בתשובה לירדן ניר, 07/11/02 10:04
זה לא מפחיד בכלל, זה דווקא קל 105508
משוואת שרדינגר (9) אינה אלא ניסוח קוונטי של משוואת אוילר-לגרנג' (5) מן המכניקה האנליטית. מה שמוכר לכולם בתור משוואת התנועה, או החוק השני של ניוטון (1), אינו אלא הצגה מופשטת של משוואת א-ל (5). לוק אנד ליסטן:

(1) החוק השני של ניוטון - סכום הכוחות sumF הפועלים על מסה M שווה למכפלת המסה M בתאוצתה a:
sumF = M * a

אם ניזכר שתנע P הוא מכפלת המסה במהירות, ותאוצה היא נגזרת זמנית של המהירות, אזי נקבל באגף ימין
(1): sumF = P'

כאשר P' = dP/dt

עתה נפשפש קצת בספרי הפיסיקה ונגלה שכוח משמר F ניתן תמיד להציג כנגזרת מרחבית של פוטנציאל סקלרי U. לנגזרת הזו ניתן שם מפוצץ - גראדיינט - מכיוון שניתן להפעיל אותה לכל כיוון במרחב:
F = -gradU
כך למשל רכיב הכוח המשמר בכיוון איקס יהיה:
Fx = -dU/dx

וזה מה שהופך את החוק השני של ניוטון למשוואה דיפרנציאלית חלקית:

P` = -gradU

או בהעברת אגף:

P` + gradU = 0

עד כאן החוק השני של ניוטון.
עכשיו, נסמן את האנרגיה הקינטית של מסה M באות T. למסה M הנעה במהירות V האנרגיה הקינטית תהיה:
T = M(V^2)/2

או בהצגה שקולה, בהתחשב בעובדה ש P=M*V:
T = P^2/(2*M)

נגדיר עכשיו איבר הנקרא לגרנג'יאן בתור ההפרש בין האנרגיה הקינטית לאנרגיה הפוטנציאלית:

(2) L = T - U

נגזור אותו לפי המקום:

(3) gradL = gradT - gradU
אבל T שהגדרנו אינו תלוי במקום ולכן הגרדיאנט של T הוא אפס. מאידך, מינוס גראדיינט האנרגיה הפוטנציאלית שווה לסכום הכוחות המשמרים.

נגזור את הלגרנג'יאן (2) לפי המהירות:

(4) dL/dV = dT/dV - dU/dV
אבל האנרגיה הפוטנציאלית היא גודל סקלרי התלוי במקום בלבד ולכן נגזרתה לפי המהירות מתאפסת. מאידך:

dT/dV = d/dV [MV^2/2] = MV = P

נגזור את (4) לפי הזמן:
d/dt(dL/dV) = d/dt(dT/dV) - 0 = P'

משוואת אוילר-לגרנג' אינה אלא שוויון בין (4) לבין (3):

(5) d/dt(dL/dV) = gradL
או בהצבת התוצאות שקיבלנו:
(1) P' = sumF
שזה החוק השני של ניוטון. מש"ל.
כאן הצגתי את משוואת אוילר-לגרנג' עבור משתנים קרטזיים של מקום וזמן, אך למען האמת היא נכונה לכל סט של משתנים קנוניים. מקורה בענף חשבון הוריאציות במתימטיקה והיא מתארת את הפונקציונל שנותן תוצאה אקסטרמלית לאינטגרל הפעולה. זה לא קשה, זה פשוט לא כ"כ רלבנטי, ולכן אשאיר לחבריי להסביר את עקרון הפעולה המינימלית בטבע. העיקר הוא שלכל משתנה קנוני W ניתן להגדיר משתנה קנוני צמוד. במקרה הפיסיקלי נקרא לו התנע הקנוני ונגדירו כך:
אם
W' = dW/dt
אז התנע הצמוד לW יהיה:
Pw = M * dL/dW'
תוצאה זו מובנת מאליה עבור בעיה חד-מימדית עם כוחות משמרים, שהרי אז:
L = T - U = Pw^2 / 2M - U(W)
ולכן
dL/dW` = dT/dW` = Pw/M
במקרים הסבוכים יותר יתכן מצב שבו התנע הקנוני שונה מן התנע הקלאסי, אבל חוץ מזה הכל טוב.

ועתה נעבור למכניקת הקוונטים. במקום תנע קנוני נגדיר אופרטור תנע:
(6) Pw = (ih/2pi) * d/dW

כלומר אופרטור תנע הפועל על פונק' גל K זה משהו כזה:

PwK = (ih/2pi) *dK/dW

עד כאן יש?

