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20080511~ 13と7と11の倍数の論理積は13と7と11の積の倍数である。 和ァ・・・
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量子力学に関しては、大学生のころに半年間だけ波動力学っぽいのを習ったのと
放送大学で行列力学の具体的な例を習った以外独学だから
体系的な学習ができてなくて順番もぐちゃぐちゃで、あとから「そういうことだったのか~」ってなることがしばしばある。


行列力学についても同様で
放送大学で習った具体例が角運動量(磁気量子数)とスピンのみだったから

「どうしてy軸だけ複素平面の虚軸にいらっしゃるんですか?」
とか
「なんでいつの間にか物理学はベクトル解析という彼女を捨ててクォータニオンと不倫し始めたんですか?」
とか
「結局虚軸ってなに?なんなのよその女!」

っていうのをずっと感じてた。

天下り的に上昇演算子L+と下降演算子L-の定義を

って習ったのに関してだけは、放送大学への不信感はあったかな。
それ以外は優秀な教材だった。ありがとう。


なんなんだこのいきなり現れた異世界へのゲートみたいな定義は!?
って思ったもん。最近行列力学を学び始めるまで。



大学図書館から本を借りたり、wikiを見たりネット上の演習問題を見たり、AIに聞いたりして
手探りで行列力学への理解を少しずつ高めていったんだけど

まずは昇降演算子つながりで、調和振動子の昇降演算子を参考にしてみたんですわ。
波動力学ではすでに知識を得ていたから、行列力学の知識を得たわけ。


そしたらさ、いわゆるハイゼンベルクの不確定性関係みたいな位置と運動量に関する昇降演算子が波動力学同様に出てきて(調和振動子のね)

位置と運動量の行列としての演算子も、昇降演算子から作ることができることがわかったわけよ

それで気づいたんだけど
交換関係[x,y]=〇
が定義できるやつはなんかこうなんでも昇降演算子が定義できて
まず昇降演算子ありきで位置と運動量の演算子ってのも導出できるのがわかって
交換関係さえ成り立てば、位置と運動量に限らず昇降演算子が定義でき、そっからいろんな物理量の演算子を求めることができて

調和振動子に限らず井戸型ポテンシャルでも似たようなアプローチで定義が可能なのがわかってきて。


それでわかったんだけど

調和振動子の位置xと運動量p

から昇降演算子

が求められたのと


角運動量Lのx成分Lxとy成分Ly

から昇降演算子

が求められたのって同じプロセスなんだ!

って気づいたんだよ。(Lzは角運動量のz成分)


じゃあなんで、



は出番がないんだよ?


っていうと、たぶん変数分離と極座標のせい

極座標って直交座標と違って動径rと角度θ(緯度)とφが平等ではなくて
角度(地球儀でいう経度)φに関する微分方程式がめちゃくちゃ楽にできてて
Lzの演算子を波動関数に掛け算するだけですぐに固有値が求まっちゃうわけ。
で、なんでLzだけ特別なのかっていうと、たぶんスピンや角運動の主な回転軸だから。


で、ここも俺の勘違いだったんだけど
物理が突然ベクトル解析の彼女を捨ててクォータニオンを愛人にしたんじゃなくて
ここで単にアナロジーができたほうが先で
こっからパウリあたりが、「この(ヒルベルト空間の)ベクトル、なんか(ベクトル解析の)ベクトルみたいじゃね?」
って気づいて、クォータニオンに(再度)注目が集まって、CGの回転に使われるようになったってのが本来の道順なんだと思う。


だから、虚数単位は相変わらずどうしてそうなのかは人類は知らなくて
突然3次元空間のy軸を担当するようになったわけでもない
やっぱり物理は相変わらずwhyではなくhowを問う学問なんだと思う
数式がそうなっているとしか言えない。
未来の人類がまだ「数式がそうなってるからとしか言えない」かどうかはわからないけども

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行列力学で定義する物理量演算子の行列さあ、
よく無限次元のヒルベルト空間とかいうけど、
「未知の無数だからまだ具体的には決めてないけど無限ではなくね?」とか思った。

井戸型ポテンシャルとか調和振動子ポテンシャルとか、対称か反対称か結構気にしてるから
偶数か奇数かを気にもするし、無限だったら偶数も奇数もないから、無限ではないんじゃないかなって思うのよ

