3小時(shí)輸出27個(gè)知識(shí)點(diǎn)！張朝陽跨年演講硬核解析生活中的量子力學(xué)

允中 2025-01-13 12:07:23 來源：量子位

“在2025年的前一個(gè)小時(shí)，我們還在計(jì)算，看來2025年是動(dòng)腦子的一年?！?/p>

2024年12月31日晚上10點(diǎn)，搜狐創(chuàng)始人、董事局主席兼首席執(zhí)行官、物理學(xué)博士張朝陽準(zhǔn)時(shí)開啟2025跨年演講。

這一次，他以普通人一天的經(jīng)歷生動(dòng)演繹了量子力學(xué)在生活和現(xiàn)代技術(shù)中的廣泛應(yīng)用，連續(xù)3小時(shí)直播分享了現(xiàn)代物理學(xué)的支柱之一——量子力學(xué)，帶來一場別樣的科學(xué)跨年夜。本次活動(dòng)在搜狐視頻全程直播。

從普通人經(jīng)歷“量子力學(xué)”的一天，講到1990年“旅行者號(hào)”拍攝的著名“地球藍(lán)點(diǎn)”照片，在張朝陽看來，理解了量子力學(xué)，就理解了物質(zhì)的構(gòu)成，也能夠看到我們在宇宙中的渺小。

他感慨道，“我們要對(duì)人類的智慧感到驕傲，使我們擁有了智慧，擁有了思考能力，知道世界是如此的情況?！?/p>

從清晨到夜晚，普通人被量子力學(xué)“支配”的一天

去年首場跨年演講中，張朝陽曾推導(dǎo)了被譽(yù)為“二十世紀(jì)最偉大的理論”——廣義相對(duì)論。

延續(xù)前一年的傳統(tǒng)，本次演講聚焦現(xiàn)代物理學(xué)的另一大支柱——量子力學(xué)。張朝陽以“生活在量子力學(xué)的世界里”為主題，結(jié)合普通人從早到晚的日常生活，展示了量子力學(xué)如何悄無聲息地滲透到我們周圍的每個(gè)細(xì)節(jié)。

近三個(gè)小時(shí)的演講，張朝陽分享了原子的核外電子排布、躍遷發(fā)光、量子隧穿等27個(gè)物理知識(shí)點(diǎn)，帶領(lǐng)大家走進(jìn)了一個(gè)無處不在、卻神秘莫測的微觀世界。

“每天睜開眼，第一縷陽光來自太陽表面的黑體輻射?！睆埑枏钠鸫脖犙坶_始，介紹了太陽的量子特性。

他利用維恩公式，解釋了太陽輻射能量最強(qiáng)部分正好落在我們眼睛能夠感知的頻率范圍內(nèi)，這也決定了人眼的視力極限。

他舉例說，起床后的第一件事可能是刷牙，而電動(dòng)牙刷的刷毛由高分子材料構(gòu)成，動(dòng)力來源于鋰電池，鋰的最外層電子只有一個(gè)，這使它能夠輕松釋放電子，形成鋰離子在電池中高效地傳遞能量，進(jìn)而為各種電器提供動(dòng)力。

走出家門，路燈依舊明亮，張朝陽指出，鈉燈的橘黃色光正是鈉的電子在3s和3p能級(jí)間躍遷的結(jié)果。

來到早餐店，面包的材料、咖啡豆和蔬菜的成長都離不開光合作用，這也是量子的過程。

事實(shí)上，量子力學(xué)早已滲透到我們生活的方方面面。走進(jìn)辦公室，空調(diào)中的工質(zhì)通過氫鍵的反復(fù)斷裂和重建調(diào)節(jié)溫度；電腦處理器內(nèi)上億個(gè)晶體管和顯示屏中的LED燈板，都是量子力學(xué)能帶理論的直接產(chǎn)物。甚至人們每一句話的傳播速度，都受到了量子力學(xué)能量分立的影響；而每個(gè)思維的跳躍，都伴隨著成千上萬的鈣離子通過復(fù)雜的生化反應(yīng)進(jìn)入神經(jīng)元。

傍晚走在大街上，感受氬氣等惰性氣體被電流點(diǎn)亮后形成的五彩霓虹燈光。而正在小酌的人會(huì)注意到紅酒的“掛壁”現(xiàn)象，這正是由于水分子通過氫鍵形成較強(qiáng)的表面張力所致。水中氫鍵的強(qiáng)度還限定了地球上樹木的高度——在蒸騰作用下，氫鍵形成的“鎖鏈”有助于抗衡引力，將水從根部輸送到樹冠。此時(shí)，遠(yuǎn)方的天空中，電磁擾動(dòng)下的氮?dú)夂脱鯕忾W爍著紅綠色光與藍(lán)色光，這就是極光。

