科普连载(幽灵蝶).doc

科普连载科普连载之一：万物同源2科普连载之二：仰望星空3科普连载之三：蝴蝶效应4科普连载之四：耗散结构5科普连载之五：广义超流6科普连载之六：激光原理8科普连载之七：同步辐射9科普连载之八：应用核能10科普连载之九：纳米科技11科普连载之十：红外光谱12科普连载之十一：核磁共振13科普连载之十二：颜色之谜14科普连载之十三：三大发现15科普连载之十四：量子公设17科普连载之十五：原子结构18科普连载之十六：殊途同归19科普连载之十七：演化规律21科普连载之十八：粒子分类22科普连载之十九：幽灵粒子23科普连载之二十：规范场论25科普连载之二十一：价键理论26科普连载之二十二：晶体结构27科普连载之二十三：集成电路29科普连载之二十四：超导电子30科普连载之二十五：磁性起源31科普连载之二十六：光子概述32科普连载之二十七：量子场论34科普连载之二十八：信息光学35科普连载之二十九：临界相变36科普连载之三十：高能粒子38科普连载之三十一：背景辐射39科普连载之三十二：空间科学40科普连载之三十三：生命科学41科普连载之三十四：仿生世界42科普连载之三十五：基因工程43科普连载之三十六：辐射作用45科普连载之三十七：分子进化46科普连载之三十八：细胞学说47科普连载之三十九：微生物学47科普连载之四十：生命综述48科普连载之四十一：地球概观49科普连载之一：万物同源20世纪是一个灾难深重的世纪，两次世界大战，几十亿人被卷入战乱，20世纪同时又是一个辉煌的世纪，一个灿烂无比的世纪，它所创造的物质财富远远超出了此前人类文明成果的总和。回首这一令人神往的世纪可以发现，这一切都可以归结为四个字：科技革命。科技革命使人们的认知领域飞速的扩展，同时也使得科学几乎成了少数人享有的专利，而我们不得不承认很大一部分人的知识还停留在20世纪之前的牛顿伽利略时代，因此科普工作任重而道远，这部分人，尤其是青年人很有必要接受现代自然科学的洗礼。由于本连载定位为科普，因此对科技前沿仅作介绍，不深入讨论。重点初步定在与日常生活联系较密切的一些事物与现象上。 古希腊哲学家德莫克里特利用一些日常经验推测世界是由一些不可分割的原子组成的，道尔顿继承并发展了这一学说，提出了原子论，阿伏伽德罗进一步提出分子论，后由门捷列夫提出了化学元素周期表，19世纪末，物理学家相继发现了电子、粒子、放射性、X射线等，使得物理学进入了一个新的比元素更深的层次，经过不懈努力，建立起了目前的标准模型：电弱统一理论、量子色动力学和广义相对论。标准模型使人们认识到，我们这个充满了无限生机和活力的大自然中，只存在有限种类和数目的“基本粒子”：六种夸克、六种轻子、和“六种”媒介子（八种胶子当作一种，未发现的引力子也当作一种）而与我们的生活息息相关的只有四种粒子：质子、中子、电子、光子。 如果基本粒子遵从的不是量子理论而是经典力学，电子会在极短的时间内落入原子核，质子中子也不会形成稳定的元素，即使勉强认为它们有稳定的轨道，两个原子也不可能构成分子，当然也就更不可能构成现有的物质世界了。质子与中子形成了种类繁多的核素，外面填充上电子就形成了周期表中的元素。这些不同种类的原子以及由它们构成的分子就是构成物质世界的基本材料（分子是保持物质化学性质的最小单位）。不同的分子可以表现出不同的化学性质，都可以通过量子力学的计算来预言。碱金属放入水中可以剧烈反应并燃烧或爆炸，而惰性气体（尤其是氦）却几乎不与任何物质反应，氢气与氧气混合放几十年也产生不了一滴水，一经点燃却可以爆炸，铁可以被磁铁吸引，而在周期表中与之邻近的锰却没有这种性质，碳原子可以成链、环、双健、三健而与之同族的硅却成链相当困难。而这些性质都可以通过它们的结构：核与电子中找到答案。同样，任何一个宏观物体的物理的、化学的性质都应该可以从它们的组成中找到答案。这就是化学中常说的一句话：结构决定性质。结构化学的任务就是用量子力学来求解分子结构。 从以上分析可以看出，如果我们知道了组成原子（或分子）的核与电子的性质以及它们服从的规律，就可以得到原子或分子的性质，同样，如果我们知道了一种物质的组成，以及它们的单元间的相互作用规律就可以预言它的宏观性质。通过分子间作用力的强弱程度，我们可以知道常温下水是液体而氧气是气体，通过统计热力学理论（基础是量子力学）可以算出很多有用的东西，比如对一块金属升温它会吸多少热（热容），一升水的总能量是多少（内能），一立方米气体的混乱度多大（熵），两种物质可不可以反应，在什么条件下反应，反应的速率如何二极管、三极管、集成电路中的电子和空穴遵从的是量子规律，因此如果没有量子力学也就没有了电子计算机。 因此，我觉得我们应该确立一种信念，自然界的一切，风雨雷电云雾霜雪、山水花草虫鱼鸟兽都是可以解释的，而且它们一定服从高度统一的规律。总之，自然界是可以理解的。 然而，面对着这样一个复杂而又简单的自然界，你可曾有过这样的想法：为什么周期表中的元素在自然界中分布这么不均？为什么我们放眼望去，到处都是氧硅铝铁钙钠钾镁而不是遍地黄金呢？再往地球深处看一看：为什么地心深处有这么大的一个铁球？这么多铁到底是从哪里来的呢？ 