全能学霸 作者:小啊小提莫

    第396章微观理论和应用

    强子的组成及遵从的对称性是否取夸克模型或坂田模型的其他变种，所以后来按钱三强的建议把强子的组分粒子称为“层子”，表示物质结构许多层次中的一个层次的意思。在引入波函数以描述运动着的强子时，他认为应当区分描述内部运动和整体运动的两个概念。通过对已知实验数据的分析，他提出层子在强子内部的运动速度远小于光速，是非相对论性的，虽然强子的整体运动可以是相对论性的。

    四级文明给李安的震撼，实在是太过巨大，就好像石器时代的人类看着现代化的人类一般。

    “飞船外壳是用强子级钛合金制造的，动力系统呢？居然涉及到了光子的领域？”

    李安发现，文明程度越高，可以制造出来的飞船就越大，但是，涉及到理论程度，却是要在微观层面下苦工了。

    在微观世界，有一类粒子称为玻色子，如光子、……粒子、氢原子等它们具有整数自旋（0，1，……），它们的能量状态只能取不连续的量子态，但允许多个玻色子占有同一种状态。玻色子是依随玻色爱因斯坦统计，自旋为整数的粒子。玻色子不遵守泡利不相容原理，在低温时可以发生玻色爱因斯坦凝聚。

    利用玻色－爱因斯坦统计法，将电磁辐射作为光子‘气体’来描述，无须再利用辐射的波动性，就能够预言黑体辐射的所有性质。这是量子世界波粒二象性之一例。波粒二象性认为，光子或电子等实体，既能用波也能用粒子来描述。玻色子是量子理论中负责传递力的粒子。比如，电磁力可以描述为两个带电粒子如一个电子和一个质子之间交换光子，好像两个足球运动员之间的传球。

    粒子按其在高密度或低温度时集体行为的不同可以分成两大类：一类是费米子，得名于意大利物理学家费米，另一类是玻色子。得名于印度物理学家玻色。区分这两类粒子的重要特征是自旋。自旋是粒子的一种与其角动量（粗略地讲，就是半径与转动速度的乘积）相联系的固有性质。量子力学所揭示的一个重要之点是，自旋是量子化的，这就是说，它只能取普朗克常数的整数倍（玻色子，如光子、介子等）或半整数倍（费米子，如电子、质子等）。 费米子和玻色子遵循完全不同的统计规律。

    在一组由全同粒子组成的体系中，如果在体系的一个量子态(即由一套量子数所确定的微观状态)上可以容纳的粒子数不限，这种粒子称为玻色子。玻色子所遵循的统计法称为玻色统计法。玻色统计法的分布函数为上式中n(ε)为体系在温度丁达热平衡时处于能态ε的粒子数，α为温度和粒子总数的函数。

    简单来说。光子是作为波色子的一部分的。

    光子这个概念，早在1900年，普朗克解释黑体辐射能量分布时作出量子假设，物质振子与辐射之间的能量交换是不连续的，一份一份的，每一份的能量为hν；1905年阿尔伯特.爱因斯坦进一步提出光波本身就不是连续的而具有粒子性，爱因斯坦称之为光量子；1923年A.H.康普顿成功地用光量子概念解释了X光被物质散射时波长变化的康普顿效应，从而光量子概念被广泛接受和应用，1926年正式命名为光子。

    绝大部分人对于光子或许并不陌生。但是，涉及到如此高精度的运用，却是只能够说爱莫能助了。…

    就算是土生土长的天王星人，也无法从中得到光子科技。

    量子电动力学确立后。确认光子是传递电磁相互作用的媒介粒子。带电粒子通过发射或吸收光子而相互作用，正反带电粒子对可湮没转化为光子，它们也可以在电磁场中产生。

    光子是光线中携带能量的粒子。一个光子能量的多少正比于光波的频率大小， 频率越高, 能量越高。当一个光子被原子吸收时。就有一个电子获得足够的能量从而从内轨道跃迁到外轨道,具有电子跃迁的原子就从基态变成了激发态。

    光子具有能量，也具有动量，更具有质量。按照质能方程，E=MC^2=hν，求出M=hν/C^2,

    光子由于无法静止，所以它没有静止质量，这儿的质量是光子的相对论质量。

    根据量子场论，一对正反粒子可发生湮灭变成一对高能伽马光子，而一对高能伽马光子在高温下亦可发生反应产生一对正反粒子。比如在T=10^15K的温度下可发生光子向质子和中子等重子的转化。

