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第1篇：量子力學的特性范文

這只貓生活在一個不透明的盒子里，在這個盒子中放有貓喜歡吃的食物，還有一個毒藥瓶。毒藥瓶上有一個錘子，錘子由一個電子開關控制，電子開關由放射性原子控制。如果原子核衰變， 則放出阿爾法粒子， 觸動電子開關， 錘子落下， 砸碎毒藥瓶， 釋放出里面的毒氣， 此貓必死無疑。如果原子核未衰變，則不會激發這一系列的連鎖反應，貓就不會被毒死。這個殘忍的裝置由大物理學家薛定諤所設計， 所以此貓便叫做薛定諤貓。

原子核的衰變是隨機事件，我們所能精確知道的只是放射性原子的半衰期——衰變一半所需要的時間。但是， 我們卻無法知道， 它在什么時候衰變。因為原子的狀態不確定，所以貓的狀態也不確定。我們只有在揭開蓋子的一瞬間，才能確切的知道此貓是死是活。如果沒有揭開蓋子進行觀察，我們永遠也不會知道此貓是死是活，它將永遠處于半死不活的狀態。這與我們的日常經驗嚴重相違，要么死，要么活，怎么可能不死不活，半死半活呢？

其實，薛定諤的貓是關于量子理論的一個理想實驗。量子力學是描述原子、電子等微觀粒子的理論，它所揭示的微觀規律與日常生活中看到的宏觀規律很不一樣。量子力學認為一切微觀粒子既有波動性又有粒子性，既所謂的波粒二象性。所有的微觀粒子諸如電子、質子、光子等都有一個奇怪的性質：它們在同一個時刻可以既在這里，又在那里，既是粒子又是波，就像有分身法術一樣。微觀粒子是粒子和波兩象性矛盾的統一。為了描述微觀粒子的狀態，人們引入了波函數，微觀粒子的波動呈現出它運動的一種統計規律，因此稱此波動為概率波或概率波幅（即量子態）。概率波幅是量子力學世界里最基本最重要的概念，微觀世界千奇百怪的特性就起源于這個量子態。微觀粒子的量子態可以是線性疊加的，比如電子的軌道疊加。“疊加態”就是有幾種本征態疊加在一起的粒子狀態，這時這個粒子的狀態是不確定的，只有當一個“測量”被進行的時候，才會呈現一個被測量到的狀態，可能是該粒子的任何一種本征態。

在薛定諤的貓實驗中，放射源何時放射粒子是不確定的，按量子力學解釋是處于0和1的疊加態，那么在未打開盒子進行觀察前，按量子力學解釋這只貓也應處于死貓和活貓的疊加態，我們只有在揭開蓋子的一瞬間，才能確切地知道此貓是死是活。此時，貓的波函數由疊加態立即收縮到某一個本征態。量子理論認為：如果沒有揭開蓋子，進行觀察，我們永遠也不知道此貓是死是活，它將永遠處于半死不活的疊加態。

第2篇：量子力學的特性范文

作為奧地利理論物理學家和量子力學的奠基人之一，埃爾溫·薛定諤曾表示糾纏是量子力學的特殊性質，其也是新興的量子密碼學和量子計算等量子信息技術的關鍵資源。

糾纏的粒子所表現出的相關性，比經典物理學定律所允許的更強大也更復雜。如果兩個粒子處于糾纏的量子態，它們就能完全地定義共同屬性，并以損失自己的個體特性為代價。這就像兩個原本沒有方向的骰子，在處于糾纏態時，它們將隨機顯示出同樣的朝向；相反，如果它們處于分離的量子態時，其中每一個都將顯示出自己明確的朝向，因為每個粒子都有自己的特性。通常，我們會認為無論骰子是否糾纏，量子態的性質至少應是現實的客觀事實，物理學家安東·塞林格教授所帶領的研究團隊現在卻可在實驗中證明，情況并非一直如此。

他們實現了名為“延遲選擇糾纏交換”的“思想實驗”，這項實驗由亞瑟·佩雷斯于2000年提出。在實驗中，兩對糾纏的光子可被生成，每對中的一個光子將被發送至“維克多”一方。剩下的兩個光子，一個被發送至“愛麗絲”處，一個被發送至“鮑勃”處。“維克多”現在能在兩種測量中選擇，如果他決定以被迫的糾纏態方式測量自己的兩個光子，隨后“愛麗絲”和“鮑勃”的光子對也將變為糾纏態；如果“維克多”選擇單獨測量自己的每一個粒子，“愛麗絲”和“鮑勃”的光子對也將以分離態收尾。

而現在的量子光學技術能支持研究團隊推遲“維克多”的選擇和測量，并以“愛麗絲”和“鮑勃”對于自身光子的行為作為參考。此次研究的主要作者馬曉松（音譯）解釋說，借助高速的可調諧雙態分析器和量子隨機數生成器，無論“愛麗絲”和“鮑勃”的光子是否處于糾纏態并顯示出量子關聯，或是處于分離態并顯示出傳統關聯，都可以在它們被測量后再做出決定。

第3篇：量子力學的特性范文

【關鍵詞】量子;通信;技術;發展

對量子信息進行研究是將量子力學作為研究基礎，根據量子并行、糾纏以及不可克隆特性，探索量子編碼、計算、傳輸的可能性，以新途徑、思路、概念打破原有的芯片極限。從本質來說：量子信息是在量子物理觀念上引發的效應。它的優勢完全來源于量子并行，量子糾纏中的相干疊加為量子通訊提供了依據，量子密碼更多的取決于波包塌縮。理論上，量子通信能夠實現通信過程，最初是通過光纖實現的，由于光纖會受到自身與地理條件限制，不能實現遠距離通信，所以不利于全球化。到1993年，隱形傳輸方式被提出，通過創建脫離實物的量子通信，用量子態進行信息傳輸，這就是原則上不能破譯的技術。但是，我們應該看到，受環境噪聲影響，量子糾纏會隨著傳輸距離的拉長效果變差。

一、量子通信技術

（一）量子通信定義

到目前為止，量子通信依然沒有準確的定義。從物力角度來看，它可以被理解為物力權限下，通過量子效應進行性能較高的通信;從信息學來看，量子通信是在量子力學原理以及量子隱形傳輸中的特有屬性，或者利用量子測量完成信息傳輸的過程。

從量子基本理論來看，量子態是質子、中子、原子等粒子的具體狀態，可以代表粒子旋轉、能量、磁場和物理特性，它包含量子測不準原理和量子糾纏，同時也是現代物理學的重點。量子糾纏是來源一致的一對微觀粒子在量子力學中的糾纏關系，同時這也是通過量子進行密碼傳遞的基礎。Heisenberg測不準原理作為力學基本原理，是同一時刻用相同精度對量子動量以及位置的測量，但是只能精確測定其中的一樣結果。

（二）量子通信原理

量子通信素來具有速度快、容量大、保密性好等特征，它的過程就是量子力學原理的展現。從最典型的通信系統來說具體包含：量子態、量子測量容器與通道，擁有量子效應的有：原子、電子、光子等，它們都可以作為量子通信的信號。在這過程中，由于光信號擁有一定的傳輸性，所以常說的量子通信都是量子光通信。分發單光子作為實施量子通信空間的依據，利用空間技術能夠實現空間量子的全球化通信，并且克服空間鏈路造成的距離局限。

