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天津11选5一定 www.vxikcg.com.cn 2019-06-19 閱讀:259 發布者:18621580444 (網站)

全球聯:名氣小但用得多的理論

量子究竟是什么呢?就是“離散變化的最小單元”。

我們上臺階時,只能上一個臺階、兩個臺階,而不能上半個臺階、1/3 個臺階,這就是離散變化,一個臺階就是一個量子。微觀世界里,很多物理量都是離散變化的。例如光是由一個個光子組成的,光子就是光的量子。陰極射線是由一個個電子組成的,電子就是陰極射線的量子。原子中電子的能量只能取一些分立值,例如氫原子中電子的能量只能取-13.6 eV(eV 是電子伏特,一種能量單位)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,我們稱這種現象為量子化。因此量子不是一種粒子,而是一個數學概念。準確描述微觀世界的物理學理論就是量子力學,這個名稱強調了離散變化在微觀世界中的普遍性。量子力學出現后,人們把傳統的牛頓力學稱為經典力學。

對普通民眾來說,量子力學聽起來似乎很前沿。但對相關專業(物理、化學)的研究者來說,量子力學的相關發展已經超過了一個世紀。

量子力學起源于1900 年,當普朗克在研究“黑體輻射”問題時,發現必須把輻射攜帶的能量當作離散變化的,才能推出跟實驗一致的公式。在此基礎上,愛因斯坦、玻爾、德布羅意、海森堡、薛定諤、狄拉克等人提出了一個又一個新概念,大大擴展了量子力學的應用范圍。到20 世紀20 年代末,量子力學的理論大廈已基本建立起來,能夠對微觀世界的很多現象作出定量描述了。

量子力學和相對論是20 世紀兩大科學革命,對人類的世界觀產生了強烈的震撼。但論在公眾中的知名度,量子力學似乎比相對論低得多。這里的原因可能在于,相對論主要是由愛因斯坦一個人創立的,孤膽英雄的形象易于記憶和傳播,而量子力學的主要貢獻者有好幾位,沒有一個人格化的代表。愛因斯坦和相對論稱得上婦孺皆知,而知道量子力學中的“薛定諤的貓”、“海森堡測不準原理”這些名詞的人,已經算得上是科學發燒友了。

但是,和大多數人的印象相反,在現實生活中,無論是研究人員數量還是理論的應用范圍,量子力學遠遠超過相對論。也就是說,相對論是一個名氣大但用得少的理論,量子力學是一個名氣小但用得多的理論。為什么會這樣?和這兩種理論發揮作用的條件有關。

相對論在物體在以接近光速運動時以及強引力場條件下,有基礎性的作用??墑?,這樣的狀況在日常生活中幾乎碰不到。大多數情況下,我們研究的對象還是在做物理學意義上的低速運動(遠低于光速),地球的引力場也不強。所以,目前相對論的應用,局限在宇宙學、原子鐘、全球定位系統等少數領域。

而另一邊,描述微觀世界則必須用量子力學。不僅研究原子、分子、激光這些微觀對象時必須用量子力學,而且研究宏觀物質的導電性、導熱性、硬度、晶體結構、相變等性質時也必須用量子力學。

許多最基本的問題,是量子力學出現后才能回答的。

例如:

為什么原子能保持穩定,例如氫原子中的電子不落到原子核上?

為什么原子能形成分子,例如兩個氫原子聚成氫氣分子?

為什么原子有不同的組合方式,例如碳原子能組合成石墨、金剛石、足球烯、碳納米管、石墨烯?為什么食鹽會形成離子晶體?

為什么有些物質很穩定,而有些物質很容易發生化學反應?

為什么有些物質,如銅,能導電?有些物質,如塑料,不導電?為什么有些物質如硅,是半導體?為什么有些物質,如水銀,在低溫下變成超導體?

為什么會有相變,例如水在0℃以下結冰,0 ~100℃是液體,100℃以上氣化?

為什么改變鋼鐵的組成,能制造出各種特種鋼?

為什么激光器和發光二極管能夠發光?

為什么化學家能合成比大自然原有物質種類多得多的新物質?

為什么通過觀察宇宙中的光譜線能知道遠處星球的元素組成?

現代社會碩果累累的技術成就,幾乎全都與量子力學有關。你打開一個電器,導電性是由量子力學解釋的,電源、芯片、存儲器、顯示器的工作原理是基于量子力學的。走進一個房間,鋼鐵、水泥、玻璃、塑料、纖維、橡膠的性質是由量子力學決定的。登上飛機、輪船、汽車,燃料的燃燒過程是由量子力學決定的。研制新的化學工藝、新材料、新藥,都離不開量子力學??梢哉餉此擔河肫湮柿孔恿ρ苡美錘墑裁?,不如問它不能干什么!

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