張朝陽解釋道，極光的產(chǎn)生源自地磁場對(duì)太陽風(fēng)的屏蔽作用。一般磁場的形成與電流的運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，而鐵磁性的形成是深刻的量子力學(xué)現(xiàn)象。大量鐵原子聚集形成磁疇，一致排列的磁疇產(chǎn)生了宏觀的磁場。張朝陽提到，核磁共振（MRI）技術(shù)則是我們?nèi)粘Ｉ钪信c強(qiáng)磁場接觸的一個(gè)典型例子。核磁共振利用超導(dǎo)線圈產(chǎn)生比地磁場強(qiáng)三萬倍的磁場，通過分析氫核自旋變化進(jìn)行成像，是目前最先進(jìn)的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)之一。

晚上回到家中，張朝陽還給出了一些生活實(shí)用小建議。他建議晚上及時(shí)清洗衣物并保持開窗通風(fēng)，以避免油點(diǎn)和污漬通過擴(kuò)散效應(yīng)滲入衣物中，留下難以去除的痕跡。保持開窗通風(fēng)則能降低室內(nèi)氡氣的濃度，這種放射性氣體長期積聚會(huì)對(duì)健康造成影響。特別是，氡氣在量子隧穿效應(yīng)的幫助下輻射出α粒子，進(jìn)入人體內(nèi)將增加患肺癌的風(fēng)險(xiǎn)。

“理解量子力學(xué)就理解了世界，相比宇宙人類微不足道”

在更廣闊的宇宙背景下，張朝陽提到，量子力學(xué)正在幫助我們破解宇宙的奧秘。通過光譜分析，科學(xué)家可以識(shí)別不同星體的元素，甚至通過譜線的紅移計(jì)算星體的遠(yuǎn)離速度。從而揭示了宇宙正在膨脹。量子力學(xué)帶來的定量方法，是人類探索宇宙的關(guān)鍵工具。

同時(shí)，恒星的演化也離不開量子力學(xué)。借助理論計(jì)算，我們甚至不止知道太陽已經(jīng)活了四五十億年，我們也知道太陽將會(huì)繼續(xù)再活四五十億年。甚至于知道恒星的末期，它們正借助量子力學(xué)中的費(fèi)米子簡并壓“拼死一搏”。當(dāng)簡并壓與引力能夠?qū)崿F(xiàn)平衡時(shí)，恒星將形成相對(duì)穩(wěn)定的白矮星和中子星。否則，它將歷經(jīng)爆炸，或者燃燒殆盡，或者形成黑洞殘留在宇宙間。

演講中，張朝陽還講述了NASA發(fā)射的“旅行者號(hào)”如何借助量子技術(shù)探測宇宙。自1977年起，這兩艘宇宙飛船就向宇宙深處進(jìn)發(fā)，至今已經(jīng)飛出了太陽系，在一定的減速后繼續(xù)以每秒17公里的速度向半人馬座航行。它們的能源來源于量子力學(xué)，利用钚核衰變的射線加熱金屬并轉(zhuǎn)化為電能，推動(dòng)飛船繼續(xù)前進(jìn)。1990年，旅行者號(hào)回望地球拍下了著名的“地球藍(lán)點(diǎn)”照片，展現(xiàn)了地球在浩瀚宇宙中的渺小。

“宇宙之大，地球只是一個(gè)小點(diǎn)，而地球上的蕓蕓眾生是宇宙小點(diǎn)里更小的點(diǎn)。”張朝陽感慨，“宇宙如此廣闊，地球真的是微不足道。應(yīng)心存敬畏，不要把每個(gè)人每天碰到什么事情當(dāng)回事，因?yàn)槿松湍敲匆凰查g就過去了?！卑丛O(shè)計(jì)壽命，2025年旅行者號(hào)將會(huì)耗盡最后一點(diǎn)能量，從此中斷與人類聯(lián)系。也許數(shù)萬年之后，當(dāng)?shù)厍蛳У臅r(shí)候，而旅行者號(hào)可能會(huì)碰到其他星系生物，成為人類智慧文明存在的唯一證明。

