حزمة الموجات

رسوم متحركة متكررة لحزمة موجية تنتشر دون تشتت: يتم الحفاظ على الغلاف حتى مع تغير الطور

في الفيزياء ، تُعرف حزمة الموجات (أو سلسلة الموجات أو مجموعة الموجات ) بأنها نبضة قصيرة من حركة موجية موضعية تنتقل كوحدة واحدة، محددة بغلاف . يمكن تحليل حزمة الموجات، أو تركيبها من، مجموعة لا نهائية محتملة من الموجات الجيبية المكونة لها، ذات أعداد موجية مختلفة ، بأطوار وسعات تجعلها تتداخل تداخلاً بناءً فقط في منطقة صغيرة من الفضاء، وتداخلاً هداماً في باقي المناطق. [ 1 ] أي إشارة ذات عرض محدود في الزمان أو المكان تتطلب العديد من مكونات التردد حول تردد مركزي ضمن نطاق ترددي يتناسب عكسياً مع ذلك العرض؛ حتى دالة غاوس تُعتبر حزمة موجات لأن تحويل فورييه الخاص بها هو "حزمة" من موجات ذات ترددات متجمعة حول تردد مركزي. [ 2 ] كل دالة موجية مكونة ، وبالتالي حزمة الموجات، هي حلول لمعادلة موجية . اعتماداً على المعادلة الموجية، قد يظل شكل حزمة الموجات ثابتاً (بدون تشتت ) أو قد يتغير ( مع تشتت ) أثناء انتشارها.

الخلفية التاريخية

تعود الأفكار المتعلقة بحزم الموجات - التضمين ، والموجات الحاملة ، وسرعة الطور ، وسرعة المجموعة - إلى منتصف القرن التاسع عشر. وقد اقترح دبليو آر هاميلتون فكرة سرعة المجموعة المتميزة عن سرعة طور الموجة لأول مرة في عام 1839، وكان أول معالجة كاملة لها من قبل رايلي في كتابه "نظرية الصوت" في عام 1877. [ 3 ]

قدّم إرفين شرودنغر فكرة حزم الموجات بعد فترة وجيزة من نشر معادلته الموجية الشهيرة . [ 4 ] حلّ شرودنغر معادلته الموجية للمذبذب التوافقي الكمومي ، وقدّم مبدأ التراكب ، واستخدمه لإثبات إمكانية استمرار الحالة المدمجة. ورغم أن هذا العمل أدى إلى ظهور مفهوم مهم هو الحالات المتماسكة ، إلا أن مفهوم حزمة الموجات لم يصمد. ففي العام التالي لورقة شرودنغر، نشر فيرنر هايزنبرغ بحثه حول مبدأ عدم اليقين ، موضحًا في سياق ذلك أن نتائج شرودنغر تنطبق فقط على المذبذبات التوافقية الكمومية ، وليس على سبيل المثال على جهد كولوم المميز للذرات. [ 4 ] : ​​829

في العام التالي، 1927، استكشف تشارلز غالتون داروين معادلة شرودنغر للإلكترون غير المقيد في الفضاء الحر، بافتراض حزمة موجية غاوسية أولية . [ 5 ] أظهر داروين أنه في وقتت{\displaystyle t}لاحقاً الموقفx{\displaystyle x}من الحزمة التي تتحرك بسرعةv{\displaystyle v}سيكون

x0+vت±σ2+(حت/2πσم)2{\displaystyle x_{0}+vt\pm {\sqrt {\sigma ^{2}+(ht/2\pi \sigma m)^{2}}}}

أينσ{\displaystyle \sigma }يكمن عدم اليقين في الوضع الأولي.

وفي وقت لاحق من عام 1927، أظهر بول إهرنفست أن الوقت،تي{\displaystyle T}لحزمة موجية مادية بعرضΔx{\displaystyle \Delta x}والكتلةم{\displaystyle m}كان الانتشار بمقدار الضعفتيمΔx2/{\textstyle T\approx m{\Delta x}^{2}/\hbar }. منذ{\displaystyle \hbar }إنها صغيرة جدًا، لدرجة أن حزم الموجات على نطاق الأجسام العيانية، ذات العرض والكتلة الكبيرين، لا تتضاعف إلا على نطاقات زمنية كونية . [ 6 ] : 49

الأهمية في ميكانيكا الكم

تصف ميكانيكا الكم طبيعة الأنظمة الذرية ودون الذرية باستخدام معادلة شرودنغر الموجية . يستخدم الحد الكلاسيكي لميكانيكا الكم والعديد من صياغات التشتت الكمي حزمًا موجية مُشكَّلة من حلول مختلفة لهذه المعادلة. تتغير ملامح الحزم الموجية الكمومية أثناء انتشارها، مما يُظهر تشتتًا. وقد خلص الفيزيائيون إلى أن "الحزم الموجية لا تصلح لتمثيل الجسيمات دون الذرية". [ 4 ] : ​​829

حزم الموجات والحد الكلاسيكي

طوّر شرودنغر حزم الموجات على أمل تفسير حلول الموجات الكمومية كمجموعات موجية متراصة محليًا. [ 4 ] تُوازن هذه الحزم بين توطين الموقع وانتشار الزخم. في التمثيل الإحداثي للموجة (مثل نظام الإحداثيات الديكارتية )، يُحدد موقع الاحتمالية الموضعية للجسيم بموقع حل الحزمة. كلما كانت حزمة الموجة المكانية أضيق، وبالتالي كان موقعها أكثر توطينًا، زاد انتشار زخم الموجة . تُعد هذه المفاضلة بين انتشار الموقع وانتشار الزخم سمة مميزة لمبدأ هايزنبرغ للشك.

أحد أنواع المقايضات المثلى يقلل من ناتج عدم اليقين في الموقعΔx{\displaystyle \Delta x}وعدم اليقين في الزخمΔصx{\displaystyle \Delta p_{x}}[ 7 ] : 60 إذا وضعنا مثل هذه الحزمة في حالة سكون، فإنها تبقى في حالة سكون: يتطابق متوسط ​​قيمة الموضع والزخم مع جسيم كلاسيكي. ومع ذلك، فإنها تنتشر في جميع الاتجاهات بسرعة تُحددها عدم اليقين الأمثل للزخم .Δصx{\displaystyle \Delta p_{x}}. الانتشار سريع للغاية لدرجة أنه في مسافة دورة واحدة حول الذرة، تصبح حزمة الموجة غير قابلة للتمييز.

