量子力学论文
量子力学论文
从波函数到薛定谔方程摘要:本文从波函数出发,阐述薛定谔的推导过程,并且根据哈特里福克方程,克莱因戈尔登方程完善薛定谔方程的泡利不相容原理,洛伦兹不变性。
关键词:波函数薛定谔方程哈特里福克方程克莱因戈尔登方程一.波函数:微观粒子的运动状态称为量子态,是用波函数来描述的,这个波函数所反映的微观粒子波动性,这个波函数所反映的微观粒子波动性,就是德布罗意波。
(量子力学的基本假设之一)并且,玻恩指出:德布罗意波或波函数不代表实际物理量的波动,而是描述粒子在空间的概率分布的概率波。
(1)推导过程:在波动学中,描述波动过程的数学函数都是空间、时间二元函数一列沿X轴正向传播的平面单色简谐波的波动方程,即:应用欧拉公式,可以推广到复数域:再通过德布罗意公式,可以得到自由粒子的波函数:(2)波函数性质1.自由粒子的能量和动量为常量,其波函数所描述的德布罗意波是平面波。
2.对于处在外场作用下运动的非自由粒子,其能量和动量不是常量,其波函数所描述的德布罗意波就不是平面波。
3.外场不同,粒子的运动状态及描述运动状态的波函数也不相同。
(3)波函数的统计假设设描述粒子运动状态的波函数为,则1.空间某处波的强度与在该处发现粒子的概率成正比;2.在该处单位体积内发现粒子的概率(概率密度)与的模的平方成正比。
(4)波函数统计意义的具备条件1.连续- 因概率不会在某处发生突变,故波函数必须处处连续;2.单值- 因任一体积元内出现的概率只有一种,故波函数一定是单值的;3.有限- 因概率不可能为无限大,故波函数必须是有限的;二.薛定谔方程:1.1925年德国物理学家薛定谔提出的非相对论性的量子力学基本方程,质量为m的粒子,在势能函数为的势场中运动,当其运动速度远小于光速时,它的波函数所满足的方程为:这就是薛定谔方程,它反映微观粒子运动状态随时间变化的力学规律,又称含时薛定谔方程。
其中,为哈密顿算符。
2.若粒子所在的势场只是空间函数,那么对应于一个可能态有一个能量值E,即可得到定态薛定谔方程:3.定态是指波函数具有的形式。
量子力学论文题目(导师拟定题目106个)
量子力学论文题目(导师拟定题目106个)量子力学论文题目(导师拟定题目106个)量子力学是研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支,主要研究原子、分子、凝聚态物质,以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论它与相对论一起构成现代物理学的理论基础。
量子力学不仅是现代物理学的基础理论之一,而且在化学等学科和许多近代技术中得到广泛应用。
以下是整理好的106个关于量子力学论文题目,供大家参考。
量子力学论文题目一:1、球极坐标系下角动量平方算符与拉普拉斯算符的推导——多元复合函数微商法则在量子力学中的应用2、“相对论性量子力学”是否真的存在3、时空与物质、广义相对论与量子力学的完美结合——深度科普解读双中子星并合多信使观测4、氢负离子在金属面附近光剥离截面的量子力学计算5、地方高校《量子力学》双语教学探讨6、浅谈创新思维在量子力学教学中的应用7、用超对称量子力学方法求三维氢原子势的精确解8、关于量子力学中波函数有限性问题的思考9、量子力学中的相位及其教学10、基于SPOC的量子力学混合式教学模式改革与实践11、量子力学中的试探函数方法12、微电子专业的量子力学一维无限深方势阱讲授13、改进量子力学曲率解释新探14、关于量子力学-经典力学-相对论力学的统一性理论可行性研究续(12)——关于宇宙大爆炸和宇宙演化等的证明及其他15、计量科学的经典力学与量子力学的桥梁16、关于量子力学与编码基因相关问题的探讨17、量子力学与中观佛教的“空性”观18、量子力学教学中关于自旋算符及其对易关系引入方式的探讨19、量子信息学——源自量子力学的第二次信息革命20、量子力学波粒二象性以及纠缠现象的一个实验验证21、中国科学院院士潘建伟:量子力学催生第三次产业变革22、量子计算机的基本原理以及在量子力学教学中的探讨23、量子力学课程“问题驱动式”教学模式探讨24、抚顺油页岩干酪根热解反应性分子动力学-量子力学模拟25、怎样在没有开设量子力学的材料系上好固体物理课量子力学论文题目二:26、基于学习环模式的量子力学教学模式研究——以“一维无限深势阱”为例27、量子力学教学过程中的可视化改进28、探究量子力学与经典力学之间的联系29、浅谈量子力学中的哲学思想30、浅谈量子力学中观察方法的问题31、从量子力学的诞生和发展得到的教学启示32、量子力学教学改革研究与实践33、能量量子化在量子力学创立所起的作用34、“量子力学”教学中常见问题及教育供给侧改革方案35、量子力学是什么?36、量子力学教学改革探讨37、量子力学中Kubo恒等式的推广38、从泡利矩阵解析量子力学中的几类典型计算问题39、理工院校《量子力学》教学改革分析40、关于量子力学-经典力学-相对论力学的统一性理论可行性研究续(13)——关于新量子力学的几个问题41、浅析原子物理和量子力学看物质的不连续性42、浅谈量子力学与经典力学的异同性43、量子力学多世界解释视角下的睡美人悖论44、凝聚态物理与量子力学研究45、量子力学与物质波研究46、量子力学的发展对人类意识的影响47、工科专业量子力学课堂教学探讨48、量子力学的三种绘景49、关于量子力学教学改革的一些探讨50、《高等量子力学》课程建设和改革初探量子力学论文题目三:51、本科生量子力学教学改革探索52、量子力学诠释综论53、宇宙相对论时空映射及引力与量子力学的研究54、一种基于量子力学的遥感图像滤波方法研究55、从量子力学解释到量子场论解释56、面向材料类专业的量子力学教学探索57、利用弦链系统模拟量子力学中的Dirac梳58、试论代数解法在量子力学中的应用59、基本力的关键思考及量子力学与广义相对论的统一模型60、迟到的巨着——《量子力学》(一、二卷)中文版面世61、量子力学课程教学中的困惑与思考62、思维与量子力学63、量子力学理疗应用——以沃尔康人体排毒仪为例64、量子力学中的量子化65、来自相对论和量子力学的一些联想66、量子力学在5G通信中的应用67、量子力学中坐标平移算子的性质及其应用68、量子力学课程中问题式教学法的构建与实施69、量子力学哲理与中医具身临床思维的相关性研究70、医用量子仪器NMRI的科学基础:H原子量子力学21世纪智能制造的前瞻技术“量子仪器-通信机-计算机”71、不一样的量子力学72、信息主义视角下对量子力学哥本哈根解释的哲学反思73、量子力学双语教学心得74、中医形神关系和量子力学75、长江师范学院物理学专业量子力学课程改革的探究量子力学论文题目四:76、量子力学诠释问题77、δ函数在量子力学中的应用78、1933年诺贝尔物理学奖——埃尔温·薛定谔与保罗·狄拉克因发现量子力学的基本方程——薛定谔方程和狄拉克方程79、量子力学最终理论80、浅论相对论与量子力学的统一81、如何让学生深刻理解量子力学教学中的厄米性和幺正性——以具体二能级系统为例82、主体与真理之间:量子力学解释的齐泽克路径83、爱因斯坦与量子力学解释84、氢光谱精细结构的量子力学解释85、意识研究的量子力学方法兴起86、量子力学的宇宙测试87、关于量子力学中波函数复数表示的讨论88、量子力学的军事应用展望89、量子力学教学的探索与改革90、一念非凡之薛定谔量子力学是本征值问题91、关于量子力学-经典力学-相对论力学的统一性理论可行性研究(续4)——若干问题的概念化与详解92、δ函数及在量子力学中的应用93、浅谈量子力学课程中波函数几率解释94、“烟雾缠绕的巨龙”:量子力学与延迟选择实验95、《量子力学》理论教学与科研实践相结合的教学模式的思考96、量子力学中对易关系的计算研究97、论平均值公理在量子力学中的地位及其对教学的启示98、混合教学在量子力学课程教学中的应用研究99、量子实在:从量子力学到量子通讯100、关于量子力学-经典力学-相对论力学的统一性理论可行性研究(续5)——动—势能及角动量守恒的定量解释101、浅谈经典理论与量子力学的联系102、量子力学视域下“三个世界”的释义103、量子力学中的自由意志定理104、量子力学视角下的三种意识解释105、量子力学多世界解释探源106、基于MFCC方法计算表皮生长因子受体与4-苯胺基喹唑啉结合的量子力学机制。
量子力学小论文
= ������������(t1 − t0)其中������������
= ������������
2������
是动量为������������的简
谐波的相速度。由此,叠加的新的波包将相对 t0 时刻的波包在空间上存在扩展
效应。也就是说,德布罗意波的波包在经历时间的演化将在空间中逐渐扩展开,
粒子的非定域性也随时表现的越加明显。
量子力学的几率解释
对于存在电磁能量的量子—光子,我们可以将其描写为平均圆频率为
和总
能量为
的归一化波包。又因为作为描述波函数 k 和圆频率
的简谐
波的振幅的权重而引入的谱函数:
在描写光子时,则
将看做是解释光子处于波数为 k 的几率密度 P(k)的
一种度量。也即,找到光子处在波数为
之间的几率为
p(k)Δk = N|������(������)|2Δ������
这样的 一个组态称之为波包, f(k)为谱函数 对应于波函数为 k 和圆频率为 的简谐波的振幅。
考察一个简单的谱函数-----Gaussian 函数
其中 f(k)在 k=k0 处取得极大值, 和代替积分近似有:
为高斯谱函数的宽度并且通过有限项的求
对于时间的演化,在 t1>0 时刻: 由于组成波包的所有波包均以光速 c 移动了c ∗ t1,因此由这 t1 时刻叠加的新波 包较 t=0 时刻而言也仅仅表现为波包移动了c ∗ t1的距离而形状保持不变。故上 述形式的波包在任意时刻保持同样形状。
2������ 与光子的平面波类似,给出非相对论下关系:
上式即为物质波的德布罗意波。
对应的相速度
������������
=
������ = ������ 。
物理学专业优秀毕业论文范本量子力学中的量子纠缠与量子通信研究
物理学专业优秀毕业论文范本量子力学中的量子纠缠与量子通信研究在物理学专业中,量子力学是一个重要的研究领域。
量子力学中的一个重要概念就是量子纠缠,它是描述微观粒子之间的相互关系和相干性的基本性质。
本文将探讨量子纠缠在量子通信中的应用,并以优秀的毕业论文范本的形式进行论述。
第一部分:引言量子力学是描述微观世界的理论框架,它在过去几十年里取得了巨大的突破,并引发了众多颠覆性的科技创新。
其中,量子纠缠是量子力学中一个重要的现象,它描述了量子系统之间的非经典相关性。
量子纠缠的应用在量子通信领域具有重要意义。
第二部分:量子纠缠的概念与原理量子纠缠是指处于某个纯态的量子系统的多粒子状态无法被分解为单个粒子态的一个重要现象。
它表征了粒子间的相互依赖关系,即使这些粒子远离彼此,它们的状态仍然是密切相关的。
量子纠缠可以通过数学形式表示,例如贝尔态、GHZ态等。
量子纠缠的原理是量子力学的基本规律之一,它为量子通信的实现提供了理论基础。
第三部分:量子纠缠在量子通信中的应用1. 量子隐形传态量子纠缠在量子通信中的一个重要应用是量子隐形传态。
量子隐形传态是指利用量子纠缠将一个未知量子态传输给另一个空间位置上的粒子,而不需要将原有粒子本身传输过去。
这种传输方式在传统通信中是不可实现的,但在量子通信中可以通过量子纠缠的特性实现。
2. 量子密钥分发量子纠缠还可以用于实现安全的量子密钥分发。
传统的密钥通信方式容易受到窃听和破解的威胁,而利用量子纠缠的量子密钥分发可以实现完全安全的信息传输。
通过量子纠缠,可以将密钥拆分成两部分,并在传输过程中进行对应的密钥检测,以确保密钥的安全性。
第四部分:量子纠缠与量子通信的实验验证为了验证量子纠缠在量子通信中的应用,科学家们进行了一系列的实验研究。
这些实验证明了量子纠缠在量子通信中的有效性和可行性。
例如,利用量子纠缠成功实现了量子隐形传态和量子密钥分发等关键技术,为后续的量子通信应用打下了坚实的基础。
量子力学论文
量子力学与经典力学异同之我见摘要:1.方法与任务经典力学的任务大致可以分为三类:(1)初值问题:给定系统初始时刻的状态,即每一个质点的坐标及速度,给定每一个质点的手里函数Fi(t),描写体系未来的状态(位置和速度)。
(2)定态问题:给定体系的受力条件,描写体系最后达到的平衡条件(质点或刚体的位置)。
(3)逆向问题:已知系统中质点的运动规律反推质点(或由无数质点组成的物体)的受力信息。
例如在汽车设计中,需要根据时速确定轮胎所受的离心力,从而设计所用的材料的强度。
量子力学作为力学也履行经典力学的三个任务。
所不同的是,面对初值问题确定系统的初试波函数时,很难用仪器直接测量。
通常将能量最低的本征态视为初态,其依据是量子体系特别是由少数粒子组成的体系容易达到统计力学平衡状态,这时系统处于最低能态的几率最大。
处理定态问题时由于量子力学引入了力学量算符,导致体系的力学量通常只能取一些分立值,即出现不连续的量子化现象。
量子力学将力学的第三个任务处理为散射问题,即由碰撞后粒子的运动状态确定碰撞过程中的作用力形式。
量子力学在履行上述任务时首先根据经典力学关于质点的哈密顿量写出相应的算符,由此确定体统的波函数Ψ(t)随时间的演化,而波函数模平方∣Ψ(t)∣²代表质点在空间某点出现的概率密度。
在这种意义上,可以说量子力学描写的东西仍然是质点在微观层次的运动状态,这是与经典力学相同的。
所不同的是,经典力学所给出的描写是唯一确定的,而量子力学通常只给出各种时间出现的概率,即便是任意时刻的波函数Ψ(t)已被完全确定。
2.自由电子如何飞翔与人们日常生活最密切相关的基本粒子是电子。
我们所感受到的各种物体的颜色、体积、软硬程度,都由电子运动状态决定;有关电视电脑等各种电器以及大量测量仪器的设计,其主要处理的物理对象也是电子。
如下图所示,电子枪将一个电子以速度v 射入真空室。
设电子进入真空室时的位置矢量为零,试问经历时间t 后,电子空间位置如何?R (t)=v*t按照速度的定义其测定必须观测粒子在给定时间间隔△t 内所经过的空间距离△s ,由此得到在△s 内的平均速度V=△s ∕△t 。
电子科技大学-量子力学论文 【建立薛定谔方程有哪些方法】
