量子力学的特性精选(九篇)

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第1篇：量子力学的特性范文

这只猫生活在一个不透明的盒子里，在这个盒子中放有猫喜欢吃的食物，还有一个毒药瓶。毒药瓶上有一个锤子，锤子由一个电子开关控制，电子开关由放射性原子控制。如果原子核衰变， 则放出阿尔法粒子， 触动电子开关， 锤子落下， 砸碎毒药瓶， 释放出里面的毒气， 此猫必死无疑。如果原子核未衰变，则不会激发这一系列的连锁反应，猫就不会被毒死。这个残忍的装置由大物理学家薛定谔所设计， 所以此猫便叫做薛定谔猫。

原子核的衰变是随机事件，我们所能精确知道的只是放射性原子的半衰期——衰变一半所需要的时间。但是， 我们却无法知道， 它在什么时候衰变。因为原子的状态不确定，所以猫的状态也不确定。我们只有在揭开盖子的一瞬间，才能确切的知道此猫是死是活。如果没有揭开盖子进行观察，我们永远也不会知道此猫是死是活，它将永远处于半死不活的状态。这与我们的日常经验严重相违，要么死，要么活，怎么可能不死不活，半死半活呢？

其实，薛定谔的猫是关于量子理论的一个理想实验。量子力学是描述原子、电子等微观粒子的理论，它所揭示的微观规律与日常生活中看到的宏观规律很不一样。量子力学认为一切微观粒子既有波动性又有粒子性，既所谓的波粒二象性。所有的微观粒子诸如电子、质子、光子等都有一个奇怪的性质：它们在同一个时刻可以既在这里，又在那里，既是粒子又是波，就像有分身法术一样。微观粒子是粒子和波两象性矛盾的统一。为了描述微观粒子的状态，人们引入了波函数，微观粒子的波动呈现出它运动的一种统计规律，因此称此波动为概率波或概率波幅（即量子态）。概率波幅是量子力学世界里最基本最重要的概念，微观世界千奇百怪的特性就起源于这个量子态。微观粒子的量子态可以是线性叠加的，比如电子的轨道叠加。“叠加态”就是有几种本征态叠加在一起的粒子状态，这时这个粒子的状态是不确定的，只有当一个“测量”被进行的时候，才会呈现一个被测量到的状态，可能是该粒子的任何一种本征态。

在薛定谔的猫实验中，放射源何时放射粒子是不确定的，按量子力学解释是处于0和1的叠加态，那么在未打开盒子进行观察前，按量子力学解释这只猫也应处于死猫和活猫的叠加态，我们只有在揭开盖子的一瞬间，才能确切地知道此猫是死是活。此时，猫的波函数由叠加态立即收缩到某一个本征态。量子理论认为：如果没有揭开盖子，进行观察，我们永远也不知道此猫是死是活，它将永远处于半死不活的叠加态。

第2篇：量子力学的特性范文

作为奥地利理论物理学家和量子力学的奠基人之一，埃尔温·薛定谔曾表示纠缠是量子力学的特殊性质，其也是新兴的量子密码学和量子计算等量子信息技术的关键资源。

纠缠的粒子所表现出的相关性，比经典物理学定律所允许的更强大也更复杂。如果两个粒子处于纠缠的量子态，它们就能完全地定义共同属性，并以损失自己的个体特性为代价。这就像两个原本没有方向的骰子，在处于纠缠态时，它们将随机显示出同样的朝向；相反，如果它们处于分离的量子态时，其中每一个都将显示出自己明确的朝向，因为每个粒子都有自己的特性。通常，我们会认为无论骰子是否纠缠，量子态的性质至少应是现实的客观事实，物理学家安东·塞林格教授所带领的研究团队现在却可在实验中证明，情况并非一直如此。

他们实现了名为“延迟选择纠缠交换”的“思想实验”，这项实验由亚瑟·佩雷斯于2000年提出。在实验中，两对纠缠的光子可被生成，每对中的一个光子将被发送至“维克多”一方。剩下的两个光子，一个被发送至“爱丽丝”处，一个被发送至“鲍勃”处。“维克多”现在能在两种测量中选择，如果他决定以被迫的纠缠态方式测量自己的两个光子，随后“爱丽丝”和“鲍勃”的光子对也将变为纠缠态；如果“维克多”选择单独测量自己的每一个粒子，“爱丽丝”和“鲍勃”的光子对也将以分离态收尾。

而现在的量子光学技术能支持研究团队推迟“维克多”的选择和测量，并以“爱丽丝”和“鲍勃”对于自身光子的行为作为参考。此次研究的主要作者马晓松（音译）解释说，借助高速的可调谐双态分析器和量子随机数生成器，无论“爱丽丝”和“鲍勃”的光子是否处于纠缠态并显示出量子关联，或是处于分离态并显示出传统关联，都可以在它们被测量后再做出决定。

第3篇：量子力学的特性范文

【关键词】量子;通信;技术;发展

对量子信息进行研究是将量子力学作为研究基础，根据量子并行、纠缠以及不可克隆特性，探索量子编码、计算、传输的可能性，以新途径、思路、概念打破原有的芯片极限。从本质来说：量子信息是在量子物理观念上引发的效应。它的优势完全来源于量子并行，量子纠缠中的相干叠加为量子通讯提供了依据，量子密码更多的取决于波包塌缩。理论上，量子通信能够实现通信过程，最初是通过光纤实现的，由于光纤会受到自身与地理条件限制，不能实现远距离通信，所以不利于全球化。到1993年，隐形传输方式被提出，通过创建脱离实物的量子通信，用量子态进行信息传输，这就是原则上不能破译的技术。但是，我们应该看到，受环境噪声影响，量子纠缠会随着传输距离的拉长效果变差。

一、量子通信技术

（一）量子通信定义

到目前为止，量子通信依然没有准确的定义。从物力角度来看，它可以被理解为物力权限下，通过量子效应进行性能较高的通信;从信息学来看，量子通信是在量子力学原理以及量子隐形传输中的特有属性，或者利用量子测量完成信息传输的过程。

从量子基本理论来看，量子态是质子、中子、原子等粒子的具体状态，可以代表粒子旋转、能量、磁场和物理特性，它包含量子测不准原理和量子纠缠，同时也是现代物理学的重点。量子纠缠是来源一致的一对微观粒子在量子力学中的纠缠关系，同时这也是通过量子进行密码传递的基础。Heisenberg测不准原理作为力学基本原理，是同一时刻用相同精度对量子动量以及位置的测量，但是只能精确测定其中的一样结果。

（二）量子通信原理

量子通信素来具有速度快、容量大、保密性好等特征，它的过程就是量子力学原理的展现。从最典型的通信系统来说具体包含：量子态、量子测量容器与通道，拥有量子效应的有：原子、电子、光子等，它们都可以作为量子通信的信号。在这过程中，由于光信号拥有一定的传输性，所以常说的量子通信都是量子光通信。分发单光子作为实施量子通信空间的依据，利用空间技术能够实现空间量子的全球化通信，并且克服空间链路造成的距离局限。