あと、無限次元だったらノルムもだいたい無限になっちゃうし不都合じゃんか
重みでもつけて収束させることになっちまう。

まだ決めてないからn個の固有状態を持つけど
nは無数ではあっても無限ではない、なんじゃないかなあ


でも波動力学と対極に位置するからあっちこっちで概念があべこべで、まだ全然慣れないなー

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大学図書館で本を借りて、AIやwikiも頼りつつ、量子力学の行列力学を勉強してみている。
とりあえず調和振動子について考えてみた。

固有状態が3つだと、位置の演算子はシンプルには以下のように書けるらしい。


ちなみに5状態だと以下のように書け、対角成分から少しずれた非対角成分に√nという形で次々値が入るらしい



3状態の固有値は0と±√3の3つである。
波動力学における波動関数のピークの位置とはなぜか少しズレるのが気になっている。
2状態まではズレないのだけど、3状態からなぜかずれ始める


そこで本を読みながら考えていたのだけど
「状態が全部固有状態だからずれるのではないか?」

と思い

固有状態ではない行と列を増やしてみた。

しかしこれの固有値を求めるとやっぱり0と±√3で、波動力学と食い違って見えるのだった。

ただ、それはそれとして、この行列の固有値は0が3つ重複している。
なんかこう「エルミート行列は信頼できる」みたいなのを信じて
ウルフラムαで解いてみたところ
固有ベクトルはちゃんと5つ求められることがわかった。

固有値が重解を持つさい、固有ベクトルの求め方は確か3通りくらいあると記憶している。

俺はその辺をいまいちわかってないんだが、なんとなく「エルミート行列を信じる」ことにして正解だった。

物理としては役立ってはいないが、どうもこのエルミート行列というもの、
線形代数の問題としては結構使えるのかもしれない。

随伴行列をユニタリに規格化してやったものUが

のようにあらわされ、
逆行列がエルミート共役そのものなので、以下のようになり

ちゃんと対角化されて対角成分に各固有値が表れている。



また、これは3行3列の

これと物理的な意味は変わらない

しかしながら、俺はまだまだ行列力学を習いたてで、なぜ固有値ごとに固有ベクトルがある、というのの「物理的な」意味などがよく理解できていない。
固有状態同士を重ね合わせると何かになるのだろうか??

固有状態が3つなら3つで変わらないのだから、同じエネルギー準位の話だと思うし
同じエネルギー準位同士での線形結合など波動力学にはない概念のように思うのだけど…



あと、行列力学は抽象的なのはいいが、シンプルな例でもせめて本には具体例がほしいと思った。
著者は鍛えているつもりなのか知らないが、具体例の有無で初めて学ぶ人への敷居がずいぶんと変わるように思える。
具体例を載せることで学生が怠けてしまうことを懸念するデメリットよりも、
具体例を載せることで学生の理解を助けるメリットのほうがずっと大きいのではないかと思う

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量子力学の本を返したのでこのチャンスを活かして、調和振動子のほうの昇降演算子の、
空で書けるようになった部分を書きます。

まず、調和振動子ポテンシャルのハミルトニアンを無次元化します。
ハミルトニアンの次元はエネルギーなので、
同じくエネルギーの次元を持つ



の2倍でハミルトニアン



を割ります。



hにバーがついたのはプランク定数を2πで割ったディラック定数
kはばね定数、mは質量、xは位置、pは運動量、ωは角振動数で



の関係があるので、無次元化したハミルトニアンは以下のようになります。



そしてこれをガウス素数っぽく半分に因数分解します。


この片方、どっちか忘れましたがプラスがついたほうをaと置くと

マイナスがついたほうはaの複素共役(というかたぶんエルミート共役)a†と書くことができます。


†をどっちのaにつける慣習かは忘れましたが
運動量pにプラスiがついたほうを下降演算子、マイナスiがついたほうを上昇演算子と呼び

波動関数に上昇演算子を左からかけると、量子数1個分だけ固有値がアップした波動関数を
波動関数に下降演算子を左からかけると、量子数1個分だけ固有値がダウンした波動関数を
算出することができます。

ではこの芋づるの端っこはといいますと
一番下の波動関数に下降演算子をかけると恒等的にゼロになることが知られているため、それを利用して微分方程式を解くことで算出できます。