כבר אמרנו שגרדייאנט הוא שם מפוצץ לגזירה בכל הכיוונים
gradF = (dF/dx, dF/dy, dF/dz)
אז האנרגיה הקינטית של מסה M המתוארת ע"י פונק' גל Y במכניקת הקוונטים תהיה:
(7) T K = (1/2M) * P^2 K
נציב את אופרטור התנע מ(6):
P^2 = (ih/2pi)^2 * grad^2
ובהצבה לתוך (7):
T K = - (h/2pi)^2 * (1/2M) * grad^2K
כאשר בקואור' קרטזיות:
grad^2 K = d^2K/dx^2 + d^2K/dy^2 + d^2K/dz^2

לפני שנגיע למשוואת שרדינגר (9) כדאי להציג קודם את התמרת לג'נדר של הלגרנג'יאן (2), הוא ההמילטוניאן (8):

H = W* Pw - L(w)
בבעיה חד-מימדית זה ההמילטוניאן H(W,Pw) המתקבל מלגרנג'יאן L (W, W'(. בבעיה רב-מימדית (כלומר, עם יותר ממשתנה מצב אחד), עלינו לסכום ב(8) את כל משתני המצב. למשל עבור שישה משתנים:

H(X,Y,Z,U,V,W, Px,Py,Pz,Pu,Pv,Pw) = XPx + YPy + ZPz +UPu + VPv +WPw - L(...)

המילטוניאן כזה יכול למשל לתאר בעיה של שני גופים נקודתיים בלתי תלויים, או של גוף צפיד, או משו אחר. לא חשוב. עבור לגרנג'יאנים פשוטים נקבל תוצאה חביבה:

H = T + U
כלומר ברמת העיקרון המילטוניאן הוא ביטוי לסך כל האנרגיה במערכת. ואז במקום אוילר-לגרנג' מקבלים את משוואות המילטון, שהן קצת יותר אלגנטיות אך נותיר אותם כשיירים לפיסיקאים שיבואו אחרי.
בכל אופן, אופרטור ההמילטוניאן אינו אלא סכום של אופרטור האנרגיה הקינטית T ואופרטור האנרגיה הפוטנציאלית U:

H K = TK + UK = UK - (h/2pi)^2 * (1/2M) * grad^2K

משוואת שרדינגר בסה"כ אומרת שפונק' גל K מתפתחת בזמן לפי ההמילטוניאן:

(9) dK/dt = (ih/2pi) HK

אני מקווה שלמישהו זה נראה כמו הגדרת אופרטור התנע (6) לעיל, שהרי אנרגיה היא "התנע הצמוד לזמן" כשם שPw הוא התנע הקנוני הצמוד לW. משוואות המילטון אומרות שלכל משתנה קנוני W, ועד כדי סימן מינוס שבו אני תמיד מתבלבל:

dW/dt = dH/dPw

dPw/dt = -dH/dW

כלומר ההתפתחות בזמן של Pw נקבעת לפי הנגזרת של ההמילטוניאן במשתנה W, ולהיפך. על כגון דא אומרים שההמילטוניאן H הוא היוצר האינפינטיסימלי להזזות בזמן. זאת כשם שהתנע Pw הוא היוצר האינפינטסימלי להזזות בW, והמשתנה W הוא הי"א להזזות בPw. זה הכל.

אז משוואת שרדינגר (9) בסה"כ מתארת את ההתפתחות בזמן של פונק' גל K לפי ההמילטוניאן H של המערכת. זה הכל.
עדכון לנהגים 105547
הממם, בעצם משוואת שרדינגר לא יכולה להיות מהדורה קוונטית של משוואת אוילר-לגרנג', אלא של משוואת המילטון.

עם הקוראים הסליחה.
(פיסיקאים, אלק)
עדכון לנהגים 105672
אם מציבים:
psi=A*exp[i*2*pi*S/h]

במשוואת שרודינגר, מבצעים את הגזירות ומעלימים את האקספוננט (גורם משותף), מתקבלת בגבול בו h שואף לאפס משוואת Hamilton-Jacobi (השונה ממשוואות האמילטון).