无论哪个民族的的古人都喜欢仰望星空，他们相信那里一定隐藏着无尽的秘密，然而他们也许不会料到，上述问题的答案的确就隐藏在茫茫星空之中科普连载之二：仰望星空当你在散步时踢着一块小石头时，有没有想到过它有过一段“刻骨铭心”的经历，有没有想到过它曾经是一团氢气？ 通过求解爱因斯坦的场方程可得到大爆炸解，宇宙已经存在了大约137亿年，极早期的宇宙已经在大爆炸标准模型中介绍过，因此不详细讨论了。结合粒子物理理论可得到宇宙大爆炸后的产物是约75%的氢和约25%的氦，还有极少数的重氢、锂等轻元素。与观测精确相符，但大爆炸并没有产生重元素，地球的这些物质从何处而来呢？这还要从星系的起源说起。 关于太阳系的起源问题，目前公认的说法是康德-拉普拉斯星云假说，即太阳系起源于星云。而这些星云中的重元素来源于几十亿年前的一次超新星爆发。最原始的星云中几乎只有大爆炸遗留的氢和氦，在万有引力和热运动的作用下平衡，但这种平衡并不稳定，微小的扰动可以产生不均匀的密度分布，而在密度较大的区域通过引力作用逐渐收缩并吸引周围的物质，同时引力势能转化为热能使天体升温，当中心温度升至一千万度时，点燃热核聚变反应，开始了氢聚变为氦的核反应，天体开始发光，形成一颗恒星，产生的光压与引力相平衡。大约燃烧几十亿到几百亿年之后，反应逐渐停止，引力大于光压，恒星开始收缩，引力势能进一步转化为热能，使温度上升。当中心温度上升到约一亿度时，点燃氦聚变为碳的反应（氦闪）。氦大约燃烧几百到几千万年，反应逐渐停止，引力再一次大于光压，使恒星继续收缩，此后的热核聚变逐一进行，碳聚变为氮，氮聚变为氧直到聚变为硅，此时中心温度大约是20亿度，硅开始聚变，并引发成百上千种核反应，最终转化为铁。而铁是所有的元素中最稳定的，它若转化为其它元素就必须要吸热了。此时的元素家族已经是人丁兴旺了，但大都还留在恒星的内部。恒星的归宿有三种：（1）质量不大于太阳1.4倍的恒星最终演化为白矮星，直径只有几千公里（比如天狼星的伴星）；（2）核心质量在1.4-3倍太阳质量的恒星将演化为中子星（如蟹状星云的中心）；（3）核心质量大于3倍太阳质量的恒星最终收缩为黑洞。在形成中子星的过程中，会同时猛烈的向外抛出大量的物质，形成新的星云，这就是超新星爆发。而太阳系中的重元素正是来自超新星爆发后残留的星云。由以上叙述，我们可以看到，恒星是锻造元素的“坩埚”，夜空中的点点繁星中，正在进行着这些激烈的反应，正在一炉一炉的锻造着在生命看来比黄金贵重的多的元素：碳氢氧氮磷硫钾钙镁原来，大自然在几十亿年前甚至上百亿年前就已经掌握了炼金术。 那么为什么不同的元素转化起来竟这样难，甚至需要几千万度到几十亿度的高温呢？粗略估算一下就可以知道，氦原子核中的两个质子间的排斥力大约是90牛顿。这么大的一个力竟加在两个质子上，可以说是难以想象的。好在核子间存在一种更强的核力将它们束缚起来不至散架。但核力是短程力，只在fm(10(-15)m)数量级范围内才表现出来，因此要想创造新的较重元素就需要克服核子间的强大的排斥力使原子核接近到fm范围。一种方法就是提供高温使原子核高速运动，在碰撞中使它们结合。这就是古代的炼金术士都是骗子的原因。 遥远的的星空蕴藏着无穷无尽的奥秘，双星、聚星、变星、新星、超新星、白矮星、脉冲星、星团、星系、星云、类星体、星际物质、黑洞它们大都进行着异常激烈的甚至是难以想象的各种变化，与之相比，地球乃至太阳系都不过是茫茫宇宙中的一粒微尘，而且似乎也显得太温和了。这些巨大的星体乃至整个宇宙都遵从着比较简单的，至少是我们可以理解的演化规律，甚至从大尺度上看，宇宙似乎像一个准确的钟表在不紧不慢的走着，我们甚至可以了解到从它诞生后的10(-36)s直到137亿年后的整个演化规律，而且可以做出较高精度的预言。这不能不说是人类历史上一个巨大的胜利，同时也在鼓舞人们建立这样的信念：世界是可以理解的，宇宙服从简单的，至少是可以理解的、可以预言的规律。 然而，大自然似乎并不愿这么快将它的内涵全部表露出来，近30年来对非线性的研究又给了机械决定论沉重一击。它表明，既是对一个非常简单的系统，长时期的精确预言也是几乎不可能的，同时也给我们对概率的理解平添了一些神秘色彩，并且成为科技前沿，展现出了复杂世界的美。这又给自然界蒙上了一层神秘面纱。而这些成果却是源于一只蝴蝶科普连载之三：蝴蝶效应1961年，美国气象学家洛仑兹在进行长期天气预报的数值运算时，将初始数据舍去了一个很小的尾数，结果发现，运行结果仅在开始时的一小段与原始结果偏差很小，之后偏差越来越大，直到最后得出了完全相反的结果。造成这一偏差的原因自然是稍微改动了一下初值。因此洛仑兹认定这组方程对初始值有高度的敏感性，他形象的比喻为“蝴蝶效应”。意思是说：一只蝴蝶煽动翅膀所引起的气流扰动可能会发展成一场“巨大风暴”，也可能会将一次原本应该产生的风暴消灭与无形之中。真可谓失之毫厘，差之千里。洛仑兹实际上证明了混沌的一个基本特征。 拉普拉斯的决定论观点在物理学中影响极为深远，即使出现了量子力学，出现了关于概率的自恰的诠释，仍有很多人没有放弃决定论的尝试。对于统计的解释长期以来就存在两种对立的说法，一种是把统计的必要性归结为自由度和方程数目太多，不可能列举出全部的初始条件，模型中存在一些次要的未考虑的因素（这些因素统称隐变量），（拉普拉斯非常推崇概率论，他认为未来人类的知识结构中一定是概率占了绝大部分，他本人也对概率论做出了突出贡献，他对概率的理解应该是属于这一类。）