撞墙之后高斯波包如何折返?《张朝阳的物理课》解密高斯波包的传播过程

2023-04-03 16:58 李丽 1536 点击

一个具有初速度的微观粒子如何运动?面对高墙的粒子如何回头?单个的微观粒子会自我干涉吗?3月31日12时,《张朝阳的物理课》第133期开播,搜狐创始人、董事局主席兼CEO张朝阳坐镇搜狐视频直播间,首先为大家回顾了一个不受力的自由粒子如何遵循薛定谔方程演化,以及为何说高斯波包是对一个微观粒子最真实但又最简单的建模。其后,利用前面发展出来的方法,张朝阳详尽描述了有初速度的自由粒子的运动,并研究了它在高墙上碰撞反弹的完整过程。可以看到,当碰撞前后粒子远离高墙时,可以近似地认为在做自由运动。而当它墙的附近时,它原始波函数和被反射回来的波函数将会产生剧烈的干涉。

在直播课开始部分,张朝阳给网友们回顾了自三月初起,微扰围绕微观粒子如何随时间演化这一问题展开的计算和讨论。在一系列的物理课上,我们引入了动量空间和坐标空间的概念,并且发展了两种解薛定谔方程的方法。利用这个方法,我们成功解出了一个不受力的高斯波包的含时波函数。

紧接着,张朝阳应用同样的方法来试图回答一个有初速度的微观粒子如何运动这一问题。首先他讨论了如何利用物理的对称性,将一个静止的高斯波包的数学描述转化为一个具有初速度的高斯波包的数学描述。将它作为初始条件,张朝阳解得了行进中的高斯波包的含时波函数,发现它既有经典力学中匀速传播的特征,也有量子力学中的不断扩散的特征。

利用这个结果,张朝阳还讨论了如果在传播路径上放上一堵高墙,微观粒子与其碰撞后如何被反弹这一过程。可以发现,在碰撞前后,波包距离墙非常远时,它可以近似地认为在自由地前向或者后向传播。而当波包在墙附近时,它原来地入射波包和反射波包将会产生剧烈地干涉。

截至目前,《张朝阳的物理课》已直播一百余期,内容丰富、覆盖广泛,理论公式由浅入深、繁简交融。从去年11月开启第一节物理直播课,他先是从经典物理学开始,科普了牛顿运动定律等;而后从经典物理的“两朵乌云”说起,向近现代物理过渡,探讨了黑体辐射理论中的维恩公式、普朗克公式等知识。

此后逐步进入量子力学领域,从基础的薛定谔方程等理论内容,到氢原子波函数,再到气体定容比热的温度阶梯,并顺势讲解了热力学定律。接着回到了经典物理,推导出飞船运行轨迹,估算太阳的结构与性质以及中子星的自转速度,随后讲解了陀螺的进动,还计算出月球的潮汐高度。紧接着开始介绍狭义相对论的四维语言,并逐步过渡到了电磁学。

《张朝阳的物理课》的直播风格独树一帜:以演算物理为特色,注重从日常现象引入,通过一步一步详尽计算和硬核推导,理解自然界的基本规律。

据了解,《张朝阳的物理课》于每周周五、周日中午12时在搜狐视频直播,网友可以在搜狐视频“关注流”中搜索“张朝阳”,观看直播及往期完整视频回放;关注“张朝阳的物理课”账号,查看课程中的“知识点”短视频;此外,还可以在搜狐新闻APP的“搜狐科技”账号上,阅览每期物理课程的详细文章。

除了《张朝阳的物理课》外,在直播方面,搜狐视频正持续打造知识直播平台,邀请各个科学领域的头部播主入驻,进行科普知识直播。在搜狐视频科学演讲局“了不起的她·三八节特别版”主题演讲中,中国科学院空天信息创新研究院导航系统部副主任、中国科学院导航总体部副总工程师徐颖带你探究“北斗导航系统是怎么影响我们日常生活的”;浙江大学化学系博士后、蛟龙号首位大洋深潜女科学家、自然资源部第二海洋研究所副研究员唐立梅教你“透过岩石看地球”;华中师范大学生命科学学院教授、湖北卫视《我说国家安全》嘉宾李睿讲解“从海洋到陆地,微塑料如何影响你我他?”;科幻作家、童行书院创始人、世界科幻雨果奖得主郝景芳分享“如何做好下一代的科学启蒙?”……未来将有更多知识主播入驻搜狐视频,一同玩转科学,探索不同领域。

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