つまり具体的にやってみますと

物理量xとpを微分演算子にして

このように解くことができます。(Cは任意の定数です)

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なんかPCからgifをアップするとツイッターで隠れる傾向があるみたいなんで、こっちにもアップします。

っていうか最近ウチのWi-Fiスポットがすげえ不安定だから、そのせいもあるのかも

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前回のあらすじ

状態が3つある角運動量の代数(行列力学?)の上昇演算子?についてる√2のルーツを探りました。


===========

今回は状態を5つにしてみます。つまり、5行5列の行列が計算対象になります。

上昇演算子?は以下のように

下降演算子?も以下のように定義されます。


A,Bはあとで定まる未定の定数です。


L+=Lx+iLy
L-=Lx-iLy
の式から、LxとLyを求めると、以下のようになるので

[Lx,Ly]=iLzからLzを求めます。

LxLyとLyLxはそれぞれ

このようになりますが、あとで引き算すると、非対角成分はどうせゼロになるので、計算は省きます。

この対角成分が固有値、つまり2,1,0,-1,-2になってほしいので、そうなるようにAとBを定めます。
A^2=2*2=4
-A^2+B^2=2*1=2

A=±2なので
-4+B^2=2
B^2=2+4=6
B=±√6
と定まりました。

つまり、

が本当の姿だったのだ!


これの便利なところは、同じ種類に属するLx,Ly,Lzは固有値が共通ということです。
つまり、Lzで固有値が0,±1、±2とわかっているので、
LxとLyの固有値も、0、±1、±2と、わざわざ5次の行列式を展開して、
5次方程式を解かなくてもわかってしまうのです。
なんなら5次方程式も、λ(λ^2-1)(λ^2-4)=0と、因数分解した状態で逆算できてしまうので
展開してやれば方程式が算出できます。


Lxの固有値方程式にいきなり固有値をぶち込んでExcelに計算させたのがこちら
(あ、λの符号が…アッ…アッ…マアイイヤ!)

同様にLyもExcelで計算可能です。
ただ行列の中身に虚数単位を掛け算してるだけなんで、それを抜かせば実数行列として計算できますよ

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前回までのあらすじ

状態が3つある行列力学?で、角運動量の上昇演算子?L+と下降演算子?L-を定義しました。





==========
さて、この2つの演算子から、角運動量のx成分Lxとy成分Lyが求められるらしいです。
どういう原理なのか今なお僕自身理解できてないのですが、なんか計算できるらしいです。


という式があるらしいので、exp(±)からsinとcosを導出するノリで式変形するとLxとLyは以下のようになります。

本当は初めから係数をつけるべきだったのですが、ここからいきなり係数Aを付けさせてもらいました。


それから、角運動量Lのz成分であるLzとは、このような関係があります。
[Lx,Ly]=iLz

これは、x,y,zをy,z,xやz,x,yに置き換えても言えるので
[Ly,Lz]=iLx
[Lz,Lx]=iLy

となります。

ただ、x,y,zの順番で成立するのであって、逆回りつまりx,z,yやz,y,x、y,x,zでは符号が逆になって
[Lx,Lz]=-iLy
[Ly,Ly]=-iLx
[Ly,Lx]=-iLz

となります。詳しくは、レビチビタ記号を参照ください。

また、[,]は交換関係と呼び、たとえばAとBという行列であれば
[A,B]=AB-BA
と定義されます。

普通の数では交換法則があるので一般に交換関係はゼロに保たれるのですが
行列の積あるいは微分演算子が絡む場合などでは交換関係は一般に成立しません。

特に、AとBが物理量の場合、量子力学において交換関係がゼロでない際は不確定性原理が効いてきて、物理量A,B両方の精度を一定以上上げることが原理的にできなくなります。
(※将来的に、小澤の不等式も絡んでくる可能性は低くないと思います)


話を元に戻して、LxとLyの交換関係を実際に計算してみますと



実は
Lzというのは量子化された数で対角化されるはずなので
A^2/2=1であるべきで、A=√2であることが求められます。


つまり

が本当の姿だったのだ!