另一种观点强调，统计规律性是复杂系统规律性的后果，决不能将它还原为力学规律，物质运动和结构由低级到高级的发展是统计规律性的结果，决不应该来自力学描述中没有计入的次要因素（隐变量）。 近年来对非线性的研究，科学家们越来越倾向于第二种说法，尽管隐变量可能也起到了一些作用。在牛顿力学体系中，对系统大都进行线性化处理，忽略掉一些次要因素，线性处理对人们观念产生的一个重要影响就是，认为在很长时间内，未来都是可以预测的。近三十年来，随着各种观测手段的完善和计算技术的发展，许多非线性问题正在逐步解决，也展现出一些直接冲击传统观点的结果。 非线性科学有六个重要的研究领域：混沌、分形、模式形成、孤立子、元胞自动机和复杂系统，其中混沌和分形是前沿。从数学上，非线性系统不满足叠加原理，因此无法利用数学的傅里叶分析，至今非线性仍是数学谜题，绝大多数非线性问题无法有效解决。现实世界里，小至单摆，大至天体的天地万物都是非线性的，只是牛顿力学中进行了线性化处理（比如单摆，认为摆角很小）。叠加原理的失效直接导致了系统复杂性的产生。非线性的实质是事物之间的相互作用，若把一个系统分成N个子系统，若子系统间没有相互作用，则叠加原理有效，我们可以比较容易的描述（比如理想气体）。非线性的基本特点是产生多样性与多尺度性，混沌和分形只能在非线性系统中产生。现以混沌为例简要介绍。 混沌是非线性系统的最典型行为，它起源于非线性系统对初始条件的敏感依赖性（蝴蝶效应）。早在20世纪初，庞加莱就已在著名的三体问题中仔细研究过，他发现三体运动极为复杂，轨道的复杂性令人震惊，甚至都不想画出来。混沌现象的发现有两个重要意义，（1）：人们发现一个决定论系统的行为处于混沌状态时，似乎是完全随机的。仅这一点就迫使所有的实验科学家重新考察他们的数据，去研究数据的随机形究竟是隐变量引起的还是决定论的混沌现象。（2）：人们发现即使看上去很简单的系统（比如单摆、三体运动）也能产生混沌而表现得相当复杂。这一点启发我们，许多真实系统观察到的复杂行为，很可能只有一个简单的起源。混沌的出现导致了真实系统行为的不可预测性。这是因为，（1）：系统对初始条件有相当敏感的依赖性（2）：实际测量中我们只能得到存在误差的近似结果作为初始条件。但是一个决定论混沌系统，尽管看起来相当复杂，似乎完全随机，但是却蕴藏着规律与秩序，因此短期预报是可行的。复杂系统行为的短期预测已经成为混沌的一个重要应用。混沌的另一个重要应用是可以用微小的扰动对混沌系统进行控制，这一技术已成功应用于各种机械的、电子的、激光的、化学的系统和心脏组织的控制上。 混沌理论的成功开启了复杂性科学研究之门，它突破了人们的一个心理障碍：没有一个复杂系统会因为太复杂而不可触摸，人类已经到了直面复杂系统，攻克复杂性难题的时代。复杂性科学的研究论题极为广泛，包括人类语言、生命起源、计算机、演化生物学、经济学、心理学、生态学、免疫学、自旋玻璃、DNA、蜂群、地震、自组织等等。它使我们有理由相信，客观世界是非线性的，而产生现实世界迷人的复杂性的根本原因就是系统的非线性。有序与无序的相互影响，简单与复杂的重叠交错，构成了复杂的现实世界。同时我们更有理由相信，世界是统一的，服从简单的完美的统一的规律，甚至会有一个简单的起源。而在由简单到复杂构成复杂世界的过程中扮演重要角色的一定会有这位成员：非线性。 自从热力学第二定律建立起来后，就一直伴随着争论，一是热寂说，已经在大爆炸模型前破产了，一是与生物进化论的冲突。科学家们都很清楚，如果无法从物理的角度解释进化论，无法解释生命现象，就无法摆脱宗教与玄学的干扰与纠缠。现在，我们终于可以自豪的说，热力学与进化论并不矛盾，无序到有序的进化过程符合物理学的标准。这一切要感谢普里高京学派的工作科普连载之四：耗散结构比利时布鲁塞尔学派领导人普里高京于1967年在第一届理论物理与生物学国际会议上发表了名为结构、耗散和生命的论文，正式提出了耗散结构理论。普里高京因此获得了诺贝尔奖。 耗散结构理论指出：一个开放系统（无论是力学的、物理的、化学的还是生物的乃至社会的经济的系统）处在远离平衡态的非线性区域，当系统的某个参数变化到达一定的的临界值（阈值）时，通过涨落，系统发生突变，即非平衡相变，其状态可能从原来的混乱无序的状态转变到一种在时间上、空间上或功能上有序的新状态，这种新的有序结构（耗散结构）需要系统不断的与外界交换物质和能量才能得以维持并保持一定的稳定性，且不会因外界的微小扰动而消失。 耗散结构有四个条件：（1）系统必须是开放的，（2）系统必须处于远离平衡态，（3）系统内部存在非线性的相互作用，（4）涨落导致有序。 自然界的生物种类极其繁多，形态各异，功能复杂，构成了绚丽多彩的生物世界。同时生物界也是自然界中最富有生气和最具神秘感的领域。孤立系统不能产生有序结构，因为根据热力学第二定律，孤立系统的熵是永不减少的。因此耗散结构一定产生于开放系统，必须存在由环境流向系统的负熵流，而且能够抵消掉系统自身的熵增，才能使系统的熵减小，有序度增加。