[양자역학] 2. 파동함수(2)
파동함수의 통계학적 해석에 의하면 파동함수의 절댓값의 제곱 |Ψ(x,t)|2은 시간 t일 때 위치 x에서 입자를 발견할 확률밀도이다. |Ψ|2가 확률밀도함수가 되기 위해서는 전체 영역에서 적분한 값이 1이어야 한다. 즉∫∞−∞|Ψ(x,t)|2dx=1
파동함수는 한번 규격화 되면 슈뢰딩거 방정식에 의해 시간에 따라 변한다 해도 규격화 상태가 유지되고, 이 성질이 없으면 슈뢰딩거 방정식이 통계학적 해석과 불일치해서 양자역학 이론이 붕괴된다.ddt∫∞−∞|Ψ(x,t)|2dx=∫∞−∞∂∂t|Ψ(x,t)|2dx
파동함수가 Ψ인 입자의 위치 x의 기댓값은 ⟨x⟩=∫∞−∞x|Ψ(x,t)|2dx이고, 이것은 이 입자의 위치측정을 여러번 반복했을 때, 그 평균값이 ∫∞−∞|Ψ|2dx가 됨을 의미하는게 아니다. 기댓값은 동일한 상태에 있는 입자들로 이루어진 앙상블(ensemble, 그 계와 동등한 계들의 모임)에 대해 측정을 반복한 평균을 의미하고, 한 상태에서 반복된 측정의 평균을 의미하지 않는다.
시간에 따라 ⟨x⟩는 바뀐다.d⟨x⟩dt=∫∞−∞x∂∂t|Ψ|2dx=iℏ2m∫∞−∞∂∂x(Ψ∗∂Ψ∂x−∂Ψ∗∂xΨ)dx=−iℏ2m∫∞−∞(Ψ∗∂Ψ∂x−∂Ψ∗∂xΨ)dx
양자역학에서는 속도를 정확히 계산할 수 없으며, 속도의 의미 또한 불분명하다. 따라서 속도의 기댓값이 위치의 기댓값의 시간도함수와 같다는 공리(axiom)를 세울 수 있다. 즉 ⟨v⟩=d⟨x⟩dt
실제로 양자역학에서는 속도 보다 운동량(momentum) p=mv를 주로 사용한다. 운동량의 기댓값은⟨p⟩=m⟨v⟩=md⟨x⟩dt=−iℏ∫∞−∞Ψ∗∂Ψ∂xdx
운동에너지는 T=12mv2=p22m으로 나타낼 수 있고, 운동량의 연산자가 ℏi∂∂x이므로 운동에너지의 기댓값은 ⟨T⟩=−ℏ22m∫∞−∞Ψ2∂2Ψ∂x2dx이다.
일반적으로 위치와 운동량의 함수로 표시되는 어떤 종류의 물리량 Q(x,p)의 기댓값은 Q의 연산자 앞뒤로 Ψ∗와 Ψ를 곱하고 적분을 한다. 즉 ⟨Q(x,p)⟩=∫∞−∞Ψ∗Q(x,ℏi∂∂x)Ψdx
다음 그림처럼 아주 긴 줄의 한쪽 끝을 잡고 그것을 위아래로 흔들어 파동을 만들 때,
누군가 "파동이 정확히 어디에 있는 것인가?"라는 질문을 던졌다면 파동은 퍼져나가는 것이기 때문에 이 질문에 제대로 된 대답을 할 수 없다. 만약 "파장(wavelength)이 얼마인가?"라는 질문을 던졌다면 구체적으로 답을 할 수 있을것이다. 하지만 파동이 다음 그림과 같이 한번 확 잡아채고 동작을 멈추면
파동이 정확히 어디에 있는지는 대답을 할 수 있으나 파장이 얼마인지에 대한 대답은 할 수 없다.
위의 두 경우는 파동의 위치가 정확해질수록 파장의 불확정성이 커지고, 반대로 파장이 정확히 측정될수록 파동의 위치의 불확정성이 커짐을 나타낸다.
위의 현상들은 어느 파동 현상에도 적용할 수 있고, 따라서 양자역학의 파동함수에도 적용할 수 있다. 양자역학에서의 파동함수 Ψ의 파장 λ와 운동량 p는 드 브로이(de Broglie)의 공식에 의해 p=hλ=2πℏλ이다. 이 식은 입자의 운동량이 정밀하게 측정될 수록, 위치가 덜 정밀하게 측정되고, 반대로 위치가 정밀하게 측정될 수록, 운동량이 덜 정밀하게 측정됨을 뜻하며 따라서 다음의 하이젠베르크(Heisenberg)의 불확정성 원리(uncertainty principle)를 얻는다.σxσp≥ℏ2
참고자료:
Introduction to Quantum Mechanics 2nd edition, Griffiths, Pearson
https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%95%99%EC%83%81%EB%B8%94_(%EB%AC%BC%EB%A6%AC%ED%95%99)
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