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なんか2年ぶりくらいになるような気がするこの計算。
前回もろくに途中経過書けてなかった気がするので、一旦初心に戻ったつもりで
この知識が当たり前になる前に書き上げたい。

色々デジャヴると思いますが堪忍な。

まず、そうですね、放送大学で初めて、具体的な行列力学っぽい計算例を見た気がするんですけどね


最初は状態が3つある角運動量の話だったかと思います。

こんな感じの列ベクトルで、この3つの数字の枠どれか1つに1があるんですが、

ある状態の角運動量を1つ分だけ持ちあげる角運動量演算子をL+と書き

一番下の底辺だったら真ん中に、

真ん中にいたら一番上に、

一番上にいたら空の状態にする(この空の状態は存在しない)

このような演算子をL+と定義します。


カッコの中、1列に数字が並んだものを列ベクトル
行と列に渡って2次元に配列されているものを行列と呼び、
(1行のものを行ベクトルまたは単にベクトルと呼びます)
ベクトルや行列は掛け算ができます。詳しくは行列の積を参照してもらうとわかりますが、
行列同士の積は一般に交換法則が効かず、列・行ベクトルと行列との積は、場合によっては定義できないこともあります

演算子は、状態の左から掛け算することが多いです。


ここで、3つの状態を横に並べてみると、単位行列Eになることが分かります。


単位行列Eにある行列Aを掛け算すると、左から右から掛け算どちらでも、結果がAそのものになるので


一番上以外、1つずつ上に状態を上げる演算子をL+と考えれば、

L+は、変化させたい行列そのものであると考えることができ、導出が簡単です。



それでは、状態を1つずつ下げる演算子L-を考えてみてください。

コレの、1を1つずつ下げて、一番下の行(一番右の列)はすべてゼロにする演算子です。



そうですね、この感じで「ゆっくり説明するブログ」の方針で行ってみましょうか。
最近はあまり体力がなく、ご飯を食べるとすぐ眠くなってしまうので、あまり記事に力を入れられそうにないので、一度に膨大な量書くのは避けようと思います。


係数の話はおいおい。

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まず、xが0以上a以下でゼロ、それ以外では無限大の、1次元無限深さ井戸型ポテンシャルV(x)における波動関数Ψ(x)を考えます。

時間発展のないシュレディンガー方程式を解きます。





一般解はこうなりますが、境界条件

x=0とx=aでΨ=0を与えると、波動関数はΨ(x)=Asin(kx)となり

なおかつ、nを1以上の整数として、ka=nπでなければならないことになるので

 

こうなります。また、規格化条件も考慮すると、ブラ・ケットを用いて以下のようになります。


A=√(2/a)なので、波動関数は以下のように定まりました。



Aという物理量の演算子の期待値(平均値)を求めたい場合、
Aの演算子をブラとケットで囲めばよいので


例えば位置xの期待値を知りたい場合は以下のように記述し、計算できます。


ちゃんと、どの量子数nでも「aの半分」と算出できましたね。


次に、xの2乗の期待値も調べてみましょう。


このようになります。


位置xの演算子はxそのものでしたが、

運動量pの演算子は異なってきて


のようなベクトル微分演算子、特に一次元では

ベクトル関係ない微分演算子になるので
特に井戸型ポテンシャルにおける運動量の期待値は
 sinとcosの、少なくとも直交する2つの関数の積の積分となるので、ゼロとなります。



次に、またpの2乗の期待値について考えてみましょう。
こちらの値はちゃんと有限です。


特に井戸型ポテンシャルの場合は2階微分しているため、同じ関数同士の積の積分になって、値を持ちます。


それでは、先の<x^2>と<x>^2との間にはどのような関係があるのでしょうか。

一般の物理量Aには、平均値<>についてのような関係があるそうです。
誤差の理論なのかRMS(実効値)なのかよくわかりませんが(サンプル数が多すぎて?)、とにかくこういう関係があるそうです。
後日勉強したいと思います。


そうすると、位置についてのΔxは、以下のように算出されました。


座標軸の中央をあえて井戸の中心から外しているのは、(Δx)^2=<A^2>ではないことを意識させるためです。
もう一つの理由は、量子数の偶奇によって、sinとcosが交互にこないように、sinだけで一括表現するためでもありました。


それでは、運動量についてのΔpも見てみますと
運動量の1乗の平均値がゼロなので、こうなります。



両者を掛け算すると

こうなります。
量子数nが、1以上の整数の場合、ルートの中身は常に1以上です。
これの意味するところが、(ハイゼンベルクの)不確定性原理です。
具体的に井戸型ポテンシャルでやってみました。

