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第 3 课:2015 年挑战——物理 量子隧穿 EPR悖论 概念 量子隧穿效应属于量子力学的研究领域,量子力学研究在量子尺度所发生的事件。设想一个运动中的粒子遭遇到一个位势垒,试图从位势垒的一边(区域 A)移动到另一边(区域 C),这可以被类比为一个圆球试图滚动过一座小山。量子力学与经典力学对于这问题给出不同的解答。经典力学预测,假若粒子所具有的能量低于位势垒的位势,则这粒子绝对无法从区域 A移动到区域 C。量子力学不同地预测,这粒子可以概率性地从区域 A穿越到区域 C。 不确定性原理 初步看来,量子隧穿问题似乎是个佯谬,但是使用能量-时间不确定性原理可以合理解释这问题。假设粒子的原本能量为E,位势垒的位势为V,而E<V,则粒子无法经典地从区域 A移动到区域 C。根据能量-时间不确定性原理 在量子力学里,量子隧穿效应(Quantum tunneling effect)指的是,像电子等微观粒子能够穿入或穿越位势垒的量子行为,尽管位势垒的高度大于粒子的总能量。在经典力学里,这是不可能发生的,但使用量子力学理论却可以给出合理解释。 量子隧穿效应是太阳核聚变所倚赖的机制。量子隧穿效应限制了太阳燃烧的速率,是太阳聚变循环的瓶颈,因此维持太阳的长久寿命。许多现代器件的运作都倚赖这效应。例如,隧道二极管、场致发射、约瑟夫森结、磁隧道结等等。扫描隧道显微镜、原子钟也应用到量子隧穿效应。量子隧穿理论也被应用在半导体物理学、超导体物理学等其它领域。 至2017年为止,由于对于量子隧穿效应在半导体、超导体等领域的研究或应用,已有5位物理学者获得诺贝尔物理学奖。 反物质(Antimatter)在粒子物理学中是反粒子概念的延伸,反物质是由反粒子构成的,如同普通物质是由普通粒子所构成的。例如一颗反质子和一颗反电子(正电子)能形成一个反氢原子,如同电子和质子形成一般物质的氢原子。此外,物质与反物质的结合,会如同粒子与反粒子结合一般,导致两者湮灭,且因而释放出高能光子(伽马射线)或是其他能量较低的正反粒子对。正反物质湮灭所造成的粒子,赋予的动能等同于原始正反物质对的动能,加上原物质静止质量与生成粒子静质量的差,后者通常占大部分。(爱因斯坦相对论指出,质量与能量是等价的。) 反物质无法在自然界找到,仅有稍纵即逝的少量存在(例如因放射衰变或宇宙射线等现象)。这是由于反物质若非存在于像物理实验室的人工环境下 #职业规划#生活技能#反物质#量子隧穿#EPR悖论
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第3课2015 年挑战—物理 虚拟粒子和重力 熵和时间的方向 虚粒子(virtual particle),意即虚构粒子、假想粒子,是在量子场论的数学计算中建立的一种解释性概念,指代用来描述亚原子过程例如撞击过程中粒子的数学项。但是,虚粒子并不直接出现在计算过程的那些可观测的输入输出量中,那些输入输出量只代表实粒子。虚粒子项代表那些所谓离质量壳(off mass shell)的粒子。例如,它们沿时间反演、能量不守恒、以超光速移动,每条看起来都和物理基本原理相悖。虚粒子发生在那些大致可被实输出量相消的组合项中,因此才产生前述那些不实的冲突。虚粒子的虚“事件”通常看起来是一个紧接着另一个发生,例如在一次撞击的时长中,所以他们显得短命。如果在计算中略去那些被诠释为代表虚粒子的数学项,计算结果将变成近似值,有可能较大地偏离完整计算得到的正确而且精确的结果。 量子理论不同于经典理论。区别在于对于亚原子过程的内部机制的计算。经典物理不能处理这种计算。海森堡认为,在亚原子过程例如碰撞中,到底“实际上”“真正”发生什么,是不可直接观测的,也没有可用以描述的单一而且物理明确的图像。量子力学具有这样的特质:即它可以避开关于内部机制的思考。它把自己限制在那些实际上可观测可感知的方面。但是,虚粒子则是一种概念化的手段,通过给亚原子过程的内在机制提供假设性的诠释性图像,它试图绕过海森堡的洞察。 虚粒子不必具有和对应实粒子相等的质量。这是因为它短命而且瞬变,所以不确定性原理允许它不必守恒能量和动量。虚粒子存活得越久,它的特征就越接近实粒子。 虚粒子出现在许多过程中,包括粒子扩散和卡西米尔效应。在量子场论中,即使是经典力,例如电荷间的电磁吸引力和推斥力,也可被认为是源于荷间的虚光子交换。 不应将反粒子跟虚粒子或者虚反粒子相混淆。 超导体(Superconductor),指可以在特定温度以下,呈现电阻为零的导体。零电阻和完全抗磁性是超导体的两个重要特性。超导体电阻转变为零的温度,称为超导临界温度,据此超导材料可以分为低温超导体和高温超导体。这里的“高温”是相对于绝对零度而言的,其实远低于冰点摄氏0℃。科学家一直在寻求提高超导材料的临界温度,目前高温超导体的最高温度记录是马克普朗克研究所的203K(-70°C)。因为零电阻特性,超导材料在生成强磁场方面有许多应用,如MRI核磁共振成像等。 #职业规划#生活技能#重力 #霍金辐射 #超导体
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