量子物理科學都能解決什麼問題?

特斯拉神話


非常感謝小夥伴貢獻的這個問題,我想這個問題非常有價值,因為一定有很多小夥伴想知道它的答案。

一、量子力學的研究對象

在很多小夥伴們常見的思維中都是以為,量子力學研究的都是極其微小的粒子的行為,跟我們的日常生活扯不上什麼關係。其實這是對量子力學的一個嚴重誤解。

當我們研究一個大塊物體的力學性質或是熱性質的時候,我們會發現經典理論或者說是比較老的理論幾乎立刻就失效了。

我舉個例子,我們可以把不同的金屬做成燈絲,通電後令其發光,然後利用光譜分析的辦法觀察其發出的光的頻率。我們會發現很奇怪的現象,不同材料的燈絲都有其獨特的特徵譜線。

這在經典力學中是不可思議的,因為能量是連續的,燈絲髮光只能與燈絲的溫度有關,而跟材料的性質無關,應該是連續譜線才對。但事實上譜線不是連續的。

這個特點在我們如今設計的LED燈的時候特別突出。我不知道小夥伴們的觀察能力怎麼樣,如果您用過早期的LED燈,會發現它發出來的白光偏冷,總感覺讓人不舒服,而最近生產的LED燈已經能模擬陽光甚至是其他光源的光了。

我比較喜歡那種暖黃色的LED燈,這種燈的光線很柔和,讓人感覺心裡也暖暖的。這種技術上的進步,就來自量子力學的研究成果。

二、量子力學在生物化學領域的應用

最近新冠病毒肆虐華夏大地,我不是學醫的,所以一篇科普文章都沒寫。但是作為這場災難的親歷者之一,跟大家一樣關注著疫情的進展。

關於疫情的報道可謂是鋪天蓋地,但是出鏡率最高的就是那張病毒的照片吧。不知道大家有沒有想過,這張納米尺度的照片是怎麼來的呢?

沒錯,就是電子顯微鏡。電子顯微鏡就是利用電子的波動性,由於其波長很短,所以能拍攝出更小尺度的物體。這時候的電子的行為就像是可見光的光波。

其它的醫療領域常見手段,比如核磁共振,除了利用原子核的自旋量子效益,還同時利用了超導現象,超導體也是量子力學的研究範圍。

三、量子力學是研究新材料的基礎科學

我這裡提一個名詞——凝聚態物理。可能對於很多非物理專業的小夥伴們來說,這個詞很陌生。但實際上,這個領域已經發展了近百年,它之前叫做固體物理。

凝聚態物理學的理論基礎是量子力學,基本上已經完備而成熟。但由於這裡涉及大量(趨於10^23)微觀粒子的體系,而且研究對象進一步複雜化,新結構、新現象和新機制依然層出不窮,需要從實驗、理論和計算上的探索,仍構成對人類智力的強有力的挑戰。

凝聚態物理學和高新技術的發展關係密切。信息、材料和能源技術在21世紀所面臨的挑戰將給凝聚態物理學的進一步發展提供機遇。凝聚態物理學還在學科交叉中大有可為。隨著凝聚態物理學日益深入到複雜結構的物質。它和化學之間的交叉滲透也愈來愈明顯,甚至學科間的分界線已趨於模糊。它和生物學之間的交叉滲透也日新月異,既有實驗技術上的相互支持,又有機制理論上的共同探索。

四、量子力學與廣義相對論宇宙學聯姻

很難想象,一個研究即使是最高分辨率的光學顯微鏡也無法看到的微觀粒子行為的學科,是怎麼能夠跟浩瀚的宇宙扯上關係的。

雖然科學家們努力了70年,至今也沒有統一量子力學和廣義相對論,完成愛因斯坦關於大統一理論的夢想,但是這兩門科學真的是在宇宙學領域中聯手做出了貢獻。

科學的神奇就在這裡,我們如今能確定宇宙中其他星球上組成的元素跟我們太陽系一樣,正是源自我們對原子、原子核特性的研究。

同時在恆星的演化、中子星、黑洞燈天體的研究上,量子力學的作用也非常大。沒有量子力學,我們就不可能知道恆星的演化過程。也不會明白黑洞的一些基本特性。

如果沒有量子力學,我們也無法推演出宇宙大爆炸初始時刻之後都發生過什麼,無法對大爆炸的過程進行詳細的描述。不能解釋宇宙中各種元素的丰度比例是怎麼來的。

結束語

從我們前面的介紹,小夥伴們可以知道,雖然量子力學研究的是微小尺度的粒子的行為,但是它的研究成果,不但與我們的日常生活息息相關,更與我們對自然界,對宇宙的瞭解緊密聯繫。量子力學不是一門虛無縹緲的思辨領域,而是一門經得住實踐檢驗的科學理論。

我是郭哥聊科學,普及科學知識,傳播科學思維,持續為大家提供高質量的科普文章。


郭哥聊科學


量子力學作為一種比牛頓力學更為“優越”的理論體系,也是歷史發展到一定階段的產物。

那麼量子力學能解決什麼問題?又有怎樣的定義?