利用糾纏量子中的隱形量子傳輸技術作為未來量子通信的核心，它的工作原理是：利用量子力學，由兩個光子構成糾纏光子，不管它們在宇宙中距離多遠，都不能分割狀態。如果只是單獨測量一個光子情況，可能會得到完全隨機的測量結果;如果利用海森堡的測不準原理進行測量，只要測量一個光子狀態，縱使它已經發生變化，另一個光子也會出現類似的變化，也就是塌縮。根據這一研究成果，Alice利用隨機比特，隨機轉換已有的量子傳輸狀態，在多次傳輸中，接受者利用量子信道接收;在對每個光子進行測量時，同時也隨機改變了自己的基，一旦兩人的基一樣，一對互補隨機數也就產生。如果此時竊聽者竊聽，就會破壞糾纏光子對，Alice與Bob也就發覺，所以運用這種方式進行通信是安全的。

（三）量子密碼技術

從Heisenberg測不準原理我們可以知道，竊聽不可能得到有效信息，與此同時，竊聽量子信號也將會留下痕跡，讓通信方察覺。密碼技術通過這一原理判別是否存在有人竊取密碼信息，保障密碼安全。而密鑰分配的基本原理則來源于偏振，在任意時刻，光子的偏振方向都擁有一定的隨機性，所以需要在糾纏光子間分設偏振片。如果光子偏振片與偏振方向夾角較小時，通過濾光器偏振的幾率很大，反之偏小。尤其是夾角為90度時，概率為0;夾角為45度時，概率是0.5，夾角是0度時，概率就是1;然后利用公開渠道告訴對方旋轉方式，將檢測到的光子標記為1，沒有檢測到的填寫0，而雙方都能記錄的二進制數列就是密碼。對于半路監聽的情況，在設置偏振片的同時，偏振方向的改變，這樣就會讓接受者與發送者數列出現差距。

（四）量子通信的安全性

從典型的數字通信來說：對信息逐比特，并且完全加密保護，這才是實質上的安全通信。但是它不能完全保障信息安全，在長度有限的密文理論中，經不住窮舉法影響。同時，偽隨機碼的周期性，在重復使用密鑰時，理論上能夠被解碼，只是周期越長，解碼破譯難度就會越大。如果將長度有限的隨機碼視為密鑰，長期使用雖然也會具有周期特征，但是不能確保安全性。

從傳統的通信保密系統來看，使用的是線路加密與終端加密整合的方式對其保護。電話保密網，是在話音終端上利用信息通信進行加密保護，而工作密鑰則是偽隨機碼。

二、量子通信應用與發展

和傳統通信相比，量子通信具有很多優勢，它具有良好的抗干擾能力，并且不需要傳統信道，量子密碼安全性很高，一般不能被破譯，線路時延接近0，所以具有很快的傳輸速度。目前，量子通信已經引起很多軍方和國家政府的關注。因為它能建立起無法破譯的系統，所以一直是日本、歐盟、美國科研機構發展與研究的內容。

在城域通信分發與生成系統中，通過互聯量子路由器，不僅能為任意量子密碼機構成量子密碼，還能為成對通信保密機利用，它既能用于逐比特加密，也能非實時應用。在嚴格的專網安全通信中，通過以量子分發系統和密鑰為支撐，在城域范疇，任何兩個用戶都能實現逐比特密鑰量子加密通信，最后形成安全性有保障的通信系統。在廣域高的通信網絡中，受傳輸信道中的長度限制，它不可能直接創建出廣域的通信網絡。如果分段利用量子密鑰進行實時加密，就能形成安全級別較高的廣域通信。它的缺點是，不能全程端與端的加密，加密節點信息需要落地，所以存在安全隱患。目前，隨著空間光信道量子通信的成熟，在天基平臺建立好后，就能實施范圍覆蓋，從而拓展量子信道傳輸。在這過程中，一旦量子中繼與存儲取得突破，就能進一步拉長量子信道的輸送距離，并且運用到更寬的領域。例如：在潛安全系統中，深海潛艇與岸基指揮一直是公認的世界難題，只有運用甚長波進行系統通信，才能實現幾百米水下通信，如果只是使用傳統的加密方式，很難保障安全性，而利用量子隱形和存儲將成為開辟潛通的新途徑。

三、結束語

量子技術的應用與發展，作為現代科學與物理學的進步標志之一，它對人類發展以及科學建設都具有重要作用。因此，在實際工作中，必須充分利用通信技術，整合國內外發展經驗，從各方面推進量子通信技術發展。

參考文獻

[1]徐啟建，金鑫，徐曉帆等.量子通信技術發展現狀及應用前景分析[J].中國電子科學研究院學報，2009，4（5）：491-497.

第4篇：量子力學的特性范文

>> Shoot只是“射擊”嗎? 時間只是幻覺嗎？ 無聊嗎？想象吧 存在生產率悖論嗎 白領逃離:只是一種想象? 二孩，只是想象中的美好？ Dog只是狗嗎等 只是“我”的誓言嗎？ 腿抽筋只是缺鈣嗎 獨立董事只是“花瓶”嗎？ 案只是個案嗎？ 中國：只是改革受阻嗎？ “尋花”只是賞花嗎？ 這只是幾個“錢”嗎？ 我們真的懂量子力學嗎？ 法國悖論：飲酒有助健康嗎 美貌只是敲門磚嗎 星巴克只是咖啡店嗎？ “小處方”只是個傳說嗎 難道只是丈夫的錯嗎 常見問題解答 當前所在位置：中國 > 政治 > 量子悖論只是想象嗎 量子悖論只是想象嗎 雜志之家、寫作服務和雜志訂閱支持對公帳戶付款！安全又可靠！ document.write("作者： 漢斯·克里斯蒂安·馮貝耶爾")

申明:本網站內容僅用于學術交流，如有侵犯您的權益，請及時告知我們，本站將立即刪除有關內容。 量子力學是一種非常成功的理論，可它也充滿了奇怪的悖論。

量子力學是物理學中最成功的理論，從亞原子到天文學層面，它完美解釋了所有物質的行為。不過，它也是最奇怪的理論。在量子領域中，粒子似乎會同時存在于兩個地方；信息的傳播速度似乎比光速還快；而貓可能同時既是死的又是活的。物理學家已經與量子世界里顯而易見的悖論斗爭了90年—可是他們的努力收效甚微。與進化論和宇宙論的觀點已經被大眾普遍理解不同，量子理論迄今仍被看作奇談怪論（甚至許多物理學家也這樣認為），人們認為它是一種構建奇妙玩意的有力工具，除此以外別無益處。大眾對量子理論的意義也深感困惑：這一理論總是迫不及待地想告訴我們一些關于我們所在世界的深奧玩意，而這些與我們的日常生活完全無關。

實際上，在量子力學誕生之初，物理學家就把波函數的塌縮看作悖論，它也是量子理論讓人十分困擾的一個方面。這種令人心神不定的困惑，迫使物理學家發展出了量子力學形形的版本。最常見的四種解釋如下： 哥本哈根解釋

