Уравнение Шредингера. Смысл волновой функции

В 1925 Шредингер предположил, что состояние движущегося электрона в атоме должно описываться уравнением стоячей электромагнитной волны. Он получил волновую функцию ψ. Вероятность обнаружения электрона в а некотором малом объеме V выражается ψ²V. ψ² - плотность вероятности плотность электронного облака пропорциональна квадрату волновой функции..

Уравне́ние Шрёдингера в квантовой физике — уравнение, связывающее пространственно-временное распределение с помощью представлений о волновой функции. Играет в квантовой механике такую же важную роль, как уравнениевторого закона Ньютона в классической механике. Его можно назвать уравнением движения квантовой частицы.

В начале XX века учёные пришли к выводу, что между предсказаниями классической теории и экспериментальными данными об атомной структуре существует ряд расхождений. Открытие уравнения Шрёдингера последовало за революционным предположением де Бройля, что не только свету, но и вообще любым телам (в том числе и любым микрочастицам) присущи волновые свойства.

Исторически окончательной формулировке уравнения Шрёдингера предшествовал длительный период развития физики. Оно является одним из фундаментальных законов физики, объясняющих физические явления. Квантовая теория, однако, не требует полного отказа от законов Ньютона, а лишь определяет границы применимости классической физики. Следовательно, уравнение Шрёдингера должно согласовываться с законами Ньютона в предельном случае. Это подтверждается при более глубоком анализе теории: если размер и масса частицы становятся макроскопическими, прогнозы квантовой и классической теорий совпадают, потому что неопределённый путь частицы становится близким к однозначной траектории.

В квантовой физике изначально вводится представление о вероятностном поведении частицы путем задания некоторой функции, называемой волновой и характеризующей вероятность местонахождения частицы (см. Волновая функция). Затем выводится уравнение для этой функции.

Отказавшись от описания движения частицы с помощью траекторий, получаемых из законов Ньютона, и определив вместо этого волновую функцию ψ, необходимо ввести в рассмотрение уравнение, эквивалентное законам Ньютона и дающее рецепт для нахождения ψ в частных физических задачах. Искомым уравнением будет уравнение Шрёдингера.

Пусть волновая функция задана в N-мерном пространстве, тогда в каждой точке с координатами , в определенный момент времени t она будет иметь вид . В таком случае уравнение Шрёдингера запишется в виде:

где , — постоянная Планка; — масса частицы, — внешняя по отношению к частице (См. Самодействие элементарных частиц) потенциальная энергия в точке , — оператор Лапласа (или лапласиан), эквивалентен квадрату оператора набла, и в частном случае декартовых координат, имеет вид:

Физическим смыслом обладают только те величины, которые можно наблюдать и измерять в эксперименте. Волновая функция зависит от координат (или обобщённых координат) системы и, в общем случае, от времени, и в эксперименте наблюдаться не может. Единственной характеристикой волновой функции, непосредственное измерение которой возможно — это квадрат её модуля , смыслом которой является плотность вероятности (для дискретных спектров — просто вероятность) обнаружить систему в положении, описываемом координатами в момент времени :

.

Тогда в заданном квантовом состоянии системы, описываемом волновой функцией , можно рассчитать вероятность P того, что частица будет обнаружена в любой области пространства конечного объема : .

Следует также отметить, что косвенно возможно измерение и фазы волновой функции, например, в опыте Ааронова — Бома.