薛定谔方程是怎么被“猜”出来的？《张朝阳的物理课》讨论量子力学核心理论

　　问任何一个物理爱好者，什么是量子力学？他们很可能会提到“薛定谔的猫”。接下来呢？则可能是薛定谔方程。但是这个方程究竟是什么，为什么它如此重要，以至于任何一个量子物理学家都会把它记在脑海中？1月7日，在第十八期《张朝阳的物理课》上，搜狐创始人、董事局主席兼CEO张朝阳在直播间再现薛定谔方程奇妙的发现过程，初步揭秘量子力学的核心理论。

　　复习经典物理波动方程 回顾德布罗意物质波公式

　　在直播间里，张朝阳带领大家简单复习前两节课的要点，并重点回顾经典力学中描述粒子和波的方式。在经典物理中，力的作用导致粒子运动状态的改变，可以用牛顿第二定律来描述这个改变过程。粒子的运动状态由位置和速度来表征，力的作用会改变粒子的速度，从而改变其能量。而在量子力学中，粒子由波函数来描述。在此，张朝阳先向网友介绍了经典力学中对波的描述方式。以一维波为例，在经典力学中，波由相应的波动方程来描述：

　　上述方程的解具有如下形式：

　　它示向左传播和向右传播的波的叠加。以平面波为例，描述平面波的2个主要参数为圆频率ω=2πf和波数k=2π/λ。其中λ为波长，f为频率。

（张朝阳介绍平面波）

　　张朝阳带着网友回顾德布罗意波的一些关系式：

　　它们在接下来薛定谔方程的引入中将会用到。

　　如何猜出薛定谔方程？ 求导和对照是关键

　　“我们努力地猜，当年薛定谔是怎么想到这个方程的？他看到德布罗意的论文之后，意识到电子应该用波来描述，于是把电磁波的想法转移过来，猜出了这个方程，最后居然是对的。”张朝阳像说故事一样引出今天的主题。

　　德布罗意提出物质波的时候只是给出了波长和动量的关系，但是并没有推导物质波如何演化。那么，薛定谔是如何猜出这个方程的呢？直播过程中，张朝阳做了详细生动的介绍。

　　他在白板上写下光电场分量的平面波形式：

　　他解释：“结合德布罗意公式，可以将其中的指数部分改写为”：

　　这就是薛定谔猜测的物质波的平面波形式。出于简洁的需求，张朝阳先考虑了一维自由粒子的情况。其能量和动量满足如下关系：

　　它在量子力学下是否依然满足呢？薛定谔对此作出了勇敢的假设，认为这个关系在非相对论量子力学框架内依然成立。那怎样在波函数上体现出这个关系呢？这就需要先将物质平面波中的动量和能量“取”出来。

　　至此，张朝阳开始介绍求导得出动量和能量的方法。在平面波的式子中，动量和能量都出现在指数上，但是只要我们对位置x和时间t求偏导数，相应的动量和能量不就下来了吗？于是，张朝阳又展示了如下推导：

　　组合在一起就得到了有关这个平面波函数的方程。张朝阳强调，这个方程是线性偏微分方程，因此，它的各个解的线性组合，依然是原方程的解，这从形式上也符合量子力学的叠加原理。既然这个方程对平面波成立，而一般的波都可以看作是平面波的组合，那么这个方程对一般的自由物质波也成立。这就得到了一维自由粒子的波动方程：

　　此时，张朝阳顺势介绍，当存在外部势场时，能量将不仅包含粒子动能，还应当包含势能：

　　其中U(x,t)是势能函数。结合前面的推导，就得到了著名的一维薛定谔方程：

（张朝阳在直播中介绍薛定谔方程的形式）

　　张朝阳介绍，薛定谔方程不是推导出来的，而是猜测出来的。它是非相对论量子力学的基本方程，具有公设性质。只有根据薛定谔方程计算出结果，与实验结果一致，我们才能说这个理论是对的。他还解释，薛定谔方程的左边是对时间的一次导数，而右边是对空间的二次导数，这一点很关键。且考虑到因子i的存在，波函数不像电磁场那样是实函数，而是复函数。