建立薛定谔方程有哪些方法姓名:*** 学号:**********班级:(二班)联系电话:**************中文摘要:薛定谔方程是量子力学的重要基本方程,是由奥地利物理学家薛定谔在1926年提出的一个用于描述量子力学中波函数的运动方程,它反映了描述微观粒子的状态随时间变化的规律,在量子力学中的地位相当于牛顿定律对于经典力学一样,是量子力学的奠基理论之一.由对薛定谔方程式的解答,能清楚地描述量子系统里,量子尺寸粒子的统计性量子行为.本文将讨论以微分和类比的方法建立薛定谔方程.关键词:量子力学波函数薛定谔方程1 引言薛定谔提出的量子力学基本方程建立于1926 年, 它是一个非相对论的波动方程.反映了描述微观粒子的状态随时间变化的规律, 地位与经典物理中的牛顿运动方程相当,是打开物质微观世界大门的金钥匙.设描述微观粒子状态的波函数为()t r,U,中运动的薛定谔方程为在给定初ψ,质量为m 的微观粒子在势场()t r始条件和边界条件以及波函数所满足的单值、有限、连续的条件下, 可解出波函数()t r,U与时间无关而只是坐ψ,由此可计算粒子的能量、分布概率等.当势能()r标的函数情况下为定态问题.定态时的波函数可写成式中()rψ称为定态波函数, 满足定态薛定谔方程, 这一方程在数学上称为本征方程,式中E为本征值,是定态能量()rψ又称为属于本征值E的本征函数,波函数本身及其一阶导数必须是单值、连续和有限的,这称为波函数的标准条件.薛定谔方程是线性、齐次的微分方程,满足叠加原理.定态薛定谔方程的每一个解就代表粒子的一个稳定状态.纵观物理学发展的历史,人们对于微观世界的认识是极其曲折复杂的,经历了许多伟大科学家的艰辛努力与激烈争论.其间,他们各有自己的高见,也都有各自的不足, 每人只认识其中的一个侧面,将他们各自正确的部分集中起来,才建立起反映微观世界的正确理论——量子力学.其重要组成部分之一是薛定谔创立的波动力学.在波动力学中薛定谔从几何光学向波动光学的过渡关系,而推断出由经典力学向波动力学如何过渡,再受德布罗意波的启发而建立了薛定谔方程.由于在实践中只有少数几个特殊的粒子运动体系的薛定谔方程可以精确求解, 而对于复杂的多电子原子和分子体系的薛定谔方程则无法精确求解,即使是利用近似模型处理后,其求解过程仍然非常复杂烦琐.随着计算机技术的飞速发展, 经过适当的近似处理后,通过求解薛定谔方程来揭示物质的微观性质和状态已经得到了非常成功的应用,尤其是在量子化学计算领域.因此,薛定谔方程已经成为了人们打开物质微观世界大门的金钥匙.薛定谔方程在量子力学的研究中有着极其重要的作用, 它是量子力学重要的基本方程.这方程既不是推导,也不是证明出来的,它是假设而建立起来的.建立方程的依据是:(1)应当是波函数对时间的一阶微分方程;(2)方程要包含外界的因素;(3)方程中的系数不含有状态参量;(4)方程是线性的.2 薛定谔方程的建立1 问题提出1924 年,路易·德布罗意提出一个惊人的假设,每一种粒子都具有波粒二象性.电子也 有这种性质.电子是一种波动,是电子波.电子的能量与动量决定了它的物质波的频率 与波数. 1927 年, 克林顿· 戴维孙和雷斯特· 革末将缓慢移动的电子射击于镍晶体标靶. 然后,测量反射的强度,侦测结果与 X 射线根据布拉格定律 (Bragg's law) 计算的衍射图案相同.戴维森-革末实验彻底的证明了德布罗意假说.薛定谔夜以继日地思考这些先进理论,既然粒子具有波粒二象性,应该会有一个反应这特性的波动方程,能够正确地描述粒子的量子行为.薛定谔通过类比光谱公式成功地发现了可以描述微观粒子运动状态的方法——薛定谔方程.2 方程的建立2. 1 用微分方法建立薛定谔方程建立过程:自由粒子波函数所满足的方程推广到一般.自由粒子的波函数为平面波 )(t r Et r p h i Ae -→→→=),(φ ①对时间求偏微商: h Et r p i t )(--=∂∂→→φ ②对坐标求二次偏微商: φφφ22)(2222h p e h Ap x z p y p x p h i x z y x -=-=∂∂++ ③同理得: φφφ2222h p y -=∂∂ , φφ2222h p z z -=∂∂ ④将以上三式相加:ψ=ψ∇=∂ψ∂+∂ψ∂+∂ψ∂222222222- p z y x , ⑤利用自由粒子的能量和动量的关系,我们可得到自由粒子波函数所满足的微分方程:φμφ222∇-=∂∂h t ih ⑥上式中劈形算符:z k y j x i ∂∂+∂∂+∂∂=∇ ,2222222zy x ∂∂+∂∂+∂∂=∇∙∇=∇ ⑦ 如存在势能()r U ,能量和动量的关系是: )(22r U p E +=μ⑧ 波函数应满足的微分方程是;φφμφ)(222r U h t ih +∇-=∂∂ ⑨这个方程称为薛定谔方程.由建立过程可以看出,只需对能量动量关系进行如下代换:tih E ∂∂→ , ∇-→→ih p 就可得到薛定谔方程.2.2 用类比方法建立薛定谔方程 几何光学和波动光学这两种光学理论分别是建立在光的微粒说和波动说基础上的. 早在19 世纪, 哈密顿根据几何光学中费马原理的数学表达式0ds ==Θ⎰B A K δδ和经典力学中哈密顿原理的数学表达式⎰==BAdt 0s δδ相似, 曾经提出经典力学和几何光学存在着某种相似性.在研究几何光学和波动光学的关系时, 如果波长无限短, 即在 →0 的条件下, 波动光学就会过渡到几何光学; 在量子力学研究中, 如果忽略量子效应, 即在 →0 的条件下,量子力学就会过渡成为经典力学. 如果把几何光学与经典力学之间的相似性和波动光学与几何光学、量子力学与经典力学之间的过渡关系进行类比,用图表示为从类比图我们可以看出, 量子力学的波动方程和波动光学的波动方程在数学表达式上是相似的.在波动光学中, 光波的两个重要方程是01-2222=∂∂∇f u f(1) ()iwt e r f - Φ=(2)将( 2) 代入( 1), 得 022=ψ+Φ∇k (3) 其中波矢的大小uw k =. 同样道理, 在量子力学中, 波函数的表达式应与( 2) 式相似, 记为:()()()()t E i iwt e r e r t r --,ψ=ψ=ψ (4)如果能量不随时间变化, 则波函数的空间部分()r ψ所满足的波动方程也应与( 3) 相似, 记为0Ψ22=ψ+∇k(5) 其中波矢的大小为() U E m P k -==2,代入( 5) 式, 得 0U)-(E 22=ψ+ψ∇ m 或ψ=ψ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+∇E U m 222- (6)上式则是定态薛定谔方程. 如果我们知道势能()r U 的具体形式, 通过解方程即可求出定态波函数()r ψ和粒子的能量E .如果方程(6)两端同乘以()t E iw e -, 则方程变为ψ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+∇=ψU m E 222-(7) 由( 4) 式可得 ()ψ=ψ=∂ψ∂-E e E i t E i 将上式代入(7) 式左边, 得ψ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+∇-=∂ψ∂U m i 222 (8)这就是薛定谔方程的一般形式. 对于自由粒子来说, 它不受保守力场的作用,即U = 0, 则自由粒子的定态薛定谔方程为ψ=ψ∇E m222- (9) 自由粒子薛定谔方程的一般形式为ψ∇=∂ψ∂222-m i (10)由此可见, 利用类比的方法也可以建立起薛定谔方程, 它与用微分的方法来建立方程所得的结果是一致的. 主要是通过逻辑思维对经典力学、几何力学、波动光学、量子力学的相似之处及过渡关系进行比较, 得出量子力学的波动方程与光波的波动方程相似,以此作为基础而建立起薛定谔方程的. 需要注意的是, 薛定谔方程是实验的综合,不是推导和证明出来的, 薛定谔方程的正确性是靠它与大量实验相符合而得以证实的.3 实验验证薛定愕方程建立半个多世纪以来一直为人们所承认和接受并得到长远发展.那么其基本假设和由此而建立的方程的实验基础是什么?它经受住了一些什么样的实验检验呢?微观粒子的波粒二象性即德布罗意物质波的革命性假设及其实验被证实是薛定愕方程的实验基础和理论基础.整个十九世纪物理学在对光的研究中首先发现了光的波动特性,在这方面有大量的实验事实可查.如扬氏双缝干涉实验,菲涅耳双棱镜干涉实验,牛顿环干涉实验,菲涅耳圆孔衍射实验等.薛定愕方程的建立有着广泛的实验基础,但实验对方程的建立不是直接的,即方程不是大量实验结果的直接总结,因此方程还必须进一步接受实验的检验.那么薛定愕方程建立之后它经受住了一些什么样的实验检验了呢? 这里略举几例:方程的解实验结果 谐振子零点能:hv 21=E O 存在(低温超流实验验证) 氢原子能量本征值:2242n ue E n =,n=1,2,... 氢原子光谱的规律性已证实氢光谱具有分离的谱线氢原子电离能: ev ue E 61.162241==-ev E 6.131=- 里德伯常数: 1-341.109737314米==c e R πμ-110973731米=R从薛定愕方程得到的结果与实验结果相符的事例还不止这些,但是从上述事例中,我们可充分看到薛定愕方程建立后,众多的实验结果为其正确性提供了坚实的实验基础.4 结论薛定谔方程可由微分法和类比法建立,且经检验,薛定谔方程是正确的,即:(1) 从这个方程得到了谐振子的能级和定态波函数,结果与海森伯的矩阵力学所得相同.(2) 从这个方程得到的解正是氢原子的能级公式.(3) 该方程处理了普朗克谐振子和双原子分子等问题.(4) 从这个方程可计算出里德伯常数,结果与实验相符合.(5) 利用这个方程含时间的微扰理论,解决色散等问题.原子的稳定性问题.参 考 文 献[1] 杨亚培 张晓霞 光电物理基础.电子科技大学出版社 2009 14-28[2] [日] 中岛贞雄. 最子力学(上) [M] . 北京: 北京师范大学出版社,1989.[3] 张怿慈. 量子力学简明教程[M] . 北京: 人民教育出版社, 1979.[4] 曾谨言.量子力学[M].北京:科学出版社,2007.1.26-28.[5] 汪德新.量子力学[M].北京:科学出版社,2008.8.100-105.[6] 郭奕玲.物理学史2版[M].北京:清华大学出版社,2005.8.45-49.[7] 张永德.量子力学[M].北京:科学出版社,2008.8.35-78.[8] 钱伯初.量子力学[M].北京:高等教育出版社,2006.1.254-259.[9] 门福殿.量子力学.[M].北京中国石油大学出版社,2005.5.12-18.[10] 孙利平.打开物质微观世界大门的金钥匙-薛定谔方程[J]长沙大学学报第18卷第4期2004年12月.[11] 梁辉.从薛定谔方程谈量子力学与经典物理的区别[J]安徽技术师范学院学报2003,17( 1):70-71.。
量子力学学术论文Word版
量子力学学术论文Word版引言量子力学是现代物理学的重要分支,对于理解微观世界的行为具有关键性的意义。
本文旨在研究量子力学的基本原理和一些重要的应用。
量子力学的基本概念量子力学的核心观念是波粒二象性。
根据波动粒子二象性理论,所有粒子都具有波动性质,而波动性质则通过波函数来描述。
波函数是描述粒子状态的数学函数,通过它可以获得粒子的位置、动量以及其他性质的概率分布。
根据薛定谔方程,波函数随时间的演化可以确定粒子的运动。
量子力学的基本原理量子力学的基本原理包括波函数叠加原理、观测与测量原理、确定原理等。
根据波函数叠加原理,当多个波函数叠加时,最终得到的波函数是各个波函数的叠加结果。
观测与测量原理指出,观测过程会导致系统的状态塌缩到一个确定的状态。
确定原理则表明在某一时刻,粒子的位置和动量无法同时精确确定。
量子力学的应用量子力学的应用非常广泛,涉及到量子计算、量子通信、量子力学光学等领域。
其中,量子计算是最具有潜力的应用之一。
量子计算利用量子比特的叠加和纠缠特性,可以执行一些传统计算机无法完成的任务,例如因子分解和优化问题。
此外,量子通信利用量子纠缠的特性,可以实现安全的加密通信,抵抗量子计算的破解。
量子力学光学则将光学和量子力学结合,研究光子的量子行为,在量子计算、量子通信等领域有着重要应用。
结论量子力学是解释微观世界的理论框架,通过波函数描述了粒子的特性和行为。
其基本原理展示了核心概念,而应用则表明了量子力学在未来科技发展中的重要性。
我们相信随着量子技术的不断发展,量子力学将为人类带来更多令人兴奋的突破。
以上是对量子力学的一个简要介绍,包括基本概念、基本原理以及应用领域等。
随着科学技术的发展,我们对量子力学的理解和应用将会不断深化。
新的发现和进展将进一步推动科技的发展,带来更多的创新和突破。
大学物理小论文
电子科技大学大学物理论文姓名:***学号:*************指导教师:***论文题目:浅谈量子力学摘要:量子理论是在普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难,引入能量子概念的基础上发展起来的。
爱因斯坦提出光量子假说、运用能量子概念使量子理论得到进一步发展。
玻尔、德布罗意、薛定谔、玻恩、狄拉克等人为解决量子理论遇到的困难,进行了开创性的工作,先后提出了不确定性原理和互补原理。
终于在1925年到1928年形成了完整的量子力学理论,与爱因斯坦的相对论并肩形成现代物理学的两大支柱。
关键词:黑体辐射、普朗克量子假说、光量子理论、玻尔的原子理论浅谈量子力学一、量子力学的初步19世纪末20世纪初,人们认为经典物理发展很完美的时候,一系列经典理论无法解释的现象一个接一个的发现了。
经典力学时期物理学所探讨的主要是用比较直接的实验研究就可以接触到的物理现象的定理和理论。
牛顿定理和麦克斯韦电磁理论在宏观和慢速的世界中是很好的自然规律。
而对于微观世界的物理现象,经典物理学就显得无能为力,很多现象没发解释。
这些困难被看做是“晴朗天空的几朵乌云”,正是这几朵乌云引发了物理界的变革。
下面简述这几个困难:⑴黑体辐射完全黑体在与热辐射达到平衡时,辐射能量密度随频率变化会有一个曲线。
韦恩从热力学普遍理论考虑以及分析实验数据的得出一个半经验公式。
但是韦恩公式并不是与所有实验数据吻合的很好。
在长波波段,韦恩公式与实验有严重偏离。
瑞利和金斯根据经典电动力学和统计物理学也得出黑体辐射能量分布公式。
他们得出的公式在长波部分与实验结果比较符合,而在短波部分则完全不符。
这促使普朗克在韦恩公式和瑞利-金斯的公式之间寻求协调统一,结果得出一个两参数的普朗克公式,此公式不仅与实验符合的最好,而且形式最简单(韦恩公式除外)。
普朗克提出这个公式后,许多实验物理学家立即用它去分析了当时最精确的实验数据,发现符合的非常好。
他们认为,这样简单的一个公式与实验如此符合,绝非偶然,在这公式中一定蕴藏着一个非常重要但尚为被人们揭示出的科学原理。
量子信息论文(五篇范例)
量子信息论文(五篇范例)第一篇:量子信息论文量子信息——新时代科技的推进器现如今,量子信息已成为科学领域发展必不可少的要素之一,其实,在20世纪初量子就已经被发现并被人类所利用。
在19世纪后期,在科学界出现了许多难题——很多物理现象无法用经典理论解释,包括在当时科学界讨论很激烈的黑体辐射问题(由于物体辐射的电磁波在各个波段是不同的,并且受物体自身特性和温度的影响,为了研究这种规律,科学家定义了黑体来作为热辐射研究的标准物体)。