עד כדי קבוע, S היא אינטגרל של הלגראנז'יאן לפי הזמן, ונבדלת מהפעולה הקלאסית רק בגבולות האינטגרציה. פיינמן השתמש בידע זה כשפיתח את אינטגרלי המסלול.
פירוש ללא פיסיקאים 105720
S is the Action
ומגדירים אותו כאינטגרל לפי זמן של הלגרנג'יאן:
S=int(L)dt (1)
כלומר מבחינת מימדים פעולה היא אנרגיה כפול זמן, או תנע כפול מרחק. למשל עבור חלקיק חופשי (U=0) במימד אחד:

S = E * t - p * x
ולכן:
dS/st = E
שזה בדיוק ערך הלגרנג'יאן, שהרי בהעדר אנרגיה פוטנציאלית החלקיק יוסיף לנוע במהירות קצובה וישמור על האנרגיה הקינטית ההתחלתית שלו. מאידך:

dS/dp = -x ; dS/dx = -p
כלומר מתקבל קשר שמזכיר מאד את משוואת המילטון

במציאות הקלאסית עוקב הטבע אחר עיקרון הפעולה המינימלית. בשפה פשוטה זה אומר שבטבע ערך האינטגרל (1) הוא תמיד המינימלי האפשרי. כידוע, ליד נקודות קיצון השינוי בערך הפונקציה הולך לאפס (הנגזרת מתאפסת בנקודות קיצון), לכן אנו מחפשים את הנקודות בהן:
dS = 0
בחשבון וריאציות לא אסתטי במיוחד מוכיחים שמדרישה זו מתקבלות משוואות אוילר-לגרנג' במערכות קלאסיות.

פונק' הגל שהציג ד. פר היא המתארת חלקיק חופשי במכניקת הקוונטים עבור הפעולה שהצגתי לעיל. עכשיו תראו משהו יפה:

האנרגיה של פוטון בתדר w:
E = h * w / 2pi

התנע של פוטון במספר גל k:
P = h * k / 2pi

כלומר

E * t - P * r = (h/2pi) * (wt - kr)
כלומר
psi = A * exp [i(wt-kr)]
וזה בדיוק גל מישורי המתקדם בכיוון r בתדר w...
גודל הפונק' נשמר במקום ובזמן:
<psi|psi> = |A|^2

משוואות המילטון-יעקבי הן מן התיאורמות האלגנטיות ביותר שהכרתי בפיסיקה. במקום לטפל בלגרנג'יאן מנסים לתקוף ישירות את הפעולה. ליתר דיוק, מחפשים טרנספורמציה קנונית (מונח מפוצץ שמשמעו החלפת משתנים קנוניים ללא שינוי ערך ההמילטוניאן) שתפשט לנו את הפעולה ככל הניתן. הפעולה הפשוטה ביותר היא זו השווה זהותית לאפס, או לפחות לקבוע, וברגע שעוברים אליה הפתרון הוא טריביאלי. אח"כ חוזרים מן הפיתרון הטריביאלי במשתנים החדשים, לפתרון החבוי במשתנים הישנים. אפילו על בעיות פשוטות כמו אוסצילטור הרמוני זה נראה טוב, גם אם התותחים האנליטיים האלה נוצקו כדי לפצח בעיות מעט מורכבות יותר.
בכל אופן, נקודת החיבור בין המכניקה הקוונטית לקלאסית היא בהשאפת קבוע פלאנק לאפס. לשמחתנו אמנם מקבלים את כל המכניקה הקלאסית כמקרה פרטי של משוואות המכניקה הקוונטית עבור h-->0
המכניקה הקוונטית עצמה היא מקרה פרטי של תורת השדות הקוונטית עבור מהירויות נמוכות (לא יחסותיות), כך שבסה"כ אפשר לומר שקיימת בדיוק תורה אחת שלמה, וכל השאר (מניוטון עד שרדינגר) הם קירובים נוחים שלה.
תורה זו אינה סגורה עדיין - מנגנון ההיגס לא הוכח נסיונית, עוד לא גילינו גרביטונים וקיימות חלופות לכמה מן המודלים הקיימים בפיסיקה של אנרגיות גבוהות. אין עדיין הסבר לערכים השרירותיים שנמצאו (תיאורטית ונסיונית) לשורה ארוכה של חלקיקים אלמנטריים קיקיוניים, ולכן הרבה מוחות מגודלים מתפרנסים יפה מפיתוח כל מיני תיאוריות פנטסטיות כמו סופר-סימטריה ותורת המיתרים.

חזרה לעמוד הראשי המאמר המלא

מערכת האייל הקורא אינה אחראית לתוכן תגובות שנכתבו בידי קוראים