21、常温常压下的量子效应

    量子效应的神奇特性总是能给人深刻的印象，它给我们展现的是一个与传统观念格格不入的世界，我们必须抛弃传统的观点，用量子的思维才能真正认识和理解它们。然而，量子效应，尤其是宏观量子现象存在一个非常大的缺点，那就是特别容易退相干，这导致我们很难观察到宏观的量子效应。尤其是我们周围的物理系统总是处在无规则的热运动中，而常温常压下的普通环境足以破坏绝大多数量子效应，造成系统的退相干。

    因此，为了观测到大量的宏观量子现象，最常用的方法就是降低温度。在接近绝对零度的环境中，我们可以观测到丰富多彩的量子现象。可是这带来了一个新的问题，为了建立并维持低温，需要一整套又大又笨重的冷却设备，这极大的限制了对量子现象的观察和应用。然而，有一些量子现象却不受低温的限制，在常温常压下就可以表现出来，我们可以大致盘点一下。

    第一个现象自然是经典的黑体辐射。按照瑞利和金斯的观点，黑体辐射会发生紫外灾变，而如果按照维恩的观点，黑体辐射曲线与实验不符。这些从传统观念出发导致的失败第一次让物理学具有了引入量子的必要。

    第二个是光电效应。理论与实验的不符使爱因斯坦想到了光量子，并收获一枚诺贝尔奖。光电效应不仅让我们第一次认识了光量子，而且有重要的实际应用，像光电管、光电倍增管等器件成为检测光子的常用仪器。光电效应之后又发现了强光下的双光子、多光子光电效应，即金属中的一个电子同时吸收两个或多个光量子。

    第三个是康普顿效应。电子与X射线光子的碰撞明白无误的揭示了光量子有动量，实验告诉我们，光量子是第一个发现具有波粒二象性的粒子。

    第四个是原子的稳定性。卢瑟福的经典实验导致了原子的行星模型，而这样的原子系统在经典理论的框架内是不稳定的，所以经典电磁理论告诉我们，卢瑟福的原子不会稳定存在超过一秒钟。然而原子确实是稳定存在的，有我们周围触手可及的一切为证。有位天文学家说过，恒星这东西如果不是真的存在，可以很容易证明它不存在。因此，原子存在本身就是一种量子效应。

    第五个是原子及分子的光谱。这些光谱结构不仅提供给我们原子内部电子运动状态的丰富信息，而且是一种微观粒子的指纹，可以通过对光谱的观测确定微观粒子的种类。原子的线状光谱同样无法用经典理论解释，玻尔因此引入了量子假设，打开了研究微观粒子的大门。

    第六个是金属中电子对比热的贡献。按照经典的能量均分定理，电子应该贡献很大比例的比热，可实际上金属中电子对比热的贡献微不足道。通过费米统计我们知道，金属中自由电子气的费米温度远高于常温，因此常温下的热运动只能激发少量电子，从而贡献很少的比热。量子决定了金属的导热能力。

    第七个是物体的导电性能。依据导电能力的不同，物质可分为导体、绝缘体和半导体。不同的晶体结构会导致不同的能带，当相邻能带之间的能隙很宽时，若能带中电子未填满，施加电场会激发电子运动，因此是导体；若能带中电子已填满，则外加电场和热运动不足以激发电子，所以是绝缘体。当能带的间隙很小或掺杂杂质时，热运动或外加电场可以将电子激发到高能级，并在原来的能带中留下空穴，具有这种导电方式的物质就是半导体。量子决定了物质的导电性能。

    第八个是物质磁性。由于原子核的磁矩一般较电子小的多，因此物质磁性主要起源于原子中电子的轨道及自旋运动。当原子或分子轨道上有未配对的电子时，原子或分子就有未被抵消的磁矩，从而产生顺磁性。当原子或分子受外磁场作用时，电子的轨道运动会存在进动，产生一个与外磁场方向相反的磁场，导致物质具有抗磁性。铁磁性起源于铁磁物质内部存在正的较大的交换能，导致相邻的原子磁矩取向平行，原子磁矩的整齐平行排列构成磁畴，导致即使外加很弱的磁场也会导致强烈的磁化。

    第九个是共价化合物。由于原子组成共价化合物时，最外层电子的电子云发生重叠，重叠区域的电子由于无法区分属于哪个原子，导致存在一个交换能。当电子自旋平行时，交换能为正，原子间表现为斥力，当自旋反平行时，交换能为负，原子间表现为引力，从而形成共价键。

    第十个是放射性元素的衰变。放射性元素都存在半衰期，如果是经典现象，在确定的外部条件下应该是要么衰变，要么不衰变。而放射性原子则不同，即使外部条件完全确定，也不能确定该原子是否衰变，因为它的机理是波函数的统计解释。放射性原子可以处在衰变和不衰变的叠加态，当与一只猫纠缠在一起时，还可以让猫半死不活。

    第十一个是激光。激光中的光子无法单独区分出来，它们处在同一个量子态中，具有很好的相干性，因此激光是做量子光学实验最好的实验对象。激光不仅可以应用于光纤通讯，还可用于量子通讯和量子计算领域。

    第十二个是室温量子霍尔效应。2007年，英国曼彻斯特大学的安德烈.海姆和诺沃肖洛夫在45T的强磁场中观察到石墨烯的室温量子霍尔效应。但是由于需要强磁场环境，制造强磁场需要超导磁铁，不仅磁铁大而笨重，而且维持超导现象也需要大型冷却设备，因此并不划算。不过反常量子霍尔效应不需要外加强磁场，如果能够在室温下实现，将会获得广泛的应用。

    第十三个是钻石。对于通用量子计算机，需要通过量子比特来构造量子逻辑门，但是由于量子比特非常脆弱，很容易退相干，一般都需要极低的温度来保证相干性。而钻石是一种完美的绝缘体，其能带间隙很宽，可以利用钻石中的氮空位中心（又叫NV中心）的电子和核自旋，构造可以在室温下工作的量子比特。或许在不久的将来，我们可以拥有一台钻石核心的量子计算机。顺便多说一句，即使是天然钻石也并没有想象中那样稀缺，而且应用石墨等材料人工制造钻石可以大幅度的降低钻石的成本。

    当然，或许还有其它许多室温量子效应未被提及或发现，或许生命的大脑也具有量子效应，但这样的论断显然需要严格的证据。另外，还有一个看似普通的室温量子效应：被隔板隔开的棕色二氧化氮和无色一氧化氮，抽掉隔板，气体混合变成浅棕色，而如果两边都是棕色二氧化氮，抽掉隔板，则什么都没有发生。有人说，这有什么呀，再普通不过的现象了，可就是这样一个简单的现象却让历史上拥有牛顿思维的经典物理学家们百思不得其解。