1900年,当普朗克研究黑体辐射时,提出了普朗克辐射定律,量子这一概念就此诞生。
量子假设的提出终结了经典物理学的垄断地位,使物理学进入了微观时代,也就是现代物理学的诞生。
而经过一个多世纪的发展,量子领域的一些假设仍然不是非常严密,还需在日后的研究中逐步完善,但这并不能否认量子在目前科学领域的领导地位。
量子,即某物质或物理量特性的最小单元,它以qubit为单位,而从中衍生的量子力学,量子力学中的量子通信已经成为当今科技发展的主要领域。
先讨论一下量子力学,上文提到过量子力学是描述微观物质的理论,与相对论紧密结合,成为现代物理学的支柱。
它强调微观世界的不确定性以及客观规律,而其中最著名的预测便是量子纠缠态,即使两个粒子在空间上也许会相距很远,但是其中一个粒子会时刻随着另外一个粒子的改变而改变,因此,爱因斯坦将量子纠缠称为“幽灵般的超距作用”,这种粒子的互相影响现象听起来似乎十分玄学,但是它的确是科学家在实际试验中获得的现象。
例如,我国量子卫星“墨子号”成功实现了“千公里级”的星地双向量子纠缠分发,在全世界取得领先的地位。
值得一提的是,21世纪兴起的量子计算机中的原理正源自于量子之间的纠缠,在量子计算机中,基本信息单位是量子比特,运算对象是量子比特序列。
相对于传统计算机,量子计算机拥有其特殊的优越性,量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上,而且还可以处于纠缠态上。
这些特殊的量子态,不仅提供了量子并行计算的可能,还做到了传统计算机几乎无法完成的工作。
谈工科《量子力学》的教学理学论文
谈工科《量子力学》的教学理学论文谈工科《量子力学》的教学理学论文摘要:本文从工科《量子力学》课程的性质和特点出发,对《量子力学》的教学思路、数学准备、教学方法及考核方法等提出了一些改革措施和建议,以激发学生的学习积极性,提高教学质量。
关键词:量子力学教学内容教学方法量子力学作为工科相关专业的一门重要的专业基础课程。
然而,近几年在工科量子力学上的教学安排上,总学时在减少。
对于教师来说,如何在较少的学时内,既能保持原有的教学内容的总体框架,又能结合专业知识与特点,是本课程的一门重要研究课题。
而对广大学生来说,如何从物理的角度去学好这门课程,也是相当困难的。
因此我们需要进行以下改革。
1把握好课程的主脉以高等教育出版社周世勋教授主编的《量子力学》为例,简短的概括本教材的内容就是:绪论,波函数和薛定鄂方程,量子力学中的力学量,态和力学量的表象,微扰理论,散射,自旋与全同粒子。
把握好了这个主脉,教学中才能有的放矢,游刃有余。
具体来说,每一个物理问题的处理,通常需要三个步骤:(1)建立和了解物理模型(2)应用数学知识求解物理模型(3)解释物理模型,用量子力学的语言去解释用数学知识算出的结果。
2做好相关基础知识的铺垫这一点比较重要,很多学生反应《量子力学》这门课比较难学,主要原因是基础知识掌握得不扎实。
要学好这门课,至少需要一下知识铺垫。
(1)《高等数学》中的`相关知识,如微积分,级数,场论的相关知识,常微分方程的求解等,这些知识需要教师带领学来复习并应用到本课程的学习中。
(2)《线性代数》的相关知识,如:矩阵的乘法,解线性方程组,本征值等。
(3)《数学物理方法》的相关知识,如:复变函数积分,傅立叶变换与拉普拉斯变换,留数定理,?函数,特殊函数等。
(4)物理背景,只有掌握了一定的物理背景,才会从更容易的理解的物理角度去深刻地理解量子力学。
我们采取灵活多样的教学方法,注重了传统的教学方法与现代教学方法的结合,在教学内容改革方面进行以下尝试。
《量子力学》理论教学与科研实践相结合的教学模式的思考
《量子力学》理论教学与科研实践相结合的教学模式的思考摘要:电子科学与技术是光电信息产业的支柱和基础,量子力学作为电子科学与技术专业最重要的必修课,其体现出的研究和对待新事物的思想和方法,对培养学生的探索精神和创新意识具有十分重要的启迪作用。
论文围绕“科研融入教学、教学提升科研”的理念,提出拓展和更新量子力学理论课的教学内容,科研是充实教学内容、提高教学质量的源泉。
同时,教师在提升教学效果的同时需要不断充实提升自己的科研水平,形成科研教学双促进,从而推动人才的培养和教学水平的提高。
关键词:电子科学与技术;量子力学;理论教学;科研实践中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2016)24-0229-02 现代信息技术即将步入光子学新阶段,光子作为信息和能量的载体,迅速推动建立了一个前所未有的现代光电子交叉学科和信息产业。
电子科学与技术是光电信息产业的支柱和基础,是多学科相互渗透而形成的交叉学科。
量子力学在近代物理中的地位如此之重,但在实际教学中学生普遍感到量子力学理论性太强,公式众多,逻辑推理严密,太过抽象,难以理解,特别是跟实际生活联系不紧密,从而导致缺乏学习兴趣。
作者在多年量子力学专业课程教学过程中,总结教学心得,提出了“科研与教学互进互促”的教学理念,建立了教学内容与科研课题相结合的量子力学专业课程教学模式。
一、介绍量子力学理论在现代科学技术中的实际应用,调动学生学习量子力学的热情兴趣是学习一切知识的源动力,在绪论讲述中通过大量多媒体资源向学生们展示现代科技革命与量子力学息息相关,量子力学渗透到现代科技的方方面面,从电脑、手机到航天、核能,从科幻电影到工业 4.0,几乎没有哪个领域不依赖于量子论。
同时针对学生们的喜好,科普《星际穿越》、《生活大爆炸》、《源代码》等热门影视中黑洞、虫洞、平行宇宙等量子物理的基本思想,以激发学生对量子论的求知欲,并向他们介绍一些关于量子力学的科普书籍,如曹天元的《上帝执骰子吗――量子力学史话》、霍金的《大设计》以及罗杰的《神奇的粒子世界》,并引用《上帝执骰子吗》中优美的开场向学生引出量子力学这一神秘和优美的故事,用生动有趣的方式讲述量子力学的发展史话,穿插每一个具有革命性大事记形成和建立的历史背景,相关科学家的简史和名人逸事,如德布罗意如何从一个纨绔子弟成长为诺贝尔奖获得者;牛顿和胡克还有其他科学家之间关于理论归属问题的争执;一个早期不受大家认可的爱因斯坦;二战期间参与研制原子弹,二战结束后大力促进核能和平利用的“哥本哈根学派”代表人物玻尔;以严谨、博学而著称,同时又以尖刻和爱挑刺而闻名的天才少年泡利;在建筑领域同样杰出的胡尔;爱打赌的霍金;等等。
生物医学领域中量子力学的运用探讨-力学论文-物理论文
生物医学领域中量子力学的运用探讨-力学论文-物理论文——文章均为WORD文档,下载后可直接编辑使用亦可打印——生活中的力学论文第七篇:生物医学领域中量子力学的运用探讨摘要:量子力学是描述微观粒子运动规律的物理学分支。
随着量子理论的快速发展以及仪器和技术的进步,基于量子力学原理的各项技术在不同学科得到应用,如量子计算、量子通讯、量子计量、量子成像、量子点荧光技术以及计算机辅助药物设计等,这些技术的应用为科研工作提供了极大的便利。
文章主要综述了量子力学在生物医学领域的应用。
关键词:量子力学; 量子技术; 生物医学;Quantum mechanics in biomedical scienceFANG Huiling WANG HualiangShanghai Center for Clinical LaboratoryAbstract:Quantum mechanics is a branch of physics,which studies the laws of motion of particles at small scales and atoms at low energy levels. As a result of the rapid development of quantum theory and progress in instruments and techniques,various quantum techniques based on quantum theory are widely used in different disciplines,including quantum computing,quantum communication,quantum metrology,quantum imaging,quantum dot luminescence and computer-aided drug design,which makes scientific researches more convenient. Selected applications for quantummechanics are given in this review mainly focusing on the perspective of biomedical science.量子是表现某物质或物理量特性的最小单元。
量子力学论文---
量子力学论文---量子力学的矩阵力学的建立和演化量子力学的矩阵力学的建立和演化量子论和相对论是现代物理学的两大基础理论。
它们是在二十世纪头30年发生的物理学革命的过程中产生和形成的,并且也是这场革命的主要标志和直接的成果,量子论的诞生成了物理学革命的第一声号角。
经过许多物理学家不分民族和国籍的国际合作,在1927年它形成了一个严密的理论体系。
它不仅是人类洞察自然所取得的富有革命精神和极有成效的科学成果,而且在人类思想史上也占有极其重要的地位。
如果说相对论作为时空的物理理论从根本上改变人们以往的时空观念,那么量子论则很大程度改变了人们的实践,使人类对自然界的认识又一次深化。
它对人与自然之间的关系的重要修正,影响到人类对掌握自己命运的能力的看法。
量子论的创立经历了从旧量子论到量子力学的近30年的历程。
量子力学产生以前的量子论通常称旧量子论。
它的主要内容是相继出现的普朗克量子假说、爱因斯坦的光量子论和玻尔的原子理论。
旧量子论是以电子运动的古典力学和与其不相容的量子假设的不自然的结合为基础的,把玻尔的理论应用于氢原子可以算出它所发射的光的频率,并且和观察结果一致。
然而这些频率和电子环绕原子核的轨道频率以及它们的谐频都不相同,这个事实暴露了玻尔理论的内在矛盾。
人们自然要问,原子中电子的轨道运动的频率怎么能够不在发射的频率中显示出来呢?难道这意味着没有轨道运动?假如轨道运动的观念是不正确的,那么原子中的电子到底是怎样的呢?对于这些问题的思索是沿着两条道路进行的。
一条道路是玻尔指出的,对于高轨道,发射辐射的频率和轨道频率及其谐频一致这个事实,使他提出发射光谐线的强度接近于对应的谐波的强度。
这个对应原理对于近似计算谱线强度已经证明是很有用的。
另一条道路来自爱因斯坦的光的波粒二象性的启发。
电子也许是像光子一样具有波粒二象性,对应于一个电子的运动是某种物质波。
量子论是准确的数学描述就是沿这两条道路发展出来的。
沿着对应原理的道路,人们不再把力学定律写成电子的位置和速度的方程,而是写为电子轨道傅里叶展式中的频率和振幅的方程,找到同发射辐射的频率和强度相对应的那些量之间的关系,建立了矩阵形式的量子力学。
量子力学论文
量⼦⼒学论⽂量⼦⼒学是研究物质世界微观粒⼦运动规律的物理学分⽀,主要研究原⼦、分⼦、凝聚态物质,以及原⼦核和基本粒⼦的结构、性质,与相对论⼀起构成现代物理学的理论基础。
量⼦⼒学是现代物理学的基础理论之⼀,⼴泛应⽤于量⼦化学、量⼦光学、量⼦计算、超导磁体、发光⼆极管、激光器、晶体管和半导体如微处理器等领域。
量⼦⼒学论⽂1 量⼦⼒学在本世纪⼆⼗年代就形成了其形式系统,然⽽它的物理意义,亦即对它的解释却⼀直众说纷纭,时⾄今⽇仍是物理学家和哲学家关注的⼀个中⼼问题。
虽然在其体系形成后不久,玻尔就在玻恩的⼏率诠释和海森堡的测不准原理基础上,提出了系统⼀贯的互补性诠释并成为被普遍接受的正统诠释,但互补思想的确切内容却始终没有⼈能说得清,因为玻尔总是把他深奥的思想,深深藏在晦涩冗长的深思熟虑的句⼦和事例性的说明之中,⽽没有任何现成的条条款款,这就使得⽆论接受它的还是反对它的⼈都给出了各式各样不同的理解,所以互补含义亟需澄清。
关于量⼦⼒学诠释研究的主要问题也都与互补性诠释密切相关(如因果性问题、⼏率性问题、关于测不准关系的理解问题、测量问题、完备性问题等),这些问题的澄清和解决也⾸先需要正确理解互补性诠释。
1.互补性诠释的逻辑结构 与互补性诠释不同的其它诠释的逻辑结构是,先设计出某种本体实在的模式,再将这种本体实在与量⼦⼒学中的某种符号联系起来,然后将这种符号按量⼦⼒学演绎的理论结果与观察结果对照来解释量⼦现象和量⼦理论。
在这些解释中,观察结果不是作为解释的根据,⽽是作为量⼦⼒学演绎的结果。
如隐变量理论先假设有因果决定性的亚量⼦层的隐变量的本体实在,再将这种本体实在隐变量的统计平均与量⼦⼒学中的可观察量联系起来,量⼦⼒学的理论值就代表着隐变量的统计平均的演化结果,它与统计性的结果相对应,这样隐变量理论就将观察结果和量⼦⼒学的描述解释为客体的隐变量的统计平均的表现和对这种统计平均的变化规律的描述。
统计系综诠释则先假设统计分布具有实在的客观性,它代表着微观客体的状态和特征,量⼦⼒学描述中的波函数ψ的模⽅就表⽰客体的这种统计分布,波动⽅程的解的模⽅与观察结果的统计分布相⼀致,表⽰着客体的统计分布状态。
【完整版】毕业论文--量子力学中微扰理论的简单论述--量子力学论文
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微扰理论是量子力学的重要的理论。对于中等复杂度的哈密顿量,很难找到其薛定谔方程的精确解。我们所知道的就只有几个量子模型有精确解,像氢原子、量子谐振子、与箱归一化粒子。这些量子模型都太过理想化,无法适当地描述大多数的量子系统。应用微扰理论,可以将这些理想的量子模型的精确解,用来生成一系列更复杂的量子系统的解答。
[10]J. W. S. Rayleigh, Theory of Sound, 2nd edition Vol. I, pp 115-118, Macmillan, London (1894)
A simple discussion of perturbation
theory in quantum mechanics
设 的本征方程是:
归一化条件是:
的本征方程是:
由于 是完备系,将 按 展开后,得:
将此式代入上式得:
以 左乘上式两端,对全空间进行积分后有:
其中:
按微扰的精神,将 的本征值 和在 表象中的本征函数 按的幂级数作微扰展开:
再将这两式代入后得:
比较上式给出的两端 的同次幂,给出:
:
:
如果讨论的能级是第 个能级,即 ,由 的0次幂方程式得:
(4)关于 的讨论:由 得出,若设我们将 看成一个可变化的参数,则显然当 0时, ,这时体系未受到微扰的影响;当 1时, ,微扰全部加进去了。因此、可以想象体系当从 0缓慢变化到 1的过程,也就是体系从无微扰的状态逐步变成有微扰的状态的过程。[7]
1.5
设 是 的函数,因此他的本征方程和归一条件为:
则,由:
将得出 。无须再去重新组合零级波函数。简并微扰可类似于非简并微扰的方法处理。[10]
毕业论文---量子力学中的态叠加详解
题目:量子力学中的态叠加郑重声明本人的毕业论文(设计)是在指导老师尹建武的指导下独立撰写并完成。
毕业论文(设计)没有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为,本人愿意承担由此产生的各种后果,直至法律责任;并可以通过网络接受公众的查询。
特此郑重声明。
毕业论文设计者(签名):目录摘要;本文根据量子力学中的态叠加原理,给出了不同学者关于量子力学态叠加原理的几种表述,比较和分析了各种表述中的观点和有争议的问题,对于叠加原理的物理意义,以及数学型叠加和物理型叠加等问题进行了讨论,特别强调了体系的外部环境与状态叠加之间的关系。
本文的主要研究内容包括:1. 有关学者对原理的表述 2. 有关学者对原理的认同点 3. 不同学者对原理的争议之处 4.简单总结评论 5. 有关问题的进一步讨论关键词:量子态;态叠加原理;量子力学基本问题英文摘要;The principle of superposition in quantum mechanics Abstract:According to the principle of superposition in quantum mechanics in this paper,given the different scholars on the superposition principle of quantum mechanics of several statements,The agreement and disagreement among these statements are comparedand analyzed.The physical meaning of this principle and mathematical type and physical type of superposition are discussed.The relationships between superposition of quantum state and external environment of the system havebeen laid on special emphasis.Key words:quantum state,principle of superposition,fundamental problem of quantum mechanics正文:量子力学是现代物理学的两大支柱之一,是20世纪基础物理学取得的两大成就之一,是反映微观粒子运动规律的理论.量子力学态叠加原理(以下简称态叠加原理)是量子力学的一个基本原理,在量子力学理论体系中占有相当重要的地位.虽然量子力学诞生至今已近80年了,叠加原理也得到了一系列实验的证明,如电子衍射实验、中子干涉实验、电子共振俘获等,但时至今日,人们对态叠加原理的认识却仁者见仁、智者见智.本文对这个问题进行了比较、分析和讨论.1.有关学者对原理的表述在量子力学发展史上,尤其是现行的量子力学专著或教材里,不同的学者对态叠加原理进行了不同的描述.我们选择国内外3种比较典型的说法作一下简单介绍.1)狄拉克的表述据说,第一次明确提出态叠加原理的是狄拉克.他在1930年出版的第l版《量子力学原理》书中提出“系统的态可以定义为受许多条件或数据所制约的未受干扰的运动.⋯⋯在实践上,这些条件可以通过适当的制备系统而加上去.⋯⋯态这一词可能用于指某一特定时刻(在制备过程以后)的态,或者也可能用于指在制备过程以后全部时间的态.为了区别这两种含义,在容易产生含混时我们将把后一种称之为运动态”.关于态叠加原理,狄拉克认为“每当系统是确定地处于一个态时,我们就能把它看成是分别部分地处于两个或更多的态中的每一个”⋯.2)朗道的表述朗道和E.M.栗弗席茨在他们著的《量子力学》中把态叠加原理表述为:“假如在波函数为ψ1(q,t)t)的态中进行某种测量获得可靠的肯定结果(称为结果I),而在波函数为ψ2(q,t)的态中获得的结果为Ⅱ,那么可以断定在ψ1与ψ2的任一线性组合给出的态中,亦即在任一形如C1ψ1+C2ψ2的函数形式(其中C1和C2是两个常数)的态中,进行同样的测量所得的结果或者是I,或者是Ⅱ.此外,我们还可以假定,如果已知以上两个态与时间的关系,其中一个由函数ψ1(q,t)给出,另一个由函数ψ2(q,t)给出,那么它们的任一线性组合也给出该组合态与时间的可能关系.以上假定构成了所谓的态叠加原理”.4)喀兴林的表述ψ喀兴林在2000年出版的《高等量子力学》书中把态叠加原理表述为“若ψ1和ψ2是粒子的两个可能状态,则ψ =C1ψ1+C2ψ2也是粒子可能的状态”.尽管原理的表述形式各异,但都包含以下基本内容如果ψ=1和ψ2是体系的可能状态,那么,它们的线性叠加ψ=C1ψ1+C2ψ2(C1..C2是复数)也是这个体系的一个可能状态4)曾谨言的表述曾谨言在他著的《量子力学》中说:“更简单和更一般地说,设体系处于ψ1所描述的状态下,测量某力学量A所得结果是一个确切的值a1,又假设在ψ2描述的状态下,测量A的结果是另外一个确切的值a2,则在ψ =C11ψ +C2ψ2(其中C1和C2是两个常数)所描述的状态下,测量A所得结果可能为a1,也可能为a2(但不会是另外的值),而测得为a1或a2的相对几率是完全确定的.我们就称ψ态是ψ1态和ψ2态的线性叠加.”这就是曾谨言关于态叠加原理的表述.5)周世勋的表述对于一般的情况,如果ψ1和ψ2是体系的可能状态,那末,它们的线性叠加也是这个体系的一个可能状态,这就是量子力学中的态叠加原理。
量子力学论文
量子力学结课论文从势垒隧穿到扫描隧道显微镜王忠鹏中国石油大学(华东)理学院材料物理1303班 1309050315摘要:本文首先介绍了势垒隧穿效应,也称量子隧穿效应,而后介绍由此效应研制出的扫描隧道显微镜的原理及发展历史等。
关键词:势垒隧穿扫描隧道显微镜原理发展历史引言:自1928 年,乔治·伽莫夫正确地用量子隧穿效应解释了原子核的阿尔法衰变以来,势垒隧穿效应广泛应用在各个领域,像电子的冷发射(cold emission)、半导体物理学、超导体物理学等等。
快闪存储器的运作原理也牵涉到量子隧穿理论。
另外一个重要应用领域是扫描隧道显微镜。
正文:1.隧穿效应:在许多情况下,特别是在微观领域中,用势能函数来描述力的特性,要比用力的各个分量来描述更为简明、人们能够把特定形式的势能,同在自然界中观测到的特定形式的势能相互作用联系起来。
大家知道,势能是状态的函数,在坐标和势能零点确定的情况下,物体的势能仅仅是位置的函数。
在一维情况下,势能随坐标变化的曲线,称为一维势能曲线,如下图所示在一维情况下,假设在保守力.厂( )的作用下,物体位置有了一个微小的增量dx,根据保守力做功与势能增量的关系可以得到,它表明,保守力指向势能下降的方向,其大小正比于势能曲线的斜率。
在仅有保守力作用的情况下,一维运动的质点机械能守恒,满足 Ek+Ep=E。
由于质点的动能不能为负值,因此,质点的总能量总是大于或等于势能。
根据这一论断,人们只要知道了势能函数以及质点的能量,不必详细求解运动方程,质点的运动范围就可以完全确定了.例如在上图中,如果质点的能量E=E2,则E≥ Ep要求x1<x<x2,这表示具有能量E2的质点只能在x1于x2之间运动,这种在有限范围中的运动称为束缚运动。
当E =E3时,质点可以在-∞ <x≤x3,或者x4≤x<∞两个无限的范围中运动,其中x3,x4是方程Ep(x)=E3的两个根。
量子力学论文
量子力学论文德布罗意的波动假设和物质波的存在-路易·德布罗意(1924年)这篇论文是量子力学的基础之一,它引入了物质波的概念,指出微粒(例如电子和光子)具有粒子和波动性质。
德布罗意的波动假设为后来的量子力学理论奠定了基础,揭示了微观粒子的波粒二象性。
波动力学-埃尔温·薛定谔(1926年)这篇论文提出了薛定谔方程,该方程描述了量子力学中微观粒子的行为。
薛定谔方程是量子力学的中心方程,通过解这个方程可以得到微观粒子的波函数,从而获得粒子的位置、能量等信息。
这篇论文为量子力学的数学基础奠定了基础。
波动力学与矩阵力学的合一-瓦斯奎兹(1926年)这篇论文将波动力学和矩阵力学合并为一个统一的理论。
瓦斯奎兹通过量子力学的数学表述,将波动力学和矩阵力学归结为相同的理论框架,从而建立了量子力学的基本原理。
这篇论文为量子力学的理论体系奠定了基础,为后来的发展提供了重要的指导。
波动力学的解释-莱纳斯·泡利(1928年)这篇论文提出了泡利的排斥原理,即禁止不可区分粒子处于相同量子态。
泡利解释了电子在原子轨道中的行为和能级结构,为量子力学的解释提供了基础。
这篇论文对量子力学的理论发展和实验验证产生了深远的影响。
量子电动力学-朱利安·施温格(1948年)这篇论文提出了量子电动力学(QED)的理论框架,描述了电磁相互作用和量子力学的结合。
施温格的论文为解释光的发射、吸收和散射等现象提供了理论依据,并为后来的量子场论的发展奠定了基础。
这篇论文标志着量子电动力学研究的起点,也是现代粒子物理学的重要里程碑。
这些论文代表了量子力学的重要发展和突破,对我们理解微观世界的规律起到了关键作用。
它们在数学、理论和实验方面的贡献让我们得以对量子力学有更深入的认识。
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a r X i v :1102.5096v 1 [g r -q c ] 24 F eb 2011Cosmological production of noncommutative black holesRobert B.Mann ∗Perimeter Institute for Theoretical Physics,31Caroline Street North,Waterloo,ON N2L 2Y5,Canada Department of Physics and Astronomy,University of Waterloo,Waterloo,ON N2L 3G1CanadaPiero Nicolini †Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS),D-60438Frankfurt am Main,Germany Institut f¨u r Theoretische Physik,J.W.Goethe Universit¨a t,D-60438Frankfurt am Main,Germany(Dated:February 28,2011)We investigate the pair creation of noncommutative black holes in a background with positive cos-mological constant.As a first step we derive the noncommutative geometry inspired Schwarzschild deSitter solution.By varying the mass and the cosmological constant parameters,we find several spacetimes compatible with the new solution:positive mass spacetimes admit one cosmological hori-zon and two,one or no black hole horizons,while negative mass spacetimes have just a cosmological horizon.All these manifolds are everywhere regular,since the noncommutative fluctuations at the origin improve the curvature singularity.On the thermodynamic side,the black hole temperature,instead of a divergent behavior for small length scales,admits a maximum value.Then the black hole evaporation proceeds until an equilibrium configuration with the deSitter background temper-ature.On the other hand,the cosmological horizon is thermalized by the presence of the black hole and has a temperature higher than that of the conventional deSitter space.As a second step we determine the action which generates the matter sector of gravitational field equations and we con-struct instantons describing the pair production of black holes and the other admissible topologies.As a result we find that for current values of the cosmological constant the deSitter background is quantum mechanically stable according with experience.However positive mass noncommutative black holes and solitons would have plentifully been produced during inflationary times for Planck-ian values of the cosmological constant.As a special result we find that,in these