量子諧振子

等間距能階

諧振子的標誌是它的能階等間距:任何一級與相鄰一級之間的間隔總是同一個量 ℏω,由振子的頻率所設定。無論你是從基態爬到第一級,還是從第一百級爬到第一百零一級,代價都完全相同。正是這把均勻的階梯,使振子有別於其他量子系統。

把它與箱中粒子作對比——後者的能階越往上鋪得越開;再與氫原子對比——後者的能階越往上擠得越緊。振子那均勻的間距直接來自它的拋物線勢能,這也正是為何同一份能量量子 ℏω 會反覆出現、無論系統被激發到多高的數學原因。它同樣是階梯算符每次都跨同樣大小一步的緣由。

等間距帶來一項深刻的物理回報。它意味著振子可以被重新詮釋為一群完全相同的量子,每個攜帶能量 ℏω,你只需一個一個地添加或移除。這恰恰是光如何成為一束光子流、振動的晶體如何成為一團聲子氣的方式——這把均勻的階梯,把單個振子變成了清點粒子的計數盒。

E_{n+1} − E_n = ℏω (the same for every n)

在階梯上每往上跨一級都恰好耗費一份量子 ℏω——靠近頂端不多,靠近底端也不少。

完全等距只對理想化的拋物線勢能成立。真實的勢阱在遠離底部時會變平或變陡,所以真實的分子與原子振動在能量升高時會略微擠攏——這就是非諧修正。

又稱
evenly spaced energy levelsuniform level spacing均匀能级等距能階