利用纠缠量子中的隐形量子传输技术作为未来量子通信的核心，它的工作原理是：利用量子力学，由两个光子构成纠缠光子，不管它们在宇宙中距离多远，都不能分割状态。如果只是单独测量一个光子情况，可能会得到完全随机的测量结果;如果利用海森堡的测不准原理进行测量，只要测量一个光子状态，纵使它已经发生变化，另一个光子也会出现类似的变化，也就是塌缩。根据这一研究成果，Alice利用随机比特，随机转换已有的量子传输状态，在多次传输中，接受者利用量子信道接收;在对每个光子进行测量时，同时也随机改变了自己的基，一旦两人的基一样，一对互补随机数也就产生。如果此时窃听者窃听，就会破坏纠缠光子对，Alice与Bob也就发觉，所以运用这种方式进行通信是安全的。

（三）量子密码技术

从Heisenberg测不准原理我们可以知道，窃听不可能得到有效信息，与此同时，窃听量子信号也将会留下痕迹，让通信方察觉。密码技术通过这一原理判别是否存在有人窃取密码信息，保障密码安全。而密钥分配的基本原理则来源于偏振，在任意时刻，光子的偏振方向都拥有一定的随机性，所以需要在纠缠光子间分设偏振片。如果光子偏振片与偏振方向夹角较小时，通过滤光器偏振的几率很大，反之偏小。尤其是夹角为90度时，概率为0;夹角为45度时，概率是0.5，夹角是0度时，概率就是1;然后利用公开渠道告诉对方旋转方式，将检测到的光子标记为1，没有检测到的填写0，而双方都能记录的二进制数列就是密码。对于半路监听的情况，在设置偏振片的同时，偏振方向的改变，这样就会让接受者与发送者数列出现差距。

（四）量子通信的安全性

从典型的数字通信来说：对信息逐比特，并且完全加密保护，这才是实质上的安全通信。但是它不能完全保障信息安全，在长度有限的密文理论中，经不住穷举法影响。同时，伪随机码的周期性，在重复使用密钥时，理论上能够被解码，只是周期越长，解码破译难度就会越大。如果将长度有限的随机码视为密钥，长期使用虽然也会具有周期特征，但是不能确保安全性。

从传统的通信保密系统来看，使用的是线路加密与终端加密整合的方式对其保护。电话保密网，是在话音终端上利用信息通信进行加密保护，而工作密钥则是伪随机码。

二、量子通信应用与发展

和传统通信相比，量子通信具有很多优势，它具有良好的抗干扰能力，并且不需要传统信道，量子密码安全性很高，一般不能被破译，线路时延接近0，所以具有很快的传输速度。目前，量子通信已经引起很多军方和国家政府的关注。因为它能建立起无法破译的系统，所以一直是日本、欧盟、美国科研机构发展与研究的内容。

在城域通信分发与生成系统中，通过互联量子路由器，不仅能为任意量子密码机构成量子密码，还能为成对通信保密机利用，它既能用于逐比特加密，也能非实时应用。在严格的专网安全通信中，通过以量子分发系统和密钥为支撑，在城域范畴，任何两个用户都能实现逐比特密钥量子加密通信，最后形成安全性有保障的通信系统。在广域高的通信网络中，受传输信道中的长度限制，它不可能直接创建出广域的通信网络。如果分段利用量子密钥进行实时加密，就能形成安全级别较高的广域通信。它的缺点是，不能全程端与端的加密，加密节点信息需要落地，所以存在安全隐患。目前，随着空间光信道量子通信的成熟，在天基平台建立好后，就能实施范围覆盖，从而拓展量子信道传输。在这过程中，一旦量子中继与存储取得突破，就能进一步拉长量子信道的输送距离，并且运用到更宽的领域。例如：在潜安全系统中，深海潜艇与岸基指挥一直是公认的世界难题，只有运用甚长波进行系统通信，才能实现几百米水下通信，如果只是使用传统的加密方式，很难保障安全性，而利用量子隐形和存储将成为开辟潜通的新途径。

三、结束语

量子技术的应用与发展，作为现代科学与物理学的进步标志之一，它对人类发展以及科学建设都具有重要作用。因此，在实际工作中，必须充分利用通信技术，整合国内外发展经验，从各方面推进量子通信技术发展。

参考文献

[1]徐启建，金鑫，徐晓帆等.量子通信技术发展现状及应用前景分析[J].中国电子科学研究院学报，2009，4（5）：491-497.

第4篇：量子力学的特性范文

>> Shoot只是“射击”吗? 时间只是幻觉吗？ 无聊吗？想象吧 存在生产率悖论吗 白领逃离:只是一种想象? 二孩，只是想象中的美好？ Dog只是狗吗等 只是“我”的誓言吗？ 腿抽筋只是缺钙吗 独立董事只是“花瓶”吗？ 案只是个案吗？ 中国：只是改革受阻吗？ “寻花”只是赏花吗？ 这只是几个“钱”吗？ 我们真的懂量子力学吗？ 法国悖论：饮酒有助健康吗 美貌只是敲门砖吗 星巴克只是咖啡店吗？ “小处方”只是个传说吗 难道只是丈夫的错吗 常见问题解答 当前所在位置：中国 > 政治 > 量子悖论只是想象吗 量子悖论只是想象吗 杂志之家、写作服务和杂志订阅支持对公帐户付款！安全又可靠！ document.write("作者： 汉斯·克里斯蒂安·冯贝耶尔")

申明:本网站内容仅用于学术交流，如有侵犯您的权益，请及时告知我们，本站将立即删除有关内容。 量子力学是一种非常成功的理论，可它也充满了奇怪的悖论。

量子力学是物理学中最成功的理论，从亚原子到天文学层面，它完美解释了所有物质的行为。不过，它也是最奇怪的理论。在量子领域中，粒子似乎会同时存在于两个地方；信息的传播速度似乎比光速还快；而猫可能同时既是死的又是活的。物理学家已经与量子世界里显而易见的悖论斗争了90年—可是他们的努力收效甚微。与进化论和宇宙论的观点已经被大众普遍理解不同，量子理论迄今仍被看作奇谈怪论（甚至许多物理学家也这样认为），人们认为它是一种构建奇妙玩意的有力工具，除此以外别无益处。大众对量子理论的意义也深感困惑：这一理论总是迫不及待地想告诉我们一些关于我们所在世界的深奥玩意，而这些与我们的日常生活完全无关。

实际上，在量子力学诞生之初，物理学家就把波函数的塌缩看作悖论，它也是量子理论让人十分困扰的一个方面。这种令人心神不定的困惑，迫使物理学家发展出了量子力学形形的版本。最常见的四种解释如下： 哥本哈根解释

