量子理论修改版

诺贝尔物理奖与精彩生活 量子理论 充满诱惑的迷宫 主讲人 崇桂书副教授 量子理论创立至今已经超过一个世纪 量子力学的发展史是物理学史上最激动人心的篇章之一 从中 我们会看到经典物理学的大厦在新思想的狂风暴雨中轰然倒塌 却又在熊熊烈焰中得到洗礼和重生 我们会看到最革命的思潮席卷大地 带来了让人惊骇的电闪雷鸣 同时却又展现出震撼人心的美丽 我们会看到科学如何在荆棘和沼泽中艰难的走来 却更加坚定了对胜利的信念 一个世纪过去 我们赫然发现在量子力学这座炫目的丰碑上已经刻下了一长串风流人物的灵魂 马克思 普朗克 1918 能量子 爱因斯坦1921 光电效应 玻尔1922 原子结构 密立根1923 光电效应 康普顿1926 康普顿效应 薛定谔1933 量子力学 狄拉克1933 量子力学 戴维逊 革末1937 电子衍射 泡利1945 泡利原理 玻恩1954 统计解释 库珀1972 超导理论 克劳斯 冯 克 利菁1985 量子霍尔效应 宾尼1986 扫描隧道显微镜 朱棣文1997 激光冷却 捕获 克特勒2001 玻色凝聚体 对于习惯用直觉认识世界的人类 量子理论的基本思想是如此的 有悖常理 带来的结论是如此的令人震惊 研究的结果又是如此的颠覆 以至于爱因斯坦不禁感叹道 量子力学越是取得成功 它自身就越显得荒谬 在普通大众的心目中 量子力学是如此的阳春白雪 恍如天上的星辰 离我们的生活是如此的遥远 事实恰好相反 我们不得不承认 虽然它依然看起来奇异而陌生 但量子力学在过去的一百年里已经为人类带来了太多革命性的发明创造 量子力学应用概述 量子力学与科学思想量子力学与科学学科量子力学与量子器件量子力学与量子信息 光照射到某些物质上 引起物质的电性质发生变化 也就是光能量转换成电能 这类光致电变的现象被人们统称为光电效应 一 太阳能电池 光电效应 1887年赫兹在实验研究麦克斯韦电磁理论时偶然发现的 1899 1902年间 勒纳德对光电效应进行了系统研究 并命名为光电效应 1905年 爱因斯坦用光量子理论对光电效应进行了全面的解释 1916年 美国科学家密立根通过精密的定量实验证明了爱因斯坦的理论解释 从而也证明了光量子理论 光电效应的实验 理论发展历史 光电直接转换方式是利用光电效应 将太阳能直接转换成电能 太阳能电池就是光电转换的基本装置 太阳能电池是一由于光生伏特效应而将太阳能直接转换成电能的器件 是一个半导体二极管 能把照射到它上面的太阳能转换成电能 形成电流 特点与优点 太阳能电池是一种大有前途的新型电源 具有永久性 清洁性和灵活性三大优点 太阳能电池寿命长 只要太阳存在 太阳能电池就可以一次投资 长期使用 与火力发电和核能发电相比 不会引起环境污染 太阳能电池还可以大中小并举 大到百万千瓦的中型发电站 小到供一户使用的太阳能电池组 只是其他电源无法比拟的 基本原理 1883年CharlesFritts制备成功第一块光电池 器件只有1 的效率 1946年RussellOhl申请了现代太阳电池的制造专利 1954年在贝尔实验室诞生第一个有实际应用价值的太阳能电池 太阳电池技术的时代终于到来 1960年代开始 美国发射的人造卫星就已经利用太阳能电池做为能量的来源 1970年代能源危机时 人们开始把太阳能电池的应用转移到一般的民生用途上 1983年美国在加州建立世界上当时最大的太阳能电厂 它的发电量可以高达16百万瓦特 1996年 日本已经有9 400户装置 装设的总容量也达到了32百万瓦特 2009年3月 中国财政部宣布拟对太阳能光电建筑等大型太阳能工程进行补贴 是全球光伏产品生产第一大国 2010年 产量已超全球的50 太阳能电池为太空飞行器提供能源 太空太阳能发电站拥有巨型的发射镜阵列 西班牙建成的夜间太阳能发电站 二 扫描隧道显微镜 1982年 IBM瑞士苏黎世实验室的葛 宾尼和海 罗雷尔研制出世界上第一台扫描隧道显微镜 STM 使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质 在表面科学 材料科学和生命科学等领域的研究中有重大意义 被国际科学界公认为二十世纪80年代世界十大科技成就之一 为表彰STM的发明者们的杰出贡献 1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金 葛 宾尼 GerdBinning 海 罗雷尔 HeinrichRohrer 