改天換地---量子理論有什麼用

19世紀初,普朗克提出能量子概念,20年代海森堡矩陣力學和薛定諤波動力學相繼建立,量子力學就此誕生,與幾乎同時期誕生的相對論並稱為現代物理學兩大基石。很多人以為量子論只是一種形而上的哲學討論,但事實上在我們的現實生活中,量子力學及其後續發展的應用極其廣泛,可以毫不誇張的講:沒有量子論就沒有我們現在的生活。

下面就量子論對現代科技生活的促進做出盤點:

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索爾維會議

一、物理領域

量子力學描述了單個粒子如何運動,在需要描述多粒子之間的相互作用時,科學家使用場的概念來描述這種相互作用,把麥克斯韋的電磁場進行量子化後建立起了量子電動力學(QED),它概括了原子物理、分子物理、固體物理、核物理和粒子物理各個領域中的電磁相互作用的基本原理。楊-米爾斯規範場論建立後,量子色動力學描述了強相互作用力,弱電統一理論描述了弱相互作用,希格斯場賦予規範玻色子質量,粒子物理學使用標準模型來描述基本粒子,以上統稱量子場論,量子力學可看做量子場論在低速下的一個很好近似。

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狄拉克-量子電動力學鼻祖

1.1核物理學描述了原子內部的構造,與狹義相對論一起為人類找到了一種 “取之不盡,用之不竭”的能源---原子能。.

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反應堆

1.2固體物理中的能帶理論(用量子論的方法研究固體內部電子運動的理論),描述了導體與絕緣體、半導體

的區別,是現代固體電子技術的理論基礎。半導體、晶體管、集成電路等等都基於此理論,而集成電路構建起了現代人類賴以生存的計算機互聯網。

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集成電路

1.3量子光學將激光描述為原子內電子不同能級的受激躍遷放大,激光在現代應用極廣,包括光譜學、光纖通信、激光測距、激光雷達、激光武器等等。

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激光器

1.4基於量子力學的凝聚態物理是現在最為熱門的前沿學科,其中超導現象超流現象前景廣闊。目前的應用還有,醫學診斷中核磁共振成像技術、掃描隧道顯微鏡、超導量子計算機等。

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超導現象

1.5 常見的量子論物理領域應用還有原子鐘、電子顯微鏡、納米材料、粒子加速器、放療、閃存等等。

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粒子加速器

二、化學領域

量子論對於化學的發展提供了全新的研究視角,為化學家提供了認識物質化學結構的新理論工具。1927年物理學家瓦爾特·海特勒和弗裡茨·倫敦將量子力學處理原子結構的方法應用於氫氣分子,成功地定量闡釋了兩個中性原子形成化學鍵的過程,他們的成功標誌著量子力學與化學的交叉學科---量子化學的誕生,

如今我們關於化學的幾乎一切知識,都建立在這個基礎之上。形成的價鍵理論分子軌道理論是其主要理論研究方法,隨著計算機技術的發展,量子化學所需的海量計算得以解決,現在量子化學計算已廣泛應用於新材料、環境、能源、製藥等領域。(注:一般認為將量子理論應用於原子體系還是分子體系是區分量子物理學與量子化學的標準

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化學鍵理論

三、 分子生物學領域

分子生物學是從分子水平研究生物大分子的結構與功能從而闡明生命現象本質的科學,其主要研究領域包括蛋白質體系、蛋白質-核酸體系和蛋白質-脂質體系,DNA雙螺旋結構的發現標誌著分子生物學的誕生(DNA結構發現本身也基於量子論弱力和晶體衍射的研究)。近年來,使用精確的量子化學計算方法與分子生物學結合,逐漸形成新的交叉學科量子生物學。其主要通過計算量子效應來模擬生物相互作用,進行光合作用、嗅覺、視覺、酶活性、磁感應以及DNA突變等生物方面的研究。

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光合作用

四、量子計算領域

在一些特定算法(例如用於大質數分解的Shor算法、Grover搜索算法、量子退火算法等)下,量子計算機的速度會比經典架構的計算機快成千上萬倍。經典計算機使用0和1作為比特,而量子計算機則使用量子比特作為基本單位,量子比特由不同的量子態疊加形成。

量子計算機仍處於實驗室研究階段,主要技術難點在於退相干,距離50個邏輯量子比特的“量子制霸”可能仍有距離。2018年潘建偉團隊宣佈實現18個光量子比特糾纏,Google公佈72個量子比特的超導原型機(但沒有公開實驗數據,可能有較多量子比特用於糾錯)。(最新消息為2019年4月17日潘建偉團隊首次製備並驗證了12個超導比特的真糾纏,保真度達到70%,打破了之前創造的10個超導量子比特糾纏的記錄。)目前看GOOGLE最有可能率先實現“量子制霸”。不過需要注意的是,即使量子計算機研製成功也無法替代現有經典計算機。

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GOOGLE D-Wave量子計算機

五、量子通信領域

上一條的量子計算機如果研製成功,可以快速破解現有的以大質數分解為基礎的密碼體系,由此迫切需要新的加密技術。有兩個具體方向,其中量子秘鑰分發技術基於量子不可複製原理,可以從理論上防止破解,量子密鑰分發技術已有實際應用,2018年1月,在中國和奧地利之間使用墨子號首次實現距離達7600公里的洲際量子密鑰分發,並利用共享密鑰實現加密數據傳輸和視頻通信;而利用量子糾纏的量子態傳輸技術仍處於研究階段,這裡需要注意的是這種量子態傳輸仍然需要傳統信道所以信息無法“瞬達”,其研究目的仍然是通信加密。

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墨子號

六、宇宙學領域

量子理論還可以用來解釋恆星的演化現象。在恆星的生命終點,當所有核燃料都已用盡,恆星會開始引力坍縮的過程,最終可能變為白矮星、中子星或黑洞。坍縮時,假若泡利不相容原理下的電子簡併壓力能夠克服引力,就會形成白矮星,否則會繼續坍縮,由於中子也遵守泡利不相容原理,這時假若中子簡併壓力能夠克服引力,則會形成中子星,否則就會坍縮成黑洞。後來霍金根據海森堡不確定性原理推導出真空中不斷有正反粒子對產生與湮滅,假如正好一個產生於黑洞視界外面,一個產生於黑洞視界裡面,則會產生“霍金蒸發”現象,也就是黑洞也會慢慢蒸發消亡。1980年,阿倫·古斯創立了宇宙的“暴漲理論”。該理論認為我們的宇宙起源於一片虛無,在不確定原理的量子效應下一小塊時空突然從根本沒有時空中產生出來,然後因為各種力的作用,它突然指數級地膨脹起來,在瞬間擴大到整個宇宙的尺度。

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霍金輻射

物理學理論研究進展:

目前已知的四種基本作用力為電磁力、弱相互作用力、強相互作用力、引力。其中上世紀60年代末建立的電弱統一理論成功將電磁力和弱力統一在了一起。上世紀70年代建立起的超對稱大統一理論可以將強力、電磁力和弱力統一在一起,但其預言的磁單極子和質子衰變至今仍沒有得到實驗證劇。始於上世紀80年代的超弦理論能夠統一量子場論和廣義相對論,從而統一這四種基本作用力,但是由於無法進行實驗驗證(需要能量太高),該理論研究更傾向於數學,也許我們永遠無法得到宇宙的終極奧秘。就如同量子論存在的各種解釋一樣,由於我們身處紅塵,無法跳出去觀察整個宇宙,對於我們來說也許不可知才是唯一的真相。


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