やーそれにしても、こんないい例題をずっと見逃していたなんて。
井戸型ポテンシャルの、波動関数のだいたいの広がりが「(簡単に)計算できる」っていう発想がそもそもなぜかなかったんですよ。まったく貧相な想像力ですねえ。
無限深さだから、積分範囲も有限で、例題にはうってつけです。

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今日は仕事帰りにファミマで買いGUI(食いで変換しなおしてもCUIが出るのやめろ草)をして
井戸型ポテンシャルにおける不確定性原理の確認をするなどした。


なぜこんな僕に最適な例題を初めて見たような顔をするのか
そんな顔してるだろ?
なぜマジで初見なのか
それは・・・

(ニャメローン)
(アロワナノー)
(ピロピロピロピロピロ)
(ッヘーイ)

よくわからないのだーーーーヴェーハハハハ!!!!

期待値って言葉に苦手意識でもあったとかだろうか。
まあ確かに苦手意識はあった。確かあったはずだ


<Ψ|p|Ψ>
<Ψ|p^2|Ψ>
<Ψ|x|Ψ>
<Ψ|x^2|Ψ>

井戸型ポテンシャルの波動関数は実数なので、複素共役は同じもの
距離xの2乗はどこから掛け算しても構わないが
運動量pの演算子は2つの波動関数同士の間に挟めるように作用させなければいけない

そして、たとえ運動量やほかの演算子だろうと、距離xで積分することには変わりはなく
無限深さの井戸型ポテンシャルでは、-aからaまでなどと、有限の範囲で積分することが可能


ただし、xやpそのものの期待値を改めて求めるために
演習では-aからaまでではなく、0からaまでの井戸型ポテンシャルにしたほうが面白いかもしれないし

Δxと<x^2>、<x>^2との関係や<x^2>と<x>^2の違い
平均値や残差などもからめると、おそらくより有意義な問題となるような気がする上

そうしないと<x>^2=0になって理屈を間違って覚えかねない。

また、おそらくだが、
0からaまでだと、sinだけで表現可能で、cosと交代交代しなくていいんじゃないだろうか

というのを、矩形波のフーリエ級数展開を思い出しながら考えていた



しかしながら、毎日のことながらゲームやネットに夢中で今日も力尽きてしまった。
定性的なことしか書けなくてすまん

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もちろん、振動数が波数の2乗に比例する自由空間的なポテンシャルですよ

時間発展を見ると当然、崩れますよね、実空間的には

じゃあこれをフーリエ変換の向こう側の世界である波数空間で見ると・・・?
収縮する・・・?ん?どの値に?
そもそも自由空間であって束縛状態ではないから、波束を構成する波数は理論的には離散値にならないし
どうなるんだ??


もしかして、数値計算のメッシュの間隔とかにも依存するの・・・?


それとも、波数の中央値に収束するのかなあ?

変わらないという可能性は・・・?いやでも、実空間と対になるのはあくまで波数空間であって
どちらも時間発展はするはず・・・

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周期的境界条件(でもなくていい、両隣りに1つずつあれば)な調和振動子ポテンシャルの中で、
往復運動しながらもトンネル効果で少しずつ隣のポテンシャルに波動関数が漏れて
注目しているポテンシャル内の波動関数の存在確率がどんどん枯渇していく動画
を、x軸・波動関数の実部・波動関数の虚部の3Dでやりたい

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波数の違う波動関数の合成、つまり積分は

以下のように指数の肩を平方完成すると

ガウス積分が行えるので

このようになり、
規格化定数Aを定めるために、さらにガウス積分を行うと
以下のように定まる。



と、小形正男先生の「量子力学」には書いてある。
まったくエキセントリックな・・・。


平方完成慣れてないんだよなー・・・

自分のこれまでの人生、
たとえば2階の定数係数非斉次微分方程式だったら
定数変化法と未定係数法の2通りのやり方があるじゃないですか
そこを片方ばっかりひたすらやるタチだったんで
もう片方のやり方を根こそぎ忘れていたりして。

同様に、平方完成しなきゃならない問題も全部
平方完成しなくても解ける問題にすり替えてしまったから
平方完成の方法をそもそもほとんど覚えていないっていうことがあってねえ