玻尔兹曼原理虽对解释平衡结构是成功的，却无法用来说明非平衡的有序结构，对于平衡态系统各个微观组态是等概率出现的，对于生物体，它是由分子、细胞、组织、器官、个体、群体按各种要求与层次组成的，在各层次上都表现出有序性，因此自组织现象（尤其是生命现象）只能在远离平衡态的条件下生存。因此普里高京认为，非平衡是有序之源。从系统内部组织的相互作用和动力学行为来看，能形成耗散结构的系统以及其演化过程所服从的动力学方程都是非线性的。在一些自组织现象如贝纳德流、激光、化学振荡的出现都是伴随着对称性破缺的突变现象，这些系统经历对称性破缺形成时空有序结构是自发进行的。涨落是指系统中某个变量和行为对平均值所发生的偏离，它使系统离开了原来的状态或轨道。对稳定系统来说，涨落是一种干扰，它引起系统的无序，这时系统有抗干扰能力，迫使涨落衰减，如果系统处在不稳定的临界状态，小的涨落不仅不会衰减，反而会被放大，驱动系统从不稳定状态跃迁到一个新的有序状态。这就是耗散结构强调的“涨落导致有序”。 普里高京学派认为，自组织是这样形成的：首先是系统内部的功能（即系统内部所包含的非线性、自催化、反馈机制等），由于这种功能，当系统离开平衡时，其无序状态会失去稳定性，另一方面是时空或功能结构，当无序状态失稳时，系统的功能所容许的有序结构是稳定的，最后一方面是涨落，当无序状态失稳后，涨落扮演了扰动的角色，促使系统从无序状态跃迁到有序状态。 总之，所谓自组织过程是指系统内部具有一定功能的开放系统在远离平衡态时，因其无序状态的失稳，在系统内部涨落的驱动下转变为宏观尺度上稳定的时间、空间或功能结构的过程。形成的结构称作耗散结构，它必须在系统不断与外界交流物质、能量的条件下才能维持。自组织必定是由系统内部的功能而自发形成的，外界之提供一定的条件而不进行直接的干预与安排。 自然界的美、自然界的结构与和谐性不是上帝创造的，而是自组织的结果。在研究结构起源时有两种趋势，一是着眼个体，将万物分解为基本的单元，如将晶体分解为分子、原子、原子核、电子、中子、质子、夸克等，或将生物体分解为器官、组织、细胞、细胞膜、细胞核、分子、原子等，这种方法取得了巨大的成功。另一种趋势是强调事物的整体性，即亚里士多德强调的整体大于部分的总和，即研究系统各部分的联系与相互作用对整体的影响，这种方法正在迅速发展。 谈到这里，也许许多人会对世界的复杂性有了一定程度的认识，也似乎在告诉我们，任何宏观物质都是极为复杂的，那种在数学上的理想化方程与物理上的理想化模型一定会或多或少的与事实存在偏差。然而，实验再一次证明，理想化模型在现实世界里的确是存在的，而且一度成为科学前沿，经久不衰，并有几位研究者获得了诺贝尔奖科普连载之五：广义超流1995年，在爱因斯坦理论预言玻色-爱因斯坦凝聚70年后，终于在有限空间关于铷、钠等中性原子气体实验中观察到气体的这种“凝聚现象”，这是轰动物理学界的一件大事，三位发现者获得了诺贝尔奖。玻色-爱因斯坦凝聚与广义超流存在密切的关系，截止2003年，因对广义超流（超导、液氦的超流等）的研究而获诺贝尔奖的物理学家竟有18位之多。 三维空间中的粒子分为两类：玻色子与费米子（美籍华人崔奇因发现二维电子气的分数量子霍尔效应获得了诺贝尔奖，这种电子既不是费米子也不是玻色子，目前称为任意子）。它们的本质不同是：费米子（电子、质子、中子、夸克等）受泡利不相容原理的制约，而玻色子（光子、氢原子、氦原子等）不受限制。偶数个费米子组成的系统是玻色子（比如氢、氦等），奇数个费米子组成的系统仍是费米子（比如氦的同位素氦3、氦电离掉一个电子后的氦离子等），周期表中约有四分之三的稳定同位素是玻色子。然而一般温度下（室温附近）热运动掩盖了它们的区别（两种粒子都近似表现为经典的波尔兹曼统计），要想得到玻色-爱因斯坦凝聚（几乎所有的粒子都分布在基态上）就必须降低温度。而就是这一“简单”的降温过程，却让所有的物理学家大吃一惊，它揭开了很久以来（或者说人类有史以来）自然界不为人知的一面，超导、超流等现象的出现，成了20世纪后半叶的热点之一。 荷兰科学家昂内斯将最后一种元素氦液化了，从而达到了人类从未达到过的低温，在研究低温下汞的电阻时发现，在4.2K附近，电阻突然消失了，这就是超导现象，昂内斯因为实现了氦的液化和发现超导体而获得了诺贝尔奖。直到目前为止，所有的精密仪器也没有测出超导体的电阻率，仅仅给出了一个上限：即使存在，也不大于10(-25)*m（比纯铜小一万万亿倍），有人将一个超导铅环感应出电流后，电流不需要电源，持续流动了三年多仍没有测出电流的变化。早期认为超导体仅仅是没有电阻的理想导体，并根据经典电磁理论得出了冻结磁通的概念，这种错误观点在没有实验验证下竟存在了22年，可以说阻碍了超导体的理论研究。直到1933年迈斯纳发现了超导体的另一个更基本的性质：完全抗磁性（是磁悬浮列车的理论依据），才对超导体的重要性有了更深刻的认识（迈斯纳因此获得了诺贝尔奖）。1957巴丁、库伯和施里弗给出了超导BCS理论（共同获得了诺贝尔奖，其中巴丁是唯一一位两次获诺贝尔物理学奖的科学家。），超导体载流子不是普通的电子，而是两个电子由于交换声子（量子化的晶格振动，属玻色子）形成了束缚电子对（库伯对），碰撞库伯对中的一个电子，它会将动量传递给另一个电子，从而保证整个体系动量守恒，能量没有损失。