數(shù)學(xué)學(xué)歷史上有諸多杰出的科學(xué)家和她們的貢獻(xiàn)，其中普朗克是不可忽略的一位，他被譽(yù)為“量子理論之父”。他的知名言論：“我對(duì)原子的研究最后的推論是——世界上根本沒(méi)有物質(zhì)這個(gè)東西，物質(zhì)是由快速震動(dòng)的量子組成”，顛覆了我們對(duì)物質(zhì)的傳統(tǒng)認(rèn)知，推動(dòng)我們步入了現(xiàn)代數(shù)學(xué)學(xué)的時(shí)代。
想像一下，當(dāng)你拿起一本書(shū)、一杯水或則任何實(shí)體物品時(shí)，你實(shí)際上在與一個(gè)由快速震動(dòng)的量子構(gòu)成的“幻影”互動(dòng)。這聽(tīng)上去可能有點(diǎn)超現(xiàn)實(shí)，但這卻是現(xiàn)代數(shù)學(xué)學(xué)的基石。這個(gè)觀點(diǎn)除了令科學(xué)家們對(duì)物質(zhì)形成了全新的理解，也深刻地影響了我們的日常生活和科技的進(jìn)步。
這么，普朗克是怎樣得出這一觀點(diǎn)的呢？為何這個(gè)觀點(diǎn)這么顛覆性和重要？要更好地理解這一點(diǎn)，我們須要回顧物質(zhì)概念的歷史量子物理的應(yīng)用范圍，并找出這些改變了我們對(duì)物質(zhì)認(rèn)知的重要節(jié)點(diǎn)。
物質(zhì)概念的演化：從唐代到現(xiàn)代
在唐代，人們對(duì)物質(zhì)的理解是直觀和抽象的。古埃及哲學(xué)家相信一切都由四個(gè)元素構(gòu)成：土、水、火和風(fēng)。這種元素以不同的組合產(chǎn)生了我們所見(jiàn)到和感知到的世界。但隨著科學(xué)的發(fā)展，物理和數(shù)學(xué)學(xué)的盛行，人們開(kāi)始認(rèn)識(shí)到一切物質(zhì)都由原子構(gòu)成，而這種原子又由更小的粒子如電子、質(zhì)子和中子組成。
但是，20世紀(jì)初，科學(xué)家們開(kāi)始發(fā)覺(jué)一些難以用精典數(shù)學(xué)學(xué)解釋的現(xiàn)象。諸如，電子的行為在個(gè)別情景下更像波而不是粒子。這種現(xiàn)象引起了科學(xué)家們的思索，她們開(kāi)始找尋新的理論來(lái)解釋這種現(xiàn)象。1925年，荷蘭化學(xué)學(xué)家海森堡提出了量子熱學(xué)的初步方式，它標(biāo)志著現(xiàn)代數(shù)學(xué)學(xué)的誕生。
量子化學(xué)的奇妙世界
量子化學(xué)學(xué)提出了一個(gè)令人嘆為觀止的概念：在微觀尺度上，物質(zhì)的行為是不確定的，但是與我們?cè)诤暧^世界中的直觀經(jīng)驗(yàn)迥然不同。這為普朗克的觀點(diǎn)奠定了基礎(chǔ)，即“世界上根本沒(méi)有物質(zhì)這個(gè)東西，物質(zhì)是由快速震動(dòng)的量子組成”。
當(dāng)我們提到“實(shí)物”或“物質(zhì)”時(shí)，一般會(huì)想像它們是穩(wěn)定、連續(xù)和確定的。可是，量子理論挑戰(zhàn)了這些日常直觀，闡明了一個(gè)完全不同的微觀世界。在量子化學(xué)中，微觀粒子如電子、質(zhì)子和中子并不總是處于明晰的狀態(tài)，它們處于一個(gè)“可能性”的疊加狀態(tài)量子物理的應(yīng)用范圍，直至被觀測(cè)。這就是知名的“觀測(cè)者效應(yīng)”，意味著粒子的狀態(tài)會(huì)遭到我們觀測(cè)的影響。
再來(lái)看另一個(gè)反例，雙縫實(shí)驗(yàn)。當(dāng)電子經(jīng)過(guò)兩個(gè)空隙時(shí)，它們會(huì)形成干涉紋樣，表現(xiàn)得像波一樣。但當(dāng)我們企圖觀測(cè)那個(gè)空隙電子穿過(guò)時(shí)，這些干涉紋樣就消失了，電子又表現(xiàn)得像粒子。這表明電子既像粒子又像波，取決于我們?cè)趺从^測(cè)它。
據(jù)悉，量子熱學(xué)還引入了“量子不確定性”原理，告訴我們，在任何給定時(shí)間，我們不能同時(shí)曉得一個(gè)粒子的位置和速率。這與我們一般的經(jīng)驗(yàn)不符，我們一般覺(jué)得一個(gè)物體的位置和速率都可以確切確定。這種獨(dú)特的特點(diǎn)其實(shí)與直觀經(jīng)驗(yàn)不符，但早已被大量實(shí)驗(yàn)否認(rèn)。
量子疊加與不確定性：微觀世界的模糊性
