設想經典力學裏的諧振子 系統(A-B),一條彈簧 的一端固定不動,另一端有一個帶質量圓球;在量子力學 裏, (C-H)展示出同樣系統的薛丁格方程式 的六個波函數解。橫軸坐標表示位置,豎軸坐標表示機率幅 的實部(藍色)或虛部(紅色)。(C-F)是定態,(G、H)不是定態。定態的能量為駐波 振動頻率與約化普朗克常數的乘積。 描述諧振子的含時薛丁格方程式的三個波函數解。左邊:波函數機率幅 的實部(藍色)或虛部(紅色)。右邊:找到粒子在某位置的機率,這說明了為甚麼機率與時間無關的量子態被稱為「定態」。上面兩個橫排是定態,最下面橫排是疊加態
ψ
N
=
(
ψ
0
+
ψ
1
)
/
2
{\displaystyle \psi _{N}=(\psi _{0}+\psi _{1})/{\sqrt {2))}
。 在量子力學 裏,定態 (stationary state)是一種量子態 ,定態的機率密度 與時間無關。以方程式表式,定態的機率密度對於時間的導數為
d
d
t
|
Ψ
(
x
,
t
)
|
2
=
0
{\displaystyle {\frac {d}{dt))|\Psi (x,\,t)|^{2}=0}
;其中,
Ψ
(
x
,
t
)
{\displaystyle \Psi (x,\,t)}
是定態的波函數 ,
x
{\displaystyle x}
是位置,
t
{\displaystyle t}
是時間 。
設定一個量子系統的含時薛丁格方程式 為
−
ℏ
2
2
m
∂
2
∂
x
2
Ψ
+
V
Ψ
=
i
ℏ
∂
∂
t
Ψ
{\displaystyle -{\frac {\hbar ^{2)){2m)){\frac {\partial ^{2)){\partial x^{2))}\Psi +V\Psi =i\hbar {\frac {\partial }{\partial t))\Psi }
;其中,
ℏ
{\displaystyle \hbar }
是約化普朗克常數 ,
m
{\displaystyle m}
是質量,
V
(
x
)
{\displaystyle V(x)}
是位勢 。
這個方程式有一個定態的波函數解:
Ψ
(
x
,
t
)
=
ψ
(
x
)
e
−
i
E
t
/
ℏ
{\displaystyle \Psi (x,\,t)=\psi (x)e^{-iEt/\hbar ))
;其中,
ψ
(
x
)
{\displaystyle \psi (x)}
是
Ψ
(
x
,
t
)
{\displaystyle \Psi (x,\,t)}
的不含時間部分,
E
{\displaystyle E}
是能量。
將這定態波函數代入含時薛丁格方程式,則可除去時間關係:
−
ℏ
2
2
m
∂
2
∂
x
2
ψ
+
V
ψ
=
E
ψ
{\displaystyle -{\frac {\hbar ^{2)){2m)){\frac {\partial ^{2)){\partial x^{2))}\psi +V\psi =E\psi }
。這是一個不含時薛丁格方程式 ,可以用來求得本徵能量
E
{\displaystyle E}
與伴隨的本徵函數
ψ
E
(
x
)
{\displaystyle \psi _{E}(x)}
。定態的能量都是明確的,是定態薛丁格方程式的本徵能量
E
{\displaystyle E}
,波函數
ψ
(
x
)
{\displaystyle \psi (x)}
是定態薛丁格方程式的本徵函數
ψ
E
(
x
)
{\displaystyle \psi _{E}(x)}
。
雖然定態
Ψ
(
x
,
t
)
{\displaystyle \Psi (x,\,t)}
很明顯的含時間。含時間部分是個相位因子 。定態的機率密度不含有相位因子這項目:
|
Ψ
(
x
,
t
)
|
2
=
|
ψ
(
x
)
|
2
{\displaystyle |\Psi (x,\,t)|^{2}=|\psi (x)|^{2))
。所以,定態的機率密度與時間無關。一個直接的後果就是期望值 也都與時間無關。例如,位置的期望值
⟨
x
⟩
{\displaystyle \langle x\rangle }
是
⟨
x
⟩
=
∫
−
∞
∞
Ψ
∗
(
x
,
t
)
x
Ψ
(
x
,
t
)
d
x
=
∫
−
∞
∞
x
|
Ψ
(
x
,
t
)
|
2
d
x
=
∫
−
∞
∞
x
|
ψ
(
x
)
|
2
d
x
{\displaystyle {\begin{aligned}\langle x\rangle &=\int _{-\infty }^{\infty }\Psi ^{*}(x,\,t)x\Psi (x,\,t)\,dx\\&=\int _{-\infty }^{\infty }\,x|\Psi (x,\,t)|^{2}\,dx\\&=\int _{-\infty }^{\infty }\,x|\psi (x)|^{2}\,dx\\\end{aligned))}
。 再舉一例,動量的期望值
⟨
p
⟩
{\displaystyle \langle p\rangle }
是
⟨
p
⟩
=
∫
−
∞
∞
Ψ
∗
(
x
,
t
)
ℏ
i
∂
∂
x
Ψ
(
x
,
t
)
d
x
=
ℏ
i
∫
−
∞
∞
ψ
(
x
)
e
i
E
t
/
ℏ
∂
∂
x
(
ψ
(
x
)
e
−
i
E
t
/
ℏ
)
d
x
=
ℏ
i
∫
−
∞
∞
ψ
∗
(
x
)
∂
∂
x
ψ
(
x
)
d
x
{\displaystyle {\begin{aligned}\langle p\rangle &=\int _{-\infty }^{\infty }\Psi ^{*}(x,\,t){\frac {\hbar }{i)){\frac {\partial }{\partial x))\Psi (x,\,t)\,dx\\&={\frac {\hbar }{i))\int _{-\infty }^{\infty }\psi (x)e^{iEt/\hbar }{\frac {\partial }{\partial x))(\psi (x)e^{-iEt/\hbar })\,dx\\&={\frac {\hbar }{i))\int _{-\infty }^{\infty }\,\psi ^{*}(x){\frac {\partial }{\partial x))\psi (x)\,dx\\\end{aligned))}
。 所以,
⟨
x
⟩
{\displaystyle \langle x\rangle }
和
⟨
p
⟩
{\displaystyle \langle p\rangle }
都與時間無關。一般而言,給予任意一個位置與動量的函數
f
(
x
,
p
)
{\displaystyle f(x,\,p)}
,期望值
⟨
f
(
x
,
p
)
⟩
{\displaystyle \langle f(x,\,p)\rangle }
必然與時間無關。
Griffiths, David J. Introduction to Quantum Mechanics (2nd ed.). Prentice Hall. 2004. ISBN 0-13-111892-7 .