正是量子力學(xué)，讓世界萬物以特定的結(jié)構(gòu)和規(guī)律存在，塑造了這個(gè)世界周圍的一切，從水、空氣，到人類自己。沒有量子力學(xué)，世界將是無序的灰燼。張朝陽稱，“我們要為我們?nèi)祟惖膫ゴ蠖械津湴?，因?yàn)榻?jīng)過幾千萬年的進(jìn)化、兩百萬年的演變以及一萬年的農(nóng)業(yè)文明，我們大腦超常發(fā)展，使我們擁有了智慧，擁有了思考能力，我們理解了量子力學(xué)，我們理解了天下，知道世界是如此的情況?！?/p>

演講期間當(dāng)跨年鐘聲敲響之際，張朝陽為大家送上新年寄語，他建議大家學(xué)點(diǎn)心理學(xué)能自我調(diào)節(jié)保持好心情，要每天運(yùn)動(dòng)、多吃蔬菜水果；同時(shí)要折騰做事情，尋找各種機(jī)會(huì)；管好現(xiàn)金流、不要負(fù)債。

“希望大家在2025年都能夠有所斬獲、有所進(jìn)步，能夠很寬裕地、有成就地、有意義地度過?！?/p>

“化學(xué)鍵是構(gòu)成物質(zhì)世界的基礎(chǔ)，科技將推動(dòng)人類一往無前”

為了深入理解多彩的世界，理解為何“如果沒有量子力學(xué)，世界將是一堆灰”。鐘聲響起后，張朝陽繼續(xù)分享深究組織結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)——化學(xué)鍵的成因。

在演講后半程，他用近1小時(shí)簡要推導(dǎo)了化學(xué)鍵的成因，用寫滿五個(gè)黑板的數(shù)理公式硬核解析物質(zhì)的基本構(gòu)成方式。

要從量子力學(xué)的角度理解化學(xué)鍵的成因，首先要掌握玻恩-奧本海默近似。在氫離子分子中，兩個(gè)原子核的運(yùn)動(dòng)與核外電子的運(yùn)動(dòng)有明顯的差異。玻恩-奧本海默近似通過假定原子核在系統(tǒng)中的位置近似不變，將問題分成兩步：第一步求解核外電子的波函數(shù)，再利用電子的性質(zhì)求得關(guān)于兩個(gè)原子核的有效勢能再求解。

利用變分法求得核外電子的波函數(shù)后，不難發(fā)現(xiàn)核外電子在系統(tǒng)中主要起到“粘合劑”的作用。張朝陽形象地用一個(gè)家庭故事來比喻這一過程。他解釋道，兩個(gè)原子核擁有相同的電荷，彼此間存在庫倫排斥力，仿佛是一對(duì)正處于對(duì)抗中的父母。然而，這個(gè)家庭中的孩子（電子）則起到了橋梁作用，緊密地將父母聯(lián)系在一起，確保了家庭的穩(wěn)定，也就是分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

通過精妙的數(shù)學(xué)運(yùn)算，張朝陽進(jìn)一步解釋，最終得到的有效勢能與兩個(gè)原子核的間距相關(guān)。這個(gè)勢能曲線有一個(gè)最低點(diǎn)，意味著當(dāng)原子間的距離達(dá)到某個(gè)臨界值時(shí)，化學(xué)鍵就會(huì)形成。正是有了化學(xué)鍵，我們才得以擁有氧氣、水以及其他無數(shù)的物質(zhì)形式?！拔覀兩畹氖澜纾辉偈墙鹉舅鹜?，而是元素、分子、金屬、蛋白質(zhì)、DNA，甚至是我們的大腦結(jié)構(gòu)。所有這一切，都是量子力學(xué)的結(jié)果?！睆埑柨偨Y(jié)。

在演講的互動(dòng)環(huán)節(jié)，張朝陽還與現(xiàn)場聽眾探討了當(dāng)前科技領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題，包括AI大模型、量子計(jì)算、生命科學(xué)以及室溫超導(dǎo)等。他表示，在量子力學(xué)和材料科學(xué)的前沿領(lǐng)域，新的一年有望迎來更多突破，這將為人類社會(huì)帶來深遠(yuǎn)的變革。

此外，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)上關(guān)于量子力學(xué)的“文化炒作”現(xiàn)象，張朝陽希望今天的演講能給它迎頭痛擊。他強(qiáng)調(diào)，量子力學(xué)不僅是抽象的理論，而是通過嚴(yán)密的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的一套科學(xué)方法。

“量子力學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)重要分支，它解釋了微觀世界的規(guī)律，所有的物質(zhì)構(gòu)成都遵循這一基本規(guī)則?！?/p>

轉(zhuǎn)載自 搜狐

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