量子物理科学都能解决什么问题?

特斯拉神话


非常感谢小伙伴贡献的这个问题,我想这个问题非常有价值,因为一定有很多小伙伴想知道它的答案。

一、量子力学的研究对象

在很多小伙伴们常见的思维中都是以为,量子力学研究的都是极其微小的粒子的行为,跟我们的日常生活扯不上什么关系。其实这是对量子力学的一个严重误解。

当我们研究一个大块物体的力学性质或是热性质的时候,我们会发现经典理论或者说是比较老的理论几乎立刻就失效了。

我举个例子,我们可以把不同的金属做成灯丝,通电后令其发光,然后利用光谱分析的办法观察其发出的光的频率。我们会发现很奇怪的现象,不同材料的灯丝都有其独特的特征谱线。

这在经典力学中是不可思议的,因为能量是连续的,灯丝发光只能与灯丝的温度有关,而跟材料的性质无关,应该是连续谱线才对。但事实上谱线不是连续的。

这个特点在我们如今设计的LED灯的时候特别突出。我不知道小伙伴们的观察能力怎么样,如果您用过早期的LED灯,会发现它发出来的白光偏冷,总感觉让人不舒服,而最近生产的LED灯已经能模拟阳光甚至是其他光源的光了。

我比较喜欢那种暖黄色的LED灯,这种灯的光线很柔和,让人感觉心里也暖暖的。这种技术上的进步,就来自量子力学的研究成果。

二、量子力学在生物化学领域的应用

最近新冠病毒肆虐华夏大地,我不是学医的,所以一篇科普文章都没写。但是作为这场灾难的亲历者之一,跟大家一样关注着疫情的进展。

关于疫情的报道可谓是铺天盖地,但是出镜率最高的就是那张病毒的照片吧。不知道大家有没有想过,这张纳米尺度的照片是怎么来的呢?

没错,就是电子显微镜。电子显微镜就是利用电子的波动性,由于其波长很短,所以能拍摄出更小尺度的物体。这时候的电子的行为就像是可见光的光波。

其它的医疗领域常见手段,比如核磁共振,除了利用原子核的自旋量子效益,还同时利用了超导现象,超导体也是量子力学的研究范围。

三、量子力学是研究新材料的基础科学

我这里提一个名词——凝聚态物理。可能对于很多非物理专业的小伙伴们来说,这个词很陌生。但实际上,这个领域已经发展了近百年,它之前叫做固体物理。

凝聚态物理学的理论基础是量子力学,基本上已经完备而成熟。但由于这里涉及大量(趋于10^23)微观粒子的体系,而且研究对象进一步复杂化,新结构、新现象和新机制依然层出不穷,需要从实验、理论和计算上的探索,仍构成对人类智力的强有力的挑战。

凝聚态物理学和高新技术的发展关系密切。信息、材料和能源技术在21世纪所面临的挑战将给凝聚态物理学的进一步发展提供机遇。凝聚态物理学还在学科交叉中大有可为。随着凝聚态物理学日益深入到复杂结构的物质。它和化学之间的交叉渗透也愈来愈明显,甚至学科间的分界线已趋于模糊。它和生物学之间的交叉渗透也日新月异,既有实验技术上的相互支持,又有机制理论上的共同探索。

四、量子力学与广义相对论宇宙学联姻

很难想象,一个研究即使是最高分辨率的光学显微镜也无法看到的微观粒子行为的学科,是怎么能够跟浩瀚的宇宙扯上关系的。

虽然科学家们努力了70年,至今也没有统一量子力学和广义相对论,完成爱因斯坦关于大统一理论的梦想,但是这两门科学真的是在宇宙学领域中联手做出了贡献。

科学的神奇就在这里,我们如今能确定宇宙中其他星球上组成的元素跟我们太阳系一样,正是源自我们对原子、原子核特性的研究。

同时在恒星的演化、中子星、黑洞灯天体的研究上,量子力学的作用也非常大。没有量子力学,我们就不可能知道恒星的演化过程。也不会明白黑洞的一些基本特性。

如果没有量子力学,我们也无法推演出宇宙大爆炸初始时刻之后都发生过什么,无法对大爆炸的过程进行详细的描述。不能解释宇宙中各种元素的丰度比例是怎么来的。

结束语

从我们前面的介绍,小伙伴们可以知道,虽然量子力学研究的是微小尺度的粒子的行为,但是它的研究成果,不但与我们的日常生活息息相关,更与我们对自然界,对宇宙的了解紧密联系。量子力学不是一门虚无缥缈的思辨领域,而是一门经得住实践检验的科学理论。

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郭哥聊科学


量子力学作为一种比牛顿力学更为“优越”的理论体系,也是历史发展到一定阶段的产物。

那么量子力学能解决什么问题?又有怎样的定义?