电子是费米子，但库伯电子对（因包含两个电子）是玻色子，因此降温导致的玻色子集体效应产生了正常态到超导态的相变过程。实验还发现了第二类超导体，存在部分量子化的冻结磁通，临界温度也高得多，BCS理论难以解释，目前存在很多其他理论来解释第二类超导体，但据我所知还很不系统。 由于超导体的无电阻性和完全抗磁性，使得它有广阔的应用前景。（1）：超到储能，一次储能可长期无损耗的保存，又可瞬间放出，可储能量高，体积小。（2）：超导磁体可提供人类从未达到过的强磁场，目前已有很多重要应用。（3）：在受控热核聚变反应中，可产生束缚等离子体的强磁场。（4）：磁流体发电机。（5）超导旋转电机。（6）：超导磁悬浮列车。（7）：超导电网。（8）：超导量子干涉仪（磁强计，可监测人体产生的心脑磁场等极为微弱的磁场）。（9）：超导重力仪。（10）：磁心脏仪。（11）：超导检流计。（12）：高频电磁辐射发生器。（13）：微波监测器和接受机。（14）：超导计算机（计划中）等。 与超导类似，人们又发现了液氦的超流动性，实验也无法测出它的粘滞系数，而仅仅给出了一个上限：不大于10(-11)Pa*s，在2.17K时，氦可以不受任何阻碍的流动。朗道由于对物质凝聚、超流和超导的研究特别是液氦的研究获得了诺贝尔奖，较深入的分析要用到量子统计理论。氦的同位素氦3是费米子，它的化学性质与氦完全相同，但在超流方面却有巨大差异。氦3也有超流动性（发现者获得了诺贝尔奖）与超导电子类似，由于氦3间的各种相互作用导致费米原子配对，从而形成玻色子系统，低温下产生玻色-爱因斯坦凝聚，从而表现出不寻常的一些性质。天文上的中子星内部也是超流的，在其内壳区与外核区存在超流中子和超导质子。有人猜测星体内可能存在超子超流体，也有人认为人体和动物体内的条件下很细的毛细管内血液流动也是超流的（否则正常血液流不进去），也有人设想人体内的电流是超流的，虽然没有实验上确切的证明，却拓宽了科学家们的思路与研究范围。 一般气体降温都会凝结为液体和固体（氦没有固态），但在强磁场中，自旋极化的氢原子气体等，在分子数密度不大时，一直降温到接近0K仍保持气态。可以观察到分子间相互作用可忽略的气体的玻色-爱因斯坦凝聚，1996年，观察到凝聚了约五百万个钠原子的凝聚态。由于周期表中大部分是玻色子，若能在温度不太低时就能实现玻色-爱因斯坦凝聚，可能会发现尚不知晓的新的的物理现象，甚至可能会制造出室温超导体，其应用前景不可估量。 量子力学子建立以来，经受了最严格的考验，逐渐为物理学家所接受，并迅速渗透到经典物理的各个领域，体现出了强大的生命力，甚至在相当多的经典领域内起到了化腐朽为神奇的功效。古老的光学也在量子力学的感召下焕发出了新的活力，它使人们对光的认识更深了一步的同时，也给人类带来了一项改变世界的发明科普连载之六：激光原理波尔早在研究氢原子的时侯就已经关于光与物质的相互作用提出了两个非常重要的概念：受激吸收与自发辐射。受激吸收即粒子吸收一个光子由低能级跃迁到高能级，自发辐射即高能级粒子不稳定，会自发跃迁到低能级，同时放出一个光子。爱因斯坦于1917年提出了光与物质相互作用的第三种方式：受激辐射。即高能级粒子在一个外来光子的诱导下会跃迁到低能级，同时释放一个与诱导光子完全相同的光子，也就是实现了光放大。受激辐射理论为激光的出现奠定了理论基础（爱因斯坦由此导出了普朗克的黑体辐射公式）。 受激辐射的发现表明，当一束光射向介质时，有可能存在这样一种情况：它非但不会衰减，反而能诱导引发出新的光子，而且新的光子的频率、相位、偏振状态、传播方向等均与如射光束完全相同，也就是说光通过某种介质可以实现受激辐射的光放大。 由吸收与受激辐射的关系可得到粒子数反转、增益等概念。在一般的热平衡介质中，低能级上分布的粒子数占据了绝对优势，故一般情况下，光通过介质不会被放大，要想实现光放大，就必须设法使粒子大部分跃迁到高能级上，并能在高能级上滞留足够长的时间。也就是说，受激辐射必须大于受激吸收。当处于高能级的粒子多于低能级粒子时，称为粒子数反转（或粒子数布居反转），这是一种非平衡态，若仍用经典的玻尔兹曼平衡分布表达式，这种介质就必须用“负绝对温度”来描述了（因此有人通俗的将负温度说成比无穷大更高的温度）。 实现了粒子数反转的介质称为激活介质，光子在激活介质中传播，光强会随距离的增加指数增长。为了产生并维持介质的激活状态，就需要外界通过适当方式不断将低能级原子抽运到高能级（称为泵浦），比如：气体放电、闪光灯、化学反应、核能等（依靠加热是不可能的，可通俗的认为加热不可能将温度升高到比无穷大还高的温度）。 仅仅有了激活介质还不够，因为它会对所有方向的光都有放大作用，产生杂乱无章的输出。这就需要一个新的部件：光学谐振腔。一般它由一个全反射凹面镜和一个99%反射、1%透射的凹面镜组成，光在两面镜子间来回反射，并不断放大，只要谐振腔满足一定条件，就可以产生稳定的激光。也就是说，激活介质与光学谐振腔是产生激光的必要条件。 自从1960年梅曼演示了第一台红宝石激光器以来，激光器件得到了前所未有的发展。各种各样的激光器层出不穷。