这种解释主要由尼尔斯·玻尔和维尔纳·海森堡创立，诞生于玻尔在丹麦哥本哈根的研究所，是量子力学的正统版本。某个系统（例如一个原子）可以被测量的特性，统称为系统的量子态。量子态可以通过矩阵（类似一张表格）或波函数方程（代表概率分布图）来描述。这一解释通过玻恩法则与真实世界相联系。玻恩法则由海森堡的导师马克斯·玻恩提出，描述了如何计算某个给定量子态的可测量的概率。玻恩因此获得了诺贝尔奖。在测量中，观察者会导致量子态塌缩为描述实验真实结果的新状态。这种立刻发生的塌缩意味着这种作用可能比光速还要快。 多世界解释

要避免出现量子态塌缩的难题，最直接的方法是将它彻底排除。近年来，这一激进的主张获得了不少拥护者。多世界解释假设一个世界中只有一种量子态，它平滑展开、可以预测。比如说，当观察者通过实验来检测某个电子穿过双缝中的哪一个时，量子态并没有塌缩到双缝中的任意一个上，而是整个世界分裂成两个分杈。我们，即真实世界的观察者，留在其中一个分叉上，完全不知道另一个分叉。因此，整个宇宙像树木一样，伸展出无穷多的枝桠，每条枝桠都是一个真实独立的世界，其中真实发生一种可能的结果，无穷多的枝桠涵盖了每一种可能的结果。这一解释除了对我们的想象力要求过高以外，最大的缺陷在于无法说明为什么“测量”会引起世界的分裂，也难以对玻恩法则做出合理解释。 导向场解释

不少物理学家热衷于重写量子力学的数学表述，将控制粒子运动的真实物理力场包含进来，阿尔伯特·爱因斯坦也曾一度参与其中。不幸的是，推演到N个粒子的情况时，这一诱人的前景即告破灭。粒子运动的空间不再是我们熟悉的三维空间，而是拥有3N维度的抽象空间。更让人困扰的是，导向场产生的是一种超距作用力，在这种情况下，物理作用能瞬间跨越很远的距离。 自发塌缩理论

这套理论并未排除观察者引发的塌缩，而假设塌缩完全是自发的—每个量子系统中塌缩都会自然发生（虽然十分罕见），但是当量子系统与宏观物体相互作用时，塌缩就会变得十分显著。不过，这套理论需要引入一整套全新的塌缩机制。在塌缩机制能够通过实验证实之前，这套理论只是一个新的假说，和它意图取代的观察者引发塌缩的理论一样玄妙难解。

2001年，一个研究小组开始探索一种新模型，这一模型将可能消除量子悖论，或者使这些悖论变得不那么令人不安。这种模型叫做“量子贝叶斯模型”，简称为“量贝模型”，它重新解释了波函数。

量贝模型是量子理论与概率论的结合，它认为波函数并非客观实在；恰恰相反，量贝模型认为，波函数只是一本用户手册，一种数学工具。观察者使用这种工具，对周围的世界—即量子世界—作出更明智的判定。确切地说，观察者意识到，自己个人的选择和行动会以一种本质上具有不确定性的方式影响该系统，因此利用波函数，将他自己对于一个量子系统具备某种特性的个人信念量化赋值；而别的观察者也使用波函数，描述他自己看到的世界。面对同样的量子系统，两位观察者可能得出全然不同的结论。对于一个系统，或者一个事件而言，有多少观察者，就可能有多少种不同的波函数。观察者彼此交流，修正各自的波函数来解释新获得的知识，于是，就有了更清晰的认识。

波函数并非真实存在，这一观点可以追溯到20世纪30年代尼尔斯·玻尔的许多著作，他是量子力学的创建者之一。玻尔认为，波函数是量子理论中“纯粹象征性的”形式体系的组成部分，只是一种计算工具而已。量贝模型首次为玻尔的主张提供了数学支持。

从这个角度来说，波函数“很可能是有史以来我们找到的最强大的抽象概念。”美国康奈尔大学的理论物理学家、最近转投量贝模型的N·戴维·梅尔曼说。

（更多内容请见《科学美国人》中文版《环球科学》2013年7月号）

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第5篇：量子力学的特性范文

摘 要：凝聚态物理学作为物理学的一大分支，其研究前景十分广泛。凝聚态物理学是研究凝聚态物质的物理性质以及它们的微观结构的学科。其通过分析构成凝聚态物质的电子、离子、原子、分子的运动形态和运动规律，从而对凝聚态物质的物理性质进行认知。凝聚态物质是固体物理学的一个拓展方面，研究的物质的典型特征之一是其具有多种形态。同时，凝聚态物理学也为材料研究引入了新的体系。本文就目前凝聚态物理学发展情况，对其中的基本概念的产生、含义及其发展进行阐述。

关键词：凝聚态物理学；基本概念；特点阐述

凝聚态物理学的基本概念需根据物质世界的层次化进行阐述效果会更加明了。作为一门至今仍然拥有丰富生命力的研究学问，凝聚态物理学时时刻刻影响着我们生活的方方面面。例如，液态金属、溶胶、高分子聚合物等等物质的研究都和凝聚态物理学有着密不可分的联系。凝聚态物理学发展历史和其理论支撑，是对凝聚态物理学的基本概念进行阐述的基础。

一、凝聚态物理学发展历史

1、物质世界层次化

为了对凝聚态物理学基本概念进行阐述，首先就需要提到物质世界层次化的研究方式。纵观二十世纪的物理学发展，在二十世纪初，两大划时代的物理理论突破的出现，拉开了宇观物理学和微观物理学的探究序幕。两大理论即是相对论和量子论，相对论和量子理论是对传统物理学的质疑和挑战。其中，狭义相对论修正了经典物理学当中的电磁学和力学之间存在的矛盾；广义相对论则是为近代物理学当中的天体运行研究做出了巨大的贡献。量子论的建立正式拉开了现代物理学对于微观世界的研究，使得基于原子乃至更小系统的探究成为可能。现代物理学的研究方式正是基于这一种将物质世界进行分层的观点进行的，因为物理学当中的理论使用范围都有区别。例如，在宏观世界当中，牛顿力学成立；在微观世界当中，牛顿力学就难以支撑实验事实了。

2、凝聚B物理学的步步发展

从科学家开始探索微观世界开始，凝聚态物理学就悄然发展开来。科学家从原子物理出发，深入到原子核内外空间的研究，为了探索微观世界粒子的基本特性，建立了多代高能粒子加速器，使得近代微观物理学探索出中子、夸克、轻子类的微观粒子。同时，近代物理学的一条研究途径也是将原子物理作为基本主线。在这条研究主线当中，量子力学和统计物理学向结合，奠定了固定物理学的基础。固定物理学的逐渐发展扩大，演变为了凝聚态物理学。凝聚态物理学的研究发展从简单到复杂，从宏观到微观。其结合到其他学科（材料学、化学、生物学等）共同创新，取得了巨大成果。

