量子化學(xué) 量子化學(xué) 2009-05-25 17:50 基本檢測(cè)過程 量子量熱法與經(jīng)典量熱法的主要區(qū)別在于檢測(cè)過程在理論上的地位。 在經(jīng)典熱力學(xué)中，可以無限精確地確定和預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)系統(tǒng)的位置和動(dòng)量。 至少在理論上，檢測(cè)對(duì)系統(tǒng)本身沒有影響，可以無限精確地進(jìn)行。 在量子熱學(xué)中，檢測(cè)過程本身會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。 為了描述對(duì)可觀測(cè)值的檢測(cè)，需要將系統(tǒng)的狀態(tài)線性分解為可觀測(cè)值的一組本征態(tài)的線性組合。 檢測(cè)過程可以看作是對(duì)這些本征態(tài)的投影，檢測(cè)結(jié)果就是投影后的本征態(tài)對(duì)應(yīng)的本征值。 如果，對(duì)于這個(gè)系統(tǒng)的無限個(gè)副本，每個(gè)副本都測(cè)試一次，我們可以得到所有可能的檢測(cè)值的概率分布，每個(gè)值的概率等于該系統(tǒng)系數(shù)絕對(duì)值的平方相應(yīng)的本征態(tài)。 可見，兩種不同化學(xué)量A的檢測(cè)順序可能直接影響檢測(cè)結(jié)果。 事實(shí)上，不兼容的可觀察對(duì)象就是這樣做的。 不確定性原理最著名的不相容可觀察量是粒子的位置 x 和動(dòng)量 p。 它們的不確定性乘積Δ小于或等于普朗克常數(shù)的一半，這個(gè)公式被稱為不確定性原理。 它最早是由海森堡提出的。 不確定的原因是位置和動(dòng)量的檢測(cè)順序直接影響它的檢測(cè)值量子物理學(xué)什么意思，也就是說檢測(cè)順序的調(diào)換會(huì)直接影響它的檢測(cè)值。
海森堡由此推斷，不確定性是檢測(cè)過程的局限性造成的，而粒子的特性是否真的不確定，目前還不得而知。 玻爾將不確定性視為化學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)原則。 今天的化學(xué)觀點(diǎn)基本上接受玻爾的解釋。 然而，在明天的理論中，不確定性不是單個(gè)粒子的特性，而是相同粒子的集合體的特性。 這可以看作是一個(gè)統(tǒng)計(jì)問題。 不確定性是整個(gè)系綜的不確定性。 即對(duì)于整個(gè)系綜，總的位置不確定性Δ和總的動(dòng)量不確定性Δp不能大于某個(gè)值...概率是將一個(gè)狀態(tài)分解成可觀測(cè)的本征態(tài)的線性組合，其概率幅ci可以獲得每個(gè)本征態(tài)中的狀態(tài)。 這個(gè)概率幅的絕對(duì)值的平方|ci|^2就是檢測(cè)到特征值ni的概率，也就是系統(tǒng)處于本征態(tài)的概率。 ci 可以通過將本征態(tài)投影到本征態(tài)來估計(jì)...因此，對(duì)系綜的相同系統(tǒng)的可觀察量的相同測(cè)試通常會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果； the is in the of the are on. 除非系統(tǒng)已經(jīng)處于通過對(duì)系綜中相同狀態(tài)的每個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行相同的檢測(cè)，可以得到檢測(cè)值ni的統(tǒng)計(jì)分布。 所有的實(shí)驗(yàn)都面臨著探測(cè)值和量子熱的統(tǒng)計(jì)估計(jì)問題。 同一粒子的不可區(qū)分性與泡利原理是因?yàn)樵谠砩希茈y完全確定一個(gè)量子化學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)，所以在量子熱中，具有完全相同本征特性（如質(zhì)量、電荷）的粒子之間的分辨率等）丟失。 它的意義。
