近日,中國數學學會和上海師范學院科學教育研究院聯合構建的“科學1小時”系列科普活動——“大家說數學”第二期在@中國數學學會官方抖音號開講。本次直播約請到了復旦學院化學系低維量子化學國家重點實驗室院士、中國化學學會科普工作委員會副書記薛平為你們科普量子化學知識。
薛平從數學科學的發展史談起,述說量子化學的起源。他介紹量子物理是什么物理,隨著海王星的發覺以及電磁理論解釋了波動光學,19世紀末精典數學的大樓基本建成,但宋體幅射卻成了數學學放晴天空中的一朵烏云。后來在1900年12月14日,英國化學學家普朗克首次提出“量子”的概念,假設振子的能量“不連續”,從理論上推出了與實驗數據完美符合的普朗克公式,解釋了宋體幅射。
薛平告訴你們,一個數學量假如存在最小的不可分割的基本單位,則這個數學量是量子化的,并把最小單位稱為量子。并且量子化現象主要表現在微觀化學世界,同以牛頓熱學為代表的精典化學有根本的區別。
量子現象美妙而神奇,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”,實現量子隧穿;量子可處于既“生”又“死”的疊加狀態,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,只能述整體系統的性質,彰顯量子糾纏。
量子熱學是上個世紀最偉大的科學發覺之一。它除了改變了人類認識自然的基本觀念,也在現在的信息技術領域中有著廣泛的應用。諸如現代IT的源點在于科學家依據固體量子理論發覺了替代傳統電子管的晶體管和集成電路等。再如人們借助巨磁阻效應,使硬碟儲存器的儲存密度提升了超過4個數目級,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、軍事目標偵測、材料模擬等方面形成重大影響,甚至會導致顛覆性技術的革命。其中,在量子材料方面,以薛其坤為首的北大學院和中科院化學所的研究團隊,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,號稱首次中國實驗室里的諾貝爾獎級成果。
在直播最后,薛平率領你們做了總結與展望。他覺得,量子現象的發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,但是量子領域將持續成為新發覺和新技術的源泉,是科技的核心競爭力。薛平還為中小中學生們推薦了《奇妙量子世界》、《量子傳》等書籍,希望朋友們在學校能培養起對化學學的興趣。
此外,《科學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、優秀的科學家和老師等資源推動“雙減”,迸發中學生的好奇心,培植具有未來科學家潛質的中學生。本期“神奇的量子化學”是《科學1小時》系列節目的第二期。接出來,中國數學學會約請更多的科學家、大學生、物理愛好者等參與分享并通過抖音直播,率領你們了解前沿的化學實驗,普及有趣的科學知識。
（袁夢）