حزم الموجات والتشتت الكمي

تُسمى تفاعلات الجسيمات بالتشتت في الفيزياء؛ ويلعب مفهوم حزمة الموجة دورًا هامًا في مناهج التشتت الكمومي . يُسبب المصدر أحادي اللون (ذو الزخم الواحد) صعوبات في التقارب في نماذج التشتت. [ 8 ] : 150. كما أن لمسائل التشتت حدودًا كلاسيكية. فعندما يكون حجم الهدف المُشتت (مثل الذرة) أصغر بكثير من حزمة الموجة، يتبع مركز حزمة الموجة مسارات التشتت الكلاسيكية. وفي حالات أخرى، تتشوه حزمة الموجة وتتشتت عند تفاعلها مع الهدف. [ 9 ] : 295

السلوكيات الأساسية

غير مشتت

حزمة موجية بدون تشتت (جزء حقيقي أو تخيلي)

بدون تشتت، تحافظ حزمة الموجة على شكلها أثناء انتشارها. كمثال على الانتشار بدون تشتت ، لننظر إلى حلول الموجات لمعادلة الموجة التالية من الفيزياء الكلاسيكية2uت2=ج22u،{\displaystyle {\partial ^{2}u \over \partial t^{2}}=c^{2}\,\nabla ^{2}u,}

حيث c هي سرعة انتشار الموجة في وسط معين.

باستخدام اصطلاح الزمن الفيزيائي، e iωt ، فإن معادلة الموجة لها حلول موجة مستويةu(x،ت)=هـأنا(كx-ω(ك)ت)،{\displaystyle u(\mathbf {x} ,t)=e^{i{(\mathbf {k\cdot x} }-\omega (\mathbf {k} )t)},}

حيث تُعطى العلاقة بين التردد الزاوي ω ومتجه الموجة الزاوي k بواسطة علاقة التشتت : ω(ك)=±|ك|ج=±2πجλ،{\displaystyle \omega (\mathbf {k} )=\pm |\mathbf {k} |c=\pm {\frac {2\pi c}{\lambda }},} بحيثω2/|ك|2=ج2{\displaystyle \omega ^{2}/|\mathbf {k} |^{2}=c^{2}}ينبغي أن تكون هذه العلاقة صحيحة بحيث تكون الموجة المستوية حلاً لمعادلة الموجة. ولأن العلاقة خطية ، يُقال إن معادلة الموجة غير تشتتية .

لتبسيط الأمر، لنفترض معادلة الموجة أحادية البعد حيث ω(k) = ±kc . عندئذٍ يكون الحل العام هو u(x،ت)=أهـأناك(x-جت)+بهـأناك(x+جت)،{\displaystyle u(x,t)=Ae^{ik(x-ct)}+Be^{ik(x+ct)},} حيث يمثل الحد الأول والثاني موجة تنتشر في الاتجاه الموجب على التوالي في الاتجاه السالب لمحور السينات .

حزمة الموجات هي اضطراب موضعي ينتج عن مجموع العديد من أشكال الموجات المختلفة . إذا كانت الحزمة شديدة التمركز، فستكون هناك حاجة إلى ترددات أكثر للسماح بالتراكب البنّاء في منطقة التمركز والتراكب الهدّام خارجها. [ 10 ] انطلاقًا من حلول الموجات المستوية أحادية البعد الأساسية، يمكن التعبير عن الشكل العام لحزمة الموجات على النحو التالي: u(x،ت)=12π-أ(ك) هـأنا(كx-ω(ك)ت)دك.{\displaystyle u(x,t)={\frac {1}{\sqrt {2\pi }}}\int _{-\infty }^{\,\infty }A(k)~e^{i(kx-\omega (k)t)}\,dk.} حيث أن السعة A ( k ) ، التي تحتوي على معاملات تراكب الموجة ، تتبع من أخذ تحويل فورييه العكسي لموجة أولية " جيدة بما فيه الكفاية " u ( x , t ) تم تقييمها عند t = 0 : أ(ك)=12π-u(x،0) هـ-أناكxدx.{\displaystyle A(k)={\frac {1}{\sqrt {2\pi }}}\int _{-\infty }^{\,\infty }u(x,0)~e^{-ikx}\,dx.} و 1/2π{\displaystyle 1/{\sqrt {2\pi }}}يستمد ذلك من اصطلاحات تحويل فورييه .

على سبيل المثال، اختيار u(x،0)=هـ-x2+أناك0x،{\displaystyle u(x,0)=e^{-x^{2}+ik_{0}x},}

نحصل على أ(ك)=12هـ-(ك-ك0)24،{\displaystyle A(k)={\frac {1}{\sqrt {2}}}e^{-{\frac {(k-k_{0})^{2}}{4}}},}

وأخيراً u(x،ت)=هـ-(x-جت)2+أناك0(x-جت)=هـ-(x-جت)2[كوس(2πx-جتλ)+أناالخطيئة(2πx-جتλ)].{\displaystyle {\begin{aligned}u(x,t)&=e^{-(x-ct)^{2}+ik_{0}(x-ct)}\\&=e^{-(x-ct)^{2}}\left[\cos \left(2\pi {\frac {x-ct}{\lambda }}\right)+i\sin \left(2\pi {\frac {x-ct}{\lambda }}\right)\right].\end{aligned}}}

يتم عرض الانتشار غير المشتت للجزء الحقيقي أو التخيلي من حزمة الموجة هذه في الرسوم المتحركة أعلاه.

المشتت

حزمة موجية مع تشتت. لاحظ أن الموجة تتسع ويقل اتساعها.
كثافة احتمالية فضاء الموضع لحالة غاوسية مبدئية تتحرك في بُعد واحد بزخم ثابت وغير مؤكد إلى حد أدنى في الفضاء الحر.