    光子是传递电磁相互作用的基本粒子，是一种规范玻色子。光子是电磁辐射的载体，而在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子。与大多数基本粒子相比，光子的静止质量为零，这意味着其在真空中的传播速度是光速。与其他量子一样，光子具有波粒二象性：光子能够表现出经典波的折射、干涉、衍射等性质；而光子的粒子性则表现为和物质相互作用时不像经典的粒子那样可以传递任意值的能量，光子只能传递量子化的能量。对可见光而言，单个光子携带的能量约为4×1019焦耳，这样大小的能量足以激发起眼睛上感光细胞的一个分子，从而引起视觉。除能量以外，光子还具有动量和偏振态，但单个光子没有确定的动量或偏振态。

    从波的角度看，光子具有两种可能的偏振态和三个正交的波矢分量，决定了它的波长和传播方向；从粒光子晶体结构子的角度看，光子静止质量为零，电荷为零， 半衰期无限长。 光子是自旋为1的规范玻色子，因而轻子数 、 重子数和奇异数都为零。

    “运用光子制造动力系统，这意味着，四级文明的飞船，很可能达到光速或者说接近光速？”

    李安心里也是沸腾了。

    光速啊！

    如果自己成为了四级文明，那么飞船跨恒星远航，哪里会像现在一样缩手缩脚？

    但是很可惜，李安现在只是一个二级文明，就算是得到了这种科技，想要研发出来，也是非常的困难的。

    回想起地球时代光子的发明历程，李安的心中，不由得燃起了斗志。

    到十八世纪为止的大多数理论中，光被描述成由无数微小粒子组成的物质。由于微粒说不能较为容易地解释光的折射、衍射和双折射等现象，笛卡尔（1637年） 、胡克（1665年）和惠更斯（1678年）等人提出了光的（机械）波动理论；但在当时由于牛顿的权威影响力，光的微粒说仍然占有主导地位。十九世纪初，托马斯.杨和菲涅尔的实验清晰地证实了光的干涉和衍射特性，到1850年左右，光的波动理论已经完全被学界接受。1865年，麦克斯韦的理论预言光是一种电磁波，证实电磁波存在的实验由赫兹在1888年完成，这似乎标志着光的微粒说的彻底终结。

    然而，麦克斯韦理论下的光的电磁说并不能解释光的所有性质。例如在经典电磁理论中，光波的能量只与波场的能量密度（光强）有关，与光波的频率无关；但很多相关实验，例如光电效应实验，都表明光的能量与光强无关，而仅与频率有关。类似的例子还有在光化学的某些反应中，只有当光照频率超过某一阈值时反应才会发生，而在阈值以下无论如何提高光强反应都不会发生。…

    与 此同时，由众多物理学家进行的对于黑体辐射长达四十多年（18601900）的研究因普朗克建立的假说而得到终结，普朗克提出任何系统发射或吸收频率为2的电磁波的能量总是2的整数倍。爱因斯坦由此提出的光量子假说则能够成功对光电效应作出解释，爱因斯坦因此获得1921年的诺贝尔物理学奖。

    爱因斯坦的理论先进性在于，在麦克斯韦的经典电磁理论中电磁场的能量是连续的，能够具有任意大小的值，而由于物质发射或吸收电磁波的能量是量子化的，这使得很多物理学家试图去寻找是怎样一种存在于物质中的约束限制了电磁波的能量只能为量子化的值；而爱因斯坦则开创性地提出电磁场的能量本身就是量子化的 。爱因斯坦并没有质疑麦克斯韦理论的正确性，但他也指出如果将麦克斯韦理论中的经典光波场的能量集中到一个个运动互不影响的光量子上，很多类似于光电效应的实验能够被很好地解释。在1909年和1916年，爱因斯坦指出如果普朗克的黑体辐射定律成立，则电磁波的量子必须具有x的动量，以赋予它们完美的粒子性。光子的动量在1926年由康普顿在实验中观测到 ，康普顿也因此获得1927年的诺贝尔奖。

    光子的研究，曾一度在这里停止，几十年了，有关方面的研究一直在停止，的确，光子太小，而又太快，科学家们想要研究这种光子，需要的是基础科技的不断积累。

    不过，这个四级文明，却是给李安指明了方向。

    第396章微观理论和应用

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