在2025年的前一个小时,我们还在计算,看来2025年是动脑子的一年。12月31日晚上10点,搜狐创始人、董事局主席兼首席执行官、物理学博士张朝阳准时开启2025跨年演讲。他以普通人一天的经历生动演绎了量子力学在生活和现代技术中的广泛应用,连续3小时直播分享了现代物理学的支柱之一——量子力学的诸多精彩,带来一场别样的科学跨年夜。
认识量子力学
在公众眼中,谈论量子力学更像一种哲学探讨,甚至被赋予了神秘学和玄学的标签,使得这些概念显得高深莫测。实际上量子力学是基于大量实验和观察得出的经验是一门非常实际和接地气的科学。
量子力学的发展史是人类探索物质结构的近代史。这段历史可以从19世纪末汤姆孙发现阴极射线的本质是电子流,紧接着卢瑟福基于散射实验提出原子的卫星模型讲起。彼时,经典物理学已经发展得相当成熟,以至于开尔文勋爵在世纪之交发表了他著名的关于两朵乌云的演讲。但实际当时不止是两朵乌云,张朝阳解释,其实到处都是乌云。
继承了普朗克和爱因斯坦的量子化假设,玻尔在深入研究原子光谱之后,提出了轨道量子化的假设,正式宣告了量子力学时代的到来。进入20世纪20年代,海森堡、薛定谔和狄拉克等人沿着实验中的线索,逐步构建并完善了整个量子力学的理论框架。
量子力学无处不在
作为物质结构的基本法,量子力学无处不在。张朝阳选择从普通人平常一日的视角来探讨量子力学对生活的影响。
清晨的阳光
太阳是一个巨大的气球,在它的内部正发生着氘核的聚变反应。核聚变的过程是由量子力学主导的,在太阳内部1500℃的环境下,氘核的动能并不能完全克服彼此之间的库伦排斥,但它们仍能借助量子世界独有的隧穿效应走到一起,形成氦核。聚变释放的巨大能量使得太阳维持着和引力的平衡,并逐渐将太阳表面加热到5800K(开尔文,温度单位)。
阳光其实是这个5800开尔文的表面的黑体辐射。根据维恩位移定理,黑体辐射的峰值波长和温度乘积是个常数太阳黑体辐射的峰值波长是500nm,整个黑体辐射谱的谱峰其实恰好落在人眼的可见光波长(380nm到750nm)范围内。张朝阳解释,其实这不是巧合,恰恰是太阳的量子性质和漫长的自然选择塑造了眼睛,我们眼睛对大于500nm的光波最为敏感。
激光
激光是利用量子力学的性质实现的。激光器中的原子被激发到高能级后跃迁到低能级时,会释放出一定频率的光子,这些光子又会激发其他原子跃迁,从而产生大量具有相同频率、相位和方向的光。激光具有很强的方向性,可以实现远距离的传输和聚焦,被广泛应用于通信、加工和医疗等领域。
半导体
半导体是现代电子工业的基础材料。半导体的特性是由其独特的电子结构决定的。半导体中的电子可以自由地运动,这一点与导体不同。同时,半导体中的电子能级结构又具有离散性,这一点与绝缘体不同。利用半导体的这些特性,可以制造出各种电子器件,如二极管、三极管和集成电路等。
量子纠缠
量子纠缠是量子力学中最令人着迷的现象之一。当两个粒子纠缠在一起时,它们的行为不再是独立的,即使相隔遥远,它们也会彼此影响。量子纠缠被认为是量子计算和量子通信等技术的理论基础。
理解量子力学
理解了量子力学,就理解了物质的构成,也能够看到我们在宇宙中的渺小。张朝阳感慨道,我们要对人类的智慧感到骄傲,使我们拥有了智慧,拥有了思考能力,知道世界是如此的情况。
在最后,他更是亲自下场,以定量的方式了解物质的基本构成方式——分子键。通过满满5个黑板的公式推导,张朝阳找到令分子结构稳固下来的势能凹点,物理课是计算课,只有下场亲自来算一算才能找到真正的感觉,才能知道这个基本的单元是怎么构成的。
穿破乌云的量子力学在当下,量子力学尤其是薛定谔的猫、观察者效应和量子纠缠等概念已经广为人知。虽然有人认为量子力学晦涩难懂,但正是无数多的问题,才导致人类充满好奇心,推动着科学革命的风暴不断向前。
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