在經(jīng)典熱力學(xué)中，每個(gè)粒子的位置和動(dòng)量都是完全已知的，并且可以預(yù)測(cè)它們的軌跡。 通過一次測(cè)試，可以識(shí)別每個(gè)粒子。 在量子熱中，每個(gè)粒子的位置和動(dòng)量由波函數(shù)表示。 因此，當(dāng)幾個(gè)粒子的波函數(shù)相互重疊時(shí)，給每個(gè)粒子“掛標(biāo)簽”的方法就失去了意義。 相同粒子 ( ) 的這種不可區(qū)分性對(duì)狀態(tài)的對(duì)稱性和多粒子系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)具有深遠(yuǎn)的意義。 例如，由相同粒子組成的多粒子系統(tǒng)的狀態(tài)，當(dāng)交換兩個(gè)粒子“1”和“2”時(shí)，我們可以證明它要么是對(duì)稱的，要么是反對(duì)稱的。 處于對(duì)稱態(tài)的粒子稱為玻璃骰子，處于反對(duì)稱態(tài)的粒子稱為費(fèi)米子。 據(jù)悉，載流子的交換也產(chǎn)生了對(duì)稱性：載流子數(shù)量減半的粒子（如電子、質(zhì)子、中子）是反對(duì)稱的，所以是費(fèi)米子； 具有整數(shù)個(gè)載流子（例如光子）的粒子是對(duì)稱的，因此它是一個(gè)玻璃骰子。 粒子載流子、對(duì)稱性和統(tǒng)計(jì)之間的這種深刻關(guān)系只能通過相對(duì)論量子場(chǎng)論來引入，但它也會(huì)影響非相對(duì)論量子熱中的現(xiàn)象。 費(fèi)米子的反對(duì)稱性的一個(gè)結(jié)果是泡利不相容原理，該原理指出兩個(gè)費(fèi)米子很難搶占同一個(gè)狀態(tài)。 這一原則具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。 這意味著在我們由原子組成的物質(zhì)世界中，電子很難同時(shí)占據(jù)同一個(gè)狀態(tài)。 因此，最低態(tài)被搶占后，下一個(gè)電子必須占據(jù)下一個(gè)最低態(tài)，直到所有態(tài)都滿足為止。
這種現(xiàn)象決定了物質(zhì)的化學(xué)和物理特性。 費(fèi)米子和玻璃骰子的狀態(tài)熱分布也有很大不同：玻璃骰子服從 Bose- 統(tǒng)計(jì)，而費(fèi)米子服從 Fermi-Dirac 統(tǒng)計(jì)。 量子糾纏通常是多個(gè)粒子系統(tǒng)的狀態(tài)，很難分離成其組成的單個(gè)粒子的狀態(tài)。 在這些情況下，單個(gè)粒子的狀態(tài)被稱為糾纏態(tài)。 糾纏粒子具有與常識(shí)相違背的驚人特性。 例如，檢測(cè)到一個(gè)粒子會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的波包立即崩潰，從而也會(huì)影響與檢測(cè)到的粒子糾纏在一起的另一個(gè)遙遠(yuǎn)的粒子。 這種現(xiàn)象并不違反狹義相對(duì)論，因?yàn)樵诹孔訜岬膶用嫔希銦o法在檢測(cè)到粒子之前定義粒子，實(shí)際上它們?nèi)匀皇且粋€(gè)整體。 然而，在探測(cè)到它們之后，它們都脫離了量子糾纏狀態(tài)。 作為量子解耦的基礎(chǔ)理論，量子量熱學(xué)原則上應(yīng)該適用于任何大小的化學(xué)系統(tǒng)，也就是說，除了限于微觀系統(tǒng)之外，它應(yīng)該提供一種過渡到宏觀“經(jīng)典”數(shù)學(xué)的技術(shù)。 量子現(xiàn)象的存在提出了如何從量子熱力學(xué)的角度解釋宏觀系統(tǒng)的經(jīng)典現(xiàn)象的問題。 直接看到量子熱中的疊加態(tài)如何應(yīng)用于宏觀世界尤其困難。 1954年，愛因斯坦在給克拉科夫的一封信中提出了如何從量子熱學(xué)的角度解釋宏觀物體的定位。 他強(qiáng)調(diào)，只有量子熱現(xiàn)象太“小”，無法解釋這個(gè)問題。