从与微波接壤的远红外激光一直延续到软X射线激光，以介质来分可分为：气体、液体、固体、等离子体、半导体、染料、自由电子、准分子等，从泵浦方式分可分为：电激励、化学反应激励、核能激励、光激励等，功率方面小到微瓦（用于光互联、光计算等）大到太瓦（用于激光核聚变），有连续输出，也有4fs的超短脉冲 目前应用最广泛的气体激光器是He-Ne激光器，激光是Ne原子受激辐射产生的。可以产生632.8nm的激光，功率只有几个毫瓦到几十毫瓦，但它有很好的光谱特性，在精密测量方面具有重要应用。目前应用最广泛的激光器是半导体激光器，它是1962年由四个小组的科学家同时研制成功的，由于具有体积小、耗电少、电压低、效率高等优点而获得了广泛应用。又由于近年来半导体材料科学与技术、微电子科学与技术的成就，半导体激光器产量占了各类激光器的99%以上，又因为它具有寿命长、功率高、易调制、响应快等优点，在光通信、光存储、光计算等信息科学领域有广泛应用，一个新兴的光子学正在兴起并快速发展。 人们对电磁波的研究不仅加深了对物质运动规律的认识，也不断开发出一些改变世界的技术：对无线电的研究导致了广播、电视、远程通信的发展；对微波的开发导致了雷达、导航、射频加速器、波谱学、和物力、航天技术的发展；对X射线的研究使之很快应用到透视、探伤、晶体结构、集成电路光刻等方面，而激光的发明开发了一种由远红外到软X射线的强电磁波源，由此而发展的激光加工、激光通信等得到了广泛应用，毫不夸张的说，光是我们认识世界的最好工具。 量子力学为光学注入了新鲜血液，相对论自然也不示弱。相对论与光学的结合：又一个化腐朽为神奇的故事科普连载之七：同步辐射一位天文学家在无意中发现了一个特殊的脉冲信号，这一信号以极为精确的时间间隔出现在记录仪器上，大约每隔几毫秒就会出现一个完全相同的信号。这令他兴奋不已，以为发现了外星人发出的信息。然而事实并不这么浪漫，据考证，这是一个射电脉冲星发出的同步辐射。脉冲星就是高速旋转的中子星，由于角动量守恒，恒星坍缩形成的中子星一般会高速旋转。因为表面存在极强的磁场，旋转会产生沿着切线方向的同步辐射，每转一周，会扫过地球一次，因此观测到的几毫秒的时间间隔就是脉冲星的自转周期。脉冲星也因此被誉为宇宙灯塔。 根据经典电磁理论，带电粒子有加速度就会辐射电磁波，电磁波的分布在与加速度垂直的方向上最多，且对称分布。美国劳伦斯发明了回旋加速器（因此获得了诺贝尔奖）不久，这种加速器的缺点就暴露无遗。由相对论可知，粒子质量会随速度增大而增大，接近光速时趋向无穷。因此回旋加速器只能将质子加速到几十MeV，有人因此发明了同步回旋加速器（同步辐射因此而得名），依据质量的增大规律设计电路使得频率与质量增大同步进行，保证粒子有稳定的轨道。应用这种方法将质子加速到了100GeV，似乎理论上可以将质子加速到任意高的能量，然而问题出现了。经典电磁理论认为在圆轨道上的带电粒子会在速度正向和反向对称的辐射电磁波，然而相对论表明，这只是低速近似，在接近光速时，粒子向正向辐射电磁波的能量趋向无穷大，而反向则侧趋向零。也就是说加速的粒子向前发射光子，由于反冲作用使之难以进一步加速。这种辐射就是同步辐射。粒子物理学家们为此伤透了脑筋，想尽了各种办法也没有解决这种他们眼中的“废能”，终于放弃了各种尝试而改建几十公里长的直线加速器。然而光学家们却忽然意识到，同步辐射是一种比激光还要好的新型光源。 与激光的显著不同是：它的发光原理是单纯依靠带电粒子的“拐弯”即加速来实现的，而且绝大部分辐射向着粒子运动的前方辐射。而激光的原理则是粒子在两能级间的受激辐射。由于同步加速其中的电子能量很高，它辐射的光子能量也很高，其频谱分布很宽，可以从红外到X光波段。过去的强光源都不能提供连续的光谱，而同步辐射在很宽的范围内都能提供各种波长的强光，其频率可以连续调节，使用非常方便。可在同步辐射光源上装上单色仪，进行连续扫描。 同步辐射主要沿轨道切向发射，光束很窄，可得到很高的光强。同时可以具有极高的功率与亮度，而且几乎100%是线偏振光，偏振方向在轨道平面内。由于同步辐射加速器的技术已经比较成熟，其稳定性非常好，做光学实验精度高、重复性好。 1970年以后，第一代同步辐射光源与高能物理实验共用（北京正负电子对撞机，一机两用）。1974年进入了第二代：专门为产生同步辐射而设计（合肥中科大）。20世纪80年代末，发展了第三代同步辐射光源，在环形管道内加一些扭摆磁铁，使其波段光强大大提高（上海，具体地点不清楚）。同步辐射光源在生物学中可进行生物大分子结构分析、活细胞三维成像等，在地学、材料学、医学、集成电路光刻、光学元件等方面的开发有重要应用。 近年来兴起了一种自由电子激光，具有激光的光学谐振腔，基本原理却与同步辐射相同，即利用扭摆磁铁使电子偏转，单纯利用电子“拐弯”来辐射光子。具有激光器与同步辐射的双重优点，因此被一些人称为第四代同步辐射（中科院高能所北京自由电子激光装置：BFEL），在国防、医学、固体物理、材料科学、生命科学、能源等领域有广泛应用。 我国在同步辐射方面的投入和成果，不会落后于世界上任何一个国家，相信这一领域前途是无限光明的。提到相对论，人们最先想到的应该就是那个改变世界的方程：E=Mc2。在战争年代，我们的前辈见证了它可怕的力量：瞬间摧毁一座城市，死亡率50%。