على النقيض من ذلك، في حالة التشتت، يتغير شكل الموجة أثناء انتشارها. على سبيل المثال، معادلة شرودنغر الحرة ، أناψت=-22م2ψ،{\displaystyle i\hbar {\frac {\partial \psi }{\partial t}}=-{\frac {\hbar ^{2}}{2m}}\nabla ^{2}\psi ,} لها حلول موجات مستوية على الشكل التالي: ψ(ر،ت)=أهـأنا[كر-ω(ك)ت]،{\displaystyle \psi (\mathbf {r} ,t)=Ae^{i{[\mathbf {k\cdot r} }-\omega (\mathbf {k} )t]},} أينأ{\displaystyle A}ثابت وعلاقة التشتت تحقق [ 11 ] [ 12 ]ω(ك)=ك22م=2م(كx2+كy2+كz2)،{\displaystyle \omega (\mathbf {k} )={\frac {\hbar \mathbf {k} ^{2}}{2m}}={\frac {\hbar }{2m}}(k_{x}^{2}+k_{y}^{2}+k_{z}^{2}),} تشير الرموز السفلية إلى ترميز متجه الوحدة . وبما أن علاقة التشتت غير خطية، فإن معادلة شرودنغر الحرة تشتتية .

في هذه الحالة، يتم إعطاء حزمة الموجة بواسطة: ψ(ر،ت)=1(2π)3/2ز(ك)هـأنا[كر-ω(ك)ت]د3ك\displaystyle \psi (\mathbf {r} ,t)={\frac {1}{(2\pi )^{3/2}}}\int g(\mathbf {k} )e^{i{[\mathbf {k\cdot r} }-\omega (\mathbf {k} )t]}d^{3}k} حيث مرة أخرىز(ك){\displaystyle g(\mathbf {k} )}هو ببساطة تحويل فورييه لـψ(ر،0){\displaystyle \psi (\mathbf {r} ,0)}. لوψ(ر،0){\displaystyle \psi (\mathbf {r} ,0)}(وبالتاليز(ك){\displaystyle g(\mathbf {k} )}إذا كانت دالة غاوسية ، فإن حزمة الموجة تسمى حزمة موجة غاوسية . [ 13 ]

على سبيل المثال، حل معادلة شرودنغر الحرة أحادية البعد (مع ضبط 2Δx و m و ħ على واحد) التي تحقق الشرط الابتدائي ψ(x،0)=2/π4خبرة(-x2+أناك0x)،{\displaystyle \psi (x,0)={\sqrt[{4}]{2/\pi }}\exp \left({-x^{2}+ik_{0}x}\right),} يُلاحظ أن تمثيل حزمة موجية متمركزة في الفضاء عند نقطة الأصل كدالة غاوسية، هو ψ(x،ت)=2/π41+2أناتهـ-14ك02 هـ-11+2أنات(x-أناك02)2=2/π41+2أناتهـ-11+4ت2(x-ك0ت)2 هـأنا11+4ت2((ك0+2تx)x-12تك02) .{\displaystyle {\begin{aligned}\psi (x,t)&={\frac {\sqrt[{4}]{2/\pi }}{\sqrt {1+2it}}}e^{-{\frac {1}{4}}k_{0}^{2}}~e^{-{\frac {1}{1+2it}}\left(x-{\frac {ik_{0}}{2}}\right)^{2}}\\&={\frac {\sqrt[{4}]{2/\pi }}{\sqrt {1+2it}}}e^{-{\frac {1}{1+4t^{2}}}(x-k_{0}t)^{2}}~e^{i{\frac {1}{1+4t^{2}}}\left((k_{0}+2tx)x-{\frac {1}{2}}tk_{0}^{2}\right)}~.\end{aligned}}}

يمكن الحصول على انطباع عن السلوك التشتتي لهذه الحزمة الموجية من خلال النظر إلى كثافة الاحتمال: |ψ(x،ت)|2=2/π1+4ت2 هـ-2(x-ك0ت)21+4ت2 .{\displaystyle |\psi (x,t)|^{2}={\frac {\sqrt {2/\pi }}{\sqrt {1+4t^{2}}}}~e^{-{\frac {2(x-k_{0}t)^{2}}{1+4t^{2}}}}~.} من الواضح أن حزمة الموجات المشتتة هذه، أثناء تحركها بسرعة مجموعة ثابتة k o ، تتلاشى بسرعة: إذ يزداد عرضها مع مرور الوقت 1 + 4 t 2 → 2 t ، لذلك تنتشر في النهاية إلى منطقة غير محدودة من الفضاء.

حزم الموجات الغاوسية في ميكانيكا الكم

تراكب موجات مستوية أحادية البعد (باللون الأزرق) تتجمع لتشكل حزمة موجية غاوسية (باللون الأحمر) تنتشر إلى اليمين أثناء تمددها. تتبع النقاط الزرقاء سرعة طور كل موجة مستوية، بينما يتبع الخط الأحمر سرعة المجموعة المركزية.
حزمة موجية غاوسية أحادية البعد، معروضة في المستوى المركب، لـ a = 2 و k = 4

يمكن الآن كتابة حزمة الموجة الغاوسية التشتتية المذكورة أعلاه، غير المعيارية والمتمركزة فقط عند الأصل، بدلاً من ذلك، عند t = 0، في ثلاثة أبعاد، الآن بوحدات قياسية: [ 14 ] [ 15 ]ψ(ر،0)=هـ-رر/2أ،{\displaystyle \psi (\mathbf {r} ,0)=e^{-\mathbf {r} \cdot \mathbf {r} /2a},} يُعد تحويل فورييه أيضًا دالة غاوسية من حيث العدد الموجي، أي المتجه k . ψ(ك،0)=(2πأ)3/2هـ-أكك/2.{\displaystyle \psi (\mathbf {k} ,0)=(2\pi a)^{3/2}e^{-a\mathbf {k} \cdot \mathbf {k} /2}.} مع ثبات a ومعكوسها وفقًا لعلاقة عدم اليقينΔxΔصx=/2،{\displaystyle \Delta x\Delta p_{x}=\hbar /2,} بحيث أ=2رر/31=2(Δx)2،{\displaystyle a=2\langle \mathbf {r} \cdot \mathbf {r} \rangle /3\langle 1\rangle =2(\Delta x)^{2},} يمكن اعتبارها مربع عرض حزمة الموجة ، بينما يمكن كتابة معكوسها على النحو التالي: 1/أ=2كك/31=2(Δصx/)2.{\displaystyle 1/a=2\langle \mathbf {k} \cdot \mathbf {k} \rangle /3\langle 1\rangle =2(\Delta p_{x}/\hbar )^{2}.}

حزمة موجية غاوسية أحادية البعد، معروضة في المستوى المركب، لـأ=1،=1،ك0=0،م=1{\displaystyle a=1,\hbar =1,k_{0}=0,m=1}سرعة المجموعة تساوي صفرًا. عندت=0{\displaystyle t=0}تكون دالة الموجة ذات طور صفري وعرض أدنى. بالنسبة لـت<0{\displaystyle t<0}، تتميز الدالة الموجية بطور تربيعي وعرض متناقص. بالنسبة لـت>0{\displaystyle t>0}، دالة الموجة لها طور تربيعي، وعرض متزايد.