二、凝聚态物理学的基本概念阐述

1、基本理论

凝聚态物理学基本概念中最重要的基础则是构建这门学科的理论支撑。其基本理论当中的核心即是量子物理和经典物理。根据凝聚态物理学的发展历史来看，量子物理理论推动了凝聚态物理学的发展，使其对众多实验研究成为可能。经典物理理论在凝聚态物理学中并非一无是处，仍在一些研究方面起着不可忽视的作用。两种理论知识在凝聚态物理学当中的应用都存在着自身的适用范围，下面对其进行比较说明。在中学物理中我们初步了解到，物质粒子具有二象性――粒子与波。在粒子的二象性当中，粒子所具有的波动性使得量子力学有别与经典力学。二者的适用范围的界限通常是一些临界温度、直径、场（电场、磁场）强等方面。

2、凝聚现象

凝聚态物理学的基础概念即是凝聚现象，然而凝聚现象在我们日常生活当中是随处可见的。大家都知道，气体可以凝结成固体或者是液体，液体和固体之间最明显的区别是液体的流动性。根据量子力学等理论分析，在某些临界温度附近，物质之间就发生凝聚现象。发生凝聚现象的物质往往具备一些新的物理性质。例如物质原有的沸点、导电性、光敏性等发生改变。

3、凝聚态物质的有序化

根据中学物理和化学的知识可知，物质反应在平衡状态时，其系统能量内能与熵等因素的影响。系统物质内能的上升使得系统趋于不稳定性，使得熵值增加。当温度下降时，凝聚态物质则趋于熵值下降和系统稳定，研究发现，凝聚态物质往往是某一种有序结构的物相。大量物质粒子所组成的系统表现出来的直观特征即是位置序，这也说明不同的粒子直接是存在着相互联系的。当然，也存在着粒子相互作用较弱的情况，其宏观表现即是粒子无序分布。在经典粒子系统当中，使得系统有序化的物理基础则是粒子和粒子之间的相互作用，这可当作是量子力学当中的一个问题处理。根据中学知识我们知道，在量子力学当中，物质粒子存在着位置不确定性和动量不确定性。根据上述进行总结，凝聚态物质是空间当中的凝聚体，而相对空间往往是分为两个方面。一方面是位置形态空间，另外的一方面是抽象的动量空间。凝聚态物质的有序化在这两个空间当中的存在形态极为丰富。

三、研究概念阐述

凝聚态物理学当中基本的研究概念在于以下几个方面。第一是固体电子论。对固定系统当中电子的行为研究是凝聚态物理学一直在努力的方向，按照电子行为的相互作用的大小，又将其分为三个小的区域。首先是弱关联区，这个区域的研究已经取得了巨大进展，也是构成半导体物理学的理论基础。其次是中等关联区域，主要研究对象包括的是一般的金属和强磁性的物质，其构成了磁铁学的物理基础。强关联区受能带理论发展的影响，目前其研究还有待开拓。第二是宏观量子态。宏观量子态研究当中对某些物质的超导现象的研究是一个重点，一些非常规的超导体研究也是目前科学家所努力的方向。第三是纳米结构与介观物理，凝聚态物理学对于一些简单物质的研究已经较为清楚。按照不同物质材料的结构尺度进行探究是凝聚态物理学研究的新方向之一，纳米结构和介观物理需要量子理论进行支撑，研究目的主要是为了获取材料和器件的复合体，同时创造出一些具有优良性能的物理材料。

四、总结

凝聚态物理学的理论基础是量子力学，目前量子力学的发展已经趋于完备。由于凝聚态物理学设计大量微观粒子的研究，其复杂程度较高，需要研究者从实验、计算、推演等方面开展研究。凝聚态物理学作为一门高新技术，其研究前景十分广阔。只要充分结合其他相关学科知识，加以探究，一定会取得更加丰硕的研究成果。

参考文献

[1]冯端，金国钧.凝聚态物理学中的基本概念[J].物理学进展， 2000， 20（1）：1-21.

第6篇：量子力学的特性范文

答：所有的光都具有波粒二相性。在2012年11月出版的《科学》杂志中，英国布里斯托大学的物理学家阿尔贝托·佩鲁佐利用光子分离器使一个光子纠缠另一个光子，通过对第二

个光子的检测，证实了光子同时表现出波和粒子的特性。

第二个问题：从经典角度讲，任何粒子，只要它有一定的动能，都有一定的穿透力射出的子弹在一定射程内能击穿木板，相反，“强弩之末，势不能穿鲁缟”。这些现象用高中的“压强”概念就可以解释。光也是一种粒子，非静止的光子的确具有动能和光压。

但是，光和物质的作用，一般是从光子（或电磁波）与电子、原子、分子作用的角度来考虑的，比如可见光能穿透厚厚的玻璃，但不能透过一块薄薄的黑布。这种差别显然无法从“子弹穿木板”的角度来解释。这里要考虑的是光子被吸收的多少，即光子“消逝”的多少。能穿透玻璃，是因为被吸收的光子很少。光子是粒子的，但是玻璃的微观结构是很稀疏的、间距很大的格点阵列，对光子的吸收很有限。

要进一步理解这个问题，需要理解光子是一种能量量子化的概念，它的行为要用量子力学来描述，而不能用经典图像来看待。比如，它是什么形状？体积有多大？等等。

量子力学中，用波函数来描述光子这样的微观粒子比较好，波函数模的平方就是光子出现概率高的地方。在真空中，波函数模的平方在一条直线上出现极大值，所以真空中光沿直线传播。在介质（如玻璃）中，光子的能量被介质原子（离子、分子等）吸收，同时，介质原子（离子、分子等）跃迁到高能级上，它有一定概率再释放光子，整个过程是个动态平衡的过程，总的效果是波函数模的平方在穿透玻璃的地方出现极大值。光子跑到了玻璃的另一面，也就是说，光子穿透玻璃。同时，如果了解量子电动力学的方程后，会发现波函数模的平方极大值出现的地方与几何光学（折射定律、反射定律等）相一致。

第7篇：量子力学的特性范文

论文摘要：人类的认识既不是完全客体性的也不是完全主体性的，它源于主体和客体的相互作用、交互规定，在不同方面、不同层次上体现着主体性或客体性。20世纪的 科学 从相对论、量子力学到混沌学、分形理论都体现了这一精神实质，本文在简单论述相对论、量子力学所体现的主体性与客体性后，着重分析了混沌学与分形理论中的主体性与客体性问题。  

人类对客观世界的认识，是主体(人类)与客体(客观世界)相互作用的结果，所以对认识的理解必须从主体、客体及其相互作用方式三方面着眼。认识既不是完全客体的，也不是完全主体的，具体的认识是主客体在相互作用中交互规定的结果。 自然 现象在变化中有不变的东西，科学所研究的就是变化中的不变及潜在可能性的现实化。现实性不能超越潜在可能性的范围，它不是任意的、无 规律 的，其中存在着不依赖于主体的客观特征；有意义的、具体的事件即潜在可能性的具体实现，却是依赖于具体的环境条件，依赖于主体、测量工具或码尺的。认识中的主体规定体现了认识的主体性方面，客体规定体现了客体性方面，任何知识体系都同时包括这两个方面。20世纪物 理学 的重大成果相对论、量子力学、混沌学、分形理论虽然研究对象不同，所揭示的具体自然规律不同，但是在“认识源于主客体相互作用，兼有主体性与客体性”这一点上却是相同的。  

