作者:吴长锋 来源:科技日报 发布时间:2021/1/29 9:39:20
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它不是具体粒子 却“构筑”起我们身处的世界

 

量子力学是微观物理学依赖的基本理论框架,自其提出一百多年来,在物理学基础与应用的方方面面取得了一个又一个的成功。从九章量子计算机原型的发布到证明广域量子保密通信技术在实际应用中的条件已成熟,中国科学家过去几年在量子科技领域取得了跨越式的发展。

量子力学的建立使人类对世界的认识从宏观深入到微观,是近400年现代科学发展史上一个革命性飞跃,也是公认的上世纪最伟大的科学发现之一。

在深入了解量子力学之前,我们需要弄明白,究竟什么是量子?我们这个复杂的物理世界,是如何由微观粒子构建而成的?

量子不是“子”,而是一种物理学概念

物质是由原子组成的,原子是由原子核与电子组成的,原子核是由质子和中子组成的。那么量子究竟是个什么粒子?它跟电子、质子、中子相比如何呢?

事实上,量子只是一个物理学概念,不是实物。一个事物如果存在最小的、不可分割的基本单位,我们就说它是可量子化的,并把其可分割的最小单位称为量子。所以说,量子并不是具体的实在粒子。

打个比方来说,我们在统计人数时,可以有一个人、两个人,但不会出现半个人。再比如上台阶时,人们只能迈上一个台阶、两个台阶,而不能上半个台阶。所以对于统计人数来说,一个人就是一个量子;对于上台阶来说,一个台阶就是一个量子。

同样的,电子最初是在阴极射线中发现的最小单位,那么我们就可以说电子是阴极射线的量子。而光子就是光的量子,一束光至少也要有一个光子,否则就没有光了。

以上这些例子是物质组成的量子化,还有一类是物理量的量子化。假设你驾驶着一辆“量子汽车”,你只能以5千米/小时、20千米/小时或80千米/小时的速度行驶,这些数值之间的速度是不允许出现的。换挡的时候,你突然就从5千米/小时跳转到20千米/小时,速度的变化是瞬间发生的,几乎觉察不到加速的过程。能量的取值由连续任意变成离散特定,并且存在一个固定的最小值,其它值只能是最小值的倍数。这就叫做物理量的量子化。

科学研究证实,在每一种原子和分子中,电子的能量都是量子化的。不只是能量,还有电荷、磁矩、角动量等许多物理量,也是量子化的。

物质组成的量子化和物理量的量子化,都说明量子化是微观世界的本质特征,量子力学也因此成为了科学家描述微观世界的基础理论。

在量子力学出现后,人们就把传统的牛顿力学称为经典力学。可以举一个例子说明“量子”与“经典”的本质区别,经典世界的特点是物体的物理量、状态在某个时刻是完全确定的:晶体管要么导通,要么关闭,完全确定。即经典信息要么是0,要么是1,毫不含糊。

但量子世界中,客体的物理量则是不确定的、概率性的,而且这种不确定性与实验技术无关,是量子世界的本质特征,无法消除。

量子概念的提出,源自一场与光的邂逅

量子概念的提出,始于德国科学家普朗克发现了黑体辐射的不连续性无法通过经典力学来解释。

通俗一点说,就是一个完全黑的物质会吸收一切光线,但是光被黑体吸收的过程不是连续的。人们一开始不知道光是由光子构成的,所以认为黑体吸收光线应该是连续的。但是实验数据却表明,黑体吸收光线是一份一份的,并不是连续的,这是人类首次发现能量的量子化特性。

这个伟大的发现开启了通往量子世界的大门,它的发现者——普朗克也因此获得了1918年的诺贝尔物理学奖。

1905年,爱因斯坦做出了三项震惊世界的重大发现——狭义相对论、布朗运动和光电效应。光电效应被认为是人类在理解量子世界的道路上迈出的第二步,爱因斯坦也因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖。

简单地说,光电效应就是当某一光子照射到对光灵敏的物质上时,它的能量可以被该物质中的某个电子全部吸收。电子吸收光子的能量之后,动能立刻增加,如果动能增大到足以克服原子核对它的引力,就能飞逸出金属表面,成为光电子,形成光电流。单位时间内,入射光子的数量愈大,飞逸出的光电子就愈多,光电流也就愈强,这种由光能变成电能自动放电的现象,就叫光电效应。

此前,牛顿的经典力学理论中提出,能量是连续的,但是光电效应现象昭示出世界不再是线性的,而是非线性的。前辈科学家通过思考光的本质,最早提出了量子的概念。所有微观世界中的粒子,包括原子、原子核、电子以及光子,全都是量子的,而且它们全都不满足牛顿力学的规律。这背后是人类从未涉足的领域——微观量子世界。

到二十世纪三十年代,量子力学的理论大厦已经基本建立起来,能够对微观世界的大部分现象做出定量描述。现在科学界公认,量子力学和相对论是现代物理学的两大基础理论。

费米子和玻色子,是量子世界存在的基础

既然描述微观世界必须用量子力学,而宏观物质的性质又是由微观结构决定的。所以有必要先了解一下物质粒子的量子属性:费米子和玻色子。

随着量子力学的深入研究,科学家发现,在微观世界中,很多微小的粒子并不是固定不动的,其中比较重要的一个性质就是粒子自旋,这与地球自转的效果差不多。自旋是粒子的一种与其角动量(可理解为半径与转动速度的乘积)相联系的固有性质。量子力学所揭示的一个重要之处在于,自旋是量子化的,也就是说,它只能取普朗克常数的整数倍或半整数倍。

物理学家将不同自旋的粒子分成了两种。一种自旋是整数的粒子被称为玻色子,以印度物理学家萨特延德拉·纳特·玻色的名字命名,光子就是生活中最常见的玻色子。而另外一些粒子自旋是半整数,被称为费米子,以意大利物理学家恩利克·费米命名,电子就是典型的费米子。

科学家通过实验发现,两个玻色子交换,它们的波相加,所以两个玻色子喜欢待在一起,有亲和力;两个费米子交换,它们的波相消,所以两个费米子无法待在一起,互为排斥。这就是有名的泡利不相容原理:两个费米子不能占据同一个状态。

因此,原子中的电子必须占据不同的轨道。所以当原子带有多个电子时,电子按能量由低到高,依次的填充不同的轨道。当电子数目不同时,电子的轨道占据构形也是不同的。因为原子的形状,主要是由最后被占据的同颜色轨道所决定的,我们发现,带不同数目电子的原子,会有不同的性状。这导致了原子的丰富形状和丰富的化学活性,这是复杂生物世界存在的原始基础。

但是只有费米子是构不成物质的,必须有东西把费米子装配起来才能构成物质。说白了,我们还需要费米子之间能够相互作用,而传递这个相互作用的粒子的统称就叫做玻色子。

总的来说,物质的基本结构是费米子,而物质之间的基本相互作用却由玻色子来传递。费米子和玻色子,就是我们这个世界存在的微观基础。

量子只是一个物理学概念,不是实物。一个事物如果存在最小的、不可分割的基本单位,我们就说它是可量子化的,并把其可分割的最小单位称为量子。所以说,量子并不是具体的实在粒子。

 
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