كل موجة منفصلة تدور طوريًا فقط مع مرور الوقت، بحيث يكون الحل المحوّل باستخدام تحويل فورييه المعتمد على الزمن هو

Ψ(ك،ت)=(2πأ)3/2هـ-أكك/2هـ-أناهـت/=(2πأ)3/2هـ-أكك/2-أنا(2كك/2م)ت/=(2πأ)3/2هـ-(أ+أنات/م)كك/2.{\displaystyle {\begin{aligned}\Psi (\mathbf {k} ,t)&=(2\pi a)^{3/2}e^{-a\mathbf {k} \cdot \mathbf {k} /2}e^{-iEt/\hbar }\\&=(2\pi a)^{3/2}e^{-a\mathbf {k} \cdot \mathbf {k} /2-i(\hbar ^{2}\mathbf {k} \cdot \mathbf {k} /2m)t/\hbar }\\&=(2\pi a)^{3/2}e^{-(a+i\hbar t/m)\mathbf {k} \cdot \mathbf {k} /2}.\end{aligned}}}

حزمة موجية غاوسية أحادية البعد، معروضة في المستوى المركب، لـأ=1،=1،ك0=1،م=1{\displaystyle a=1,\hbar =1,k_{0}=1,m=1}. سرعة المجموعة الإجمالية موجبة، وتتحرك حزمة الموجة أثناء تشتتها.

لا يزال التحويل العكسي لفورييه هو تحويل غاوسي، ولكن الآن أصبح المعامل a مركباً، وهناك عامل تطبيع شامل.

Ψ(ر،ت)=(أأ+أنات/م)3/2هـ-رر2(أ+أنات/م).{\displaystyle \Psi (\mathbf {r} ,t)=\left({a \over a+i\hbar t/m}\right)^{3/2}e^{-{\mathbf {r} \cdot \mathbf {r} \over 2(a+i\hbar t/m)}}.}

إن تكامل Ψ على كامل الفضاء ثابت، لأنه حاصل الضرب الداخلي لـ Ψ مع حالة الطاقة الصفرية، وهي موجة ذات طول موجي لانهائي، ودالة ثابتة للفضاء. لأي حالة طاقة ذاتية η ( x ) ، فإن حاصل الضرب الداخلي، η|ψ=η(ر)ψ(ر)د3ر،{\displaystyle \langle \eta |\psi \rangle =\int \eta (\mathbf {r} )\psi (\mathbf {r} )d^{3}\mathbf {r} ,} لا يتغير مع مرور الوقت إلا بطريقة بسيطة: إذ تدور طورته بتردد تحدده طاقة η . وعندما تكون طاقة η صفرًا، كما هو الحال مع الموجة ذات الطول الموجي اللانهائي، فإنها لا تتغير على الإطلاق.

بالنسبة لـت{\displaystyle t}تتغير طور الدالة الموجية بتغير الموضع كما يلي:ت/م2(أ2+(ت/م)2)ر2{\displaystyle {\frac {\hbar t/m}{2(a^{2}+(\hbar t/m)^{2})}}\|\mathbf {r} \|^{2}}يتغير هذا المتغير تربيعيًا مع الموضع، مما يعني أنه يختلف عن الضرب بمعامل طور خطي.هـأناكر{\displaystyle e^{i\mathbf {k} \cdot \mathbf {r} }}كما هو الحال عند إعطاء زخم ثابت لحزمة الموجة. بشكل عام، تحتوي طور حزمة الموجة الغاوسية على حد خطي وحد تربيعي. يبدأ معامل الحد التربيعي بالتزايد من-{\displaystyle -\infty }تجاه0{\displaystyle 0}مع ازدياد حدة حزمة الموجة الغاوسية، تتغير طور دالة الموجة خطيًا مع الموضع عند لحظة الحدة القصوى. ثم يزداد معامل الحد التربيعي من0{\displaystyle 0}تجاه+{\displaystyle +\infty }، حيث تنتشر حزمة الموجة الغاوسية مرة أخرى.

التكامل |Ψ| 2 d 3 r ثابت أيضًا، وهو بيان لحفظ الاحتمال. [ 16 ] بشكل صريح، P(ر)=|Ψ|2=Ψ*Ψ=(أأ2+(ت/م)2)3 هـ-أررأ2+(ت/م)2،{\displaystyle P(r)=|\Psi |^{2}=\Psi ^{*}\Psi =\left({a \over {\sqrt {a^{2}+(\hbar t/m)^{2}}}}\right)^{3}~e^{-{a\,\mathbf {r} \cdot \mathbf {r} \over a^{2}+(\hbar t/m)^{2}}},} حيث r هي المسافة من نقطة الأصل، وسرعة الجسيم تساوي صفرًا، والعرض يُعطى بواسطة أ2+(ت/م)2أ،{\displaystyle {\sqrt {a^{2}+(\hbar t/m)^{2} \over a}},} وهو a عند الزمن t = 0 (المختار بشكل تعسفي) بينما ينمو في النهاية خطيًا مع الزمن، كـ ħt / ( m a ) ، مما يشير إلى انتشار حزمة الموجة . [ 17 ]

على سبيل المثال، إذا كانت حزمة موجات إلكترونية متمركزة مبدئيًا في منطقة ذات أبعاد ذرية (أي 10⁻¹⁰ متر) ، فإن عرض الحزمة يتضاعف في غضون 10⁻¹⁶ ثانية تقريبًا. من الواضح أن حزم موجات الجسيمات تنتشر بسرعة كبيرة جدًا (في الفضاء الحر): [ 18 ] فعلى سبيل المثال، بعد 1 مللي ثانية، سيصل عرضها إلى حوالي كيلومتر واحد.

