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量子态如何随时间变化

本文是对“时间演化”的总览——这是量子行为中平滑而有规律的一面:一个量子系统如何从这一刻滑向下一刻,以及为什么这部分的故事其实比你担心的要温和得多。

两个截然不同的问题

量子力学其实在问两个彼此独立的问题,而人们常常把它们混为一谈。第一个是:当没有人在看的时候,系统在做什么? 第二个是:当你去测量它的那一瞬间,又会发生什么? 这一级阶梯讲的完全是第一个问题——量子系统在两次测量之间那段安静的“日常生活”。而且有个让人安心的消息:这段安静的生活是平滑的、可预测的,只遵循一条干净利落的规则。量子物理那种狂野、跳跃、像在掷骰子的名声,几乎全都属于第二个问题——我们暂时把它放在一边。

当物理学家说时间演化时,他们指的正是这种“两次测量之间”的流动:拿到系统此刻的完整描述,再推算出稍后一刻它的完整描述。中间不会发生任何随机的事。如果你知道系统今天的量子态,并让它不受打扰,那么它明天的状态就是完全确定的。这跟一颗行星绕着太阳运行一样确定。

变化的,是“态”本身

在日常物理里,随时间变化的是位置和速度:球在哪儿、跑多快。而在量子力学里,变化的是整个波函数——一种平滑、铺展开来的描述,粗略地说,它告诉你在每个位置找到粒子的可能性有多大。随着时间流逝,这整个形状会流动、会重新塑形,就像涟漪在池面上滑过。粒子并不是藏着一个会移动的“真实位置”;变化的,是这整片“可能性之云”。

由于波函数可以是一种叠加态——多种可能性同时存在——时间演化便能做出经典世界里没有对应物的事:它能让这些可能性在流动中相互干涉,时而彼此增强,时而彼此抵消。大量量子行为,从分子如何振动到光如何被吸收,本质上都不过是这件事:一个叠加态在演化,而其中的各个分量随着步调忽合忽离地“起舞”。

一条方程主宰整出戏

正如牛顿定律告诉球下一刻该如何运动,有一条方程告诉量子态下一刻该如何变化:含时薛定谔方程。你不需要懂数学也能领会它的精神。它说的是:此刻状态变化的速率,由系统的能量决定——具体说,是由一个叫做哈密顿量的对象决定的,而哈密顿量不过是描述该系统总能量的“规则手册”。用大白话说:正是能量,让一个量子态“走动”起来。

这带来一个很美的结果。有些特殊的状态具有单一、确定的能量,没有别的东西掺杂进来。它们被称为定态,而且名副其实:它们可观测的性质——粒子最可能出现在哪里、动量有多大——根本不随时间改变。这种状态内部的“钟”依旧在走,但你真正能观测到的一切都纹丝不动。量子力学里大多数有趣的运动,都来自把若干这样的“稳定状态”混合在一起;这个混合体,不像它的每个组成部分,是会动的。

这一级阶梯接下来会讲什么

有了这个大图景,接下来的四篇会逐步放大细节。我们会看到为什么时间演化总能守住总概率——系统绝不会“漏掉”确定性——并认识那个把状态带向未来的唯一算符。我们会学到:你可以从三个不同的视角观看同一段物理,而它们彼此完全一致。我们会遇到整个应用量子力学中使用得最多的公式:系统从一个态跳到另一个态有多快。最后,我们会用上这一切,来解释原子如何发出和吸收光——这正是你见过的每一个发光之物背后那个日常的奇迹。