量子谐振子

等间距能级

谐振子的标志是它的能级等间距:任何一级与相邻一级之间的间隔总是同一个量 ℏω,由振子的频率所设定。无论你是从基态爬到第一级,还是从第一百级爬到第一百零一级,代价都完全相同。正是这把均匀的阶梯,使振子有别于其他量子系统。

把它与箱中粒子作对比——后者的能级越往上铺得越开;再与氢原子对比——后者的能级越往上挤得越紧。振子那均匀的间距直接来自它的抛物线势能,这也正是为何同一份能量量子 ℏω 会反复出现、无论系统被激发到多高的数学原因。它同样是阶梯算符每次都跨同样大小一步的缘由。

等间距带来一项深刻的物理回报。它意味着振子可以被重新诠释为一群完全相同的量子,每个携带能量 ℏω,你只需一个一个地添加或移除。这恰恰是光如何成为一束光子流、振动的晶体如何成为一团声子气的方式——这把均匀的阶梯,把单个振子变成了清点粒子的计数盒。

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

在阶梯上每往上跨一级都恰好耗费一份量子 ℏω——靠近顶端不多,靠近底端也不少。

完全等距只对理想化的抛物线势能成立。真实的势阱在远离底部时会变平或变陡,所以真实的分子与原子振动在能量升高时会略微挤拢——这就是非谐修正。

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