在倡导和平与发展的今天，它又会带给我们什么科普连载之八：应用核能自从进入20世纪，能源的消耗量激增，特别是70年代爆发的“石油危机”更体现出人类对能源需求的这种日益紧迫的现状。我国也已由原油出口国变成了进口国，而且是目前唯一一个以原煤作为主要能源的国家。将煤、石油、天然气这些宝贵的不可再生的化工原料当作燃料燃烧掉，这本身就是一种潜在的巨大的资源浪费。因此，调整能源结构、寻找开发利用新能源迫在眉睫。 由质能方程可知，物质蕴含着巨大的静止能，通过核裂变与核聚变可以获得其中的一部分（一般小于1%），这部分能量是相应化学能的大约一百万倍。若能找到或制造出大量反物质，利用正反物质湮灭可得到几乎100%的静止能，然而寻找反物质前途渺茫，制造反物质又难以批量生产，因此对核能的利用目前比较现实的就是核裂变与核聚变。 最初实现的核反应是用加速器加速质子轰击原子核，由于库仑排斥，根本得不偿失，因此1937年，核物理之父卢瑟福逝世前曾说过，核物理只是纯粹的基础研究，很难有实际应用。但1939年发现用中子轰击铀核可引发裂变，并能放出2到3个中子，从而产生连锁反应。这开辟了释放核能的途径。1945年，爆炸了第一颗原子弹，1954年苏联建成了第一座核电站，到1995年底，全世界已有33个国家有核电站432座，总发电能力34.0347万MW，目前核电已占世界耗电量的17%左右，而立陶宛占76.37%，法国占75.29%，比利时占55.77%。由此可见，核能的发展是相当迅速的。核能之所以能有如此迅速的发展，除能量巨大外，还有运输方便、地区适应性强、储量丰富等优点。1千克铀=3000吨煤，而且其污染远远小于火电站。 天然铀有两种同位素：U238(占99.3%)和U235(占0.7%)。当中子能量很高时，U238只有很少一部分裂变，低能中子不能使U238裂变，而是被大量吸收。因此U238不能产生连锁反应。采用慢化剂使中子减速到热中子以使大量U235裂变的反应堆称热中子反应堆，简称热堆。我国自行设计建造的第一座核电站-秦山核电站已于1991年建成，发电功率30万kW，1993年从法国引进的两座90万kW的核电站（建于广东大亚湾）也开始运行。U238不能直接作为核燃料，中子能量减少时会被U238强烈吸收后变成U239，U239经过两次-衰变变成Pu239,而Pu239是裂变物质，可以做核燃料，这就是目前比较热门的增值反应堆，顾名思义就是核燃料会越烧越多。我国是一个缺铀国家，因此很有必要发展增值反应堆。U235裂变一次约产生2.5个中子，维持裂变反应只需要一个，其余可让U238吸收，可使核燃料增值。 快中子反应堆是用快中子来产生裂变，需要高浓缩的铀，但可以使燃料增值，而且最重要的是，它可以使天然铀的利用率从1%到2%提高到60%到70%，因此快堆被誉为“明天的核电站锅炉”，即第二代反应堆。1989年11月，清华大学核能技术研究院设计建造了一座5MW低温核供热反应堆，是世界上第一座安全性能好的压力壳式低温核供热堆，另一座20万KW的低温核供热堆已由清华大学设计完成，并将在大庆油田兴建。 1升水=300升汽油，这就是核聚变的威力，而且核聚变是一种绿色能源，几乎没有任何污染。若能找到一种可控核聚变装置，可以说，能源将是取之不尽用之不竭的。目前世界各国都在核聚变方面有很多投入。 实现可控核聚变比较先进的方式目前有两种：超导托卡马克装置和激光惯性约束。超导托卡马克即用超导体产生强磁场，用来约束等离子体，使之不能与器壁碰撞。同时产生环形电流将等离子体加热到1亿度，并维持足够长的时间，即可释放出聚变能。激光惯性约束即将一个装有氘、氚的靶丸用功率密度很高（1014到1016W/cm2）的激光束或离子从四面八方照射靶丸，表面迅速气化形成反冲力使靶丸中心物质被压缩到很高的密度，同时产生很高的温度，导致微型热核爆炸，释放聚变能。我国核物理学家王淦昌于1964年提出依靠激光实现惯性约束的思想，但当时激光器刚刚诞生，还没有实用价值。经过多年努力，现已取得了重大进展。目前世界各国都在可控核聚变方面展开了激烈的竞争，我国也已将惯性约束引入863高科技项目中进行研究，相信聚变能走进我们的生活已为期不远了。 将一头大象放大一倍，结果会怎样呢？我们来分析一下。假设密度不变，体积显然变成了原来的三次方，因此体重变成了原来的三次方，但腿的截面积却仅变成原来的平方，这样，大象的腿就不能支撑身体的重量，被引力“压扁了”。同样，身体的其它部位由于无法适应这种变化，会导致大象无法正常生存。在这个例子里我们似乎看到，物体的尺度似乎并不简单，将物体简单的放大或缩小，它不会“适应新的环境”，或者说可能就会表现出一些未知的性质而不会遵从我们的日常经验了。我们可以想象，将物体的尺度减小到几个纳米到几百纳米，也就是说组成物体的颗粒中包含数目不是很惊人的原子时，这时物体会有什么新的性质呢？又会有什么应用呢？了解它们对我们的生活又能产生什么影响呢科普连载之九：纳米科技纳米材料即几何学尺寸为纳米（1nm=10(-9)m）量级的微粒，或由这些微粒在一定条件下加压形成的固体材料，由于处于宏观与微观的交界处，量子效应导致纳米材料具有奇特的物理性质，因此成为20世纪80年代的研究热点，并成为21世纪材料科学研究与应用的一个新领域。