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波包是中國科技名詞。

世界上最古老的四大文字系統,一是5500年前兩河流域蘇米爾人創造的楔形文字[1],二是5000多年前尼羅河流域古埃及人創造的聖書字[2],三是3300年前中國殷商時期的甲骨文,四是1500年前起源於中美洲的瑪雅文字。其它文字都早已消亡,只有中國文字的發展未曾斷裂,從商代一直傳承至今,漢字是世界上現存最古老的文字,這是我們中華民族寶貴的文化遺產。

名詞解釋

波包(英語:wavepacket),一般的波是由若干種以至無限多種諧波疊加而成的,往往仍然是非局域性的。但是,在特定條件下,疊加後的波有可能是局域性的,猶如被某種曲面包裹住那樣。這種局域性的波就叫做「波包」。舉一個例子:取一根均勻而又較長的橡皮繩,讓它的一端固定在牆上或別的什麼上,另一端握在手中,拉直。起初,該系統處於靜止狀態。後來,握繩的手突然抖動了一下後又回到了原來的位置並重新靜止下來。此後就會看到繩上有一個隆起的形狀在移動,這個隆起的部分就叫做「波包」。

波包是波的一個特殊的品種,用以描述波包狀態的代數函數仍然叫做「波函數」。波包的局域性並不是很嚴格的。人們在收聽廣播時接收到的是電台發來的電磁波,電台總有停播的時候,所以這種電磁波肯定是局域性的,但習慣上不把這種局域性的波稱為波包。在量子力學裡,薛定諤所說的波包是指微觀粒子,其尺寸就是粒子的尺寸。如果用波函數來描述它,那麼就會發現,波函數在任意大的範圍內都不會嚴格等於零。這時的所謂「局域」,實際上是指「主要分布區域」。從數學形式上看,k和x在波函數裡是處於完全平等的地位,所以波的概念不是坐標空間裡特有的。坐標空間的波在k空間裡(或動量空間裡)仍然是波,k空間裡也有波包。

相速度

相速度是波的相位向前傳播的速度,如果一列波的波動方程為ψ = A cos(kx-ωt),其等相面為「kx-ωt=常數」,對等相面微分可以知道dx/dt=ω/k,故其相速度為ω/k。由於組成波包是一系列簡諧波,因此除非這一系列波的相速度都相等(即不存在色散),否則波包實際上是沒有嚴格確定的相速度的,但由於能夠組成波包的一系列波往往參數非常接近,所以通常可以將波包分解成簡諧波以後,按權重計算出平均相速度,當作波包的相速度。

群速度

考慮最簡單的兩列波疊加,一列為ψ = A cos(kx-ωt),另一列為ψ' = A cos(k'x-ω't),其中k'=k+dk,ω'=ω+dω,則由三角函數的和差公式可得出疊加後的波動方程為:

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

後一項約為cos(kx-ωt),也就是相速度,而前一項的推進速度為dω/dk,它表示波的最大振幅處向前推進的速度,也就是群速度。

量子理論

在量子力學建立之初,波粒二象性被提出之後,對它的解釋曾有過很大的爭議。是否可以認為粒子就是波包呢?由於德布羅意關係λ=h/p,ν=E/h,若假設粒子就是波包,則組成粒子的群速度不僅不等於相速度,而且彼此之間的相速度也各不相同,造成波包在傳播過程中擴散,這意味着粒子會在運動中自動解體,這顯然是不合理的。後來玻恩提出的統計解釋認為,所謂的波表徵的是粒子在空間中的各個位置出現的概率,波包的擴散實際上是粒子概率的擴散,而並非粒子本身的解體,這種解釋在一定程度上解決了波動性和粒子性的矛盾,為多數人所認同。

參考文獻