量子力学与纳米

量子力学与纳米

曾经有一位一流的科学家在1893年宣告，他相信做出伟大发现的时代已经过去，因为几乎一切都已被发现了，将来的科学家除了更加精确地重复19世纪做过的实验，使原子量在小数位上有所添加以外，不可能有更多的作为。

事实证明这位科学家错了。因为，即使拥有19世纪所取得的全部知识，也无法说明X射线和铀的放射性这两种现象。这是新生事物，好像完全不合乎自然规律，背离了人类关于原子的认识。X射线和放射性像两个雪球，一旦滚动起来，必将如同雪崩一样引出一系列科学发现。

古人对物质元素的认识，是人类探究微观世界的开始。远古时代的人类在长期的生活实践中，发明了制陶，掌握了炼铜、炼铁等技艺，他们看到了物质可以重新组合并发生质的变化，于是就开始思考有关物质的构成与变化的原因。人们看见，冬天水结成冰，夏天冰又化成水，而且在地热泉中，水又蒸发为气体。人们还看见万物在大地上生长，又消失在大地之中，对于天地万物和人类的本源，人们一直怀有强烈的好奇心，试图从本质上理解和认识事物本身。最原始的元素学说就这样萌生了，开始了人类最初的对微观世界的认识。

经过人类不断的探索，今天我们知道物质世界是由一些很小的粒子——原子组成的，各种原子按照本身的规律相互连接，形成了分子，各种各样的分子聚集在一起就是我们丰富多彩的世界。可是，原子是怎样相互连接的呢?这就不能不说到原子内部的结构。原于是由一个位于中心的原子核和核外的电子组成的，原子核带正电，而电子带的是负电，这样整个原子对外就不显电性。电子在原子中并不是静止的，而是绕着原子核做高速的运动，电子的高速运动在原子的周围形成像云一样的外衣，也叫电子云。不同的原子内电子的数目不同，电子运动的模式也不同。就像一个班的同学，大家都穿上形状各异的外壳，由于外壳的形状不同，使得有些人靠在一起会比较舒服，而有些人很难靠到一起。当然实际情况还要复杂得多，上面只是一个简单化的比喻。我们要是真想理解原子等一些基本粒子的行为，就必须引入量子力学。

1900年，德国物理学家普朗克发表了一篇论文，导致了量子理论的出现。普朝克提出“量子论”，吹响了20世纪物理学革命的进军号。在同一年，孟德尔遗传学说被确认，成为生物科学上划时代的一年。也是在这一年，德兰斯特纳发现了血型，拯救了许许多多人的生命。到2000年，人类在量子论、相对论、基因论、信息论等方面都取得了以前难以想像的飞跃发展。人类一直在研究我们生活的地球和宇宙。现在，人类的观察范围不仅已达150多亿光年之遥，而且可以深入到原子核中去观察“夸克”等基本粒子的特征。

量子力学是20世纪人类在物理学领域的最重要的发明之一。量子力学和狭义相对论被认为是近代物理学的两大基础理论。量子力学主要研究微观粒子运动规律。20世纪初大量实验事实和量子论的发展，表明微观粒子不仅具有粒子性，同时还具有波动性，它们的运动不能用通常的宏观物体运动规律来描述。量子力学的建立大大促进了原子物理学、固体物理学和原子核物理学等学科的发展，并标志着人们对客观规律的认识从宏观世界深入到了微观世界。

量子力学的奠基人玻尔曾经说过:“谁如果在量子面前不感到震惊，他就不懂得现代物理学;同样如果谁不为此理论感到困惑，他也不是一个好的物理学家。”的确，量子力学确实很难理解，原因之一就是在微观世界里的很多事情，同我们所能看到的宏观世界存在很大的差别，有些可能是我们难以想像的。一个很典型的例子就是隧道效应。如下图所示，在经典力学控制下，狮子不可能越过障碍吃到你，可是在量子力学控制下，狮子却可以直接穿过那个堡垒，好像挖了一个隧道跑出来一样，看起来有些像“崂山道士”里面的穿墙术吧!其实，这里只是个比方，现实生活中你无需担心狮子会从笼子里直接钻出来。因为我们的宏观世界是不会发生这样的事情的。可是在微观世界里，电子等微观粒子却经常能够“穿墙而过”。