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附录(第2页)

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然而,一旦考虑多个电子,它就会变得非常困难。

氦原子有两个质子和两个电子,所以你需要考虑每个电子与其中一个质子的相互作用、每个电子与另一个质子的相互作用、两个电子的相互作用、两个质子的相互作用,然后把所有这些结合起来。

而且是在三维空间中将其结合起来。

原子或分子越大,我们需要处理的相互作用就越多,到最后即使强大的计算机也很难做到面面俱到。

因此,在求和中使用几个近似值是理所当然的,这既节省了时间,又能给出近乎完整的薛定谔解。

我们经常使用的一种方法叫“轨道近似”

你可以想象原子中只有一个电子,我们给它提供更高的能量,迫使它进入高能轨道。

例如,当我们试图计算有26个电子的原子形状时,我们通常把它想象成一个氢原子,其电子能量是普通氢原子的26倍,这样看起来非常接近。

这就像是一个小孩通过踩高跷和穿大号衣服来模仿成年人。

这个画面并不确切,但要感受“更大的版本是什么样子”

,这是个很合适的方法。

我们使用的另一种方法叫“玻恩-奥本海默近似”

,也就是假设原子核的能量与振动相比于电子非常缓慢,可以忽略不计。

我们想象电子绕着一个带正电的点盘旋或波动,该点本身不值得一提。

这让我们可以专注于电子以及电子之间的相互作用,而不考虑原子核对电子的影响。

但毫无疑问,薛定谔方程最好的近似解是“密度泛函理论”

,由沃尔特·科恩和约翰·波普尔发明,他们因此获得了1998年的诺贝尔奖。

密度泛函理论(学术圈的人称之为DFT)是一种求解含大量粒子的分子波函数的漂亮方法。

DFT并不是把每个粒子建模成单独的点,然后一次性计算它们的相互作用,而是把大糊块中的所有电子表示成一个“电子云”

只要把所有电子弄得模糊不清,然后计算电子密度的“厚度”

,你就可以谈论原子或分子在一段时间内的行为。

电子云最厚的地方对应着电子最可能出现的地方,而电子云最薄的地方就是电子很少被观察到的地方。

小分子的DFT计算可以在几小时内完成,准确率通常超过90%。

与严格求解薛定谔方程(计算大分子需要几年)相比,DFT已经成为量子计算的行业标准。

附录Ⅲ:爱因斯坦的自行车

下面这个简单的设想阐明了光速的恒定,它来自科学作家和电视主持人卡尔·萨根。

卡尔·萨根设想了这样一个场景:一个人骑着自行车沿公路向你而来,突然一辆大卡车横穿公路,双方急忙转向。

卡车并非朝你驶来,所以来自卡车侧面的光以正常的光速接近你,物理学家用字母c表示这个常数。

骑手朝向你骑车,因此来自自行车的光接近你的速度是“c+自行车速”

这意味着来自自行车的光比来自卡车的光先到达你的眼睛。

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