early epochs of the universe,Planck size black holes production would have been largely disfavoured.We also find a potential instability for production of negative-mass solitons.PACS numbers:Valid PACS appear here Keywords:Suggested keywordsContentsI.Introduction1II.The noncommutative inspiredSchwarzschild-deSitter spacetime 3A.The line element3B.Negative mass solutions 4C.Thermodynamics 6III.The anisotropic fluid functional action7A.The isotropic fluid7B.The anisotropic fluid on shell action 9IV.Pair creation rates9A.Gravitational instantons 9B.Black hole pair production 10C.Nariai and other instantons 11D.Contribution to the entropy 12V.Final remarks122large distances where the presence of the minimal length is negligible,while affording new physics that emerges at small scales.A major result is that for all NCBHs the curvature singularity at the origin is smeared out,being replaced by a regular deSitter core.The presence of a deSitter core discloses further insights about the nature of NCBHs:the centre of NCBHs is a complex turbulent storm-tossed sea which accounts for the seething fabric of spacetime and sustains a Gaussian shaped mass density profile preventing its collapse into a singular distribution. In other words the actual mean effect of manifoldfluctu-ations at short scales is a region characterized by a net repulsive gravitationalfield.Energy condition violations at the origin certify that deSitter cores can only be at-tained in a nonclassical gravity framework.Another important feature concerns an improved ther-modynamics.Indeed,even for neutral NCBHs,the Hawking temperature reaches a maximum before running a positive heat capacity,cooling down phase towards a zero temperature remnant configuration[4,5].As a con-sequence,according to this scenario quantum back re-action is strongly suppressed in contrast to conventional limits of validity of the semiclassical approximation in the terminal phase of the evaporation.Both the regularity of the manifold and the improved thermodynamics seem to be model independent results as far as quantum gravity effects are taken into account.In-deed these features of NCBHs are corroborated by anal-ogous results coming from other approaches to quantum gravity[6,7].However NCBHs are currently the richest class of quantum gravity black holes since they can be dirty[8],charged[9],spinning[10]and admit a variety of companion geometries[11]like traversable wormholes [12].In addition,it has been shown that NCBHs are connected with a recently proposed ultraviolet complete quantum gravity[13]:modelling manifoldfluctuations by means of a noncommutative diffused energy momen-tum tensor in Einstein gravity turns out to be equiva-lent to a nonlocal ultraviolet complete quantum gravity produced by a ordinary matter energy momentum tensor [14].As a result for the dual link between the two formu-lations,NCBHs are solutions of gravityfield equations of the ultraviolet complete quantum gravity too.While the stability of their interiors remains a subject of ongoing in-vestigation[15],higher dimensional NCBHs[16,17],due to their attractive properties have been recently taken into account in Monte Carlo simulations as reliable can-didate models to describe the conjectured production of microscopic black holes in particle accelerators[18,19]. In this paper we want to broaden our perspective.In inflationary epochs,the Universe is well described by the deSitter spacetime,which is known to be stable under classical perturbations[20].However at quantum me-chanical level,the deSitter spacetime exhibits instabil-ity due to the spontaneous nucleation of black holes. The standard semiclassical formalism for pair creation is based on the study of instantons.In Euclidean quan-tum gravity one calculates amplitudes by means of path integrals over various classes of positive defined metrics g abΨ= D[g ab]e−I E[g].(1)Usually the evaluation of the path integral is only vi-able by considering dominant contributions coming from saddle points of I E.Then the path integral is given by a sum over instantons or extrema of the action.In the case of pair production onefinds two instantons,one for the background I bg and one for the object nucleated on the background,I obj.SquaringΨone obtains two prob-ability densities whose ratio is the rate of black hole pro-duction on inflationary background,i.e.,Γ∼exp(−2I obj)3II.THE NONCOMMUTATIVE INSPIRED SCHW ARZSCHILD-DESITTER SPACETIMEA.The line elementBefore determining a new solution of Einstein equa-tions,we need to recall the general ideas behind non-commutative geometry inspired solutions.Being a model of quantum geometry,a noncommutative manifold un-dergoes strong quantum fluctuations in the high en-ergy/short distance regime.So before talking about length,line elements and other more sophisticated ge-ometrical objects we need to understand the ultimate fate of a point and of all physical objects we are used to considering as point like.A simple way to address this issue is to estimate the mean position of an object by averaging coordinate operators on suitable coordinate coherent states.As a result one finds that the mean posi-tion of a point like object in a noncommutative manifold is no longer governed by a Dirac delta function but by a Gaussian distributionf ℓ( x )=1G ≈1.6×10−33cm.It has been shown that primary corrections to any field equation in the presence of a noncommutative back-ground can be obtained by replacing the conventional point like source term (matter sector)with a Gaussian distribution,while keepingformally unchanged differen-tial operators (geometry sector)[1].In the specific case of the gravity field equations this is equivalent to say-ing that the only modification occurs at the level of the energy-momentum tensor,while G µνis formally left un-changed.For a static,spherically symmetric,noncommutative diffused,particle-like gravitational source of mass M ,one gets a Gaussian profile for the T 00component of the energy-momentum tensorT 00=−ρℓ(r )=−M 4ℓ2.(4)The covariant conservation law ∇µT µν=0and the“Schwarzschild like”condition g 00=−g −1rr completely specify the energy momentum tensor,whose form is given byT µν=Diag (−ρℓ(r ),p r (r ),p ⊥(r ),p ⊥(r )).