自从德国物理学家普朗克提出量子化假说,带给我们新的关于自然科学和表达方式。

量子力学研究的是微观世界物质粒子的运动规律,是现代物理学两大支柱之一,涉及原子、分子和凝聚态物质,包括原子核和基本粒子等。

在化学、材料学和生物学等学科以及许多近代技术中均得到了广泛的应用。

一些重大发现,如原子弹、核能发电、半导体工业等许多重要领域都存在量子学的身影。

现如今更是在量子计算、保密通信等现代通讯技术领域大放异彩。

所以说量子科学是现代科学主要发展方向。


会讲故事的外星人


量子物理科学可是能解决很多问题,我就来说说典型的应用有哪些吧。

1.原子弹的应用

造核裂变原子弹的原理是铀核裂变成两半,释放能量,并释放一个中子,去击穿其他铀核继续裂变和产生中子,产生链式反应。最终得到可以毁灭城市的能量。

科学家们不能知道哪个中子将裂变铀核,但可以用难以置信的精度计算一颗原子弹中几十亿个铀原子裂变的概率。

造核聚变原子弹同理也需要量子物理科学的参与。

2.粒子透视射线

四大作用力中的弱核作用力是放射性衰变的主要原因。这个弱力不足以将原子核聚在一起而引起核子破裂或者说衰变。

医院的核医学就是靠放射性射线,呈现我们身体内部和大脑的清晰图像,同时在工程探伤和安检方面也有应用。如今在量子领域的进步,会发现和收集更多独特的粒子,能透视连X射线也无法穿透的致密材料。

3.量子计算机

如今计算机CPU的制造工艺是越来越先进,但迟早会遇到瓶颈。电路并不能无限的缩小,由于海森堡测不准原理,一个电子可能跑到绝缘体和半导体之外,而不是停留在电路之内,这意味着会短路。

同时由于卡西米尔效应,当制造CPU的硅片上的元件小到一定尺度,他们就会沾到一起。

而想要运算速度更快的计算机,就只能考虑量子计算机了。目前谷歌宣称已经造出有54个超导量子位元的量子计算机,计算速度超过超级计算机。

目前我就想到这些,也许有其他应用我还不知道。

可以这么说,因为量子物理科学领域是基础物理学领域,它的发展能对其他应用有很大的促进作用。可以说是颠覆性的技术,甚至能改变社会的生活状态。国家实力的体现往往就看这些基础领域的发展程度。


科博熊


在物理中,量子的定义是不可以继续分割的物理量。

一个物理量小到一定的数值,它就没办法继续分割下去,我们就可以称呼这个物理量为量子。

可以看出:量子力学研究的是万物中最为微小的组成部分。

这意味着,量子力学在材料、化学、生物、计算、能源、军事几个领域都会有重大的贡献。


在材料领域,主要集中在半导体领域,固体物理领域也有所涉及。

主要包括超导体和半导体。

量子力学有望发现在常温常压下的超导体,制造出磁悬浮装置,减少设备发热和能源消耗。

量子力学可以预测半导体的效果,从而制造出新材料。


在化学领域,量子力学有助于让我们理解化学反应。

化学的核心是研究电磁相互作用。

量子力学可以用来理解在微观领域,电磁相互作用是怎么产生的。

虽然解薛定谔方程来理解化学反应,是极为困难,甚至可以说是不可能的。

但就算最简单的计算,也可以起到不俗的效果。


在生物学领域,某些生物化学反应是通过量子效应进行的。

比方说细胞呼吸中,就用到了量子力学的隧穿效应来传递电子。

量子力学有助于让我们理解生物化学作用是如何进行的。


在能源领域,量子力学是点出核聚变的前置科技。

它包括了如何用磁场约束核聚变产生的等离子体,也包括了为什么核聚变可以产生能量,要怎么产生能量。


在计算领域,量子力学主要有两大作用。

1、加密:量子力学可以提供一种理论上不可能被解密的密码。

2、计算:量子力学可以提供惊人的计算能力,来解决一些特定的问题。


如此,我们很容易理解量子力学在军事上的用途。

——新的材料可以运用到军事中。

——中国无人机是世界先进水平,无人机有个弱点,容易被黑客入侵。

通过量子加密,我们可以让无人机免疫黑客入侵,从而在军事上发挥重要作用。

——计算能力在军事上可以提供潜在的作用。


结论:量子力学可以在材料、化学、生物、计算、能源、军事几个领域都发挥巨大作用。


唔,如果有什么遗漏请补充~~


杯中窥物


量子力学,为什么听不懂?

因为它取了一个不该取的错误的名词“量子”。“量子”这个词不该取且错误,为什么?首先我们应该搞清,能量的定义是什么?能量是物质弹性力变化的反映。能量,它是无形感觉存在。据此就不该出现“量子”这个词。一旦出现“量子”这个词,就与“能量”定义相悖,把物理搅浑,越搅越糊越不懂。物理学要有序,那么物理名词要有序有类,比如,物质可以取名叫“子”,比如:分子,原子,电子,粒子。那么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”,就把能量与物质的概念搅浑。而能量与物质,是整个物理学最基础的两大概念,最基础的两大概念都混乱了,后续还能好吗?后续还能懂吗?

物质是宇宙间一切有形实体存在。能量是宇宙间一切无形感觉存在,比如,力,能量,知识,感觉,意识,皆属能量的范畴。


天山我才


量子事关语言,是事物之间的相互关联和宇宙万物信息、引力的重要来源与人的主观意识和万物自我能力的集中体现。


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