一   相对论、量子力学中认识的主体性与客体性    

(一)相对论中认识的主体性与客体性

相对论效应显著的是宇观的、高速运动的自然。相对论表明：对于同时性、时间间隔、空间间隔等一些物理现象，不同参照系观测结果不同，观测结果依赖于主体对参照系的选择，它反映了认识的主体性一面；对于四维时空间隔、物理定律的形式等，不同参照系观测结果相同，观测结果不依赖于主体对参照系的选择，而决定于观测对象自身的客观性质，它反映了认识的客体性一面。

根据狭义相对性原理，不同惯性系对同一物理过程进行的时、空描述，所得到的时间、空间坐标不同，时间间隔和空间间隔也不同，即所谓的“同时性的相对性”和“钟慢”、“尺缩”现象，不同惯性系对同一物理过程的时、空间隔测量值之间的对应关系，是由洛仑兹变换确定的[1]，相对论因子(1-v2／c2)1/2具体体现了对时间间隔和空间间隔的测量依赖于主体(观测者)的程度和方式。狭义相对论中包含的这些“同时性的相对性”、“时间间隔和空间间隔的相对性”等，明确地表明了主体(观测者)对客体(被测过程)的认识并非与主体毫无关系，而是在一定程度上决定于主体与客体的相互关系，决定于主体对参照系的选择，这是对认识的主体性的体现。

狭义相对论中不同的惯性系对同一物理过程进行的时、空测量，所得到的时空坐标、时间间隔和空间间隔尽管不同，即时、空测量值依赖于观测者所选用的参照系，但是洛仑兹协变保持了原时“dt”(即minkowski四维时一空间隔dt 2＝dx2+dy2+dz2-dτ2)不变[2]，也就是说，不同参照系中的dt对于一个确定的物理过程来说是相等的，是不依赖于观测者对参照系的选择的。进一步地，广义相对性原理说明了，客体(被测过程)的真实的物理规律应该在任意坐标变换下形式不变[3]，不存在优越的参照系，这是认识的客体性的体现。

可见，相对论中对同一物理过程的认识既有依赖于主体的部分也有不依赖于主体的部分。笔者要强调的是，由于对主体的任何有意义的作用，其发生方式与主体对客体的测量本质上是相同的，都是两者的相互作用，因而这种认识的主体性不是虚幻的、无意义的，而是真实的、有意义的，所以认为相对论反映的是完全的主体性或完全的客体性都是不正确的，任何具体的认识都是主客体相互作用、交互规定的结果，它既具有主体性又具有客体性。

(二)量子力学中认识的主体性与客体性

量子力学的研究对象是微观自然。以哥本哈根学派为代表的对量子力学的物理诠释，充分地说明了认识的主体性和客体性的双重规定。量子力学的测量理论表明“在所有场合，我们关于一切现象的知识都是通过对有关系统与测量仪器之间的相互作用的研究获得的”[4]，在这一相互作用过程中，涉及到对象与仪器的一种非无限小的相互作用，这时仪器对观测对象的影响是无法补偿的、不可控制的，因而对体系态的描述不能只涉及到所考虑的对象，而且要涉及到对象与观测条件之间的一种关系[5]。客体以客观的潜在的可能性制约、规定了主体，主体(测量仪器)以具体的现实的环境条件规定着客体，具体的实现了的测量结果则是这种交互规定的结果，进而使其不可避免地打上了主客体双方的烙印。

一方面，量子力学突出地表明了认识对主体的依赖，由波函数所描述的一个微观客体的态，只是一些潜在的可能性，这些可能性实现的方式依赖于与客体相互作用的系统。明显地体现认识的主体性的是大家熟悉的微观客体的波粒二象性，以 电子 为例，它具有显示其粒子形象或波动形象的潜在可能性，至于究竟 发展 其中哪一种可能性，就要看它与何种系统相互作用，即要看主体是用晶体来测量它的衍射图样，还是用计数器测量它的光电效应。

另一方面，量子力学中认识的客体性体现在波函数能提供微观客体可能的最完备描述，[6]它所表示的系统的状态是一种混合态，是所有可能状态的叠加，它是客观的。具体的测量结果虽然部分地依赖于相应的操作算符，但其现实结果只能是基于唯一的波函数所提供的所有潜在可能性中的现实性，任何现实性只是潜在可能性中的一个，具体测量过程中潜在可能性实现的几率由波函数确定地给出。例如，电子在一个具体的测量中，究竟表现出波动性还是粒子性，具体的本征值是什么，虽然依赖于主体(测量装置)，但是具体的、可变的现实背后有一般的、不变的客观根据——波函数。

由波函数表示的微观客体的潜在可能性和由具体测量过程提供的微观客体的现实性(实现了的可能性)相互补充才提供了对客体的真正的完备的描述，单纯强调认识的客体性或主体性都是偏面的，都不能说是对客体的真正的完备的描述，主客体在交互规定中才能产生真实的、具体的认识。所以说，量子力学中关于微观客体的完备的认识，既具有主体性又具有客体性。

综上所述，相对论、量子力学都表明了“人类的认识兼有主体性和客体性”这一原则，60年代后发展起来的混沌学、分形理论被认为是本世纪继相对论、量子力学之后的第三次物理学革命，它们的基本思想也体现了“人类的认识兼有主体性和客体性”这一原则，而且进一步深化、拓宽了这一原则的适用范围，更加明确了不存在完全排除观测者的纯粹的客观自然这一事实，说明以主客体相互作用为基础来考察人类认识的性质，具有重要的认识论和方法论意义。  

二   混沌学中认识的主体性与客体性  

混沌学的研究对象是非线性的、不稳定的自然。它发现了确定论系统的内在随机性，说明产生混沌现象的因素可归纳为两个方面：一定的非线性机制(不是所有的非线性机制)和非绝对精确的初始条件，即“一定的非线性机制”+“非绝对精确的初始条件”一混沌。体现主客体相互作用对认识的双重规定特征的是：一方面，客体对主体表现出的混沌特性即不可预测程度(预测精度随时间增长而减小)依赖于主体对客体初始条件的确定程度(在多大精度上知道其初始条件)，所以它是不确定的、相对的、可变的，依赖于具体的主体对客体的相互作用行为，体现了认识的主体性。另一方面，一个确定的混沌系统，它的非线性机制是确定的、客观的，并且导致了其演化过程在整体层次上呈现出一些客观规律，如奇异吸引子具有一定的分数维，通向混沌的倍周期分叉过程中存在普适的费根鲍姆常数等，这些都反映了混沌的不依赖于主体的客观本质特征，体现了认识的客体性。

