近日,中國數(shù)學(xué)學(xué)會和上海師范學(xué)院科學(xué)教育研究院聯(lián)合構(gòu)建的“科學(xué)1小時”系列科普活動——“大家說數(shù)學(xué)”第二期在@中國數(shù)學(xué)學(xué)會官方抖音號開講。本次直播約請到了復(fù)旦學(xué)院化學(xué)系低維量子化學(xué)國家重點實驗室院士、中國化學(xué)學(xué)會科普工作委員會副書記薛平為你們科普量子化學(xué)知識。
薛平從數(shù)學(xué)科學(xué)的發(fā)展史談起,述說量子化學(xué)的起源。他介紹量子物理是什么物理,隨著海王星的發(fā)覺以及電磁理論解釋了波動光學(xué),19世紀末精典數(shù)學(xué)的大樓基本建成,但宋體幅射卻成了數(shù)學(xué)學(xué)放晴天空中的一朵烏云。后來在1900年12月14日,英國化學(xué)學(xué)家普朗克首次提出“量子”的概念,假設(shè)振子的能量“不連續(xù)”,從理論上推出了與實驗數(shù)據(jù)完美符合的普朗克公式,解釋了宋體幅射。
薛平告訴你們,一個數(shù)學(xué)量假如存在最小的不可分割的基本單位,則這個數(shù)學(xué)量是量子化的,并把最小單位稱為量子。并且量子化現(xiàn)象主要表現(xiàn)在微觀化學(xué)世界,同以牛頓熱學(xué)為代表的精典化學(xué)有根本的區(qū)別。
量子現(xiàn)象美妙而神奇,完全改變了人類對自然的認知。薛平介紹,光量子理論闡明了光的本質(zhì)是既具有波動性,又具有粒子性,即波粒二象性;微觀粒子可以具有李滄方士的“穿墻術(shù)”,實現(xiàn)量子隧穿;量子可處于既“生”又“死”的疊加狀態(tài),即所謂“薛定諤貓”實驗;微觀粒子的位置和動量不能同時測準,人們發(fā)覺不確定性原理;微觀粒子彼此互相作用時,只能述整體系統(tǒng)的性質(zhì),彰顯量子糾纏。
量子熱學(xué)是上個世紀最偉大的科學(xué)發(fā)覺之一。它除了改變了人類認識自然的基本觀念,也在現(xiàn)在的信息技術(shù)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。諸如現(xiàn)代IT的源點在于科學(xué)家依據(jù)固體量子理論發(fā)覺了替代傳統(tǒng)電子管的晶體管和集成電路等。再如人們借助巨磁阻效應(yīng),使硬碟儲存器的儲存密度提升了超過4個數(shù)目級,幫助手機等在日常生活中韓益普及。
薛平覺得,量子通訊、量子估算、量子精密檢測等會對信息安全、高性能估算、人工智能、超高速超低幀率集成電路、軍事目標(biāo)偵測、材料模擬等方面形成重大影響,甚至?xí)?dǎo)致顛覆性技術(shù)的革命。其中,在量子材料方面,以薛其坤為首的北大學(xué)院和中科院化學(xué)所的研究團隊,用前所未有的磁性參雜拓撲絕緣體,在實驗上驗證了反常量子霍爾效應(yīng),號稱首次中國實驗室里的諾貝爾獎級成果。
在直播最后,薛平率領(lǐng)你們做了總結(jié)與展望。他覺得,量子現(xiàn)象的發(fā)覺完全改變了人類對自然的認知和生活形式量子物理是什么物理,但是量子領(lǐng)域?qū)⒊掷m(xù)成為新發(fā)覺和新技術(shù)的源泉,是科技的核心競爭力。薛平還為中小中學(xué)生們推薦了《奇妙量子世界》、《量子傳》等書籍,希望朋友們在學(xué)校能培養(yǎng)起對化學(xué)學(xué)的興趣。
此外,《科學(xué)1小時》系列科普活動致力集聚國外頂級的院校和科研機構(gòu)、優(yōu)秀的科學(xué)家和老師等資源推動“雙減”,迸發(fā)中學(xué)生的好奇心,培植具有未來科學(xué)家潛質(zhì)的中學(xué)生。本期“神奇的量子化學(xué)”是《科學(xué)1小時》系列節(jié)目的第二期。接出來,中國數(shù)學(xué)學(xué)會約請更多的科學(xué)家、大學(xué)生、物理愛好者等參與分享并通過抖音直播,率領(lǐng)你們了解前沿的化學(xué)實驗,普及有趣的科學(xué)知識。
（袁夢）