這種解釋主要由尼爾斯·玻爾和維爾納·海森堡創立，誕生于玻爾在丹麥哥本哈根的研究所，是量子力學的正統版本。某個系統（例如一個原子）可以被測量的特性，統稱為系統的量子態。量子態可以通過矩陣（類似一張表格）或波函數方程（代表概率分布圖）來描述。這一解釋通過玻恩法則與真實世界相聯系。玻恩法則由海森堡的導師馬克斯·玻恩提出，描述了如何計算某個給定量子態的可測量的概率。玻恩因此獲得了諾貝爾獎。在測量中，觀察者會導致量子態塌縮為描述實驗真實結果的新狀態。這種立刻發生的塌縮意味著這種作用可能比光速還要快。 多世界解釋

要避免出現量子態塌縮的難題，最直接的方法是將它徹底排除。近年來，這一激進的主張獲得了不少擁護者。多世界解釋假設一個世界中只有一種量子態，它平滑展開、可以預測。比如說，當觀察者通過實驗來檢測某個電子穿過雙縫中的哪一個時，量子態并沒有塌縮到雙縫中的任意一個上，而是整個世界分裂成兩個分杈。我們，即真實世界的觀察者，留在其中一個分叉上，完全不知道另一個分叉。因此，整個宇宙像樹木一樣，伸展出無窮多的枝椏，每條枝椏都是一個真實獨立的世界，其中真實發生一種可能的結果，無窮多的枝椏涵蓋了每一種可能的結果。這一解釋除了對我們的想象力要求過高以外，最大的缺陷在于無法說明為什么“測量”會引起世界的分裂，也難以對玻恩法則做出合理解釋。 導向場解釋

不少物理學家熱衷于重寫量子力學的數學表述，將控制粒子運動的真實物理力場包含進來，阿爾伯特·愛因斯坦也曾一度參與其中。不幸的是，推演到N個粒子的情況時，這一誘人的前景即告破滅。粒子運動的空間不再是我們熟悉的三維空間，而是擁有3N維度的抽象空間。更讓人困擾的是，導向場產生的是一種超距作用力，在這種情況下，物理作用能瞬間跨越很遠的距離。 自發塌縮理論

這套理論并未排除觀察者引發的塌縮，而假設塌縮完全是自發的—每個量子系統中塌縮都會自然發生（雖然十分罕見），但是當量子系統與宏觀物體相互作用時，塌縮就會變得十分顯著。不過，這套理論需要引入一整套全新的塌縮機制。在塌縮機制能夠通過實驗證實之前，這套理論只是一個新的假說，和它意圖取代的觀察者引發塌縮的理論一樣玄妙難解。

2001年，一個研究小組開始探索一種新模型，這一模型將可能消除量子悖論，或者使這些悖論變得不那么令人不安。這種模型叫做“量子貝葉斯模型”，簡稱為“量貝模型”，它重新解釋了波函數。

量貝模型是量子理論與概率論的結合，它認為波函數并非客觀實在；恰恰相反，量貝模型認為，波函數只是一本用戶手冊，一種數學工具。觀察者使用這種工具，對周圍的世界—即量子世界—作出更明智的判定。確切地說，觀察者意識到，自己個人的選擇和行動會以一種本質上具有不確定性的方式影響該系統，因此利用波函數，將他自己對于一個量子系統具備某種特性的個人信念量化賦值；而別的觀察者也使用波函數，描述他自己看到的世界。面對同樣的量子系統，兩位觀察者可能得出全然不同的結論。對于一個系統，或者一個事件而言，有多少觀察者，就可能有多少種不同的波函數。觀察者彼此交流，修正各自的波函數來解釋新獲得的知識，于是，就有了更清晰的認識。

波函數并非真實存在，這一觀點可以追溯到20世紀30年代尼爾斯·玻爾的許多著作，他是量子力學的創建者之一。玻爾認為，波函數是量子理論中“純粹象征性的”形式體系的組成部分，只是一種計算工具而已。量貝模型首次為玻爾的主張提供了數學支持。

從這個角度來說，波函數“很可能是有史以來我們找到的最強大的抽象概念。”美國康奈爾大學的理論物理學家、最近轉投量貝模型的N·戴維·梅爾曼說。

（更多內容請見《科學美國人》中文版《環球科學》2013年7月號）

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【科學家發現黑猩猩解決難題只為好玩】研究人員說，黑猩猩像人一樣可享受解決智力題帶來的樂趣。一項新研究表明，像一個解決縱橫填字字謎的人一樣，黑猩猩可從解決一個棘手問題中獲得相同的滿足感。不管是否得到食物獎勵，它們都對解決難題表現出同樣熱情。 科學探索

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【美國宇航員首次在太空操縱地面機器人】最近，國際空間站上的美國宇航員卡西迪通過遙控操作，成功實施了第一次“地面遙控機器人”測試，指揮NASA艾姆斯研究中心一個四輪機器人開展了地面場地調查工作。 新華網

第5篇：量子力學的特性范文

摘 要：凝聚態物理學作為物理學的一大分支，其研究前景十分廣泛。凝聚態物理學是研究凝聚態物質的物理性質以及它們的微觀結構的學科。其通過分析構成凝聚態物質的電子、離子、原子、分子的運動形態和運動規律，從而對凝聚態物質的物理性質進行認知。凝聚態物質是固體物理學的一個拓展方面，研究的物質的典型特征之一是其具有多種形態。同時，凝聚態物理學也為材料研究引入了新的體系。本文就目前凝聚態物理學發展情況，對其中的基本概念的產生、含義及其發展進行闡述。

關鍵詞：凝聚態物理學；基本概念；特點闡述

凝聚態物理學的基本概念需根據物質世界的層次化進行闡述效果會更加明了。作為一門至今仍然擁有豐富生命力的研究學問，凝聚態物理學時時刻刻影響著我們生活的方方面面。例如，液態金屬、溶膠、高分子聚合物等等物質的研究都和凝聚態物理學有著密不可分的聯系。凝聚態物理學發展歷史和其理論支撐，是對凝聚態物理學的基本概念進行闡述的基礎。

一、凝聚態物理學發展歷史

1、物質世界層次化

為了對凝聚態物理學基本概念進行闡述，首先就需要提到物質世界層次化的研究方式。縱觀二十世紀的物理學發展，在二十世紀初，兩大劃時代的物理理論突破的出現，拉開了宇觀物理學和微觀物理學的探究序幕。兩大理論即是相對論和量子論，相對論和量子理論是對傳統物理學的質疑和挑戰。其中，狹義相對論修正了經典物理學當中的電磁學和力學之間存在的矛盾；廣義相對論則是為近代物理學當中的天體運行研究做出了巨大的貢獻。量子論的建立正式拉開了現代物理學對于微觀世界的研究，使得基于原子乃至更小系統的探究成為可能。現代物理學的研究方式正是基于這一種將物質世界進行分層的觀點進行的，因為物理學當中的理論使用范圍都有區別。例如，在宏觀世界當中，牛頓力學成立；在微觀世界當中，牛頓力學就難以支撐實驗事實了。