這個(gè)問題的另一個(gè)反例是薛定諤提出的薛定諤貓思想實(shí)驗(yàn)。 直到 1970 年左右，人們才開始真正認(rèn)識(shí)到，上述思想實(shí)驗(yàn)實(shí)際上是不切實(shí)際的，因?yàn)樗鼈兒雎粤伺c周圍環(huán)境不可避免的相互作用。 事實(shí)證明，疊加態(tài)對(duì)周圍環(huán)境非常敏感。 例如，在雙縫實(shí)驗(yàn)中，電子或光子與空氣分子的碰撞或輻射的發(fā)射會(huì)影響對(duì)衍射至關(guān)重要的狀態(tài)之間的相位關(guān)系。 在量子熱力學(xué)中，這種現(xiàn)象稱為量子解耦。 它是由系統(tǒng)狀態(tài)與周圍環(huán)境的影響相互作用引起的。 這種相互作用可以表示為每個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)與環(huán)境狀態(tài)的糾纏。 因此，疊加只有在考慮整個(gè)系統(tǒng)（即實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)+環(huán)境系統(tǒng)）時(shí)才有效，如果孤立地只考慮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的系統(tǒng)狀態(tài)，則只有“經(jīng)典”分布該系統(tǒng)仍然存在。 量子解耦是未來量子熱學(xué)解釋宏觀量子系統(tǒng)經(jīng)典性質(zhì)的主要方法。 量子解耦對(duì)量子計(jì)算機(jī)也有實(shí)際意義。 在量子計(jì)算機(jī)中，多個(gè)量子態(tài)需要盡可能長(zhǎng)時(shí)間地保持疊加狀態(tài)。 分離時(shí)間短是一個(gè)很大的技術(shù)問題。 量子化學(xué)的作用在許多現(xiàn)代技術(shù)武器中發(fā)揮著重要作用。 從激光、電子顯微鏡、原子鐘到核磁共振的醫(yī)學(xué)圖像顯示設(shè)備都關(guān)鍵地依賴于量子熱學(xué)的原理和效應(yīng)。 對(duì)半導(dǎo)體的研究導(dǎo)致晶閘管和二極管的發(fā)明，最終為現(xiàn)代電子工業(yè)鋪平了道路。
量子熱的概念在核設(shè)備的發(fā)明中也發(fā)揮了關(guān)鍵作用。 在上述發(fā)明創(chuàng)造中，量子熱的概念和物理描述很少直接發(fā)揮作用，但固態(tài)化學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)或核化學(xué)的概念和規(guī)律發(fā)揮了主要作用。 但是，在所有這些學(xué)科中，量子熱都是它的基礎(chǔ)，這個(gè)學(xué)科的基礎(chǔ)理論都是建立在量子熱之上的。 下面只能列舉一些量子熱最明顯的應(yīng)用，但列舉的例子肯定是不完整的。 事實(shí)上，量子熱在現(xiàn)代科技中無處不在。 原子化學(xué)和物理學(xué) 任何物質(zhì)的物理特性都由其原子和分子的電子結(jié)構(gòu)決定。 原子或分子的電子結(jié)構(gòu)可以通過求解包括所有相關(guān)原子核和電子的多粒子薛定諤方程來估計(jì)。 