量子力学的发展始于20世纪20年代,它的巨大影响在于解释物质如何起作用。基本粒子构成不同形态的物质,比如电子,质子,中子和光子,这些都是很好理解的,因为采用的模型是量子物理学提供的。即使到现在,大约90年后,量子物理学新的科学原则仍然在阐述。最近的一次解释让世界看到了似乎不可能的情况。
特拉维夫大学(Tel Aviv University)化学学院的伊兰·拉班尼(Eran Rabani)教授和他的同事们在哥伦比亚大学(Columbia University)发现了一种新的量子力学效应,就是玻璃形态的液体。他们已经确定,融化玻璃不是要加热,而是要冷却至接近绝对零度的温度。
这一新的基础科学研究发表在《自然?物理学》上,到目前为止,只有有限的实际应用, 拉班尼教授说。但是,弄清为什么这些材料的性能会是这样,就为未来的突破铺平了道路。 “在这里,有趣的事情,”拉班尼教授说,“就是因为量子效应,我们融化玻璃可以采用冷却法。通常情况下,我们熔化玻璃需要加热。”
把温度计倒过来
经典物理学允许研究人员确信某些物体的质量。但在原子/分子水平,因为对偶原理(duality principle)描述小物体时是作为波,因此就不可能确切确定分子的位置和速度,在任何特定时刻都是这样。这一事实就是已知的“海森堡原则”( Heisenberg Principle)。基于这一原则,拉班尼教授和他的同事们能够证明玻璃惊人的自然现象。
地球上许多不同的材料,就像窗户上使用的硅,都可以成为一种玻璃,至少在理论上是这样,只要它们冷却速度足够快。但是,拉班尼教授和同事的新的研究表明,在非常特殊的情况下,绝对零度以上几度,(-273.15℃),玻璃可能会融化。
这一切都是因为材料的分子排列,拉班尼教授解释说。在冷却阶段的某些点,这种材料可以成为玻璃,然后成为液体,只要有合适的条件存在。
“我们希望,今后实验室的实验将证明我们的预测,”他说,期待着这一新的基础科学铺平道路,以继续进行研究。
古典玻璃
这项研究的启发者是诺贝尔奖得主菲利普W·安德森(Philip W. Anderson),他写道,理解经典玻璃是一个最大的未解决的问题,在凝聚态物理学(condensed matter physics)中就是这样。挑战提出后,世界各地的研究团队纷纷响应。
到现在为止,在结构上,量子玻璃从未被探索过,也就是说,把这种独特性能混合在玻璃中并添加量子效应时,不知道会发生什么。拉班尼教授被质疑问:如果我们在量子水平考察,还能看到经典玻璃的特点吗?
研究人员发现的是一个新的独特性能,表明量子玻璃有独特的属性。他说,许多材料可以形成玻璃,只要它们冷却速度足够快。尽管它们的理论不适合日常使用:少数个别材料的结冰点接近零下500度。
零下270℃ 玻璃可熔化
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