2、凝聚B物理學的步步發展

從科學家開始探索微觀世界開始，凝聚態物理學就悄然發展開來。科學家從原子物理出發，深入到原子核內外空間的研究，為了探索微觀世界粒子的基本特性，建立了多代高能粒子加速器，使得近代微觀物理學探索出中子、夸克、輕子類的微觀粒子。同時，近代物理學的一條研究途徑也是將原子物理作為基本主線。在這條研究主線當中，量子力學和統計物理學向結合，奠定了固定物理學的基礎。固定物理學的逐漸發展擴大，演變為了凝聚態物理學。凝聚態物理學的研究發展從簡單到復雜，從宏觀到微觀。其結合到其他學科（材料學、化學、生物學等）共同創新，取得了巨大成果。

二、凝聚態物理學的基本概念闡述

1、基本理論

凝聚態物理學基本概念中最重要的基礎則是構建這門學科的理論支撐。其基本理論當中的核心即是量子物理和經典物理。根據凝聚態物理學的發展歷史來看，量子物理理論推動了凝聚態物理學的發展，使其對眾多實驗研究成為可能。經典物理理論在凝聚態物理學中并非一無是處，仍在一些研究方面起著不可忽視的作用。兩種理論知識在凝聚態物理學當中的應用都存在著自身的適用范圍，下面對其進行比較說明。在中學物理中我們初步了解到，物質粒子具有二象性――粒子與波。在粒子的二象性當中，粒子所具有的波動性使得量子力學有別與經典力學。二者的適用范圍的界限通常是一些臨界溫度、直徑、場（電場、磁場）強等方面。

2、凝聚現象

凝聚態物理學的基礎概念即是凝聚現象，然而凝聚現象在我們日常生活當中是隨處可見的。大家都知道，氣體可以凝結成固體或者是液體，液體和固體之間最明顯的區別是液體的流動性。根據量子力學等理論分析，在某些臨界溫度附近，物質之間就發生凝聚現象。發生凝聚現象的物質往往具備一些新的物理性質。例如物質原有的沸點、導電性、光敏性等發生改變。

3、凝聚態物質的有序化

根據中學物理和化學的知識可知，物質反應在平衡狀態時，其系統能量內能與熵等因素的影響。系統物質內能的上升使得系統趨于不穩定性，使得熵值增加。當溫度下降時，凝聚態物質則趨于熵值下降和系統穩定，研究發現，凝聚態物質往往是某一種有序結構的物相。大量物質粒子所組成的系統表現出來的直觀特征即是位置序，這也說明不同的粒子直接是存在著相互聯系的。當然，也存在著粒子相互作用較弱的情況，其宏觀表現即是粒子無序分布。在經典粒子系統當中，使得系統有序化的物理基礎則是粒子和粒子之間的相互作用，這可當作是量子力學當中的一個問題處理。根據中學知識我們知道，在量子力學當中，物質粒子存在著位置不確定性和動量不確定性。根據上述進行總結，凝聚態物質是空間當中的凝聚體，而相對空間往往是分為兩個方面。一方面是位置形態空間，另外的一方面是抽象的動量空間。凝聚態物質的有序化在這兩個空間當中的存在形態極為豐富。

三、研究概念闡述

凝聚態物理學當中基本的研究概念在于以下幾個方面。第一是固體電子論。對固定系統當中電子的行為研究是凝聚態物理學一直在努力的方向，按照電子行為的相互作用的大小，又將其分為三個小的區域。首先是弱關聯區，這個區域的研究已經取得了巨大進展，也是構成半導體物理學的理論基礎。其次是中等關聯區域，主要研究對象包括的是一般的金屬和強磁性的物質，其構成了磁鐵學的物理基礎。強關聯區受能帶理論發展的影響，目前其研究還有待開拓。第二是宏觀量子態。宏觀量子態研究當中對某些物質的超導現象的研究是一個重點，一些非常規的超導體研究也是目前科學家所努力的方向。第三是納米結構與介觀物理，凝聚態物理學對于一些簡單物質的研究已經較為清楚。按照不同物質材料的結構尺度進行探究是凝聚態物理學研究的新方向之一，納米結構和介觀物理需要量子理論進行支撐，研究目的主要是為了獲取材料和器件的復合體，同時創造出一些具有優良性能的物理材料。

四、總結

凝聚態物理學的理論基礎是量子力學，目前量子力學的發展已經趨于完備。由于凝聚態物理學設計大量微觀粒子的研究，其復雜程度較高，需要研究者從實驗、計算、推演等方面開展研究。凝聚態物理學作為一門高新技術，其研究前景十分廣闊。只要充分結合其他相關學科知識，加以探究，一定會取得更加豐碩的研究成果。

參考文獻

[1]馮端，金國鈞.凝聚態物理學中的基本概念[J].物理學進展， 2000， 20（1）：1-21.

第6篇：量子力學的特性范文

答：所有的光都具有波粒二相性。在2012年11月出版的《科學》雜志中，英國布里斯托大學的物理學家阿爾貝托·佩魯佐利用光子分離器使一個光子糾纏另一個光子，通過對第二

個光子的檢測，證實了光子同時表現出波和粒子的特性。

第二個問題：從經典角度講，任何粒子，只要它有一定的動能，都有一定的穿透力射出的子彈在一定射程內能擊穿木板，相反，“強弩之末，勢不能穿魯縞”。這些現象用高中的“壓強”概念就可以解釋。光也是一種粒子，非靜止的光子的確具有動能和光壓。

但是，光和物質的作用，一般是從光子（或電磁波）與電子、原子、分子作用的角度來考慮的，比如可見光能穿透厚厚的玻璃，但不能透過一塊薄薄的黑布。這種差別顯然無法從“子彈穿木板”的角度來解釋。這里要考慮的是光子被吸收的多少，即光子“消逝”的多少。能穿透玻璃，是因為被吸收的光子很少。光子是粒子的，但是玻璃的微觀結構是很稀疏的、間距很大的格點陣列，對光子的吸收很有限。

要進一步理解這個問題，需要理解光子是一種能量量子化的概念，它的行為要用量子力學來描述，而不能用經典圖像來看待。比如，它是什么形狀？體積有多大？等等。

量子力學中，用波函數來描述光子這樣的微觀粒子比較好，波函數模的平方就是光子出現概率高的地方。在真空中，波函數模的平方在一條直線上出現極大值，所以真空中光沿直線傳播。在介質（如玻璃）中，光子的能量被介質原子（離子、分子等）吸收，同時，介質原子（離子、分子等）躍遷到高能級上，它有一定概率再釋放光子，整個過程是個動態平衡的過程，總的效果是波函數模的平方在穿透玻璃的地方出現極大值。光子跑到了玻璃的另一面，也就是說，光子穿透玻璃。同時，如果了解量子電動力學的方程后，會發現波函數模的平方極大值出現的地方與幾何光學（折射定律、反射定律等）相一致。

第7篇：量子力學的特性范文

論文摘要：人類的認識既不是完全客體性的也不是完全主體性的，它源于主體和客體的相互作用、交互規定，在不同方面、不同層次上體現著主體性或客體性。20世紀的 科學 從相對論、量子力學到混沌學、分形理論都體現了這一精神實質，本文在簡單論述相對論、量子力學所體現的主體性與客體性后，著重分析了混沌學與分形理論中的主體性與客體性問題。  

