观粒子的波动性和粒子性联系起来。等式左边的能量和动量是描述粒

子性的；而等式右边的频率和波长则是描述波的特性的量。

2 简述玻恩关于波函数的统计解释，按这种解释，描写粒子的波是什么波？

答：波函数的统计解释是：波函数在空间中某一点的强度（振幅绝对值的平方）和在该点找到粒子的几率成正比。按这种解释，描写粒子的波是几率波。

3 根据量子力学中波函数的几率解释，说明量子力学中的波函数与描述声波、光波等其它波动过程的波函数的区别。

答：根据量子力学中波函数的几率解释，因为粒子必定要在空间某一点出现，所以粒子在空间各点出现的几率总和为1，因而粒子在空间各点出现的几率只决定于波函数在空间各点的相对强度而不决定于强度的绝对大小；因而将波函数乘上一个常数后，所描写的粒子状态不变，这是其他波动过程所没有的。

4 设描写粒子状态的函数?可以写成??c1?1?c2?2，其中c1和c2为复数，?1和?2为粒子的分别属于能量E1和E2的构成完备系的能量本征态。试说明式子??c1?1?c2?

一、 填空题

1．玻尔的量子化条件为 。 2．德布罗意关系为 。

3．用来解释光电效应的爱因斯坦公式为 。 4．波函数的统计解释：_____________________________________ __________________________________________________________ 5．

为归一化波函数，粒子在

方向、立体角

内出现的几率

为 ，在半径为 ，厚度为 为 。

的球壳内粒子出现的几率

6．波函数的标准条件为 。 7．

，

为单位矩阵，则算符

的本征值为__________。

8．自由粒子体系，__________守恒；中心力场中运动的粒子 ___________守恒。

9．力学量算符应满足的两个性质是 。 10．厄密算符的本征函数具有

河南科技大学物理工程学院教案（李同伟） 第四章 态和力学量的表象

第四章 态和力学量的表象

§4-1 状态的表象

一、表象

?具有断续谱，它满足的本征方程为 设力学量算符F?u(x)?fu(x) Fnnn?算符F具有一组正交归一完备的本征函数系?un(x)?。如果把?un(x)?作为一组基矢（或称为基底），则它们张开一个空间。由展开假设可知，对任意一个状态?(x,t)，则有

?(x,t)??cn(t)un(x)

n显然，?(x,t)就是该空间中的一个矢量，所以也称为态矢。因此，这个空间就称为态矢空间，也叫做希尔伯特空间。每一个物理上允许的波函数都是态矢空间中的一个元素，量子力学的所有活动都在这个空间内进行。

?的本征函数系?u(x)?作为基矢组，上面讨论的空间是以F所以称为F表象下的态矢空n间。?(x,t)的展开系数

*cn(t)??un(x)?(x,t)dx

???表示态矢?(x,t)在un(x)上的投影。

若波函数?(x,t)和un(x)都已经归一化，则

????***?*(x,t)?(x,t)dx??cmcn?umundx??cmcn?mn??cnmn??mnn?2?1

河南科技大学物理工程学院教案（李同伟） 第四章 态和力学量的表象

第四章 态和力学量的表象

§4-1 状态的表象

一、表象

?具有断续谱，它满足的本征方程为 设力学量算符F?u(x)?fu(x) Fnnn?算符F具有一组正交归一完备的本征函数系?un(x)?。如果把?un(x)?作为一组基矢（或称为基底），则它们张开一个空间。由展开假设可知，对任意一个状态?(x,t)，则有

?(x,t)??cn(t)un(x)

n显然，?(x,t)就是该空间中的一个矢量，所以也称为态矢。因此，这个空间就称为态矢空间，也叫做希尔伯特空间。每一个物理上允许的波函数都是态矢空间中的一个元素，量子力学的所有活动都在这个空间内进行。

?的本征函数系?u(x)?作为基矢组，上面讨论的空间是以F所以称为F表象下的态矢空n间。?(x,t)的展开系数

*cn(t)??un(x)?(x,t)dx

???表示态矢?(x,t)在un(x)上的投影。

若波函数?(x,t)和un(x)都已经归一化，则

????***?*(x,t)?(x,t)dx??cmcn?umundx??cmcn?mn??cnmn??mnn?2?1

从波函数到薛定谔方程

摘要：本文从波函数出发，阐述薛定谔的推导过程，并且根据哈特里福克方程，克莱因戈

尔登方程完善薛定谔方程的泡利不相容原理，洛伦兹不变性。

关键词：波函数 薛定谔方程 哈特里福克方程 克莱因戈尔登方程

一．波函数：

微观粒子的运动状态称为量子态，是用波函数来描述的，这个波函数所反映的微观粒子

波动性 ，这个波函数所反映的微观粒子波动性，就是德布罗意波。（量子力学的基本假设之一）并且，玻恩指出：德布罗意波或波函数不代表实际物理量的波动，而是描述粒子在空间的概率分布的概率波。 （1）推导过程：

在波动学中，描述波动过程的数学函数都是空间、时间二元函数一列沿X轴正向传播的平面单色简谐波的波动方程，即：

应用欧拉公式，可以推广到复数域：

再通过德布罗意公式，可以得到自由粒子的波函数：

（2）波函数性质

1.自由粒子的能量和动量为常量，其波函数所描述的德布罗意波是平面波。

2.对于处在外场作用下运动的非自由粒子，其能量和动量不是常量，其波函数所描述的 德布罗意波就不是平面波。

3.外场不同，粒子的运动状态及描述运动状态的波函数也不相同。 （3）波函数的统计假设

设描述粒子运动状态的波函数为

，则

1.空间某