從公設到預測
在「量子力學一」中你已組裝好機器:以希爾伯特空間中的向量代表量子態,以厄米算符代表可觀測量,並透過玻恩定則連結到實驗。這套架構優雅卻抽象。本主題要真正動手轉動它:給定一個真實的位能——方形井、位能障壁或原子——我們求出容許的能量與量子態,並預測光譜儀或顯微鏡實際上看到什麼。
你將一再求解的方程式
動力學由含時薛丁格方程式決定,其中哈密頓算符 \hat H 代表總能量——對單一粒子而言,即動能加上位能。
單一粒子的含時薛丁格方程式。
對不含時的位能,我們用分離變數法尋找定態:\Psi(\mathbf r,t)=\psi(\mathbf r)\,e^{-iEt/\hbar}。時間部分只是一個相位;空間部分 \psi 則滿足定態薛丁格方程式。
一維的定態(能量本徵值)方程式。
把它寫成 \hat H\psi = E\psi,這就是一個本徵值問題:其解為能量本徵態,各自具有確定能量 E。任何一般態都是它們的疊加,而每個分量只是帶著自己的相位 e^{-iE_n t/\hbar} 演化。對給定的 V(x) 求解一次,就掌握了系統的整個未來。
能量為何成塊出現
量子化並不是我們逐一系統硬加上去的,而是從要求一個物理上可接受的波函數自然浮現:單值、連續、且可歸一化(機率總和必須為一)。對束縛粒子而言,只有特定的 E 值能給出保持有限且可積的解,其餘的都發散而被捨棄。
歸一化:在某處找到粒子的總機率為一。
先睹為快:方形井、障壁與原子
三個原型撐起整個主題。盒中粒子展示了侷限如何使能量量子化;穿隧障壁展示粒子穿過一個古典上絕不可能進入的區域;氫原子則加入三維、角動量與自旋,重現真實原子的光譜。其餘一切都只是這些想法的重新組合。
把與古典直覺的對比牢牢記住:古典上禁止進入的區域也可能被佔據、能量以離散能階出現、且連最低態也絕不完全靜止。這些不是要被解釋掉的悖論——它們正是理論忠實的內容,而學完本主題後,你將能親手把它們算出來。
你的路線圖
指南二求解一維束縛態——無限深與有限深方形井——並讀出零點能與侷限效應;指南三處理穿隧;指南四進入三維:角動量、自旋、氫原子與包立原理;指南五交給你實戰工具箱——微擾理論、變分法、全同粒子與散射——這些是當一切都無法精確求解時你所依靠的方法。