宏观量子现象
低温体系宏观波函数描述
宏观量子现象(macroscopic quantum phenomena)是指低温体系可用宏观波函数描述,量子力学的一些特性可在宏观尺度上显示出来的现象。
理论诠释
液态4He在饱和蒸气压温度降到2.172K时发生超流相变,或超导体的温度低于其临界温度时,都会发生玻色-爱因斯坦凝聚现象(见统计物理学)。4He是玻色子,超流相变相当于有宏观数量的4He原子凝聚到一个单粒子态上,而在超导体中有宏观数量的动量等值反向自旋反向的成对电子占有单一的电子态。这一单粒子态的波函数,具有和微观原子或分子波函数相同的量子力学性质,但它描述的是整个宏观物体,是宏观数量粒子在宏观尺度上的行为,因此也称为宏观波函数宏观量子态。宏观波函数的相位在宏观尺度上是相互关联有相干性的,它的密度流(就是超流密度流)是一个量子密度流,它不携带,也不产生任何的能量耗散。这使宏观数量的粒子关联在一起,具有某种特性和刚性。超流速度由波函数的相位梯度决定,任何局部的改变(如速度的改变)都必然涉及凝聚在这一状态上的宏观数量粒子的同时改变。这就需要过大的能耗,从而不容易发生,因而稳定的、没有能量损耗、零黏滞性的超流得以存在。超流氦中量子化涡旋线的存在,反映波函数相位相干性的约瑟夫森效应等也是宏观尺度上表现出的量子力学效应。其他表现出宏观量子现象的体系有液态3He的超流动性超导体中的超导电性。不同的是3He原子和超导体中的电子是费米子,在超流或超导态中,它们两两配对(库柏对)成为玻色子,凝聚到用宏观波函数描述的单粒子态上(见宏观量子态)。
具体解释
液氦中有宏观数量的氦原子占有单一的量子态。与此对应,可用一个宏观波函数来描述这些体系。这种波函数的相位具有宏观距离上的相干性。这种宏观波函数具有与微观粒子波函数相同的量子性质,但是它描述的是整个宏观物体,相位的相干使整个凝聚了的宏观数量的质点(在超导中为库珀对,见超导微观理论)联结在一起。对宏观波函数的任何改变都必然牵涉到所有凝聚在这个状态上的宏观数量质点的同时改变。由于这种宏观波函数的量子性质,导致在宏观尺度上的许多量子现象。譬如,液氦中的超流,涡旋线的量子化(见液态氦)或在超导体中的超导电流,磁通量的量子化(见超导电性)等,都是在宏观尺度上表现出的量子效应
参考资料
最新修订时间:2023-05-21 12:18
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