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菲兹克斯喵

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Lesson 27 绝热近似
2025-12-24 · via 菲兹克斯喵

绝热近似:简单的例子是,一个人拿着一个箱子,箱子里有一个单摆. 如果人不动,那么单摆有一个固有的周期,这就是系统内部的某种时间尺度. 但是人在移动 (不管是在走动,还是随着地球转动),也有一个外在的时间尺度.

如果两个时间尺度相差比较大,那么可以做某些好的近似. 在量子力学的 adiabatic approximation 中,一般考虑的是内部的时间尺度远远短于外部的时间尺度.

/Example/

一个摆长变短的单摆 (摆线被某个人往上提).

单摆的周期是

ω=gL\omega = \sqrt{\frac{g}{L}}

如果人拉绳比较快,那么整个运动会变成一个混沌的过程;但是如果拉绳足够慢,那每一个周期之内摆长还可以视作一个定值. 整体的频率随着时间有一个缓慢变化:

ω(t)=gL(t)\omega(t)=\sqrt{\frac{g}{L(t)}}

绝热定理:如果初态在某一个本征态,并且影响系统的参数变化很慢,那么之后的演化也一直在这个本征态上.

在实践中,对于一个二能级系统,我们可以加入一个失谐 Δ=ωL−ωg\Delta = \omega_L-\omega_g,并绝热地增大这个失谐量,下面那个能级逐渐升高,然后逐渐地经过上面那个能级的位置,之后超过这个能级 —— 此过程中,绝热能级永远是下面的那个能级,也就是粒子会留在更低的那个能级,这就实现了把布居数翻转到另一个能级上.

Q:如果我一开始不小心给了一个很大的失谐,现在下面那个能级已经超过上面那个能级了,如果在这时候调小失谐量,能不能达到同样的效果?

仍然是可以的,因为向下移动的过程中,绝热能级一直是上面的那一个.

数学上的绝热条件:

∣⟨m(t)∣H˙(t)∣n(t)⟩[Em(t)−En(t)]2∣≪ℏ−1,m≠n\left|\frac{\langle m(t)|\dot{H}(t)|n(t)\rangle}{[E_m(t)-E_n(t)]^2}\right|\ll\hbar^{-1},\quad m\neq n

/Example/

考虑突然把一个无限深势阱从 aa 变为 2a2a.

那么原来的波函数还没来得及反应,会成为新的系统中很多个激发态的叠加.

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