量子力學一:形式體系

波函數(wavefunction)

在古典力學裡,一顆粒子是一個具有明確位置與速度的點。在量子力學裡,這個點化開成一團瀰散的、取複數值的雲,稱為波函數(wavefunction),記作 psi(x, t)。它是承載理論所容許你知道的一切資訊的單一物件。別想像成定點上的一顆彈珠,而要想像成一道漣漪,它在每個位置的「高度」(以及相位)告訴你粒子在那裡現身的可能性有多大。

具體而言,psi 是位形與時間的複數值函數。它的物理內容來自波恩定則(Born rule):在 x 附近寬度 dx 的小區間中找到粒子的機率是 |psi(x, t)|^2 dx,因此 psi 必須歸一化,整個空間對 |psi|^2 dx 的積分等於 1。形式上 psi 是一個平方可積函數所構成的希爾伯特空間(即所謂 L^2 空間)中的元素,並依薛丁格方程隨時間演化。用狄拉克語言說,psi(x) 只不過是抽象態向量在位置基底下的分量,psi(x) = <x|psi>。

關鍵的誠實之處:波函數本身並不可觀測。你永遠不會量到 psi,你量到的是位置、能量、動量,而 psi 預測的是它們的統計分布。只有 |psi|^2 以及 psi 各部分之間的相對相位才具有物理後果——一個乘上整個波函數的全域相位 e^{i alpha} 不改變任何事。而且對 N 個粒子而言,psi 根本不住在普通的三維空間裡,而住在 3N 維的位形空間中,這正是為什麼波函數最好被視為對機率的一種計算式編碼,而非在房間裡真實晃動的一道波。

被製備成高斯波包(Gaussian wave packet)的自由粒子,其 psi 集中在某一位置附近;隨時間推移波包散開,於是 |psi|^2 變寬,粒子位置變得愈來愈不確定。

波函數振幅的平方是一個機率密度,而自由波包必然會散開。

波函數不是一道你能戳弄的物理波;它是一個機率幅(probability amplitude),只有 |psi|^2(連同相對相位)可測,psi 本身或它的整體相位都不可測。

又稱
psistate function波動函數