　　统计诠释和波包速度：波函数的物理意义

　　不过，即使薛定谔猜出了波动方程，也不知道这个波的物理意义是什么。张朝阳由此引入量子力学的哥本哈根诠释，也就是所谓的统计诠释。

　　张朝阳介绍，“波函数的模方，表示的是粒子出现在相应位置的概率密度，根据这个概率密度，我们只需要对特定区域积分，就可以得到在该区域上发现粒子的概率。当我们得到粒子的波函数时，我们并不知道粒子具体在哪，我们得到的信息仅仅是测量后粒子在各位置出现的概率。”他还进一步介绍波函数归一化的概念。具体地来说，因为整个空间上发现粒子的概率是1，于是波函数的模方在整个空间上的积分就等于1。

　　此外，张朝阳还提到矩阵力学和波动力学的关系，他说，“它们就像一座高山上的两条路径”。换言之，矩阵力学和波动力学都是描述量子力学的正确方法，是相互等价的。

　　张朝阳再次演示，在量子力学中，粒子的速度不再等于ω/k，而应该等于相应的波的群速度dω/dk。根据张朝阳的计算，ω/k实际上等于v/2，为粒子速度的一半。如果使用群速度dω/dk来计算，则得到了正确的速度v。他解释道，这是因为粒子在实际观测中以波包的形式存在，群速度是描述整个波包的移动速度的，因此正好对应于粒子的速度；而ω/k是等相位点的移动速度，不代表粒子的运动速度。

（张朝阳介绍波包的群速度）

　　“我们今天理解了薛定谔是怎么猜到薛定谔方程的，也知道描述具有波粒二象性的微观粒子的波函数。后面，我们只要解这个方程，就能把天下所有事情给它算出来。”直播尾声，他回顾这一课的主要内容时说。同时他鼓励网友，量子力学很难懂，“会用很多堂课来讲。”据了解，下一讲他将开始解薛定谔方程，来解释氢的光谱，求一些波函数的定解，以及薛定谔方程的各种应用。

　　搜狐视频发力知识直播 传播知识玩转科学

　　自11月5日至今，《张朝阳的物理课》已直播十八期。在第一、二课中，张朝阳科普了“力”和“速度”，算出马斯克的飞船和中国空间站每日绕地飞行圈数；第三、四课和“振动”相关，科普可见光的基本知识；第五、六课引发了关于音速和温度的大讨论；在第七、八、九课重温经典力学的两朵乌云。

　　在第十、十一课中，他重点回顾黑体辐射曲线及其应用；第十二、十三、十四课尝试进入爱因斯坦的思想世界，推导出著名的公式“E=mc2”，并论证钟慢尺缩效应；第十五课讲解了原子的结构和原子核的衰变；第十六课意在讨论光的波粒二象性，初探量子力学；第十七课着重探讨了康普顿(603798)散射和海森堡不确定性原理；第十八课揭秘薛定谔方程和波函数。

　　从这十多期的物理课可以看出，《张朝阳的物理课》的直播风格独树一帜——通过观察日常生活现象、用网友最熟悉的话题来提升兴趣，再以公式推导的方式解释其背后的物理原理，“透过现象看本质”，进而反过来解决生活中的类似问题。

　　张朝阳认为研究自然界是特别有意思的事情，他希望物理课的受众能保有好奇心，“在好奇心驱使下，了解自然界的奥秘，了解我们在这个世界生存的道理”。在后续课程中，他还将继续以这种直播风格解释生活中常见的物理现象，让普通人能够听懂、专业人士也能认可，激发科学学习的热潮。该课程于每周周五、周日12时在搜狐视频直播。

　　除《张朝阳的物理课》外，搜狐视频也邀请多位通识教育播主，科普知识，传递价值。北京交通大学理学院教师陈征博士玩起了“奇趣的科学实验”，走进“光的波粒二象性”；康奈尔大学物理化学博士包坤，化身“包大人玩科学”，教普通人看懂2021年诺贝尔奖；还有天体物理博士刘博洋科普“日全食是怎么产生的”等。未来，还将有更多知识播主入驻，一起玩转科学。