人類對客觀世界的認識，是主體(人類)與客體(客觀世界)相互作用的結果，所以對認識的理解必須從主體、客體及其相互作用方式三方面著眼。認識既不是完全客體的，也不是完全主體的，具體的認識是主客體在相互作用中交互規定的結果。 自然 現象在變化中有不變的東西，科學所研究的就是變化中的不變及潛在可能性的現實化。現實性不能超越潛在可能性的范圍，它不是任意的、無 規律 的，其中存在著不依賴于主體的客觀特征；有意義的、具體的事件即潛在可能性的具體實現，卻是依賴于具體的環境條件，依賴于主體、測量工具或碼尺的。認識中的主體規定體現了認識的主體性方面，客體規定體現了客體性方面，任何知識體系都同時包括這兩個方面。20世紀物 理學 的重大成果相對論、量子力學、混沌學、分形理論雖然研究對象不同，所揭示的具體自然規律不同，但是在“認識源于主客體相互作用，兼有主體性與客體性”這一點上卻是相同的。  

一   相對論、量子力學中認識的主體性與客體性    

(一)相對論中認識的主體性與客體性

相對論效應顯著的是宇觀的、高速運動的自然。相對論表明：對于同時性、時間間隔、空間間隔等一些物理現象，不同參照系觀測結果不同，觀測結果依賴于主體對參照系的選擇，它反映了認識的主體性一面；對于四維時空間隔、物理定律的形式等，不同參照系觀測結果相同，觀測結果不依賴于主體對參照系的選擇，而決定于觀測對象自身的客觀性質，它反映了認識的客體性一面。

根據狹義相對性原理，不同慣性系對同一物理過程進行的時、空描述，所得到的時間、空間坐標不同，時間間隔和空間間隔也不同，即所謂的“同時性的相對性”和“鐘慢”、“尺縮”現象，不同慣性系對同一物理過程的時、空間隔測量值之間的對應關系，是由洛侖茲變換確定的[1]，相對論因子(1-v2／c2)1/2具體體現了對時間間隔和空間間隔的測量依賴于主體(觀測者)的程度和方式。狹義相對論中包含的這些“同時性的相對性”、“時間間隔和空間間隔的相對性”等，明確地表明了主體(觀測者)對客體(被測過程)的認識并非與主體毫無關系，而是在一定程度上決定于主體與客體的相互關系，決定于主體對參照系的選擇，這是對認識的主體性的體現。

狹義相對論中不同的慣性系對同一物理過程進行的時、空測量，所得到的時空坐標、時間間隔和空間間隔盡管不同，即時、空測量值依賴于觀測者所選用的參照系，但是洛侖茲協變保持了原時“dt”(即minkowski四維時一空間隔dt 2＝dx2+dy2+dz2-dτ2)不變[2]，也就是說，不同參照系中的dt對于一個確定的物理過程來說是相等的，是不依賴于觀測者對參照系的選擇的。進一步地，廣義相對性原理說明了，客體(被測過程)的真實的物理規律應該在任意坐標變換下形式不變[3]，不存在優越的參照系，這是認識的客體性的體現。

可見，相對論中對同一物理過程的認識既有依賴于主體的部分也有不依賴于主體的部分。筆者要強調的是，由于對主體的任何有意義的作用，其發生方式與主體對客體的測量本質上是相同的，都是兩者的相互作用，因而這種認識的主體性不是虛幻的、無意義的，而是真實的、有意義的，所以認為相對論反映的是完全的主體性或完全的客體性都是不正確的，任何具體的認識都是主客體相互作用、交互規定的結果，它既具有主體性又具有客體性。

(二)量子力學中認識的主體性與客體性

量子力學的研究對象是微觀自然。以哥本哈根學派為代表的對量子力學的物理詮釋，充分地說明了認識的主體性和客體性的雙重規定。量子力學的測量理論表明“在所有場合，我們關于一切現象的知識都是通過對有關系統與測量儀器之間的相互作用的研究獲得的”[4]，在這一相互作用過程中，涉及到對象與儀器的一種非無限小的相互作用，這時儀器對觀測對象的影響是無法補償的、不可控制的，因而對體系態的描述不能只涉及到所考慮的對象，而且要涉及到對象與觀測條件之間的一種關系[5]。客體以客觀的潛在的可能性制約、規定了主體，主體(測量儀器)以具體的現實的環境條件規定著客體，具體的實現了的測量結果則是這種交互規定的結果，進而使其不可避免地打上了主客體雙方的烙印。

一方面，量子力學突出地表明了認識對主體的依賴，由波函數所描述的一個微觀客體的態，只是一些潛在的可能性，這些可能性實現的方式依賴于與客體相互作用的系統。明顯地體現認識的主體性的是大家熟悉的微觀客體的波粒二象性，以 電子 為例，它具有顯示其粒子形象或波動形象的潛在可能性，至于究竟 發展 其中哪一種可能性，就要看它與何種系統相互作用，即要看主體是用晶體來測量它的衍射圖樣，還是用計數器測量它的光電效應。

另一方面，量子力學中認識的客體性體現在波函數能提供微觀客體可能的最完備描述，[6]它所表示的系統的狀態是一種混合態，是所有可能狀態的疊加，它是客觀的。具體的測量結果雖然部分地依賴于相應的操作算符，但其現實結果只能是基于唯一的波函數所提供的所有潛在可能性中的現實性，任何現實性只是潛在可能性中的一個，具體測量過程中潛在可能性實現的幾率由波函數確定地給出。例如，電子在一個具體的測量中，究竟表現出波動性還是粒子性，具體的本征值是什么，雖然依賴于主體(測量裝置)，但是具體的、可變的現實背后有一般的、不變的客觀根據——波函數。

由波函數表示的微觀客體的潛在可能性和由具體測量過程提供的微觀客體的現實性(實現了的可能性)相互補充才提供了對客體的真正的完備的描述，單純強調認識的客體性或主體性都是偏面的，都不能說是對客體的真正的完備的描述，主客體在交互規定中才能產生真實的、具體的認識。所以說，量子力學中關于微觀客體的完備的認識，既具有主體性又具有客體性。

綜上所述，相對論、量子力學都表明了“人類的認識兼有主體性和客體性”這一原則，60年代后發展起來的混沌學、分形理論被認為是本世紀繼相對論、量子力學之后的第三次物理學革命，它們的基本思想也體現了“人類的認識兼有主體性和客體性”這一原則，而且進一步深化、拓寬了這一原則的適用范圍，更加明確了不存在完全排除觀測者的純粹的客觀自然這一事實，說明以主客體相互作用為基礎來考察人類認識的性質，具有重要的認識論和方法論意義。  

二   混沌學中認識的主體性與客體性  

混沌學的研究對象是非線性的、不穩定的自然。它發現了確定論系統的內在隨機性，說明產生混沌現象的因素可歸納為兩個方面：一定的非線性機制(不是所有的非線性機制)和非絕對精確的初始條件，即“一定的非線性機制”+“非絕對精確的初始條件”一混沌。體現主客體相互作用對認識的雙重規定特征的是：一方面，客體對主體表現出的混沌特性即不可預測程度(預測精度隨時間增長而減小)依賴于主體對客體初始條件的確定程度(在多大精度上知道其初始條件)，所以它是不確定的、相對的、可變的，依賴于具體的主體對客體的相互作用行為，體現了認識的主體性。另一方面，一個確定的混沌系統，它的非線性機制是確定的、客觀的，并且導致了其演化過程在整體層次上呈現出一些客觀規律，如奇異吸引子具有一定的分數維，通向混沌的倍周期分叉過程中存在普適的費根鮑姆常數等，這些都反映了混沌的不依賴于主體的客觀本質特征，體現了認識的客體性。