يعكس هذا النمو الخطي عدم اليقين في الزخم (الثابت مع الزمن): إذ تنحصر حزمة الموجة في نطاق ضيق Δx = √a / 2 ، وبالتالي يكون زخمها غير مؤكد (وفقًا لمبدأ عدم اليقين) بمقدار ħ / √2a ، وانتشار سرعتها بمقدار ħ/m√2a ، وبالتالي موضعها المستقبلي بمقدار ħt/ m√2a . إذن ، علاقة عدم اليقين هي متباينة صارمة، بعيدة كل البعد عن التشبع! وقد ازداد عدم اليقين الأولي Δx Δp = ħ / 2 الآن بمعامل ħt/ma (لأزمنة t الكبيرة ) .

الحالة ثنائية الأبعاد

حزمة موجية كمومية غاوسية ثنائية الأبعاد. يشير اللون (الأصفر والأخضر والأزرق) إلى طور الدالة الموجية.ψ{\displaystyle \psi }يشير سطوعه إلى|ψ|2/|ψ|مأx2{\displaystyle |\psi |^{2}/|\psi |_{max}^{2}}.ك0x=ك0{\displaystyle k_{0x}=k_{0}}،ك0y=0{\displaystyle k_{0y}=0}

دالة موجية كمومية ثنائية الأبعاد غاوسية:

ψ(x،y،ت)=ψ(x،ت)ψ(y،ت){\displaystyle \psi (x,y,t)=\psi (x,t)\psi (y,t)}

ψ(x،ت)=(2أ2π)1/4هـأناϕ(أ4+42ت2م2)1/4هـأناك0xخبرة[-(x-ك0مت)2أ2+2أناتم]{\displaystyle \psi (x,t)=\left({\frac {2a^{2}}{\pi }}\right)^{1/4}{\frac {e^{i\phi }}{\left(a^{4}+{\frac {4\hbar ^{2}t^{2}}{m^{2}}}\right)^{1/4}}}e^{ik_{0}x}\exp \left[-{\frac {\left(x-{\frac {\hbar k_{0}}{m}}t\right)^{2}}{a^{2}+{\frac {2i\hbar t}{m}}}}\right]}

حيث [ 19 ]

ϕ=-θ-ك022مت{\displaystyle \phi =-\theta -{\frac {\hbar k_{0}^{2}}{2m}}t}

لون برونزي(2θ)=2تمأ2{\displaystyle \tan(2\theta )={\frac {2\hbar t}{ma^{2}}}}

قطار الموجة الهوائية

وعلى النقيض من حزمة الموجة الغاوسية المذكورة أعلاه، والتي تتحرك بسرعة مجموعة ثابتة، وتتشتت دائمًا، توجد دالة موجية تعتمد على دوال آيري ، والتي تنتشر بحرية دون تشتت الغلاف، وتحافظ على شكلها، وتتسارع في الفضاء الحر: [ 20 ]ψ=الذكاء الاصطناعي[ب2/3(x-ب3ت24م2)]هـ(أناب3ت/2م)[x-(ب3ت2/6م2)]،{\displaystyle \psi =\operatorname {Ai} \left[{\frac {B}{\hbar ^{2/3}}}\left(x-{\frac {B^{3}t^{2}}{4m^{2}}}\right)\right]e^{(iB^{3}t/2m\hbar )[x-(B^{3}t^{2}/6m^{2})]},} حيث، من أجل التبسيط (والتجريد من الأبعاد )، ينتج عن اختيار ħ = 1 و m = 1/2 و B ثابت اختياري ما يلي: ψ=الذكاء الاصطناعي[ب(x-ب3ت2)]هـأناب3ت(x-23ب3ت2).{\displaystyle \psi =\operatorname {Ai} [B(x-B^{3}t^{2})]\,e^{iB^{3}t(x-{\tfrac {2}{3}}B^{3}t^{2})}\,.}

لا يوجد تعارض مع نظرية إهرنفست في هذه الحالة الخالية من القوى، لأن الحالة غير قابلة للتطبيع ولها قيمة غير معرفة (لا نهائية) لـ ⟨ x في جميع الأوقات. (بقدر ما يمكن تعريفها، فإن p ⟩ = 0 في جميع الأوقات، على الرغم من التسارع الظاهري للجبهة).

سلسلة موجات آيري هي الموجة الوحيدة عديمة التشتت في الفضاء الحر أحادي البعد. [ 21 ] في الأبعاد الأعلى، توجد موجات أخرى عديمة التشتت. [ 22 ]

سلسلة موجات آيري في فضاء الطور. شكلها عبارة عن سلسلة من القطوع المكافئة ذات المحور نفسه، ولكنها تتذبذب وفقًا لدالة آيري. تطورها الزمني عبارة عن قص على طولx{\displaystyle x}في الاتجاه المعاكس. يحتفظ كل قطع مكافئ بشكله تحت تأثير هذا القص، وتتحرك قمته على طول قطع مكافئ آخر. وبالتالي، لا تتشتت سلسلة موجات آيري، وتخضع الحركة الجماعية لسلسلة الموجات لتسارع ثابت.

في فضاء الطور ، يتضح هذا في توزيع ويغنر شبه الاحتمالي للحالة النقية لهذه الموجة، والذي يظل شكله في x و p ثابتًا مع مرور الوقت، لكن خصائصه تتسارع نحو اليمين، في قطوع مكافئة متسارعة. تحقق دالة ويغنر ما يلي:دبليو(x،ص؛ت)=دبليو(x-ب3ت2،ص-ب3ت؛0)=121/3πبأأنا(22/3(ب(x-ب3ت2)+(ص/ب-تب2)2))=دبليو(x-2صت،ص؛0).{\displaystyle {\begin{aligned}W(x,p;t)&=W(x-B^{3}t^{2},p-B^{3}t;0)\\&={\frac {1}{2^{1/3}\pi B}}\,\mathrm {Ai} \left(2^{2/3}\left(B(x-B^{3}t^{2}\right)+\left(p/B-tB^{2})^{2}\right)\right)\\&=W(x-2pt,p;0).\end{aligned}}}تُظهر هذه المتساويات الثلاث ثلاث حقائق:

  1. التطور الزمني يعادل انتقالًا في فضاء الطور بواسطة(ب3ت2،ب3ت){\displaystyle (B^{3}t^{2},B^{3}t)}.
  2. خطوط الكفاف لدالة ويغنر هي قطع مكافئة من الشكلب(x-ب3ت2)+(ص/ب-تب2)2=ج{\textstyle B\left(x-B^{3}t^{2}\right)+\left(p/B-tB^{2}\right)^{2}=C}.
  3. التطور الزمني يعادل قصًا في فضاء الطور على طولx{\displaystyle x}- الاتجاه بسرعةص/م=2ص{\displaystyle p/m=2p}.

