截至北京时间5月2日17时,全球新冠肺炎累计确诊病例数超331万,其中,死亡病例数超23万。制图:赛先生(数据来源:Worldometer)
尽管创立量子力学的几位理论物理学家分成了两大派,不停地争论。但其余大多数的量子物理学家们也没有闲着,他们也许暂时没考虑如何解释波函数,到底是电荷分布,还是概率分布?但他们却把新量子论应用到物理的各个方面,解决一个又一个问题,并且取得了可喜的成绩。因此,今天也来聊聊量子力学的应用方面。
近几年“量子”这个名词突然在中国民众中热门起来,同时也造成了不少误解。人们只顾宣传量子现象之神奇,玻爱争论之长久,使得有些民众心里想:连爱因斯坦都认为不完备的理论还会有用吗?加上媒体对量子通信、量子计算机等不实的报道、宣传及争论,更使人云里雾里:以为这些尚未研究成型的玄乎技术,就是量子力学的应用。
量子力学的实际应用,一直伴随着其理论的发展,量子力学已经出现了100多年,它的应用也早在上世纪20、30年代就开始了,并非这些年才有的新鲜玩意儿,已经不是尖端的技术了。那么,量子力学有没有非它不可的应用,也就是说,是否存在没有量子力学就不可能实现的技术?
答案是肯定的,并且这种应用还很多。举两个简单的例子:核磁共振和激光。它们的应用范围很广,不用多列举大家就能想出一大堆。核磁共振在医学诊断上不可或缺,激光更可以说是无处不在。就这两项应用的原理而言,核磁共振技术上的实现是基于“自旋”的概念,而激光的实现是基于“全同粒子”,玻色-爱因斯坦量子统计等性质。这些都是量子力学中的名词,没有量子力学,不可能有这两样基本发明以及之后发展出来的相关技术。
另一个更大更复杂的领域是半导体技术。最早发现半导体材料其特殊性质的人是法拉第(Michael Faraday,1791-1867),那时候还没有量子力学。但是如果没有量子力学理论的指导,半导体技术不可能发展成现在这样越做越小的量产工程。
1915年诺贝尔物理学奖授予英国的亨利·布拉格(Sir William Henry Bragg,1862-1942)和他的儿子劳伦斯•布拉格(Sir William Lawrence Bragg,1890-1971),以表彰他们用X射线对晶体结构的分析所作的贡献。这是唯一一次父子一同登上诺贝尔领奖台,成为了一段佳话。并且,小布拉格当时只有25岁,是迄今为止最年轻的诺贝尔物理学奖得主。
小布拉格曾经出席了两次索尔维会议。除了布拉格之外,还有一位两次在索尔维会议上露过面的物理学家——莱昂·布里渊(Léon Brillouin,1889-1969),他最重要的贡献是在晶体倒格子空间中表示的“布里渊区”。然而,真正将量子力学概念用于晶体研究中去求解晶体中薛定谔方程的,是获得了1952年诺贝尔物理学奖的美籍瑞士裔物理学家费利克斯·布洛赫(Felix Bloch,1905-1983)。
1927年,德国物理学家弗里德里希·洪德(Friedrich Hund,1896-1997)首次发现电子波包能反复穿过势阱而形成振荡。紧接着,美籍俄裔物理学家伽莫夫(George Gamow,1904-1968)1928年提出用量子隧穿效应(Quantum tunnelling effect)来解释原子核的α衰变问题。
伽莫夫对科学有多方面的贡献,好几项都可以说达到了诺贝尔奖级别,但遗憾的是他没有得到诺贝尔奖。列举几项伽莫夫除了隧穿效应之外的贡献:1,在原子核物理中始创原子核内部结构的液滴模型(1928年)。这个模型后来由玻尔和惠勒推广,解释原子核的裂变,成为研发原子弹的基础理论。
2,到剑桥卢瑟福实验室访学时,与考克饶夫(Sir John Cockcroft,1897-1967)和沃尔顿(Ernest Thomas Sinton Walton,1903-1995)合作。根据他的计算,那两人设计出加速器,第一次用人工加速的质子分裂原子核,打开了锂原子核。他们后来获得1951年诺贝尔物理学奖,在获奖感言中感谢了伽莫夫所起的关键作用。
3,与爱德华·泰勒(Edward Teller,1908-2003)共同描述自旋诱发的原子核β衰变(1936年)。4,在恒星反应速率和元素形成方面引入“伽莫夫”因子(1938年);建立红巨星、超新星和中子星模型(1939年)。5,伽莫夫1948年发展宇宙的“大爆炸理论”模型。6,首先提出遗传密码有可能如何转录(1954年)。7,一系列科普著作——《物理世界奇遇记》《从一到无穷大》。