(一)混沌学中认识的主体性

初始条件是在起始时刻主体对客体所作测量的结果，测量越精确，主体(观测者)所获得的关于客体(被测系统) 系统)的知识越多。如果系统对初始条件不敏感，那么初始条件所包含的知识、信息(也就是主客体间的确定性关系)将保留下来，初始条件的不确定程度不会明显地扩大，因而可以依赖客体系统的动力学演化规律对系统的动态过程做出预测。相对而言，如果系统对初始条件是敏感的，这是由系统的非线性机制造成的，初始条件包含的主体对客体的知识就会由于非线性机制造成的指数型发散而丧失，即初始信息将以非线性机制确定的速率随着时间的流逝而逐渐丧失，这时依据客体系统的动力学方程就不能在稳定的精度内预测客体系统的长时间演化行为，客体对主体来说成为混沌的[7]。初始条件的确定是主体(观测者)与客体(被测系统)相互作用的结果，所以主体的性质、特征对初始条件有相应的规定，进而影响着客体系统相对于主体的混沌演化特征(可预测程度)。那么初始条件是怎样体现认识的主体性的呢?这是由初始条件总有非无限小的与主体相关的不确定域来体现的，这种不确定域的存在是因为：

一是物质本身所固有的。物质的存在都有一定的非局域性，都要占据一定的空间、时间、能量范围等，即事物在其测度空间中有非零体积。如微观客体的能级都是有一定宽度的，量子力学中的不可对易量有其本身固有的存在域，以动量和坐标为例，其中一个量可以用提高测量精度来减小其不确定度，而同时另一个量就会有由测不准关系制约的相应的不确定程度的增大，这种增大了的不确定度就不是能够再通过提高测量精度所能减小的，它是客体所固有的，换言之，测不准关系所表示的是由于存在最小作用量从而使得不可对易量间有不可消除的物质本身固有的不确定域。具体的是什么量不确定和不确定的程度依赖于主体对客体的作用方式，依赖于是测量客体的位置还是测量客体的动量，是倾向于表现客体的粒子性还是倾向于表现客体的波动性。这种认识的主体性与量子力学中的原则上是相同的。

二是测量过程本身的限制。任何测量都是精度有限的测量，不存在无限精确的测量，因为“测量”是主客体(测量者与被测系统)间的一种相互作用，这种相互作用必须通过测量工具来进行，所以测量结果的精确度不可能高于测量工具的精确度。虽然可以通过提高测量工具的精确度来提高测量结果的精确性，但原则上这种不精确性是不可能根本消除的，它是永远伴随着测量过程而存在的。这种不精确性直接产生于测量工具，也就直接受测量者(主体)的规定，在这种情况下初始条件的不确定程度决定于主体选择什么测量工具，选择什么精度的测量工具，在主体也是测量工具的意义上，还依赖于主体自身的特征。所以说，测量本身的限制也是测量过程中主体(测量者)的限制，这是一种重要的认识的主体规定。

三是由模糊性导致的。系统的模糊性导致分辨率降低，进而使精确的相轨道描述成为不可能的和不必要的，这时以相轨道可以重合但系统不会陷入其周期之中的非周期性来描述这种混沌行为将是方便的。对于某些宏观现象，如社会 经济 系统中的一些量，即使数值上是确定的，其实质上也是有较大模糊性的，这种模糊性使过高的精确度成为不必要的、没有意义的。经济系统中的产值、增长率等都具有模糊性，一千亿产值和 1千零50亿产值可能代表基本相同的经济状况，10％和9％的增长率所反映的经济状况可能没有什么不同。在这种情况下，对系统初始条件不确定域的考察，在相当大程度上依赖于主体的信息占有量、判断力和对考察过程的成本的考虑，这时认识的主体性将更强一些。

(二)混沌学中认识的客体性

混沌学中，对初始条件的确定体现着认识的主体性一面。而确定的非线性机制则是认识的客体性的基础，也是客体性的最集中体现。混沌并不是完全不确定的，混沌中有秩序，混沌中存在着不依赖于主体的反映客体系统固有性质的客观确定性。混沌学表明混沌现象产生于确定论系统，典型的有一维非线性映射方程 xn+1＝f(α，xn)，产生洛仑兹吸引子的非线性微分方程组[8]

这些方程本身是确定论的，反映着系统的不依赖于主体的客观性质。在此基础上，标志认识的客体性的还有适用于不同迭代过程的费根鲍姆普适常量δ、奇异吸引子确定的分数维(洛仑兹吸引子维数为2.06)等等呈现规律性的性质。

可见，在一个具体的能产生混沌的非线性系统中，同时包含了体现着主体性的初始条件和体现着客体性的非线性机制，两者的结合即主客体的相互规定、相互制约，决定了具体的主体与客体的关系，也就是具有主体性与客体性双重规定的“混沌”。

三   分形理论中认识的主体性与客体性

分形理论的研究对象是自相似的、无特征尺度的 自然 。在分形理论中实现了从欧氏测度到豪斯道夫测度的测度观的转变，分形理论的基本思想是对于没有特征尺度的客体，研究其标度变换下的不变性。标度的变换也即码尺的变换，用不同的码尺所测得的客体的结果，有随码尺的变化而变化的，也有随码尺的变化而保持不变的。分形理论中的这种标度变换思想具有重要的方法论意义，说明了主客体相互作用是一切测量及理论的基础，更是一切认识的基础。

(一)分形理论中认识的主体性

分形理论是以豪斯道夫测度理论为基础的，它的主体性集中地体现在两个方面：

首先，hausdroff测度及维数是分形理论的核心概念，也是整个分形理论的基础，hausdroff测度的定义为：

其中，是欧氏直径[9]，它是构造一个集合x的hausdroff测度的基础。可见hausdroff测度是基于对被测集合的欧氏直径的定义，而这种直径其实就是主体对客体进行测量的媒介，的欧氏性质本身就反映了主体的特征，是人类习惯于欧氏方式的结果，它深深地打上了认识主体——人类的印记，深刻地说明了一切认识、一切 科学 规律 都是“人”的认识、“人”认识的规律，都必须使人能够理解，以人为出发点、为目的。因而可以说，分形理论虽然实现了从欧氏测度到hausdroff测度的测度观的转变，但它仍然未能摆脱以欧氏测度为表现形式的主体的规定。

其次，正是因为认识的主体——人是生活在欧氏空间中的，是以欧氏测度为基础的，人们所用的码尺(测量工具)是欧氏的，人们需要的测量结果即对人有意义的结果也都是欧氏的，所以可以说在人们对分形的研究中，具体结果是依赖于码尺的。以分形曲线为例，曼德布罗特(mandelbrot)给出的一般分形曲线的长度公式为，[10]对于此式可以有不同的理解，一种可被人们接受的理解是，即l是分形曲线的欧氏长度，是分形曲线的hausdroff长度，是码尺[11]，此式是联系与的定量关系式，该式不仅对于实验测量较方便，而且明确地体现了以主客体相互作用、交互规定为基础的认识的主体性与客体性。