いうなれば、インダクタンスをなるべく使わずに、抵抗とキャパシタンスだけで微分回路も積分回路も作ってしまおう的な。

たった1項加わるだけでこんなめんどくさくなるのか。

kに関するガウス積分から、kに関係しない項目を積分の外に追いやりたいとこまではわかるんだが
どういう方針で平方完成してるのかわからないから応用がきかねえ
恒等式であることしかわからんorz困ったwwww

ガウス積分もあんまわかってねえしなー


まあ、これからやるフーリエ級数にはそんな知識いらないんだろうけどさぁー
わかっときたいじゃんか




このメガネのおっさんのバージョンはないのか・・・。
どの定理?だったか忘れたけど、紹介してもらったやつがすげえ面白かったんだよ
数学は世界共通語だなって思った。

どうも最近、誰かが言ってたんだけど、数学とは確実に別に、プログラミング言語というのが存在し、どのプログラミング言語も、異なりはするが数学同様に世界共通語らしい
とかいう話を見た気がするんだよ

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大学時代、「いつもw-k特性は2乗にプロットされるんじゃないんすか!?
って質問を先生にしたときの先生の答えが意味わからんかった覚えがうっすらとあってな

こないだだよ、ついこないだ。
よく考えてみたら、E=p^2/(2m)+Vなんだから、自由粒子でもない限り、ポテンシャルに依存するじゃねーか!って。


じゃあその依存度合いをどうやってプロットすんの?
って考えて、一瞬、お、おう・・・!?ってなった。

ポテンシャルVが位置xの関数なのに、エネルギーEを運動量pの関数で表そうとしてる。なんだこれ。

でもよく考えたら、束縛状態になるってことは、エネルギーは離散値を取るんだよな
だからってわけでもないけど、数値計算してその結果をプロットしてから関係を見ても
結局解析的な結果とあんま変わんないんじゃね?とか思えてきて。離散値だからある程度しらみつぶしができるし。


っていうか、井戸型ポテンシャルだったらEは波の数kの2乗
調和振動子ポテンシャルだったらEは波数kの1乗に比例だよね

なんだたいしたことないじゃん
って思えてきたりした。


じゃあ逆に、トンネル障壁とかだったらエネルギーは離散値にならないわけだよなー
ガウスな波束ぶっこんでみてえ。



ああ、そういやトンネル障壁といえば
1次元だったらトンネルの自由度は0
2次元だったら自由度は1以下

じゃあn次元空間だったらトンネル障壁の自由度ってn-1個以下になるのかな?

たとえば平面に平面波ぶっこんで、まな板なトンネル障壁だったら実質1次元と同じだよね

2次元空間にまな板なトンネル障壁おいても、波源が線じゃなくて点だったら、そりゃぁ2次元的なトンネル効果になりますわなあ

逆に、波源が点の2次元トンネル障壁も、波源から距離が一定の円だったらこれも1次元と同じで

円状のトンネル障壁でも、波源が点じゃなくて有限の直線状だったり、あるいは円の中心じゃないところから波が出てたりしたら、いわゆる線形独立になるわけだよな


じゃあ3次元空間のトンネル障壁ってなんだ
球殻で囲った内部の、中心じゃないところが波源のトンネル障壁か?
α崩壊の中心が、障壁(原子核殻)のど真ん中じゃなかったら?みたいな感じ?

位相までは無理でも、可視化できたら面白いだろうなあ

立方体状のトンネル障壁から始めてもいいよね
波動関数の絶対値が可視化される感じかなあ
立方体の中で共振みたいのが起きてる最中に、少しずつ漏れ出すイメージ?

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流れの密度Jの定義

ってありますやんか。

なんでこうなの!?っていうか、全然覚えられなかったんです式が複雑すぎて。

でも、小形正男さんの量子力学って本に書いてあったんですけど

ブラ・ケット記法と運動量演算子p=-ih/(2π)*(∂/∂x)を使って こう定義したら
一般に測定値が複素数になるからまずいですやんか

じゃあの複素共役との平均を取って、実数化して定義しましょうや


これで僕ことDメールが覚えられる文字数まで圧縮できました!

っていうかこれこれの実部を取るってことですやんか!!!えええええええ!?


かたくなに実部とは言いたくなかったんですかね・・・?

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