(一)混沌學中認識的主體性

初始條件是在起始時刻主體對客體所作測量的結果，測量越精確，主體(觀測者)所獲得的關于客體(被測系統) 系統)的知識越多。如果系統對初始條件不敏感，那么初始條件所包含的知識、信息(也就是主客體間的確定性關系)將保留下來，初始條件的不確定程度不會明顯地擴大，因而可以依賴客體系統的動力學演化規律對系統的動態過程做出預測。相對而言，如果系統對初始條件是敏感的，這是由系統的非線性機制造成的，初始條件包含的主體對客體的知識就會由于非線性機制造成的指數型發散而喪失，即初始信息將以非線性機制確定的速率隨著時間的流逝而逐漸喪失，這時依據客體系統的動力學方程就不能在穩定的精度內預測客體系統的長時間演化行為，客體對主體來說成為混沌的[7]。初始條件的確定是主體(觀測者)與客體(被測系統)相互作用的結果，所以主體的性質、特征對初始條件有相應的規定，進而影響著客體系統相對于主體的混沌演化特征(可預測程度)。那么初始條件是怎樣體現認識的主體性的呢?這是由初始條件總有非無限小的與主體相關的不確定域來體現的，這種不確定域的存在是因為：

一是物質本身所固有的。物質的存在都有一定的非局域性，都要占據一定的空間、時間、能量范圍等，即事物在其測度空間中有非零體積。如微觀客體的能級都是有一定寬度的，量子力學中的不可對易量有其本身固有的存在域，以動量和坐標為例，其中一個量可以用提高測量精度來減小其不確定度，而同時另一個量就會有由測不準關系制約的相應的不確定程度的增大，這種增大了的不確定度就不是能夠再通過提高測量精度所能減小的，它是客體所固有的，換言之，測不準關系所表示的是由于存在最小作用量從而使得不可對易量間有不可消除的物質本身固有的不確定域。具體的是什么量不確定和不確定的程度依賴于主體對客體的作用方式，依賴于是測量客體的位置還是測量客體的動量，是傾向于表現客體的粒子性還是傾向于表現客體的波動性。這種認識的主體性與量子力學中的原則上是相同的。

二是測量過程本身的限制。任何測量都是精度有限的測量，不存在無限精確的測量，因為“測量”是主客體(測量者與被測系統)間的一種相互作用，這種相互作用必須通過測量工具來進行，所以測量結果的精確度不可能高于測量工具的精確度。雖然可以通過提高測量工具的精確度來提高測量結果的精確性，但原則上這種不精確性是不可能根本消除的，它是永遠伴隨著測量過程而存在的。這種不精確性直接產生于測量工具，也就直接受測量者(主體)的規定，在這種情況下初始條件的不確定程度決定于主體選擇什么測量工具，選擇什么精度的測量工具，在主體也是測量工具的意義上，還依賴于主體自身的特征。所以說，測量本身的限制也是測量過程中主體(測量者)的限制，這是一種重要的認識的主體規定。

三是由模糊性導致的。系統的模糊性導致分辨率降低，進而使精確的相軌道描述成為不可能的和不必要的，這時以相軌道可以重合但系統不會陷入其周期之中的非周期性來描述這種混沌行為將是方便的。對于某些宏觀現象，如社會 經濟 系統中的一些量，即使數值上是確定的，其實質上也是有較大模糊性的，這種模糊性使過高的精確度成為不必要的、沒有意義的。經濟系統中的產值、增長率等都具有模糊性，一千億產值和 1千零50億產值可能代表基本相同的經濟狀況，10％和9％的增長率所反映的經濟狀況可能沒有什么不同。在這種情況下，對系統初始條件不確定域的考察，在相當大程度上依賴于主體的信息占有量、判斷力和對考察過程的成本的考慮，這時認識的主體性將更強一些。

(二)混沌學中認識的客體性

混沌學中，對初始條件的確定體現著認識的主體性一面。而確定的非線性機制則是認識的客體性的基礎，也是客體性的最集中體現。混沌并不是完全不確定的，混沌中有秩序，混沌中存在著不依賴于主體的反映客體系統固有性質的客觀確定性。混沌學表明混沌現象產生于確定論系統，典型的有一維非線性映射方程 xn+1＝f(α，xn)，產生洛侖茲吸引子的非線性微分方程組[8]

這些方程本身是確定論的，反映著系統的不依賴于主體的客觀性質。在此基礎上，標志認識的客體性的還有適用于不同迭代過程的費根鮑姆普適常量δ、奇異吸引子確定的分數維(洛侖茲吸引子維數為2.06)等等呈現規律性的性質。

可見，在一個具體的能產生混沌的非線性系統中，同時包含了體現著主體性的初始條件和體現著客體性的非線性機制，兩者的結合即主客體的相互規定、相互制約，決定了具體的主體與客體的關系，也就是具有主體性與客體性雙重規定的“混沌”。

三   分形理論中認識的主體性與客體性

分形理論的研究對象是自相似的、無特征尺度的 自然 。在分形理論中實現了從歐氏測度到豪斯道夫測度的測度觀的轉變，分形理論的基本思想是對于沒有特征尺度的客體，研究其標度變換下的不變性。標度的變換也即碼尺的變換，用不同的碼尺所測得的客體的結果，有隨碼尺的變化而變化的，也有隨碼尺的變化而保持不變的。分形理論中的這種標度變換思想具有重要的方法論意義，說明了主客體相互作用是一切測量及理論的基礎，更是一切認識的基礎。

(一)分形理論中認識的主體性

分形理論是以豪斯道夫測度理論為基礎的，它的主體性集中地體現在兩個方面：

首先，hausdroff測度及維數是分形理論的核心概念，也是整個分形理論的基礎，hausdroff測度的定義為：

其中，是歐氏直徑[9]，它是構造一個集合x的hausdroff測度的基礎。可見hausdroff測度是基于對被測集合的歐氏直徑的定義，而這種直徑其實就是主體對客體進行測量的媒介，的歐氏性質本身就反映了主體的特征，是人類習慣于歐氏方式的結果，它深深地打上了認識主體——人類的印記，深刻地說明了一切認識、一切 科學 規律 都是“人”的認識、“人”認識的規律，都必須使人能夠理解，以人為出發點、為目的。因而可以說，分形理論雖然實現了從歐氏測度到hausdroff測度的測度觀的轉變，但它仍然未能擺脫以歐氏測度為表現形式的主體的規定。