自從德國物理學家普朗克提出量子化假說,帶給我們新的關於自然科學和表達方式。

量子力學研究的是微觀世界物質粒子的運動規律,是現代物理學兩大支柱之一,涉及原子、分子和凝聚態物質,包括原子核和基本粒子等。

在化學、材料學和生物學等學科以及許多近代技術中均得到了廣泛的應用。

一些重大發現,如原子彈、核能發電、半導體工業等許多重要領域都存在量子學的身影。

現如今更是在量子計算、保密通信等現代通訊技術領域大放異彩。

所以說量子科學是現代科學主要發展方向。


會講故事的外星人


量子物理科學可是能解決很多問題,我就來說說典型的應用有哪些吧。

1.原子彈的應用

造核裂變原子彈的原理是鈾核裂變成兩半,釋放能量,並釋放一箇中子,去擊穿其他鈾核繼續裂變和產生中子,產生鏈式反應。最終得到可以毀滅城市的能量。

科學家們不能知道哪個中子將裂變鈾核,但可以用難以置信的精度計算一顆原子彈中幾十億個鈾原子裂變的概率。

造核聚變原子彈同理也需要量子物理科學的參與。

2.粒子透視射線

四大作用力中的弱核作用力是放射性衰變的主要原因。這個弱力不足以將原子核聚在一起而引起核子破裂或者說衰變。

醫院的核醫學就是靠放射性射線,呈現我們身體內部和大腦的清晰圖像,同時在工程探傷和安檢方面也有應用。如今在量子領域的進步,會發現和收集更多獨特的粒子,能透視連X射線也無法穿透的緻密材料。

3.量子計算機

如今計算機CPU的製造工藝是越來越先進,但遲早會遇到瓶頸。電路並不能無限的縮小,由於海森堡測不準原理,一個電子可能跑到絕緣體和半導體之外,而不是停留在電路之內,這意味著會短路。

同時由於卡西米爾效應,當製造CPU的硅片上的元件小到一定尺度,他們就會沾到一起。

而想要運算速度更快的計算機,就只能考慮量子計算機了。目前谷歌宣稱已經造出有54個超導量子位元的量子計算機,計算速度超過超級計算機。

目前我就想到這些,也許有其他應用我還不知道。

可以這麼說,因為量子物理科學領域是基礎物理學領域,它的發展能對其他應用有很大的促進作用。可以說是顛覆性的技術,甚至能改變社會的生活狀態。國家實力的體現往往就看這些基礎領域的發展程度。


科博熊


在物理中,量子的定義是不可以繼續分割的物理量。

一個物理量小到一定的數值,它就沒辦法繼續分割下去,我們就可以稱呼這個物理量為量子。

可以看出:量子力學研究的是萬物中最為微小的組成部分。

這意味著,量子力學在材料、化學、生物、計算、能源、軍事幾個領域都會有重大的貢獻。


在材料領域,主要集中在半導體領域,固體物理領域也有所涉及。

主要包括超導體和半導體。

量子力學有望發現在常溫常壓下的超導體,製造出磁懸浮裝置,減少設備發熱和能源消耗。

量子力學可以預測半導體的效果,從而製造出新材料。


在化學領域,量子力學有助於讓我們理解化學反應。

化學的核心是研究電磁相互作用。

量子力學可以用來理解在微觀領域,電磁相互作用是怎麼產生的。

雖然解薛定諤方程來理解化學反應,是極為困難,甚至可以說是不可能的。

但就算最簡單的計算,也可以起到不俗的效果。


在生物學領域,某些生物化學反應是通過量子效應進行的。

比方說細胞呼吸中,就用到了量子力學的隧穿效應來傳遞電子。

量子力學有助於讓我們理解生物化學作用是如何進行的。


在能源領域,量子力學是點出核聚變的前置科技。

它包括瞭如何用磁場約束核聚變產生的等離子體,也包括了為什麼核聚變可以產生能量,要怎麼產生能量。


在計算領域,量子力學主要有兩大作用。

1、加密:量子力學可以提供一種理論上不可能被解密的密碼。

2、計算:量子力學可以提供驚人的計算能力,來解決一些特定的問題。


如此,我們很容易理解量子力學在軍事上的用途。

——新的材料可以運用到軍事中。

——中國無人機是世界先進水平,無人機有個弱點,容易被黑客入侵。

通過量子加密,我們可以讓無人機免疫黑客入侵,從而在軍事上發揮重要作用。

——計算能力在軍事上可以提供潛在的作用。


結論:量子力學可以在材料、化學、生物、計算、能源、軍事幾個領域都發揮巨大作用。


唔,如果有什麼遺漏請補充~~


杯中窺物


量子力學,為什麼聽不懂?

因為它取了一個不該取的錯誤的名詞“量子”。“量子”這個詞不該取且錯誤,為什麼?首先我們應該搞清,能量的定義是什麼?能量是物質彈性力變化的反映。能量,它是無形感覺存在。據此就不該出現“量子”這個詞。一旦出現“量子”這個詞,就與“能量”定義相悖,把物理攪渾,越攪越糊越不懂。物理學要有序,那麼物理名詞要有序有類,比如,物質可以取名叫“子”,比如:分子,原子,電子,粒子。那麼能量就不可以取名叫“子”,比如:量子,光子,力子,引力子。能量取名叫“子”,就把能量與物質的概念攪渾。而能量與物質,是整個物理學最基礎的兩大概念,最基礎的兩大概念都混亂了,後續還能好嗎?後續還能懂嗎?

物質是宇宙間一切有形實體存在。能量是宇宙間一切無形感覺存在,比如,力,能量,知識,感覺,意識,皆屬能量的範疇。


天山我才


量子事關語言,是事物之間的相互關聯和宇宙萬物信息、引力的重要來源與人的主觀意識和萬物自我能力的集中體現。


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