跳到主要内容
Sandbox Physics

Quantum Lab 04 · 同一种形状,不同的能级

场的模式与量子化

怎样从连续的场,得到一个个离散的粒子激发? 模式决定空间形状和频率,占据数决定在这个模式里加了几份等量能量。占据数为零时,振子的分布仍有宽度;粒子数确定的数态,其概率分布不随时间改变。

拖动两端固定的场模,再选择量子占据数,比较波长、能量与定态振子的坐标概率分布。

交互模型场的模式与量子化
频率 ωk/ω1\omega_k/\omega_111
波长 λ/L\lambda/L22
能量 E/(ℏω1)E/(\hbar\omega_1)1.51.5
坐标均方根 ⟨q2⟩\sqrt{\langle q^2\rangle}1.221.22

量子态也有自己的分布形状

1 个量子

坐标概率分布

同一种数态反复制备后,坐标测量的精确概率密度。

q=Qkω1/ℏ⟶pk,n(q)q=Q_k\sqrt{\omega_1/\hbar}\quad\longrightarrow\quad p_{k,n}(q)

能级阶梯

拖动金色能级,或用方向键选择量子数。

E/(ℏω1)=k(n+1/2)E/(\hbar\omega_1)=k(n+1/2)

画面表示什么

这是两端固定的理想无质量场,所选模式处于数态。青线是峰值归一为一的空间模式函数。静止的紫色带表示所选模式的一个空间均方根宽度,使用固定示意增益;其他模式未计入。它表示分布宽度,不是置信区间。

uk(x)=sin⁡(kπx/L),ωk=kω1,ω1=πc/Lu_k(x)=\sin(k\pi x/L),\qquad\omega_k=k\omega_1,\quad\omega_1=\pi c/L
⟨Qk⟩n=0,⟨q2⟩n=(n+1/2)/k\langle Q_k\rangle_n=0,\qquad\langle q^2\rangle_n=(n+1/2)/k

数态随时间只改变整体量子相位,图中的概率密度因此保持静止。坐标按质量归一化,频率与能量读数始终使用基频作参考。

X=k q,pk,n(q)=kπ 2nn!Hn(X)2e−X2X=\sqrt{k}\,q,\quad p_{k,n}(q)=\frac{\sqrt{k}}{\sqrt{\pi}\,2^n n!}H_n(X)^2e^{-X^2}

MIT 8.04 · 第 8 讲,定态与归一化振子波函数 · NIST · Hermite 正交关系

继续阅读:怎样把一个模式量子化 →

物理教程

模式管空间形状,占据数管量子态

背景两端固定以后,场只能采用某些驻波形状。每一种形状都像一个谐振子,可以独立放入不同数量的量子。

为什么值得理解换一种空间模式,与往同一模式里加一个量子,是两个不同操作。把它们分清,真空里为什么仍有涨落也就容易理解了。

先抓重点

核心问题
换模式会改变什么?多加一个量子又会改变什么?
一句话直觉
模式决定波长和频率,占据数决定这个振子的量子态与定态概率分布。

核心数学模型

两端固定的空间模式

uk(x)=sin⁡(kπx/L),ωk=kω1,λk=2L/ku_k(x)=\sin(k\pi x/L),\qquad\omega_k=k\omega_1,\quad\lambda_k=2L/k

整数 kk 数的是区间里有几个半波长。青线展示这个空间基函数,峰值归一为一。

用同一个基频比较能量

Ek,n=ℏω1k(n+1/2)E_{k,n}=\hbar\omega_1 k(n+1/2)

每加一个量子,能量增加 ℏωk\hbar\omega_k。切换模式时,能量读数仍使用同一个基频作参考。

数态平均为零,分布仍有宽度

q=Qkω1/ℏ,⟨q⟩n=0,⟨q2⟩n=n+1/2kq=Q_k\sqrt{\omega_1/\hbar},\qquad\langle q\rangle_n=0,\quad\langle q^2\rangle_n=\frac{n+1/2}{k}

按质量归一化的振子坐标具有定态概率分布。即使处于真空态,均方根宽度仍然非零。

常见难点

两个整数,各有含义

容易误解波形里有三个半波长,就说明场里有三个粒子。

正确理解模式编号描述空间形状。占据数是另一个独立的量,同一模式可以没有量子,也可以放入一个或多个。

基函数与数态轨迹

容易误解青线画出了真空随时间怎样运动。

正确理解青线是展开场时使用的空间函数。数态的平均场为零,正交分量的概率密度不随时间改变。

动手实验

  1. 01

    固定占据数,改变空间形状

    选择“一个量子,双峰分布”,保持量子数为一,把“空间模式”从一改为三。

    你会看到: 区间内多了两个节点。频率与能量变为三倍,波长降到三分之一,坐标均方根降为原来的 1/31/\sqrt3。
  2. 02

    看看真空的宽度

    选择“真空也有宽度”,观察紫色概率曲线。

    你会看到: 分布是有有限宽度的高斯形状,能量仍有半份基频量子。
  3. 03

    沿能级往上走

    保持空间模式不变,把金色能级往上拖。

    你会看到: 空间节点不动,能量一级一级等量增加。正交分量分布出现更多结构,方差也增大。

相关实验与文章

场、尺度与临界现象 · 阅读路径

从场模走到临界现象

这条阅读路径里用到本实验的文章,后面跟着它们推荐的其他实验。

  1. 文章一串振子怎样变成场
  2. 文章对称性告诉我们什么在流动
反馈这个页面有错误、看不明白,或者缺了什么?告诉我们
反馈类型

提交时会附带本页地址、Lab ID、网站语言和设备类型。请不要填写个人信息。反馈最多保存 12 个月。隐私政策