(5)We notice that there are nonvanishing pressure terms with p r =p ⊥,corresponding to the case of an anisotropic fluid.Contrary to the conventional picture of mattersqueezed at the origin,here the noncommutative geome-try is effectively described as a fluid diffused around theorigin.If one substitutes the above energy momentum tensor in Einstein equations one obtains the noncom-mutative geometry inspired Schwarzschild solution (NC-Schw)[4].At short distances the NCSchw solution is regular due to the noncommutative smearing effect.At large distances,namely for r ≫ℓ,the above energy mo-mentum tensor exponentially vanishes and one recovers the conventional vacuum solution,i.e.,the Schwarzschild spacetime.In this paper we want to determine black hole solutions in the presence of a background cosmological term.As a result we consider the Einstein equationsR µν−18πGδνµ=(8)=Diag (E (r ),P r (r ),P ⊥(r ),P ⊥(r ))with E (r )=−ρ−Λ/8πG ,which yields the following“fluid”equationsd M2g 00dg 00r (r −2M (r )),(10)d P r2g 00dg 00r (P ⊥−P r )(11)We recall that the condition g 00=−g −1rr =−V (r )is equivalent to the equation of stateP r (r )=−E (r ).(12)As a result we obtain the NCSchwdS line elementV (r )=1−4MGγ(3/2;r 2/4ℓ2)π−Λr 24ℓ2.(15)We start the analysis of (13),by noticing that for r ≫ℓthe solution coincides with the conventional with the con-ventional Schwarzschild-deSitter line element.In other4words this is the regime where noncommutative fluctua-tions are negligible and the spacetime can well described by a smooth differential manifold.On the other hand,at small length scales,i.e.,high energies there is acrucial de-parture from the conventional scenario.Expanding (13)for r ≪ℓwe getV (r )≈1−Λeff√ℓ3.(17)The metric is regular at the origin and we find a local deSitter spacetime whose cosmological constant Λeffis due to both the background cosmological term Λand the noncommutative fluctuations ∼MG/ℓ3.An interesting feature of the solution is the horizon equation V (r H )=0.This depends on two parameters,M and Λ.As a result there is a mass M 0=M 0(Λ)depending on Λsuch thata)for M >M 0there are three horizons,an inner r −and an outer black hole horizon r +and a cosmo-logical horizon r c (see Fig.1).b)for M =M N >M 0,the black hole outer horizon r +and the cosmological horizon r c coalesce into a single degenerate horizon r N ,corresponding to the case of a Nariai-like solution (see Fig.2).c)for M =M 0the two black hole horizons coalesce into a single degenerate horizon r 0and there is also a cosmological horizon r c (see Fig.3).d)M <M 0there is just one (cosmological)horizon (see Figs 4,5and 6),yielding a soliton.We recall that the NCSchw solution admits two,one or no horizon depending of the value of the mass parameter M .A difference between the two solutions is that M 0now depends on the cosmological term.The cases a)and c)are good approximations of the NCSchw black hole with two and one horizons respectively.The case b)is a novelty since for the NCSchw solution no Nariai con-figuration occurs.Finally the case d)occurs in a variety of situations,by decreasing the mass or increasing the cosmological term.For instance in Fig.4the internal horizon becomes the unique horizon and around r ∼10ℓthere is a compensation of the massive and the cosmolog-ical term for negative values of V (r ),preventing the for-mation of any other horizon.This case has no analogue in the asymptotically flat space.For lighter masses,the cosmological term dominates even at short distances and the horizon takes place at larger distances.The cases in Fig.5and in 6are the analogues of the mini-gravastar case of the NCSchw solution,namely a regular geometry without black hole horizons.However topologically the geometries in Fig.4,5and 6are equivalent.FIG.1:The function V (r )vs r/ℓfor M =10ℓ/G and Λ/3=10−4ℓ−2.FIG.2:The function V (r )vs r/ℓfor M =5ℓ/G and Λ/3=15×10−4ℓ−2.B.Negative mass solutionsIn view of the study of the stability of the deSitter background one must consider contributions coming from instantons,corresponding to all possible spacetime con-figurations.To this purpose we must clarify the scenario when the radial coordinate assumes negative values.At first sight one may be tempted to say that we are con-tinuing our spacetime through the origin.However we stress that the region of negative radial coordinate is not a continuation of the spacetime for positive r .Indeed the spacetime at r =0is locally flat,and so the spacetime for positive r is geodesically complete.This means that weFIG.3:The function V(r)vs r/ℓfor M=1.9ℓandΛ/3= 6×10−4ℓ−2.FIG.4:The function V(r)vs r/ℓfor M=10ℓ/G andΛ/3= 10−2ℓ−2.have two distinct spacetimes,one for r>0and one for r<0,and both must be considered in the contribution to the action(1).An equivalent and maybe more correct way to see this fact is to consider two distinct spacetimes having positive M>0or either negative M<0mass parameter.Regions of negative density might occur in spacetime as a result of quantumfluctuations of the vac-uum energy density at sufficiently short distances and/or early times[25].To this purpose it has been shown that negative energy density can undergo gravitational col-lapse to form a black hole[26].As a result we have an additional line element with deSitter backgroundfor FIG.5:The function V(r)vs r/ℓfor M=1ℓ/G andΛ/3= 10−2ℓ−2.FIG.6:The function V(r)vs r/ℓfor M=1ℓandΛ/3= 10−4ℓ−2.M=−|M|V−(r)=1+4|M|Gγ(3/2;r2/4ℓ2)π−Λr2r√FIG.7:The function V NCSchw−(r)vs r/ℓfor M=−3ℓ,cor-responding to the negative mass noncommutative geometry inspired Schwarzschildsolution.FIG.8:The function V−(r)vs r/ℓfor M=−3ℓandΛ/3= 6×10−3ℓ−2.occurs.In addition the spacetime is regular and geodesi-cally complete,being asymptoticallyflat both at the ori-gin and infinity.Recall that this solution is generated by anenergy momentum tensor of an anisotropicfluid as in(5).However contrary to the positive mass solu-tion for which negative pressures prevent the collapse of the energy density into a Dirac delta function,in the negative mass case we have a negative energy density whose expansion is contained by positive(inwards)pres-sure terms.The case withΛ=0is shown in Fig.8.We see that there is only a cosmological horizon.FIG.9:The thin line represents the black hole temperature in a deSitter background,T+×ℓas a function of r+/ℓfor Λ/3=3×10−3ℓ−2.The thick line represents the temperature of the NCSchwBH in asymptoticallyflat space.C.ThermodynamicsTo discover the thermodynamic properties of the so-lution let us start by considering the internal energy of the black hole U(r H).Following an approach analogous to that for the conventional Schwarzschild deSitter case, this is simply the mass parameter M which becomes a function of the horizon by requiring V(r H)=0.ThusM=U(r H)=r HΓ(3/2)3r2H (20) whereΓ(3/2)=√∂r H=(21)1g(r H)1−Λ3Λr2H . By definition the temperature readsT H=1dr r H(22) where from(13)dV(r)r2 1−r g′(r)3Λr.