波包

更新时间:2023-12-23 15:15

波包(英语:wavepacket),一般的波是由若干种以至无限多种谐波叠加而成的,往往仍然是非局域性的。但是,在特定条件下,叠加后的波有可能是局域性的,犹如被某种曲面包裹住那样。这种局域性的波就叫做“波包”。举一个例子:取一根均匀而又较长的橡皮绳,让它的一端固定在墙上或别的什么上,另一端握在手中,拉直。起初,该系统处于静止状态。后来,握绳的手突然抖动了一下后又回到了原来的位置并重新静止下来。此后就会看到绳上有一个隆起的形状在移动,这个隆起的部分就叫做“波包”。

介绍

波包的群速度和相速度

对于波包,描述其传播的有两个速度:相速度群速度

相速度

相速度是波的相位向前传播的速度,如果一列波的波动方程为ψ = A cos(kx-ωt),其等相面为“kx-ωt=常数”,对等相面微分可以知道dx/dt=ω/k,故其相速度为ω/k。由于组成波包是一系列简谐波,因此除非这一系列波的相速度都相等(即不存在色散),否则波包实际上是没有严格确定的相速度的,但由于能够组成波包的一系列波往往参数非常接近,所以通常可以将波包分解成简谐波以后,按权重计算出平均相速度,当作波包的相速度。

群速度

考虑最简单的两列波叠加,一列为ψ = A cos(kx-ωt),另一列为ψ' = A cos(k'x-ω't),其中k'=k+dk,ω'=ω+dω,则由三角函数的和差公式可得出叠加后的波动方程为:

Ψ = 2A cos(xdk/2-tdω/2) cos[x(2k+dk)/2-t(2ω+dω)/2]

后一项约为cos(kx-ωt),也就是相速度,而前一项的推进速度为dω/dk,它表示波的最大振幅处向前推进的速度,也就是群速度。

量子理论

量子力学建立之初,波粒二象性被提出之后,对它的解释曾有过很大的争议。是否可以认为粒子就是波包呢?由于德布罗意关系λ=h/p,ν=E/h,若假设粒子就是波包,则组成粒子的群速度不仅不等于相速度,而且彼此之间的相速度也各不相同,造成波包在传播过程中扩散,这意味着粒子会在运动中自动解体,这显然是不合理的。后来玻恩提出的统计解释认为,所谓的波表征的是粒子在空间中的各个位置出现的概率,波包的扩散实际上是粒子概率的扩散,而并非粒子本身的解体,这种解释在一定程度上解决了波动性粒子性的矛盾,为多数人所认同。

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