其次，正是因為認識的主體——人是生活在歐氏空間中的，是以歐氏測度為基礎的，人們所用的碼尺(測量工具)是歐氏的，人們需要的測量結果即對人有意義的結果也都是歐氏的，所以可以說在人們對分形的研究中，具體結果是依賴于碼尺的。以分形曲線為例，曼德布羅特(mandelbrot)給出的一般分形曲線的長度公式為，[10]對于此式可以有不同的理解，一種可被人們接受的理解是，即l是分形曲線的歐氏長度，是分形曲線的hausdroff長度，是碼尺[11]，此式是聯系與的定量關系式，該式不僅對于實驗測量較方便，而且明確地體現了以主客體相互作用、交互規定為基礎的認識的主體性與客體性。

在式中，下面將談到對于一個分形客體(這里為分形曲線)它的hausdroff測度(長度)及分維d是一定的，即存在且唯—，在這個前提下，主體(觀測者)對客體(分形曲線)測量其長度時(人們需要的是歐氏長度)，所得的曲線長度就只依賴于所選擇的碼尺的大小，選擇—個碼尺就是一個相應的曲線長度。大家熟悉的海岸線的長度和國家間邊界的長度就是這種情況，不同國家對于其間的共同邊界長度有不同的測量結果[12]，就是由于他們測量時采用的是不同的碼尺。

對分形客體的歐氏測量結果依賴于所選碼尺，其原因在于“分形是在其無標度區間內整體與部分相似的形”，其在不同的尺度上都有相似的細節存在。而作為主體與分形客體間的測量媒介的碼尺，其本身就是一個具體的、個別的“特征尺度”，那些小于其“特征尺度”的客體細節，將被它平滑掉，那些大于其“特征尺度”的客體特征將被保留下來。所以變換觀測尺度時，縮小 的變換會在測量過程中把更多的細節記入觀測結果，導致結果增大；擴大的變換會在測量過程中平滑掉小于碼尺的細節，從而導致最后的結果縮小。因而在對分形的測量中，具體的測量結果依賴于所選擇的碼尺，主體選擇什么樣的碼尺就會有與碼尺相應的測量結果，這是分形中認識的主體性的集中反映。

(二)分形理論中認識的客體性

前文所述，分形的歐氏測度依賴于主體所選碼尺的大小，它不是唯一確定的，這正說明了歐氏測度不能反映分形的本質特征。分形理論告訴我們，一個分形客體的hausdroff測度和維數是反映其本質特征的量，是認識的客體性的體現。

對于一個分形來說，其hausdroff維數dimx滿足：  

顯然，對應于的d是唯一的，且d=dimx。也就是說，如果用dimx表示任意非空集合x的hausdroff維數，則用小于hausdroff維數的d值構造的hausdroff測度，而用大于hausdroff維數的d值構造的hausdroff測度，只有用dimx=d的值構造的hausdroff測度才會是有限值，且是唯一的有限值[13]。可見，對于一個特定的分形（簡單分形）客體來說，它的hausdroff維數的d與hausdroff測度都是唯一的，它們是對分形的不依賴于主體的本質特征的反映，體現著認識的客體性方面。

四   結   語

以上概略地談了相對論、量子力學和混沌學、分形理論中認識的主體性與客體性問題，這四個理論作為20世紀重要的科學理論，它們共同反映的自然觀告訴我們：人所認識的自然不是具有獨立實在性的自然，而是基于主客體相互作用的自然，是認識源于實踐的自然。“排除觀測者及其影響作用的是牛頓力學體系的理想情況，這個理想情況在現實中是不存在的”。[14]

當相互作用中主體對客體的干擾（原則上不可排除）在某些方面與客體的客觀極限接近時，即干擾不可忽略、不可作為零來處理時，對客體的認識就不能排除主體的影響。如：相對論中，當v與c可比時，相對論因子 (1-v2/c2)1/2就與1有較大的偏離，這時那些具有相對速度v的不同參照系就會有明顯不同的認識；量子力學中，當作用量與h可比時（接近最小作用量），主客體間的關系就要明顯地受到測不準關系的制約；混沌學中，非線性機制使得系統對初始條件敏感，導致任何小的擾動都會對系統產生不可忽略的影響，所以產生混沌的非線性系統中，主體的干擾是不可忽略的；分形理論中，分形客體的無標度性使主體所用的碼尺與分形客體的細節在不同尺度上都是可比的，所以導致了測量的歐氏結果隨碼尺的不同而變化。

可以說任何科學知識都是人對客觀世界在現實的有限范圍內通過主體與客體的相互作用得來的結果，所以它們沒有例外地都具有主體性與客體性的雙重性質。數學中的羅素悖論、哥德爾定理，物 理學 對熵與不可逆性的詮釋，天文學中的人擇原理， 哲學 中取代本體論的認識論與方法論等等都莫不如此。 

參考 文獻

[1]吳大猷.相對論.北京：科學出版社，1983.32

[2][美]s.溫伯格.引力論和宇宙論. 北京：科學出版社，1980.28

[3]劉療.廣義相對論.北京：高等 教育 出版社，1987.16

[4][美]玻姆.量子理論.北京：商務印書館，1982.706

[5]王貴友.實踐辯證法解析.自然辯證法研究，1994；（1）：21

[6]蔡建華.量子力學. 北京：高等教育出版社，1980.77

[7]趙松年.非線性：它的內容、方法和意義.復雜性研究. 北京：科學出版社，1993.383

[8，14] hao bailin. elementary symbolic dynamics and chaos in dissipative systems. world scientific. 1989．13,403

[9，11，13]董連科.分形理論及其應用.沈陽：遼寧科學技術出版社，1991.17，65，18

第8篇：量子力學的特性范文

霍金1942年1月8日生于英格蘭的牛津，其父母都在牛津城接受過高等教育，霍金的父母非常注意從小培養孩子對科學的興趣，霍金從小非常富有想象力，他曾想出進入自己屋子的11種辦法，但是，他的語言不能同他的思維同步，有時講話還結巴，他在五年級的時候，與幾個同學一起，找了許多零件，制造了一臺電腦，這電腦還真的能回答問題，許多人到學校參觀，引起了一場不小的轟動。

1959年，霍金中學畢業并考入了牛津大學，這時他才17歲，在牛津大學，霍金選學他所喜歡的物理學，當時他們班上有四名學生學習物理，有一次，教師布置了13道題，其他同學做了一星期，只解出一二道題，而他只用一個上午，便做了10道，他的同學們說：“與他同行并進是不可能的，我們就像來自不同的星球。”

然而在大學的第三年，他的身體出現了麻煩，他的手已不像過去那樣靈活了，腿腳也不便利，并且幾次從樓梯上跌下去，但他當時并沒有意識到這一征兆的嚴重性，當年秋天，霍金申請到劍橋大學做研究生，攻讀宇宙學博士，在他進入劍橋大學后不久，21歲生日剛剛過完，他就住進了醫院，經過專家的多次會診，被診斷為患了肌肉萎縮性側面硬化癥(帕金森氏癥)，無方可醫，出院后不久的一個晚上，他做了一個被處死的惡夢，夢醒后，他忽然意識到：“如果被緩刑的話，還有事情值得做。”他重新振作起來，開始了天文學研究生涯，隨著時間的流逝，霍金的病情緩和下來，但只能依靠輪椅活動。1965年，霍金開始有關黑洞問題的研究，1974年，32歲的霍金發現，“只進不出”的黑洞具有一種完全出乎意料的特性，即由于量子力學的“隧道效應”，它會穩定地向外發射粒子，考慮了這種“蒸發”，黑洞就不再是絕對“黑”的了，他的這個驚人的創見發表幾星期后，英國皇家學會就宣布他當選為該會會員，霍金成了這個世界聞名的學會有史以來最年輕的會員之一。