纳米科技将是生命科学与信息科学等技术革命的的关键，由纳米电子学和纳米生物学结合产生的生物分子机器可在1秒钟内完成几十亿个动作，纳米级晶体管和存储芯片将成百万倍的提高计算机的速度和效率。纳米材料也已逐步渗透到生产生活的各个领域，可以说，纳米时代正在向我们走来。 由量子力学的波函数概率诠释，波函数的模与t时刻某点处找到粒子的概率成正比，这使得人们仅关心波函数的模，而长期忽略了它的相位。1959年，阿哈罗诺夫与玻姆提出了被称为A-B效应的理论，证明了电磁学中的磁矢势A也具有物理实在性，尽管A不出现在洛仑兹力公式中，不会改变电子的受力，却可以引起电子波函数的变化，公式中多了一项干涉项。从此以后，宏观量子效应被逐步发现，1981年，前苏联沙尔文父子在微米级尺度上观察到了电子的A-B效应。而克利青发现的量子霍尔效应与崔奇（美籍华人）等人发现的分数量子霍尔效应均获得了诺贝尔奖。量子力学与固体物理学的结合，形成了介观物理学，为纳米科技与纳米材料奠定了理论基础。 纳米微粒尺度很小，只有100到10000个原子左右，其中50%左右分布在表面，正是这一特殊结构，导致了它的一些特殊物理效应。（1）：小尺寸效应：由于纳米微粒比可见光波长还小，光在纳米材料中传播的周期性被破坏，其光学性质与普通材料不同，其吸光能力特别强，一般呈黑色。利用这一性质，可以通过控制颗粒尺寸制造出有一定频宽的微波吸收纳米材料。（2）：界面效应：由于表面原子比例很大，因此有很大的比表面积，具有很高的活性，一些金属纳米粒子在空气中极易氧化，甚至会燃烧。（3）：量子尺寸效应：指粒子尺寸下降到极低值时，会产生明显的量子效应，导致纳米微粒的磁、光、声、热、电等性能与宏观材料明显不同。（4）：“库仑阻塞”：纳米金属颗粒或半导体量子点常被称为“库仑岛”。若一个库仑岛尺寸足够小，电容低于10(-6)F时，一个库仑岛只能容纳一个电子，可以用来研制单电子器件。 纳米固体材料可利用激光等离子体技术进行高温气相合成，或用化学沉积法制得粉料，然后压制烧结成型。目前制备纳米晶体的方法是惰性气体沉积加上原位加压法，即将初始材料在1kPa的惰性气体中蒸发，原子与惰性气体碰撞后沉积在低温冷阱上形成粉末，在真空下压制成纳米晶体材料。1991年11月，日本科学家发现了一种不同于碳60的碳的新结构：纳米碳管。碳管直径约1到30纳米，长度可达一微米，可看成是由石墨片卷成圆筒状。纳米碳管有一些特殊的性质，且具有惊人的强度，其韧性比其他纤维高200倍以上，填充其他物质后的碳纳米管可能会用于制造超导精细电子线路，具有广泛的应用前景。 工程技术专家和科学家意识到一个重要问题：微电子器件尺寸能否可以不断缩小下去。现在我们知道，当器件尺寸小到纳米量级时，电子的波动性及能量的不连续性等量子效应凸显，器件就自然失去了它的设计功能，于是人们开始设计、开发和研制新型纳米器件，如量子干涉晶体管、单电子晶体管、单电子存储器、弹道传输器件、纳米光学器件等。纳米材料在微电子器件、磁记录、传感器等方面也有重要应用，有人尝试用纳米硅材料制作单电子隧道二极管（隧道二极管发明者日本科学家江奇获得了诺贝尔奖，这里指的是单电子隧道二极管），也有人尝试制作纳料硅基超晶格。信息时代要求记录材料有高的性能与高的记录密度，每条信息要记录在几个平方微米甚至更小的面积上，纳米微粒为这种高密度记录提供了有利条件。由于纳米微粒对环境如温度、光、湿度等十分敏感，因此可以制作灵敏度很高的传感器件。 纳米科技尽管发展了很多年，已经获得了巨大成功，但它仍是一门前沿学科，其前景依然诱人，我们完全有理由相信，21世纪的纳米科技会有更辉煌的成就。 一块普通的石头会不会发光呢（不包括反射光）？会。而且我们完全可以用仪器监测到，只是它发出的光我们看不到而已。也就是说，即使在伸手不见五指的深夜，我们依然生活在一个光的海洋里。而这种看不见的光又会有什么应用价值呢？科普连载之十：红外光谱1865年，麦克斯韦由电磁场理论预测到电磁波的存在，并且提出了光的电磁波说，这是人类认识论上的一次巨大飞跃，也为电磁波的应用奠定了理论基础，同时，对电磁波本性的深入研究最终导致了20世纪的两大支柱：量子论与相对论的诞生。1887年，赫兹首次用实验验证了电磁波的存在，以及证实了麦克斯韦的推测：光是一种电磁波。即电磁波与光波性质完全相同。此后，人们又进行了许多试验，不仅进一步证实了光的电磁波说，而且证明了陆续发现的X射线、射线等也是电磁波。所有电磁波本性完全相同，只是波长（或频率）有所差异。按波长（或频率）将电磁波排列成谱，组成了一个庞大的电磁波谱。大量实验表明，电磁波谱没有上限和下限，从无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线到X射线、射线等都是电磁波。电磁波在各波段上都有极为广泛的应用，可见光只占电磁波谱中极为狭小的一段。原因是这一段是太阳辐射功率最大的一部分，生物选择这一小段作为可见光有利于进化，不同生物的可见光范围不同，对人来说是400nm到760nm。 红外线处于电磁波谱的0.76m到600m波段处，由黑体辐射定律可知，常温下所有物体都会辐射红外线。红外线可用于