在式中，下面将谈到对于一个分形客体(这里为分形曲线)它的hausdroff测度(长度)及分维d是一定的，即存在且唯—，在这个前提下，主体(观测者)对客体(分形曲线)测量其长度时(人们需要的是欧氏长度)，所得的曲线长度就只依赖于所选择的码尺的大小，选择—个码尺就是一个相应的曲线长度。大家熟悉的海岸线的长度和国家间边界的长度就是这种情况，不同国家对于其间的共同边界长度有不同的测量结果[12]，就是由于他们测量时采用的是不同的码尺。

对分形客体的欧氏测量结果依赖于所选码尺，其原因在于“分形是在其无标度区间内整体与部分相似的形”，其在不同的尺度上都有相似的细节存在。而作为主体与分形客体间的测量媒介的码尺，其本身就是一个具体的、个别的“特征尺度”，那些小于其“特征尺度”的客体细节，将被它平滑掉，那些大于其“特征尺度”的客体特征将被保留下来。所以变换观测尺度时，缩小 的变换会在测量过程中把更多的细节记入观测结果，导致结果增大；扩大的变换会在测量过程中平滑掉小于码尺的细节，从而导致最后的结果缩小。因而在对分形的测量中，具体的测量结果依赖于所选择的码尺，主体选择什么样的码尺就会有与码尺相应的测量结果，这是分形中认识的主体性的集中反映。

(二)分形理论中认识的客体性

前文所述，分形的欧氏测度依赖于主体所选码尺的大小，它不是唯一确定的，这正说明了欧氏测度不能反映分形的本质特征。分形理论告诉我们，一个分形客体的hausdroff测度和维数是反映其本质特征的量，是认识的客体性的体现。

对于一个分形来说，其hausdroff维数dimx满足：  

显然，对应于的d是唯一的，且d=dimx。也就是说，如果用dimx表示任意非空集合x的hausdroff维数，则用小于hausdroff维数的d值构造的hausdroff测度，而用大于hausdroff维数的d值构造的hausdroff测度，只有用dimx=d的值构造的hausdroff测度才会是有限值，且是唯一的有限值[13]。可见，对于一个特定的分形（简单分形）客体来说，它的hausdroff维数的d与hausdroff测度都是唯一的，它们是对分形的不依赖于主体的本质特征的反映，体现着认识的客体性方面。

四   结   语

以上概略地谈了相对论、量子力学和混沌学、分形理论中认识的主体性与客体性问题，这四个理论作为20世纪重要的科学理论，它们共同反映的自然观告诉我们：人所认识的自然不是具有独立实在性的自然，而是基于主客体相互作用的自然，是认识源于实践的自然。“排除观测者及其影响作用的是牛顿力学体系的理想情况，这个理想情况在现实中是不存在的”。[14]

当相互作用中主体对客体的干扰（原则上不可排除）在某些方面与客体的客观极限接近时，即干扰不可忽略、不可作为零来处理时，对客体的认识就不能排除主体的影响。如：相对论中，当v与c可比时，相对论因子 (1-v2/c2)1/2就与1有较大的偏离，这时那些具有相对速度v的不同参照系就会有明显不同的认识；量子力学中，当作用量与h可比时（接近最小作用量），主客体间的关系就要明显地受到测不准关系的制约；混沌学中，非线性机制使得系统对初始条件敏感，导致任何小的扰动都会对系统产生不可忽略的影响，所以产生混沌的非线性系统中，主体的干扰是不可忽略的；分形理论中，分形客体的无标度性使主体所用的码尺与分形客体的细节在不同尺度上都是可比的，所以导致了测量的欧氏结果随码尺的不同而变化。

可以说任何科学知识都是人对客观世界在现实的有限范围内通过主体与客体的相互作用得来的结果，所以它们没有例外地都具有主体性与客体性的双重性质。数学中的罗素悖论、哥德尔定理，物 理学 对熵与不可逆性的诠释，天文学中的人择原理， 哲学 中取代本体论的认识论与方法论等等都莫不如此。 

参考 文献

[1]吴大猷.相对论.北京：科学出版社，1983.32

[2][美]s.温伯格.引力论和宇宙论. 北京：科学出版社，1980.28

[3]刘疗.广义相对论.北京：高等 教育 出版社，1987.16

[4][美]玻姆.量子理论.北京：商务印书馆，1982.706

[5]王贵友.实践辩证法解析.自然辩证法研究，1994；（1）：21

[6]蔡建华.量子力学. 北京：高等教育出版社，1980.77

[7]赵松年.非线性：它的内容、方法和意义.复杂性研究. 北京：科学出版社，1993.383

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

[9，11，13]董连科.分形理论及其应用.沈阳：辽宁科学技术出版社，1991.17，65，18

第8篇：量子力学的特性范文

霍金1942年1月8日生于英格兰的牛津，其父母都在牛津城接受过高等教育，霍金的父母非常注意从小培养孩子对科学的兴趣，霍金从小非常富有想象力，他曾想出进入自己屋子的11种办法，但是，他的语言不能同他的思维同步，有时讲话还结巴，他在五年级的时候，与几个同学一起，找了许多零件，制造了一台电脑，这电脑还真的能回答问题，许多人到学校参观，引起了一场不小的轰动。

1959年，霍金中学毕业并考入了牛津大学，这时他才17岁，在牛津大学，霍金选学他所喜欢的物理学，当时他们班上有四名学生学习物理，有一次，教师布置了13道题，其他同学做了一星期，只解出一二道题，而他只用一个上午，便做了10道，他的同学们说：“与他同行并进是不可能的，我们就像来自不同的星球。”

然而在大学的第三年，他的身体出现了麻烦，他的手已不像过去那样灵活了，腿脚也不便利，并且几次从楼梯上跌下去，但他当时并没有意识到这一征兆的严重性，当年秋天，霍金申请到剑桥大学做研究生，攻读宇宙学博士，在他进入剑桥大学后不久，21岁生日刚刚过完，他就住进了医院，经过专家的多次会诊，被诊断为患了肌肉萎缩性侧面硬化症(帕金森氏症)，无方可医，出院后不久的一个晚上，他做了一个被处死的恶梦，梦醒后，他忽然意识到：“如果被缓刑的话，还有事情值得做。”他重新振作起来，开始了天文学研究生涯，随着时间的流逝，霍金的病情缓和下来，但只能依靠轮椅活动。1965年，霍金开始有关黑洞问题的研究，1974年，32岁的霍金发现，“只进不出”的黑洞具有一种完全出乎意料的特性，即由于量子力学的“隧道效应”，它会稳定地向外发射粒子，考虑了这种“蒸发”，黑洞就不再是绝对“黑”的了，他的这个惊人的创见发表几星期后，英国皇家学会就宣布他当选为该会会员，霍金成了这个世界闻名的学会有史以来最年轻的会员之一。