霍金提出“黑洞蒸發理論”的同時，他又把量子力學和引力理論結合在一起，創造了“量子宇宙論”。他說，根據量子力學，空間中充滿了粒子和反粒子，黑洞存在時，一個粒子可以掉到黑洞里面去，留下它的伴侶就是黑洞發射的輻射，這就是霍金提出的被人們稱為“霍金輻射”的黑洞輻射論，霍金的名字也因此在科學史上不朽。

由于其不同尋常的遭遇及在天文學上的杰出成就，霍金獲得了許多榮譽，1975年，梵蒂岡授予霍金“有杰出成就的年輕科學家”稱號；1978年，獲理論物理學領域的最高榮譽“愛因斯坦獎”；1980年霍金被選為盧卡斯教授，這是一個十分崇高的職位，歷史上只有牛頓、拉摩、愛丁頓、狄拉克等幾位大科學家擔任過這一教席。1982年，霍金接受了圣母大學、芝加哥大學、普林斯頓大學和紐約大學的榮譽學位，伊麗莎白女王封他為英國的榮譽騎士，自他的《時間簡史》出版后，他被廣泛尊崇為繼愛因斯坦后最偉大的理論物理學家。

第9篇：量子力學的特性范文

二維的碳

實際上,石墨烯的奧秘就隱藏在你使用的鉛筆頭中,只要你用鉛筆畫一條線,你就從鉛筆中釋放了一些柔軟的,呈銀灰色的純碳,它們是由一些層層重疊著的碳原子組成的。假若你能分離這些重疊著的碳原子,并獲得一片只有一個原子厚的碳薄膜,你便得到了石墨烯。

上述工作也正是本年度諾貝爾物理學獎獲得者英國曼徹斯特大學的安德烈?杰姆和克斯特亞?諾沃塞洛夫所從事的。事實上,從事這項工作的人很多,但只有他們成功了,而他們使用的方法也非常直接而巧妙,即用膠帶分離石墨的層狀結構,最后得到了僅由一層碳原子構成的薄片――石墨烯,它的厚度只有0.335納米,300萬片這樣的物質疊加在一起也只有1毫米厚。

由于石墨烯是從石墨中得到的,又具有烯類物質的基本特征一碳原子之間的雙鍵,因而得名石墨烯。現在讓我們來想象一下石墨烯的樣子吧,它是微觀世界中一張單層的網,每個網格是一個完美的六邊形,每個結頭是一個碳原子。由于這張網只有一個原子厚,所以它近似于沒有高度,只有長度和寬度,也就是說,它是二維的,不是三維的。簡單地說,石墨烯是二維的碳,它是人類已知的最薄的材料。

高速運動的電子

得到了石墨烯后,杰姆和諾沃塞洛夫急切地想知道石墨烯的性能,他們測量了石墨烯的電行為,結果正如他們所預料的那樣,石墨烯是導電的。他們開始對石墨烯做進一步的研究,于是事情變得越來越有趣起來。多數情況下,導體中電子的運動是雜亂無章的,它們隨意地碰撞和滾動,很像游戲機中的彈珠,這是因為導體晶格中的雜質擋住了它們去路的緣故。然而杰姆和諾沃塞洛夫發現,石墨烯不是那樣的,在石墨烯中,電子穿行很長的距離也不會在碰撞中輕易地散開。為什么石墨烯能夠這樣?杰姆猜測這可能與它們近乎完美的原子結構有關。

更為奇特的是,石墨烯中電子運動的速度非常高,這樣高速的電子運動在其他導體中根本沒有見到過。電子之間是相互作用的,這類相互作用的量子實體又被人們稱為“準粒子”。2005年,杰姆的團隊發現,在石墨烯中,準粒子的運動接近于光速,這令他們十分驚訝,因為一般情況下,如此高速的運動只能出現在某種極端的環境中,例如接近了一顆中子星,或者處在宇宙大爆炸中,只有在那種情況下,粒子才能被加速到如此高的速度。這種高速的粒子運動也正是物理學家們非常羨慕的,為了獲得這種速度,他們要依靠粒子加速器,然而現在人們在石墨烯中看到了這種運動,這意味著僅僅使用石墨烯就能探索一些奇妙的物理現象了。

狄拉克震顫

使用石墨烯有望探索到一種被稱為“狄拉克震顫”的現象,它是一種快速的震顫運動,最初是由英國物理學家保羅?狄拉克提出的,這種理論將量子力學與狹義相對論結合起來描述了快速運動的粒子。狄拉克預測,當如此運動著的粒子從一點遷移到另一點時,其行進的軌跡并非是一條直線,而是“震顫”著行進的,這是因為粒子帶有極大的能量,因而它們產生了它們的反粒子。假若是電子的場合,那么產生的反粒子就是正電子。由于反粒子與原有粒子的相互作用,它們的軌跡便發生了波動,導致了“狄拉克震顫”。

然而“狄拉克震顫”是如此之快,以致人們很難觀測到這種運動,不過杰姆說,類似的現象在石墨烯中能夠出現,并且能夠測量到,因為在石墨烯中,由于“粒子海”中所謂“空穴”的存在,粒子發生“震顫”的幅度大約為lOO納米。杰姆相信,使用高分辨率的顯微鏡,這樣的運動能被觀測到。

克萊恩佯

在粒子接近光速的運動中,“狄拉克震顫”并不是唯一預測到的量子力學現象。1929年,瑞典物理學家奧斯卡?克萊恩還預測了另外一種奇妙的量子力學現象,他認為,在量子世界中,即使微觀粒子的總能量小于勢壘高度,這些粒子仍然能夠穿越這一勢壘,這種現象又稱為“量子隧道效應”。

為了便于理解,讓我們想象一堵墻,它就是所謂的“勢壘”,然后再想象我們向著這堵墻踢出了一個足球,也就是所謂的“粒子”。日常的經驗告訴我們,足球會被這堵墻壁彈回來,然而在量子世界中,“足球”卻是有可能出現在“墻壁”的另一邊的!這就是“克萊恩效應”,又稱為“克萊恩佯謬”。也就是說,在量子世界中,粒子可以不理會擋在它們前進路途上的“墻”,即勢壘。為什么會這樣呢?原因就存在于前面所講的“狄拉克震顫”中,由于粒子帶有極高的能量,它們在“墻”中創造了它們的反粒子。這些反粒子“穿墻而過”,又在“墻”的另一邊制作出了原來粒子的“復制品”。因為在反粒子看來,真實世界里的山峰會變成了山谷,反粒子很容易通過這個反物質世界的“山谷”到達勢壘的另一邊,于是看上去,它們直接穿過了“墻”,就仿佛這堵“墻”根本就不存在一樣。

杰姆和他的同事們認為,如果在一個狹長的石墨烯材料上創造一個“勢壘”,再施以電場,他們就有可能目睹“準粒子”穿越“勢壘”的過程。

可以想見,石墨烯不僅是材料學家的寵兒,也將在理論物理學上大有用武之地。

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