我們生活在一個(gè)表面上看似清晰、有序的宏觀世界中，但在微觀尺度下，這個(gè)宇宙顯得模糊和不可預(yù)測(cè)。這主要是因?yàn)閮蓚€(gè)核心的量子原理：量子疊加和不確定性原則。
量子疊加是描述粒子可以存在于多種狀態(tài)的概念。簡(jiǎn)而言之，一個(gè)粒子可以同時(shí)處于兩個(gè)不同的位置，或則同時(shí)具有粒子和波動(dòng)的特點(diǎn)，直至被觀測(cè)。這些疊加性容許量子計(jì)算機(jī)在超高速并行估算中發(fā)揮作用。
不確定性原則告訴我們，我們不能同時(shí)確切地曉得一個(gè)粒子的位置和動(dòng)量。這意味著，當(dāng)我們企圖更確切地檢測(cè)一個(gè)粒子的位置時(shí)，我們對(duì)其動(dòng)量的知識(shí)都會(huì)顯得愈發(fā)模糊，反之亦然。這種原則再度表
這些全新的視角除了改變了我們對(duì)物質(zhì)的理解，還在科學(xué)研究和技術(shù)領(lǐng)域帶來(lái)了革命性的變化。讓我們進(jìn)一步闡述，怎么普朗克的觀點(diǎn)打造了我們對(duì)世界的認(rèn)知，以及它在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。
量子化學(xué)與宇宙探求：解開(kāi)宇宙的奧秘
宇宙是我們的終極未知。對(duì)于宇宙中的奧秘，人類仍然有著濃郁的好奇心。量子化學(xué)的觀點(diǎn)除了在微觀世界中適用，還在宇宙學(xué)領(lǐng)域形成了深遠(yuǎn)影響。
宇宙學(xué)家們借助量子理論的原理來(lái)解釋宇宙的起源和演變。量子波動(dòng)理論可以拿來(lái)描述宇宙在大爆燃以后的初期階段，幫助我們了解宇宙的初始條件和宇宙微波背景幅射等現(xiàn)象。
據(jù)悉，黑洞也是宇宙學(xué)中一個(gè)令人著迷的話題。量子熱學(xué)的原理被應(yīng)用于研究黑洞內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，以解釋黑洞的信息悖論和幅射等現(xiàn)象。那些研究除了擴(kuò)充了我們對(duì)宇宙的認(rèn)知，還深刻影響了現(xiàn)代宇宙學(xué)的發(fā)展。
量子化學(xué)與生物學(xué)：評(píng)析生命的奧秘
量子化學(xué)除了改變了我們對(duì)非活性物質(zhì)的理解，還深刻地影響了生命科學(xué)領(lǐng)域。生物學(xué)家們開(kāi)始研究量子效應(yīng)在生物體內(nèi)的應(yīng)用，探求生命現(xiàn)象的新解釋。
一個(gè)重要的領(lǐng)域是生物體內(nèi)的量子共振現(xiàn)象。這一現(xiàn)象表明生物分子和細(xì)胞可能借助量子效應(yīng)來(lái)執(zhí)行特定的生物功能，如光合作用和觸覺(jué)感知。這些研究有助于解釋為何生命體系還能以這么高效和精確的形式運(yùn)行。
量子技術(shù)與未來(lái)科技：創(chuàng)新的引擎
不僅改變了科學(xué)領(lǐng)域，量子化學(xué)還催生了許多前沿技術(shù)，將深刻地打造我們的未來(lái)。量子估算早已成為一個(gè)熱門(mén)話題，有望在解決目前無(wú)法應(yīng)對(duì)的問(wèn)題上發(fā)揮關(guān)鍵作用，如抗生素研制、材料科學(xué)和氣候模擬等。
量子通訊是另一個(gè)領(lǐng)域，它借助量子糾纏原理來(lái)實(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全的通訊。這將改變我們對(duì)網(wǎng)路安全的認(rèn)知，使數(shù)據(jù)傳輸愈發(fā)可靠和安全。
超導(dǎo)技術(shù)也在能源傳輸和存儲(chǔ)方面具有巨大潛力。超導(dǎo)材料的應(yīng)用可以降低能量損失，提升能源效率，進(jìn)而對(duì)可持續(xù)發(fā)展形成深遠(yuǎn)影響。
總結(jié)：重新定義我們的視角
在普朗克的觀點(diǎn)下，我們重新考量物質(zhì)和世界，發(fā)覺(jué)了一個(gè)飽含可能性和未知的宇宙。量子化學(xué)除了改變了我們對(duì)物質(zhì)的理解，還打造了科學(xué)、技術(shù)和宇宙的未來(lái)。它提醒我們，雖然在看似穩(wěn)定的世界中，奇跡和復(fù)雜性一直存在。對(duì)于我們這個(gè)不斷進(jìn)化的物質(zhì)世界，我們的好奇心和探求精神永不止步。由于在量子世界，一切皆有可能，一切都值得被深入研究和理解。