لاحظ أن توزيع الزخم الناتج عن التكامل على جميع قيم x ثابت. وبما أن هذا هو توزيع الاحتمالية في فضاء الزخم ، فمن الواضح أن الدالة الموجية نفسها غير قابلة للتطبيع.

مُنشئ مجاني

إن الحد الضيق لحل حزمة الموجة الغاوسية الذي تمت مناقشته هو نواة الانتشار الحرة K. بالنسبة للمعادلات التفاضلية الأخرى، يُطلق على هذا عادةً اسم دالة غرين ، [ 23 ] ولكن في ميكانيكا الكم، من التقليدي حصر اسم دالة غرين على تحويل فورييه الزمني لـ K.

بالعودة إلى بُعد واحد للتبسيط، مع ضبط m و ħ على واحد، عندما تكون a هي الكمية المتناهية الصغر ε ، وهي الشرط الأولي الغاوسي، الذي أعيد قياسه بحيث يكون تكامله واحدًا، ψ0(x)=12πεهـ-x22ε{\displaystyle \psi _{0}(x)={1 \over {\sqrt {2\pi \varepsilon }}}e^{-{x^{2} \over 2\varepsilon }}\,} تصبح دالة دلتا ، δ ( x ) ، بحيث يكون تطورها الزمني، كت(x)=12π(أنات+ε)هـ-x22(أنات+ε){\displaystyle K_{t}(x)={1 \over {\sqrt {2\pi (it+\varepsilon )}}}e^{-x^{2} \over 2(it+\varepsilon )}\,} ينتج عنه عامل الانتشار.

لاحظ أن حزمة موجية أولية ضيقة للغاية تتحول فجأة إلى حزمة لا نهائية العرض، ولكن بطور يتذبذب بسرعة أكبر عند قيم x الكبيرة . قد يبدو هذا غريبًا - إذ ينتقل الحل من كونه متمركزًا عند نقطة واحدة إلى كونه "في كل مكان" في جميع الأوقات اللاحقة ، ولكنه يعكس عدم اليقين الهائل في زخم الجسيم المتمركز، كما هو موضح أعلاه.

لاحظ أيضًا أن معيار الدالة الموجية لانهائي، وهو أمر صحيح أيضًا، لأن مربع دالة دلتا متباعد بنفس الطريقة.

العامل الذي يتضمن ε هو كمية متناهية الصغر، وُضع لضمان تعريف التكاملات على K تعريفًا دقيقًا. في حالة اقتراب ε من الصفر ، تصبح K تذبذبية بحتة، ولا تكون تكاملات K متقاربة تقاربًا مطلقًا. في بقية هذا القسم، سيُفترض أن قيمته تساوي صفرًا، ولكن لكي تكون جميع التكاملات على الحالات الوسيطة مُعرَّفة تعريفًا دقيقًا، يجب أخذ النهاية ε → 0 فقط بعد حساب الحالة النهائية.

الدالة الناقلة هي سعة الوصول إلى النقطة x عند الزمن t ، عند البدء من نقطة الأصل، x = 0. وبسبب ثبات الإزاحة، فإن سعة الوصول إلى النقطة x عند البدء من النقطة y هي نفس الدالة، ولكنها الآن مُزاحة. كت(x،y)=كت(x-y)=12πأناتهـأنا(x-y)22ت.{\displaystyle K_{t}(x,y)=K_{t}(x-y)={1 \over {\sqrt {2\pi it}}}e^{i(x-y)^{2} \over 2t}\,.}

في حالة الحد عندما تكون قيمة t صغيرة، يتحول المولد إلى دالة دلتا ليمت0كت(x-y)=دلتا(x-y) ،{\displaystyle \lim _{t\to 0}K_{t}(x-y)=\delta (x-y)~,} ولكن فقط بمعنى التوزيعات : إن تكامل هذه الكمية مضروبًا في دالة اختبار قابلة للتفاضل بشكل تعسفي يعطي قيمة دالة الاختبار عند الصفر.

ولتوضيح ذلك، لاحظ أن التكامل على كامل فضاء K يساوي 1 في جميع الأوقات. كت(x)دx=1،{\displaystyle \int K_{t}(x)dx=1\,,} بما أن هذا التكامل هو حاصل الضرب الداخلي لـ K مع دالة الموجة المنتظمة. لكن عامل الطور في الأس له مشتقة مكانية غير صفرية في كل مكان باستثناء نقطة الأصل، ولذلك عندما يكون الزمن قصيرًا، تحدث عمليات إلغاء طور سريعة في جميع النقاط باستثناء نقطة واحدة. وهذا صحيح تمامًا عند أخذ النهاية ε → 0 في النهاية.

إذن، نواة الانتشار هي التطور الزمني (المستقبلي) لدالة دلتا، وهي متصلة بمعنى ما: إذ تعود إلى دالة دلتا الأولية عند الأزمنة الصغيرة. إذا كانت دالة الموجة الأولية عبارة عن نبضة ضيقة للغاية عند الموضع y ، ψ0(x)=دلتا(x-y)،{\displaystyle \psi _{0}(x)=\delta (x-y)\,,} تتحول إلى موجة تذبذبية، ψت(x)=12πأناتهـأنا(x-y)2/2ت.{\displaystyle \psi _{t}(x)={1 \over {\sqrt {2\pi it}}}e^{i(x-y)^{2}/2t}\,.}

الآن، بما أن كل دالة يمكن كتابتها كمجموع مرجح لمثل هذه الارتفاعات الضيقة، ψ0(x)=ψ0(y)دلتا(x-y)دy،{\displaystyle \psi _{0}(x)=\int \psi _{0}(y)\delta (x-y)dy\,,}يتم تحديد التطور الزمني لكل دالة ψ 0 بواسطة نواة الانتشار K هذه ،

ψت(x)=ψ0(y)12πأناتهـأنا(x-y)2/2تدy.{\displaystyle \psi _{t}(x)=\int \psi _{0}(y){1 \over {\sqrt {2\pi it}}}e^{i(x-y)^{2}/2t}dy\,.}