(23) As a consequence the temperature isT H=1g(r H)1−Λ3Λr2H .(24)7 The above result holds also in the case of the negativemass solution V−(r).Some comments are in order.Insofar as we have threehorizons as in Fig1,the formula in(24)describes forr H=r+the black hole temperature,where for conve-nience we writeT+=T⋆(r+)−T dS(r+)(25)whereT⋆(r+)=14ℓ3e−r2+/4ℓ23r2+ (26)approaches,in the regime r+√6πr+(27) is the deSitter background temperature at the black hole event horizon.The background temperature T dS and the term depending byΛin T⋆decrease the temperature T+ with respect the corresponding value in asymptotically flat space(see Fig.9).Black hole evaporation takes place in two phases.The first is the Hawking phase,where the temperature fol-lows the law1/r H and the black hole heat capacity is negative.This continues until the temperature reaches a maximum,after which the second phase takes place. This phase is the cooling down phase and is character-ized by a positive heat capacity.The latter phase takes place until the black hole shrinks to the radius r0,cor-responding to the case of thermal equilibrium between the temperature T⋆and the deSitter temperature T dS. Also the evaporation endpoint is modified with respect to the asymptoticallyflat case.At r0we have an extremal black hole remnant whose size is in general bigger than the corresponding value for the asymptoticallyflat case ≈3.0ℓ(Fig.9).On the other hand the remnant mass is in general lighter than the corresponding value for the asymptoticallyflat case due to the presence of the deSit-ter term in(20).However,in the limit r+√Λ≫r+the formula in(24)no longer describes the temperature of the black hole but rather that of the cosmological horizon.To get the cor-rect expression for the temperature one has to consider the absolute value of(24)to obtain a positive defined quantity.As a result onefindsT c=T dS(r c)+T⋆(r c)(29) which is the the conventional deSitter bath temperature T dS(r c)plus the black hole temperature at r c.For r c≫ℓthe dominant correction coming from T⋆(r c)isT⋆(r c)≈Λ4πr c.(31)which exceeds T dS(r c).For r c≫MG,the cosmologicalhorizon approaches the conventional value r c≈4π 3.(32)In the case of a single horizon,(24)still holds and onecan determine the temperature for gravitational objectsdescribed in Fig.4,5and6.We shall get back to thesecases in the section about the gravitational instantons.III.THE ANISOTROPIC FLUID FUNCTIONALACTIONA.The isotropicfluidThe production of black holes in the deSitter back-ground is governed by the Euclidean version of the actionI= d4x√16πG(R−2Λ)+L m (33)generating gravitationalfield equations.To this purpose,we still need tofind the form of the Lagrangian L m,sup-posed to lead to the noncommutative Schwarzschild so-lution.We will proceeds along the line of Ref.[28].Oureffectivefluid-like approach takes leading order quantumgeometry effects into account while letting us formallywork in a classical framework.To begin,we recall thebasic notation for the case of an isotropicfluid.Then wewill extend the formalism to the anisotropicfluid case.An isotropicfluid has a generic energy densityρanda unique pressure p r=p⊥≡p.In addition to thesevariables,we can introduce the standard notation for thespacetime scalarfieldsn=particle number density(34)T=temperature(35)s=entropy per particle(36)whose values represent measurements made in the restframe of thefluid.Thefluid motion can be characterizedby its unit four velocity vectorfield uµ,which in the restframe readsuµ=1−g00(−1,0,0,0).(37)8 It is also convenient to defineµ≡ρ+pn−T s=physical free energy(39)f≡µ−T s=chemical free energy.(40)The chemical potential is the energy per particle requiredto inject a small amount offluid into afluid sample,keep-ing the sample volume and the entropy per particle sconstant.Of course in case of anisotropicity,chemicalpotentials depend on the direction of the injection dueto the occurrence of different pressures.Similarly thechemical free energies is the injection energies at con-stant volume and constant total entropy.Conversely,thephysical free energy is the injection energy at constantnumber density and constant total entropy and does notdepend on pressure terms.The above thermodynamicvariables are related by the local expression of thefirstlaw of thermodynamics,namelydρ=µdn+nT ds(41)showing that the equation of state for thefluid can bespecified by giving the functionρ(n,s),the energy den-sity as a function of the number density and the entropyper particle.Analogously we can write thefirst law asdp=ndµ−nT ds(42)which suggests an equation of state in the form p(µ,s).Finally another possibility isd(na)=fdn−nsdT(43)leading to an equation of state a(n,T).The equations ofmotion of a perfectfluid,both isotropic or anisotropic,consist of stress-energy conservation,namely Tµν;ν=0,and the equation(nuµ);µ=0expressing conservation of particle number.The actionfunctional we are going to present here provides the stresstensorTµν=ρuµuν+p(gµν+uµuν),(44)its conservation and thefirst law of thermodynamics,given the equation of stateρ(n,s).Thefluid action Sis a function of jµ≡√−jµgµνjν.The particle number density istherefore given byn=|j|/√−gρ(|j|/√∂n−ρ(gµν+uµuν),(49)which lets us identify the pressure in agreement with thefirst law of thermodynamics,namelyp=n∂ρδjµ=φ,µ+sλ,µ+ξAψA,µ(51)0=δSδλ=−(sjµ),µ(53)0=δS−g∂ρδψA=−(ξA jµ),µ(55)0=δSn∂ρ9 showing thatφplays the role of a“potential”for thechemical free energy f.It can be shown that thefluidequation imply both particle number and the energy mo-mentum tensor conservation.For our specific purposes we need to consider the“onshell”action,which is the form of the action S in(47)when thefluid equations(51),(52),(53),(54),(55)and(56)hold.As a result onefindsS(on shell)= d4x√−g lµ,wherelµ=1g rr(0,1,0,0).