薛定谔方程

势能项

势能项是哈密顿算符中描述粒子所感受之力的那一部分。它简单地写作 V(x),一个为空间中每一点赋予能量的函数:在粒子乐于安歇之处取低值,在它被推开之处取高值。这个函数的形状——一口阱、一道墙、一道平稳的斜坡——编码了问题的整个物理情境。

与动能项不同,势能通常是一次朴素的乘法,而非求导:在每个位置,你只需把波函数乘以 V 的局部数值。这使它成为哈密顿算符的「讲故事者」。想要一个原子?就用原子核的吸引。想要盒子里的粒子?就用无限高的势壁。想要一个隧穿问题?就竖起一道经典上粒子无法越过的势垒。

量子力学中的力,只通过这一项进入,体现为势的陡峭程度。势 V 急剧下降之处,粒子被强烈推动;V 平坦之处,它感受不到力而自由运动。通过雕琢 V,你布好了舞台,薛定谔方程随即告诉你这舞台所允许的波函数与能量。

V(x) = ½ k x² (oscillator), V(x) = −e²/r (atom), V = ∞ (box walls)

不同的势就是不同的物理:一根弹簧、一个原子、一个禁锢的盒子。

只有势能的差值才具有物理意义;你可以处处给 V 加上一个常数,而没有任何可测量的东西会改变——它只是把每个能量平移同样的数量。势的零点选在哪里,纯属方便起见。

又称
potentialpotential-energy operator势函数位能函數