وبالتالي، فهذه طريقة رسمية للتعبير عن الحل الأساسي أو الحل العام . ويُفسَّر هذا التعبير بأن سعة جسيم موجود عند النقطة x في الزمن t هي مجموع السعة التي بدأ بها عند النقطة y مضروبة في السعة التي انتقل بها من y إلى x ، وذلك على جميع نقاط البداية الممكنة . وبعبارة أخرى، هو التفاف النواة K مع الشرط الابتدائي ψ₀ .ψت=ك*ψ0.{\displaystyle \psi _{t}=K*\psi _{0}\,.}

بما أن السعة اللازمة للانتقال من x إلى y بعد مرور زمن t + t ' يمكن اعتبارها على مرحلتين، فإن المولد يتبع متطابقة التركيب. ك(x-y؛ت)ك(y-z؛ت)دy=ك(x-z؛ت+ت) ،{\displaystyle \int K(x-y;t)K(y-z;t')dy=K(x-z;t+t')~,} ويمكن تفسير ذلك على النحو التالي: سعة الانتقال من x إلى z في الزمن t + t ' هي مجموع سعة الانتقال من x إلى y في الزمن t ، مضروبة في سعة الانتقال من y إلى z في الزمن t '، مضروبة في مجموع جميع الحالات الوسيطة الممكنة y . هذه خاصية لأي نظام كمومي، ومن خلال تقسيم الزمن إلى أجزاء متعددة، يمكن التعبير عن التطور الزمني كتكامل مسار . [ 24 ]

استمرار تحليلي للانتشار

يرتبط انتشار حزم الموجات في ميكانيكا الكم ارتباطًا مباشرًا بانتشار كثافات الاحتمال في الانتشار . بالنسبة لجسيم يتحرك عشوائيًا ، فإن دالة كثافة الاحتمال تحقق معادلة الانتشار [ 25 ].تρ=122x2ρ،{\displaystyle {\partial \over \partial t}\rho ={1 \over 2}{\partial ^{2} \over \partial x^{2}}\rho ,} حيث أن العامل 2، الذي يمكن إزالته عن طريق إعادة قياس الوقت أو المكان، هو فقط للتسهيل.

أحد حلول هذه المعادلة هو دالة غاوس المتغيرة مع الزمنρت(x)=12πتهـ-x22ت،{\displaystyle \rho _{t}(x)={1 \over {\sqrt {2\pi t}}}e^{-x^{2} \over 2t},} وهو شكل من أشكال نواة الحرارة . وبما أن تكامل ρ t ثابت بينما يصبح العرض ضيقًا عند الأزمنة الصغيرة، فإن هذه الدالة تقترب من دالة دلتا عند t = 0. ليمت0ρت(x)=دلتا(x){\displaystyle \lim _{t\to 0}\rho _{t}(x)=\delta (x)} ومرة أخرى، فقط بمعنى التوزيعات، بحيث ليمت0xو(x)ρت(x)=و(0){\displaystyle \lim _{t\to 0}\int _{x}f(x)\rho _{t}(x)=f(0)} لأي دالة اختبار f .

تُعدّ دالة غاوس المتغيرة مع الزمن نواة الانتشار لمعادلة الانتشار، وهي تخضع لهوية الالتفاف . كت+ت=كت*كت،{\displaystyle K_{t+t'}=K_{t}*K_{t'}\,,}مما يسمح بالتعبير عن الانتشار كتكامل مسار. المولد هو الدالة الأسية للمؤثر H.كت(x)=هـ-تح،{\displaystyle K_{t}(x)=e^{-tH}\,,} وهو عامل الانتشار المتناهي الصغر، ح=-22.{\displaystyle H=-{\nabla ^{2} \over 2}\,.}

تحتوي المصفوفة على مؤشرين، مما يجعلها في الفضاء المتصل دالةً لـ x و x '. في هذه الحالة، وبسبب ثبات الإزاحة، يعتمد عنصر المصفوفة K فقط على فرق الموضع، ومن الملائم استخدام نفس الاسم للإشارة إلى المؤثر وعناصر المصفوفة ودالة الفرق. كت(x،x)=كت(x-x).{\displaystyle K_{t}(x,x')=K_{t}(x-x')\,.}

يعني ثبات الترجمة أن ضرب المصفوفات المستمر ، ج(x،x")=xأ(x،x)ب(x،x")،{\displaystyle C(x,x'')=\int _{x'}A(x,x')B(x',x'')\,,} هي في الأساس عملية التفاف، ج(Δ)=ج(x-x")=xأ(x-x)ب(x-x")=yأ(Δ-y)ب(y).{\displaystyle C(\Delta )=C(x-x'')=\int _{x'}A(x-x')B(x'-x'')=\int _{y}A(\Delta -y)B(y)\,.}

يمكن تعريف الدالة الأسية على نطاق من قيم t التي تشمل القيم المركبة، طالما أن التكاملات على نواة الانتشار تظل متقاربة. كz(x)=هـ-zح.{\displaystyle K_{z}(x)=e^{-zH}\,.} طالما أن الجزء الحقيقي من z موجب، بالنسبة للقيم الكبيرة لـ x ، فإن K يتناقص بشكل أسي، والتكاملات على K متقاربة بشكل مطلق بالفعل.

إن نهاية هذا التعبير عندما يقترب z من المحور التخيلي البحت هي دالة شرودنغر المذكورة أعلاه. كتSجحر=كأنات+ε=هـ-(أنات+ε)ح،{\displaystyle K_{t}^{\rm {Schr}}=K_{it+\varepsilon }=e^{-(it+\varepsilon )H}\,,} وهذا يوضح التطور الزمني المذكور أعلاه للتوزيعات الغاوسية.

انطلاقاً من الهوية الأساسية للأس، أو تكامل المسار، كz*كz=كz+z{\displaystyle K_{z}*K_{z'}=K_{z+z'}\,} ينطبق هذا على جميع قيم z المركبة ، حيث تكون التكاملات متقاربة بشكل مطلق بحيث تكون المؤثرات محددة جيدًا.