量子力学中隧道效应 扫描隧道显微镜 STM 的工作原理就是基于隧道效应和三维扫描 经典力学下 粒子能量低于势垒能量 右边成为经典禁区 量子力学下 粒子能量低于势垒 仍可隧穿至右边 用极细的针尖接触样品表面 当针尖和样品表面离得太近 即小于1纳米时 针尖头部的原子和样品表面原子的电子云发生重叠 此时若在针尖和样品间加上一个偏压 电子便会穿过针尖和样品之间的势垒而形成纳安级的隧道电流 通过控制针尖和样品表面距离的恒定 并使针尖沿表面进行精确的三维移动 就可将表面形貌和表面电子态等有关表面信息记录下来 样品表面的 原子森林 硅表面7 7重构图 1 利用STM针尖 可实现对原子和分子的移动和操纵 为纳米技术的全面发展奠定了基础 1990年IBM公司的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果 他们在金属镍表面用35个惰性气体山原子组成 IBM 三个英文字母 特点及应用 2 具有原子级高分辨率 0 1 0 01纳米 即可分辨出单个原子 中国化学所研究人员利用纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国地图 3 可在真空 大气 常温等不同环境下工作 样品甚至可以浸在其他溶液中 电解液中得到的硫酸根离子吸附在铜单晶表面的STM图像 图中硫酸根离子吸附的一级和二级结构清晰可见 三 量子世界的粒子 塞尔日 阿罗什 大卫 杰弗里 瓦恩兰 突破性的手法操纵 控制单量子系统 17 一问 量子有什么可神奇的 量子这个玩意 它非常非常小 小到10 10次方米 这就是量子的尺寸 它这么小 有个麻烦事情 像牛顿定律这些现有的经典的牛逼物理学定理 对了解量子的 生存状态 完全不起作用 二问 为什么这个方法的发现很牛逼 量子不仅小得 牛顿 们 管 不了它 而且它还很飘忽 科学家根本不知道它的精确位置 更神奇的是 量子是个兼容并包的好同志 它既具有波的特性 比如 它会 拐弯 又具有粒子的特性 比如 它有结构 这在物质领域 是难能可贵的 但是 量子这玩意是 见光死 一和外界接触 就会像被点了穴道一样 从多元活泼的 积极分子 变成 僵饼人 专业术语 叫做 塌缩 这两位科学家发明了办法 能解析单个咪咪小 飘乎乎的量子粒子 这是大牛特牛了 三问 这个发明 将来可以有怎样的应用 首先 这个研究将推动超快量子计算机的建立 比如 现在的计算机毕竟是二进制的 一遇到比较复杂的建模 像准确预测天气 预测更长时间后的天气等等 它就会罢工 耍赖 我算不出来 而超快量子计算机就能算 还机如其名 算得超快 也许就在这个世纪里 量子计算机就将彻底改变我们的日常生活 如同经典计算机在上个世纪改变了我们的生活那样 再一个就是 这些研究还使我们能够以让原子穿过光陷阱的方式来建造极其精确的时钟 也许将成为未来新的时间标准的基础 比我们现行的铯原子钟要精确好几百倍 比如现在的铯原子钟 2000万年出现1秒钟的误差 如果实现基于量子的时钟 时间就能准确到20亿万年才有1秒钟的误差 我们需要那么准的时间吗 你在地球上是感觉不大 但是你出了太空 进行空间飞行之类的活动时候 时间的精准度高和低 那是有大差距的 四问 目前科学家都是怎么了解量子的呢 大家还记不记得美剧 生活大爆炸 中 谢耳朵曾给佩妮出主意 要不要跟莱纳德交往的时候 说到一个量子力学的理论 薛定谔的猫 因为量子不能见光被直接研究分析 所以科学家把一只猫和一小瓶密封好的毒药一起放在盒子里 毒药瓶会随时因量子的衰变反应而破裂 除非打开盒子 没人知道毒药是否或者何时被释放 也不知道猫是死是活 而阿罗什教授和瓦兰教授所探索出的新方法 就不必那么残忍了 完全可以不关无辜的猫咪任何事情 他们可以直接观察 测量 反正是各种深度偷窥 但是又能保证它的 活泼 的特性可以保持不变 后期就可以更好地为人类服务 四 薛定谔的 猫 微观世界 处于微观 叠加态 的粒子可以几乎同时处于几个不同地点 直到测量时 才在某处出现 宏观世界 宏观粒子能否具有相同的 叠加态 实验 微观衰变 未衰变叠加态宏观猫死 活叠加态 经典世界 猫要么死要么活 量子世界 猫处于死和活的叠加态 直到观察时决定生死 死猫or活猫 疑惑 薛定谔之猫实际上提出了一个重要问题 什么是量子测量 宏观测量 对被观测对象没有影响 看一眼总行吧 微观测量 观测者与被观测者相互作用 看一眼 摊上大事了 推论 后续研究