(60)and˜n is a generic particle number density to be identified later.As a result we have˜n=|k|/√gµνkµkν.We begin by writing the action I m(on shell)= d4x√−g p r(n,s)+ d4x√∂n−˜n∂L⊥∂˜nlµlν−n∂L⊥∂˜n =n∂L⊥−g,|k|/√−g(2p r−p⊥).(67)Employing Eq.(15),onefinds thatL m(on shell)=p r+r2(4πℓ2)3/2e−r210 The spacetime is defined only for regions where the func-tion V(r)assumes positive values.The correspondingEuclidean action is the Wick rotated version of(33)andreadsI E=− M+d4x√8πG−TgΛ2πΛG.(73)As explained in the introduction the ratio of the two probability measures P bg=e−2I bg and P bg gives the rate of pair creation on an inflationary background,Γin(2). The object created depends on the properties of the function V(r).We recall that in the Lorentzian section 0≤r<∞the spacetime is geodesically complete for positive as well negative mass parameter.For positive mass M>0,the function V(r)can have three roots,i.e., r−,r+and r c(see Fig.1).To obtain a positive-definite metric,we must restrict r to r+≤r≤r c.However the resulting instanton might be singular for a conical singu-larity at r=r+and r=r c.In the degenerate case(see Fig.3),i.e.for r−=r+,the range of r in the Euclidean section will be r+<r≤r c,as the double root in V(r) implies that the proper distance from any other point to r=r+along spacelike directions is infinite.As a conse-quence we may obtain a regular instanton by identifying τperiodically with period2π/κc,whereκc is the surface gravity of the cosmological horizon.Following[32],this instanton will be referred to as a cold instanton.For non degenerate horizons,we must have the same period forτand this corresponds to requiringκ+=κc.(74) As a special case we have the Nariai instanton for which r+=r c.In general,i.e.,for r+=r c,the condition (74)is satisfied by a lukewarm instanton,following the definition in[32].In addition to these instantons,there are those corre-sponding to topologies in Figs4,5,6,which does not have any classical analogue.These cases occur when V(r)has just a single root r1.In this group of new topologies we need to consider also the negative mass topology which exhibits a single horizon(see Fig.8).This means that,as far as pair production is concerned,we always integrate the action from r=0outward to the single horizon r1, i.e.0≤r≤r1.The nature of the single horizon will be equivalent to that of any single cosmological horizon, regardless of its size with respect the cosmological scale 1/√gΛ(4πℓ2)3/2 M+d4x√2ℓ2−1e−r2/4ℓ2.(76)Up to boundary terms,the Euclidean action I obj can be cast in the form I obj=I M−IΛ.In the lukewarm instanton case,we need to compute the integralIΛ= M+d4x√8πG=βcΛG 1− r+3/Λ.Furthermore,if r+√ΛG.(78) We can now calculateI M=Mg r2√2γ(3/2;x2/4)−111 we can express(79)in terms ofγ(3/2;x2/4)onlyI M=Mβcπ 2γ(3/2;x2/4)−14x3e−x2/4≈2γ(3/2;x2/4)≈√4x3e−x2/4≈−14x3e−x2/4is zero for x≈2whereas itrapidly asymptotes to√ΛG 1−4M0G3 √4(r0/ℓ)3e−r20/4ℓ2≈0.67.To obtain the black hole remnant pair production rate we consider the probability measure P cold=e−2I cold and we divide this by the probability measure for a universe without black holes,i.e.P bg.This yieldsΓcold≈e−πΛπ−0.67](82)and so the probability for pair creation of cold NCBHs is very low,unlessΛis close to the Planck valueΛG=1. However for largeΛblack holes do not occur,unless for masses M≫ℓ/G.Thus in place of Planck-sized black holes we have the production of single horizon spacetimes (see Fig.4,5and6).We shall discuss the nature of these gravitational objects in the next section.For the luke-warm instanton case,the contribution of I M is vanishing and we get a slightly increased rate,i.e.,Γlw≈e−π4x3e−x2/4vs x.C.Nariai and other instantonsTo exclude instabilities of the deSitter background we need to conclude our analysis by studying the remaining topologies,namely the Nariai instanton and the single horizon geometries.For the Nariai instanton,where r+= r c,we can make a coordinate transformation and rewrite the metric asds2E=1B dϑ2+sin2ϑdφ2 (84) where A and B are constant,χandϑrun from0toπ, andψandφare periodic coordinates with period2π. The instanton has topology S2×S2,the direct prod-uct of two spheres with different radii.The condition r+=r c implies that the origin retreats to infinite proper distance and so there is no longer any global event hori-zon.The Lorentzian section is just the direct product of two dimensional deSitter space and a two sphere of fixed radius,dS2×S2.Consequently this instanton does not represent pair creation of black holes,though higher-order quantum corrections are expected to break the de-generacy of the two roots[23],rendering this solution equivalent to that of the NCBH of the previous section. Finally we are left with the case of a single cosmological horizon r1,which occurs in Fig.4,5and6or for negative masses.The instanton in this case is calculated for0≤r≤r1assumingτ=0,β1/2withβ1=2π/κ1,i.e.,I1=β1Mπ 2γ(3/2;r21/4ℓ2)−1ℓ3e−r21/4ℓ2−β1Λ6Gr31e−2β1Mπ2γ(3/2;r21/4ℓ2)−1ℓ3e−r21/4ℓ2e−3π6G+Mπℓ3 >3πFor small r1the temperature increases(see Fig.4),then β1is little and this condition cannot be met.Indeed in the regime r1∼ℓthe temperature isT1≈33 Λ6√ΛG(88) Hence for r1≪1/√ΛG.(89) The interpretation of this result is the following.The horizon in Fig.4is similar to a cosmological horizon, apart from its size.The above result tells us that Planck size deSitter space does not occur in present times,in accord with experience.Conversely it could have been plentifully produced in early epochs of the universe,i.e, forΛG∼1.Indeed this instanton occurs when the cos-mological termΛovercomes the mass term M in the NCSchwdS solution.This means that in place of Planck size black holes,this single horizon geometry would have been favoured during inflation.However,this instanton can be simply considered equivalent to the deSitter space whenΛG∼1and cannot be considered as a source of instability.For large horizon radii,the temperature T1≈T c is very low andβ1can significantly grow(see Fig.5,6and 8).However we haveΛr31Λr31 3πΛr1 1and√GMΛG.(91) This result corresponds to the fact that the lowest limit for the temperature,i.e.,the highest value forβ1is given by the deSitter universe in the absence of pair production T dS=(2π)−1。