霍金提出“黑洞蒸发理论”的同时，他又把量子力学和引力理论结合在一起，创造了“量子宇宙论”。他说，根据量子力学，空间中充满了粒子和反粒子，黑洞存在时，一个粒子可以掉到黑洞里面去，留下它的伴侣就是黑洞发射的辐射，这就是霍金提出的被人们称为“霍金辐射”的黑洞辐射论，霍金的名字也因此在科学史上不朽。

由于其不同寻常的遭遇及在天文学上的杰出成就，霍金获得了许多荣誉，1975年，梵蒂冈授予霍金“有杰出成就的年轻科学家”称号；1978年，获理论物理学领域的最高荣誉“爱因斯坦奖”；1980年霍金被选为卢卡斯教授，这是一个十分崇高的职位，历史上只有牛顿、拉摩、爱丁顿、狄拉克等几位大科学家担任过这一教席。1982年，霍金接受了圣母大学、芝加哥大学、普林斯顿大学和纽约大学的荣誉学位，伊丽莎白女王封他为英国的荣誉骑士，自他的《时间简史》出版后，他被广泛尊崇为继爱因斯坦后最伟大的理论物理学家。

第9篇：量子力学的特性范文

二维的碳

实际上,石墨烯的奥秘就隐藏在你使用的铅笔头中,只要你用铅笔画一条线,你就从铅笔中释放了一些柔软的,呈银灰色的纯碳,它们是由一些层层重叠着的碳原子组成的。假若你能分离这些重叠着的碳原子,并获得一片只有一个原子厚的碳薄膜,你便得到了石墨烯。

上述工作也正是本年度诺贝尔物理学奖获得者英国曼彻斯特大学的安德烈・杰姆和克斯特亚・诺沃塞洛夫所从事的。事实上,从事这项工作的人很多,但只有他们成功了,而他们使用的方法也非常直接而巧妙,即用胶带分离石墨的层状结构,最后得到了仅由一层碳原子构成的薄片――石墨烯,它的厚度只有0.335纳米,300万片这样的物质叠加在一起也只有1毫米厚。

由于石墨烯是从石墨中得到的,又具有烯类物质的基本特征一碳原子之间的双键,因而得名石墨烯。现在让我们来想象一下石墨烯的样子吧,它是微观世界中一张单层的网,每个网格是一个完美的六边形,每个结头是一个碳原子。由于这张网只有一个原子厚,所以它近似于没有高度,只有长度和宽度,也就是说,它是二维的,不是三维的。简单地说,石墨烯是二维的碳,它是人类已知的最薄的材料。

高速运动的电子

得到了石墨烯后,杰姆和诺沃塞洛夫急切地想知道石墨烯的性能,他们测量了石墨烯的电行为,结果正如他们所预料的那样,石墨烯是导电的。他们开始对石墨烯做进一步的研究,于是事情变得越来越有趣起来。多数情况下,导体中电子的运动是杂乱无章的,它们随意地碰撞和滚动,很像游戏机中的弹珠,这是因为导体晶格中的杂质挡住了它们去路的缘故。然而杰姆和诺沃塞洛夫发现,石墨烯不是那样的,在石墨烯中,电子穿行很长的距离也不会在碰撞中轻易地散开。为什么石墨烯能够这样?杰姆猜测这可能与它们近乎完美的原子结构有关。

更为奇特的是,石墨烯中电子运动的速度非常高,这样高速的电子运动在其他导体中根本没有见到过。电子之间是相互作用的,这类相互作用的量子实体又被人们称为“准粒子”。2005年,杰姆的团队发现,在石墨烯中,准粒子的运动接近于光速,这令他们十分惊讶,因为一般情况下,如此高速的运动只能出现在某种极端的环境中,例如接近了一颗中子星,或者处在宇宙大爆炸中,只有在那种情况下,粒子才能被加速到如此高的速度。这种高速的粒子运动也正是物理学家们非常羡慕的,为了获得这种速度,他们要依靠粒子加速器,然而现在人们在石墨烯中看到了这种运动,这意味着仅仅使用石墨烯就能探索一些奇妙的物理现象了。

狄拉克震颤

使用石墨烯有望探索到一种被称为“狄拉克震颤”的现象,它是一种快速的震颤运动,最初是由英国物理学家保罗・狄拉克提出的,这种理论将量子力学与狭义相对论结合起来描述了快速运动的粒子。狄拉克预测,当如此运动着的粒子从一点迁移到另一点时,其行进的轨迹并非是一条直线,而是“震颤”着行进的,这是因为粒子带有极大的能量,因而它们产生了它们的反粒子。假若是电子的场合,那么产生的反粒子就是正电子。由于反粒子与原有粒子的相互作用,它们的轨迹便发生了波动,导致了“狄拉克震颤”。

然而“狄拉克震颤”是如此之快,以致人们很难观测到这种运动,不过杰姆说,类似的现象在石墨烯中能够出现,并且能够测量到,因为在石墨烯中,由于“粒子海”中所谓“空穴”的存在,粒子发生“震颤”的幅度大约为lOO纳米。杰姆相信,使用高分辨率的显微镜,这样的运动能被观测到。

克莱恩佯

在粒子接近光速的运动中,“狄拉克震颤”并不是唯一预测到的量子力学现象。1929年,瑞典物理学家奥斯卡・克莱恩还预测了另外一种奇妙的量子力学现象,他认为,在量子世界中,即使微观粒子的总能量小于势垒高度,这些粒子仍然能够穿越这一势垒,这种现象又称为“量子隧道效应”。

为了便于理解,让我们想象一堵墙,它就是所谓的“势垒”,然后再想象我们向着这堵墙踢出了一个足球,也就是所谓的“粒子”。日常的经验告诉我们,足球会被这堵墙壁弹回来,然而在量子世界中,“足球”却是有可能出现在“墙壁”的另一边的!这就是“克莱恩效应”,又称为“克莱恩佯谬”。也就是说,在量子世界中,粒子可以不理会挡在它们前进路途上的“墙”,即势垒。为什么会这样呢?原因就存在于前面所讲的“狄拉克震颤”中,由于粒子带有极高的能量,它们在“墙”中创造了它们的反粒子。这些反粒子“穿墙而过”,又在“墙”的另一边制作出了原来粒子的“复制品”。因为在反粒子看来,真实世界里的山峰会变成了山谷,反粒子很容易通过这个反物质世界的“山谷”到达势垒的另一边,于是看上去,它们直接穿过了“墙”,就仿佛这堵“墙”根本就不存在一样。

杰姆和他的同事们认为,如果在一个狭长的石墨烯材料上创造一个“势垒”,再施以电场,他们就有可能目睹“准粒子”穿越“势垒”的过程。

可以想见,石墨烯不仅是材料学家的宠儿,也将在理论物理学上大有用武之地。

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