全球联:名气小但用得多的理论

2019-06-19 阅读:189 发布者:18621580444

全球联:名气小但用得多的理论

量子究竟是什么呢?就是“离散变化的最小单元”。

我们上台阶时,只能上一个台阶、两个台阶,而不能上半个台阶、1/3 个台阶,这就是离散变化,一个台阶就是一个量子。微观世界里,很多物理量都是离散变化的。例如光是由一个个光子组成的,光子就是光的量子。阴极射线是由一个个电子组成的,电子就是阴极射线的量子。原子中电子的能量只能取一些分立值,例如氢原子中电子的能量只能取-13.6 eV(eV 是电子伏特,一种能量单位)或者它的1/4、1/9、1/16 等等,而不能取它的2 倍、1/2 或1/3,我们称这种现象为量子化。因此量子不是一种粒子,而是一个数学概念。准确描述微观世界的物理学理论就是量子力学,这个名称强调了离散变化在微观世界中的普遍性。量子力学出现后,人们把传统的牛顿力学称为经典力学。

对普通民众来说,量子力学听起来似乎很前沿。但对相关专业(物理、化学)的研究者来说,量子力学的相关发展已经超过了一个世纪。

量子力学起源于1900 年,当普朗克在研究“黑体辐射”问题时,发现必须把辐射携带的能量当作离散变化的,才能推出跟实验一致的公式。在此基础上,爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森堡、薛定谔、狄拉克等人提出了一个又一个新概念,大大扩展了量子力学的应用范围。到20 世纪20 年代末,量子力学的理论大厦已基本建立起来,能够对微观世界的很多现象作出定量描述了。

量子力学和相对论是20 世纪两大科学革命,对人类的世界观产生了强烈的震撼。但论在公众中的知名度,量子力学似乎比相对论低得多。这里的原因可能在于,相对论主要是由爱因斯坦一个人创立的,孤胆英雄的形象易于记忆和传播,而量子力学的主要贡献者有好几位,没有一个人格化的代表。爱因斯坦和相对论称得上妇孺皆知,而知道量子力学中的“薛定谔的猫”、“海森堡测不准原理”这些名词的人,已经算得上是科学发烧友了。

但是,和大多数人的印象相反,在现实生活中,无论是研究人员数量还是理论的应用范围,量子力学远远超过相对论。也就是说,相对论是一个名气大但用得少的理论,量子力学是一个名气小但用得多的理论。为什么会这样?和这两种理论发挥作用的条件有关。

相对论在物体在以接近光速运动时以及强引力场条件下,有基础性的作用。可是,这样的状况在日常生活中几乎碰不到。大多数情况下,我们研究的对象还是在做物理学意义上的低速运动(远低于光速),地球的引力场也不强。所以,目前相对论的应用,局限在宇宙学、原子钟、全球定位系统等少数领域。

而另一边,描述微观世界则必须用量子力学。不仅研究原子、分子、激光这些微观对象时必须用量子力学,而且研究宏观物质的导电性、导热性、硬度、晶体结构、相变等性质时也必须用量子力学。

许多最基本的问题,是量子力学出现后才能回答的。

例如:

为什么原子能保持稳定,例如氢原子中的电子不落到原子核上?

为什么原子能形成分子,例如两个氢原子聚成氢气分子?

为什么原子有不同的组合方式,例如碳原子能组合成石墨、金刚石、足球烯、碳纳米管、石墨烯?为什么食盐会形成离子晶体?

为什么有些物质很稳定,而有些物质很容易发生化学反应?

为什么有些物质,如铜,能导电?有些物质,如塑料,不导电?为什么有些物质如硅,是半导体?为什么有些物质,如水银,在低温下变成超导体?

为什么会有相变,例如水在0℃以下结冰,0 ~100℃是液体,100℃以上气化?

为什么改变钢铁的组成,能制造出各种特种钢?

为什么激光器和发光二极管能够发光?

为什么化学家能合成比大自然原有物质种类多得多的新物质?

为什么通过观察宇宙中的光谱线能知道远处星球的元素组成?

现代社会硕果累累的技术成就,几乎全都与量子力学有关。你打开一个电器,导电性是由量子力学解释的,电源、芯片、存储器、显示器的工作原理是基于量子力学的。走进一个房间,钢铁、水泥、玻璃、塑料、纤维、橡胶的性质是由量子力学决定的。登上飞机、轮船、汽车,燃料的燃烧过程是由量子力学决定的。研制新的化学工艺、新材料、新药,都离不开量子力学。可以这么说:与其问量子力学能用来干什么,不如问它不能干什么!

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