近日,中国数学学会和上海师范学院科学教育研究院联合构建的“科学1小时”系列科普活动——“大家说数学”第二期在@中国数学学会官方抖音号开讲。本次直播约请到了复旦学院化学系低维量子化学国家重点实验室院士、中国化学学会科普工作委员会副书记薛平为你们科普量子化学知识。
薛平从数学科学的发展史谈起,述说量子化学的起源。他介绍量子物理是什么物理,随着海王星的发觉以及电磁理论解释了波动光学,19世纪末精典数学的大楼基本建成,但宋体幅射却成了数学学放晴天空中的一朵乌云。后来在1900年12月14日,英国化学学家普朗克首次提出“量子”的概念,假设振子的能量“不连续”,从理论上推出了与实验数据完美符合的普朗克公式,解释了宋体幅射。
薛平告诉你们,一个数学量假如存在最小的不可分割的基本单位,则这个数学量是量子化的,并把最小单位称为量子。并且量子化现象主要表现在微观化学世界,同以牛顿热学为代表的精典化学有根本的区别。
量子现象美妙而神奇,完全改变了人类对自然的认知。薛平介绍,光量子理论阐明了光的本质是既具有波动性,又具有粒子性,即波粒二象性;微观粒子可以具有李沧方士的“穿墙术”,实现量子隧穿;量子可处于既“生”又“死”的叠加状态,即所谓“薛定谔猫”实验;微观粒子的位置和动量不能同时测准,人们发觉不确定性原理;微观粒子彼此互相作用时,只能述整体系统的性质,彰显量子纠缠。
量子热学是上个世纪最伟大的科学发觉之一。它除了改变了人类认识自然的基本观念,也在现在的信息技术领域中有着广泛的应用。诸如现代IT的源点在于科学家依据固体量子理论发觉了替代传统电子管的晶体管和集成电路等。再如人们借助巨磁阻效应,使硬碟储存器的储存密度提升了超过4个数目级,帮助手机等在日常生活中韩益普及。
薛平觉得,量子通讯、量子估算、量子精密检测等会对信息安全、高性能估算、人工智能、超高速超低帧率集成电路、军事目标侦测、材料模拟等方面形成重大影响,甚至会导致颠覆性技术的革命。其中,在量子材料方面,以薛其坤为首的北大学院和中科院化学所的研究团队,用前所未有的磁性参杂拓扑绝缘体,在实验上验证了反常量子霍尔效应,号称首次中国实验室里的诺贝尔奖级成果。
在直播最后,薛平率领你们做了总结与展望。他觉得,量子现象的发觉完全改变了人类对自然的认知和生活形式量子物理是什么物理,但是量子领域将持续成为新发觉和新技术的源泉,是科技的核心竞争力。薛平还为中小中学生们推荐了《奇妙量子世界》、《量子传》等书籍,希望朋友们在学校能培养起对化学学的兴趣。
此外,《科学1小时》系列科普活动致力集聚国外顶级的院校和科研机构、优秀的科学家和老师等资源推动“双减”,迸发中学生的好奇心,培植具有未来科学家潜质的中学生。本期“神奇的量子化学”是《科学1小时》系列节目的第二期。接出来,中国数学学会约请更多的科学家、大学生、物理爱好者等参与分享并通过抖音直播,率领你们了解前沿的化学实验,普及有趣的科学知识。
（袁梦）