時下數學學最熱門的是哪些專業?
要回答這個問題,我們可以從科普暢銷書說起。眾所周知,科普是聯系科學家和普通大眾最終的紐帶,生動有趣的內容和深入淺出的解析仍然是科普讀物的兩大法寶。我們可以看一下,市場上哪一類科普讀物最多。入選2006年第三屆“吳大猷科普獎”的《量子化學雜記——上帝擲色子嗎?》不斷加印重印宇宙 量子通訊,仍然搶占著國外科普讀物霸主的地位。法籍華裔加來道雄博士所著的《平行宇宙》也是一部量子熱學的專著。這本精典的科普書屬于《科學還可以這樣看》系列,上面包含了《量子糾纏:上帝效應,科學中最怪異的現象》《量子宇宙:一切可能發生的正在發生》《量子理論:愛因斯坦與玻爾關于世界本質的偉大論爭》等多部與量子熱學有關的科普讀物。我想,如今可以回到文章開始哪個問題。時下數學學最熱門的就是量子熱學。
與量子熱學相關的科普讀物
喜歡看懸疑小說的人對時間穿越和平行宇宙的概念都不陌生宇宙 量子通訊,這種概念同時也孳生了許多悖論,為了讓小說自洽,聰明的懸疑作者們選擇了使用量子力學來解釋這種悖論。任何頭痛的問題,如同一見到量子熱學都會迎刃而解。為此,雖然不看科普書,許多懸疑迷也從懸疑小說里早早曉得了量子熱學。
這似乎很容易理解,基礎化學發展了幾個世紀,早已日漸建立,現代化學學家想要有所突破是十分小機率的風波,但是,后來發覺的許多現象,例如宋體幅射,或則針對比原子還小的粒子,基礎化學早已未能給出合理的解釋。在這些情況下,量子理論應運而生,但是仍然到明天成為許多物理學家主要的研究方向。從眾多科普作品也可以看下來,大眾對于這方面的知識需求也非常饑渴。在通信發達的明天,人們對于科學研究有了前所未有的熱忱和關注。
科學史上,大部份學科都不是一人之力完成的,量子熱學發展到明天離不開諸多科學家的努力,其中包括普朗克、尼玻爾、海森堡、薛定諤、泡利、德布羅意、玻恩、費米、狄拉克、愛因斯坦、康普頓等你們耳熟能詳的科學家們。
第五屆索爾維大會合影:前排左起:A.皮卡爾德(A.)E.亨利厄特(E.)P.埃倫費斯特(P.)Ed.赫爾岑(Ed.)Th.德唐德(Th.de)E.薛定諤(E.)E.費爾夏費爾特(E.)W.泡利(W.Pauli)W.海森堡(W.)R.H.富勒(R.H.)L.貝里淵(L.)
中排左起:P.德拜(P.Debye)M.克努森(M.)W.L.克拉科夫(W.L.Bragg)H.A.克萊默(H.A.)P.A.M.狄拉克(P.A.M.Dirac)A.H.康普頓(A.H.)L.德布羅意(L.de)M.克拉科夫(M.Born)N.波爾(N.Bohr)
后排左起:I.朗繆爾(I.)M.普朗克(M.)M.居里夫人(MmeCurie)H.A.洛侖茲(H.A.)A.愛因斯坦(A.)P.朗之萬(P.)ch.E.古伊(ch.E.Guye)C.T.R.威爾遜(C.T.R.)O.W.理查森(O.W.)
量子熱學的完善是一個相對其他學科來說并不算漫長的過程,從1900年開始至今也不過一百多年。但這一百多年卻涌現出了大批優秀的化學學家和許多知名的理論,這種人和她們所做的研究影響、改變了我們的世界。
隨著科學發展,人們對于“大”和“小”的認知也在不斷變化著,曾經人們以為的“大”就是天,或則說月球本身,再后來到太陽系、銀河系乃至全宇宙;曾經人們以為的“小”是螞蟻,是組織,是細胞,是原子,之后是各類各樣繁雜的基本粒子。這種基本粒子給數學學家帶來了頭痛和困擾,她們發覺,當她們把精典熱學的理論套用在這種幽靈通常不可飄忽的基本粒子之上時,這些仍然被她們奉為顯學的理論失效了,不再適用,好多檢測到的現象都難以用精典熱學來解釋,在這些情況下,量子理論應運而生。
基本粒子
造成量子論出現的是一個古典熱力學困局即宋體幅射問題。1900年,世紀之交,普朗克提出了量子假說,假設宋體以hv為單位不連續的發射和接收幅射,估算出了宋體幅射能量分布公式,成功地從理論上解釋了宋體幅射現象。普朗克將最小的不可再分的能量單元叫做“能量子”或“量子”。當初12月14日,他將這一假說報告了美國化學學會,宣告了量子論的誕生。所以有觀點稱普朗克為量子熱學的創始人,從這一點來看并不為過。由于他不但提出了“量子”這一概念,還通過學說報告的方式向世人展示了量子論。1905年愛因斯坦引進光量子的概念,推導入光子的能量、動量與幅射的頻度和波長之間的方程式,解釋了光電效應。
1913年,仍然跟愛因斯坦論爭的玻爾提出了以他命名的玻爾模型。玻爾覺得電子只能在一定能量的軌道上運轉。內層軌道比外層軌道可以容納更多的電子;較內層軌道的電子數決定了元素的物理性質。假如內層軌道的電子落入外層軌道,將釋放出一個帶固定能量的光子。1924年,玻恩在一篇論文中使用“量子熱學”這個詞匯。這也標志著以普朗克、愛因斯坦和玻爾對量子熱學所做的研究告一段落,同時開啟了量子熱學研究百花齊放的新篇章。
薛定諤于推出了一個相對論的波動多項式。而薛定諤關于一只置于裝有毒氣袋子里的貓是死是活的精典問題也成為量子熱學一個知名的假定;海森堡成立了解決量子波動理論的矩陣方式;狄拉克改進了矩陣熱學的物理方式,使其成為一個概念完整、邏輯自洽的理論體系。
量子熱學解釋了平行宇宙,也解釋了我們的宇宙
在那幾年,幾乎每三天都有關于量子熱學領域的新發覺,這種發覺鼓舞著科學家們繼續前行的同時,也漸漸建立了量子熱學的理論系統。量子熱學促使我們對世界的認知越來越清晰,這不僅僅是一個神妙的理論,這對于我們的本田生活和生產也有著巨大的推進,從激光、電子顯微鏡、原子鐘到核磁共振的醫學圖象顯示裝置,都借助了量子熱學的原理和效應。對半導體的研究引起了晶閘管和二極管的發明就是利用量子熱學的支撐。在核裝備的發明過程中,量子熱學的概念至關重要。至今為止,僅僅萬有引力難以使用量子力學來描述。
從精典化學到量子理論再到現在的量子熱學,這是歷史發展的必要。其實有好多人認為這種跟我們的生活沒哪些關聯,雖然正是由于這種理論,我們才擁有了明天的生活。