从胡克定律到量子力学的零点能量,最后还蹦出了拉马努金
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一个未拉伸的弹簧,一端固定在墙壁上,另一端系着一个质量为m的块状物体。如果我们拉动这个弹簧块并将弹簧延长一定距离x,弹簧会对质量块施加恢复力F,试图使质量块恢复到平衡位置。我们会发现,恢复力F与伸长量x成正比我们可以将其写成:
其中负号代表伸长量与恢复力的方向相反。 我们可以通过引入比例常数k来将关系转换为等式,这个常数k也被称为弹簧系数,是衡量弹簧刚度的一种量度。
考虑一下,如果把弹簧拉长后释放会出现怎样的情况?根据牛顿第二定律,弹簧力会导致质量加速,因此我们可以用ma代替弹簧力F,并重新排列成如下公式:
上面这个公式实际上描述了一种特殊的运动类型:简谐运动,它是宇宙中各种振动的核心,为了更深入了解这个公式,我们将其写为二阶微分形式。
因此,结合加速度的二阶形式与胡克定律,我们就有了以下公式:
这个微分方程描述了弹簧的位移随时间的变化,我们知道它的解为:
然后,我们再将其两次微分后代入微分方程中:
因此,我们可以得到该系统的圆频率或周期:
我们还关心系统的总能量,它等于动能和势能之和,可以列出下式:
注意到ω与k的关系k=mω^2,我们可以得到总能量的公式:
到目前为止,这些都是些典型的推导,相信大家都已经滚瓜烂熟了。接下来,我们将把量子力学加上去。 |
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