在實(shí)踐中量子物理學(xué)什么意思，人們認(rèn)識(shí)到這樣的多項(xiàng)式太復(fù)雜而無法估計(jì)，而且在許多情況下，使用簡(jiǎn)化的模型和規(guī)則就足以確定物質(zhì)的物理特性。 在構(gòu)建這樣一個(gè)簡(jiǎn)化模型時(shí)，量子熱起著非常重要的作用。 物理學(xué)中一個(gè)非常常見的模型是原子軌道。 在這個(gè)模型中，分子電子的多粒子態(tài)是通過將每個(gè)原子的電子單粒子態(tài)相加而產(chǎn)生的。 該模型包含許多不同的近似（如忽略電子間的敵對(duì)關(guān)系、電子運(yùn)動(dòng)與核運(yùn)動(dòng)的分離等），可以近似準(zhǔn)確地描述原子的基態(tài)。
該模型除了估計(jì)過程相對(duì)簡(jiǎn)單外，還可以直觀地給出電子排列和軌道的圖像描述。 從原子軌道，可以使用一個(gè)極其簡(jiǎn)單的原理（洪德規(guī)則）來解決電子排列。 從這個(gè)量子熱模型也很容易推導(dǎo)出物理穩(wěn)定性規(guī)則（八位位組法則、幻數(shù)）。 通過將幾個(gè)原子軌道加在一起，可以將該模型擴(kuò)展到分子軌道。 因?yàn)榉肿油ǔ２皇乔驅(qū)ΨQ的，所以這個(gè)估計(jì)比原子軌道復(fù)雜得多。 理論物理學(xué)、量子物理學(xué)和計(jì)算機(jī)物理學(xué)的分支，專門研究使用近似薛定諤多項(xiàng)式來估計(jì)復(fù)雜分子的結(jié)構(gòu)和物理特性。 核化學(xué) 核化學(xué)是研究原子核性質(zhì)的數(shù)學(xué)分支。 它主要有三大領(lǐng)域：各種亞原子粒子及其相互關(guān)系的研究，原子核結(jié)構(gòu)的分類與分析，以及相應(yīng)核技術(shù)的發(fā)展。 固體化學(xué) 為什么金剛石堅(jiān)硬、易碎且透明，而同樣由碳組成的石墨卻柔軟且不透明？ 金屬為什么導(dǎo)熱、導(dǎo)電，并具有金屬光澤？ 發(fā)光晶閘管、二極管、二極管的工作原理是什么？ 為什么鐵有鐵磁性？ 超導(dǎo)的原理是什么？ 上面的例子可以讓人想象到固態(tài)化學(xué)是多么的多樣化。 事實(shí)上，收斂態(tài)化學(xué)是數(shù)學(xué)中最大的一個(gè)分支，收斂態(tài)化學(xué)中的所有現(xiàn)象，從微觀的角度來看，只能通過量子力學(xué)才能得到正確的解釋。 運(yùn)用經(jīng)典數(shù)學(xué)，充其量也只能從表面和現(xiàn)象上提出局部的解釋。
下面列舉一些量子效應(yīng)很強(qiáng)的現(xiàn)象： 晶格現(xiàn)象：聲子、熱傳導(dǎo) 靜電現(xiàn)象：壓電效應(yīng) 濁度：絕緣體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體、電導(dǎo)、能帶結(jié)構(gòu)、近藤效應(yīng)、量子霍爾效應(yīng)、超導(dǎo)現(xiàn)象 磁性：鐵磁性 高-溫度態(tài)：玻色-愛因斯坦收斂、超流體、費(fèi)米子收斂量綱效應(yīng)：量子線、量子點(diǎn)量子信息當(dāng)前研究的重點(diǎn)是如何可靠地處理量子態(tài)。 因?yàn)榱孔討B(tài)的疊加。 理論上，量子計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行高度并行的操作。 它可以應(yīng)用于密碼學(xué)。 理論上，量子密碼可以形成完全可靠的密碼。 而且，事實(shí)上，該技術(shù)目前非常不可靠。 當(dāng)前的另一個(gè)研究項(xiàng)目是量子隱形傳態(tài)，用于將量子態(tài)傳送到很遠(yuǎn)的距離。