機率流

機率流

在量子力學裡,機率流,又稱為機率通量,是描述機率密度流動的物理量。假若將機率密度想像為非均勻流體。那么,機率流就是這流體的流率(機率密度乘以速度)。

定義

機率流 機率流
機率流 機率流

在量子力學裡,從機率守恆可以得到“機率連續性方程”。設定一個量子系統的波函式為。定義機率流 為

機率流 機率流
機率流 機率流
機率流 機率流
機率流 機率流
機率流 機率流

其中, 是約化普朗克常數,m是質量,是是共軛複數,是取括弧內項目的復值。

機率保守定律

機率流滿足量子力學的連續方程:

機率流 機率流
機率流 機率流

其中,是機率密度。

套用高斯公式,等價地以積分方程表示,

機率流 機率流

;(1)

其中,V是任意三維區域,S 是V的邊界曲面。這就是量子力學 機率守恆定律的方程。

方程 (1) 左邊第一個體積積分項目(不包括對於時間的偏微分),即是測量粒子位置時,粒子在V內的機率。第二個曲面積分是機率流出V的通量。總之,方程 (1) 表明,粒子在三維區域V內的機率對於時間的微分,加上機率流出三維區域V的通量,兩者的總和等於零。

連續方程導引

測量粒子在三維區域V內的機率P是

機率流 機率流

機率對於時間的導數是

機率流 機率流

;(2)

機率流 機率流

假設的含時薛丁格方程為

機率流 機率流
機率流 機率流

其中,是位勢。

將含時薛丁格方程代入方程 (2) ,可以得到

機率流 機率流

套用一則矢量恆等式,可以得到

機率流 機率流

這方程右手邊第一個項目與第三個項目互相抵銷,將抵銷後的方程代入,

機率流 機率流

將機率密度方程與機率流定義式代入,

機率流 機率流

這相等式對於任意三維區域V都成立,所以,被積項目在任何位置都必須等於零:

機率流 機率流

範例

平面波

機率流 機率流

設定一個粒子的波函式為三維空間的平面波,

機率流 機率流
機率流 機率流

其中,A 是振幅常數,k是波數,r是位置,是角頻率,t是時間。

機率流 機率流

的機率流是

機率流 機率流
機率流 機率流

這只是振幅的平方乘以粒子的速度。

機率流 機率流

請注意,雖然這平面波是定態,在每一個的地點,,但是機率流仍舊不等於0。因此可以推論,雖然機率密度不顯性地跟時間有關,粒子仍可能移動於空間中。

盒中粒子

機率流 機率流
機率流 機率流

思考一維盒中粒子問題,能級為的本徵波函式是

機率流 機率流

其中,L是一維盒子的寬度,兩扇盒壁的位置分別在x=0與 x=L 。

機率流 機率流

由於,其機率流為

機率流 機率流

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