وبالتالي، فإن التطور الكمي لدالة غاوسية، وهي نواة الانتشار المعقدة K ، ψ0(x)=كأ(x)=كأ*دلتا(x){\displaystyle \psi _{0}(x)=K_{a}(x)=K_{a}*\delta (x)\,} يمثل ذلك الحالة المتطورة بمرور الوقت، ψت=كأنات*كأ=كأ+أنات.{\displaystyle \psi _{t}=K_{it}*K_{a}=K_{a+it}\,.}

يوضح هذا الشكل الانتشارى المذكور أعلاه للحلول الغاوسية المعقدة، ψت(x)=12π(أ+أنات)هـ-x22(أ+أنات).{\displaystyle \psi _{t}(x)={1 \over {\sqrt {2\pi (a+it)}}}e^{-{x^{2} \over 2(a+it)}}\,.}

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. جوي مانرز (2000)، الفيزياء الكمية: مقدمة ، مطبعة سي آر سي، الصفحات 53-56 ، رقم ISBN  978-0-7503-0720-8
  2. شوارتز، ماثيو. "المحاضرة 11: حزم الموجات والتشتت" (ملف PDF) . scholar.harvard.edu . مؤرشف (ملف PDF) من الأصل بتاريخ 18 مارس 2023. تم الاطلاع عليه بتاريخ 22 يونيو 2023 .
  3. بريلوين، ليون (1960)، انتشار الموجات وسرعة المجموعة ، نيويورك: أكاديميك برس إنك، OCLC 537250 
  4. 1 2 3 4 كراغ، هيلج (2009). "حزمة الموجة" . في جرينبرجر، دانيال؛ هنتشل، كلاوس؛ وينرت، فريدل (محرران). خلاصة فيزياء الكم . برلين، هايدلبرغ: سبرينغر برلين هايدلبرغ. ص 828 – 830. دوى : 10.1007 / 978-3-540-70626-7_232 . رقم ISBN  978-3-540-70622-9.
  5. داروين، تشارلز جالتون. "الحركة الحرة في ميكانيكا الموجات". وقائع الجمعية الملكية في لندن. السلسلة أ، التي تحتوي على أوراق ذات طابع رياضي وفيزيائي 117.776 (1927): 258-293.
  6. كراغ، هيلج؛ كارازا، برونو (2000). "السلوك الكلاسيكي للأجسام العيانية من مبادئ الكم: مناقشات مبكرة" . أرشيف تاريخ العلوم الدقيقة . 55 (1): 43-56 . ISSN 0003-9519 . 
  7. شيف، ليونارد آي. (1995). ميكانيكا الكم . سلسلة دولية في الفيزياء البحتة والتطبيقية (الطبعة الثالثة، الطبعة المطبوعة التاسعة والعشرون). نيويورك: ماكجرو هيل. ISBN  978-0-07-055287-6.
  8. نيوتن، روجر ج. (1982). نظرية تشتت الموجات والجسيمات . نصوص ودراسات في الفيزياء ( الطبعة الثانية). نيويورك، هايدلبرغ، برلين: سبرينغر. ISBN  978-0-387-10950-3.
  9. ساسكيند، ليونارد؛ فريدمان، آرت؛ ساسكيند، ليونارد (2014). ميكانيكا الكم: الحد الأدنى النظري؛ [ما تحتاج إلى معرفته لبدء دراسة الفيزياء] . الحد الأدنى النظري / ليونارد ساسكيند وجورج هرابوفسكي. نيويورك، نيويورك: بيسيك بوكس. ISBN 978-0-465-08061-8.
  10. جاكسون 1998 ، ص 322-326.
  11. هول، برايان سي. (2013). نظرية الكم للرياضيين . نيويورك هايدلبرغ دوردريخت لندن: سبرينغر. ص 91-92 . ISBN  978-1-4614-7115-8.
  12. ^ كوهين تانودجي، ديو ولالوي 2019 ، ص 13-15.
  13. ^ كوهين تانودجي، ديو ولالوي 2019 ، ص 57 ، 1511.
  14. باولي، فولفغانغ (2000)، ميكانيكا الموجات: المجلد 5 من محاضرات باولي في الفيزياء ، كتب في الفيزياء، منشورات دوفر ، الصفحات 7-10 ، ISBN  978-0-486-41462-1
  15. ^ كوهين تانودجي، ديو ولالوي 2019 ، ص 237-240.
  16. داروين، سي جي (1927). "الحركة الحرة في ميكانيكا الموجات"، وقائع الجمعية الملكية في لندن. السلسلة أ، التي تحتوي على أوراق ذات طابع رياضي وفيزيائي 117 (776)، 258-293.
  17. ريتشارد فيتزباتريك، التذبذبات والأمواج
  18. ^ كوهين تانودجي، ديو ولالوي 2019 ، ص. 59.
  19. بيري، إم في؛ بالاز، إن إل (1979)، "حزم الموجات غير المنتشرة"، المجلة الأمريكية للفيزياء ، 47 (3): 264-267 ، رمز Bibcode : 1979AmJPh..47..264B ، doi : 10.1119/1.11855
  20. أونيكريشنان، ك.؛ راو، أ.ر.ب. (1996-08-01). "تفرد حزمة آيري في ميكانيكا الكم" . المجلة الأمريكية للفيزياء . 64 (8): 1034-1035 . doi : 10.1119/1.18322 . ISSN 0002-9505 . 
  21. ^ إفريميديس، نيكولاوس ك. تشن، تشي قانغ؛ سيجيف، مردخاي؛ كريستودوليدس ، ديمتريوس ن. (2019-05-20). "الحزم الهوائية والموجات المتسارعة: نظرة عامة على التطورات الحديثة" . اوبتيكا . 6 (5): 686. أرخايف : 1904.02933 . دوى : 10.1364/OPTICA.6.000686 . ردمك 2334-2536 . 
  22. جاكسون 1998 ، ص 38-39.
  23. فاينمان، آر بي ؛ هيبس، إيه آر (1965)، ميكانيكا الكم وتكاملات المسار ، نيويورك: ماكجرو هيل ، رقم ISBN 978-0-07-020650-2
  24. Kozdron 2008 ، الفصل 3 برهان ألبرت أينشتاين على وجود الحركة البراونية.

مراجع

  • كوهين تنودجي، كلود؛ ديو، برنارد. لالوي ، فرانك (2019). ميكانيكا الكم، المجلد الأول . فاينهايم، ألمانيا: جون وايلي وأولاده. رقم ISBN 978-3-527-34553-3.
  • جاكسون، جون ديفيد (1998). الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية . نيويورك: جون وايلي وأولاده. ISBN 978-0-471-30932-1.
  • كوزدرون، مايكل ج. (2008). "الحركة البراونية ومعادلة الحرارة" (ملف PDF) . جامعة ريجينا . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 أكتوبر 2024 .