量子計算機將如何改變世界？

歷史性的一周

人類第一圍棋聖手柯潔

終於還是沒能戰勝

那隻著名的電子「狗」

但不同於年初

機器連挑60人類悍將的殺氣

這一次

機器和人腦互相激賞

人機共存已成為人類命運的一部分

那麼，

就讓我們斗膽幻想一次

1

Q

物體的熔點能被改變么？

By松子兒

A

當然可以呀。固體怎麼就熔化了呢？固體中的原子或分子因各種相互作用而手牽手整齊排列，而溫度相當於引入了原子或分子的振動；溫度越高振動越強，直到振動太大、偏離平衡位置太遠，原子無法繼續牽手，隊伍就亂掉了，也就是固體熔化了。因此，一切可以影響到原子或分子間相互作用的物理量，都可能對熔點造成影響，如壓強、雜質、外場、襯底，甚至顆粒尺寸等。

例如，冰在通常狀態下，熔點隨壓強增大而降低，所以掛著重物的鋼絲勒在冰柱上很容易使冰局部熔化並緩慢嵌入。而在很高的壓強，如2萬個大氣壓附近，冰的熔點隨壓強增大而升高，可超過室溫，稱為「高壓熱冰」。雜質的加入可以改變熔點，例如在冰中加入少量鹽或酒精就可以降低熔點，這一原理可用於道路除雪和拖拉機水箱防凍。外加電場和磁場也可以改變冰的熔點。在不同的襯底上，物質的熔點也會有所差異，例如低溫下吸附在不同金屬襯底上的固態氧薄膜。另外，固體表面附近的熔點一般比體相要低，這一原理可應用於超細粉末固相燒結。納米顆粒因表面相比例很高，熔點可大幅降低，降幅甚至可達幾十至幾百攝氏度。

2

Q

溫度是分子原子的平均動能，但是晶體在融化時有段時間溫度不升高，卻繼續吸熱，為什麼？

By宗永

A

本答主猜你想說的是原子分子的平均動能和溫度成正比。這句話來源於能量均分定理：系統微觀表達式中每一個正平方項對應的能量平均值為kT/2。但這個定理的證明過程並沒有考慮相變，因此並不能描述相變的情況。你提到的晶體的融化是一個一級相變過程，所謂一級相變就是在相變過程中化學勢連續，但化學勢的一階導數不連續。比如說熵S關於溫度的函數在一級相變點具有有限大小的跳變，這一跳變過程中溫度並沒有改變，而體系的能量改變了L=TS。

3

Q

量子計算機將如何改變世界？

By 章懷

A

未來，高性能的通用量子計算機（現在的量子計算機為專用機）將最先出現在科研人員的手中。當量子計算機出現的時候，就是現有加密體系失效的時候。除此之外，由於對微觀狀態有著非常好的模擬，無機化學，甚至整個化學，逐漸併入到物理學中。量子計算機超強的性能，會讓那些與信息處理密切相關的學科，如生物信息學，獲得較大發展。當然，如果這個時候可控核聚變還沒有完全實現的話，相信量子計算機也會對此產生不小的推動。

在商用的量子學計算機出現並普及後，商人們能及時知道價格的波動。他們希望收集足夠的數據來分析對手的行為，同時儘可能地隱藏自己的行為。這樣的世界容易產生機器依賴主義，但同時產生的還會有反機器依賴主義。

在個人量子計算機出現並普及後，人們將享受更為便捷的生活。比如你才輸入一個字，你的機器就會預測出你最想查找的東西，這個預測大部分情況下會是準確的。各種各樣的電器則通過網路與一台伺服器連接在一起，使用伺服器進行計算。

當人類與量子計算機的往來日漸加深後，有關量子計算機的思想將進一步滲透進工程計算領域。一些新的基於量子計算機的演算法會被逐漸開發出來，物理將成為程序猿們的一門課程。

藉助量子計算對人類腦部行為的分析和模擬，大腦最底層的規律（雖然這些底層規律與表象還未聯繫到一起）也許會被人發現，不少人嘗試做出腦機介面。基於對蛋白質功能的深入了解，人們甚至做出了可植入的計算機。從此，人類的思維能力不斷提升，可植入計算機最終被寫入基因當中。

（PS：以上內容是腦洞出來的，希望大家在留言里大開腦洞，么么噠）

4

Q

中子的平均壽命只有920s。為什麼我們身邊這些原子核內含有中子的物質卻很穩定？

By 我愛物理

A

自由狀態下的熊孩子平均乖巧時間只有3分鐘，為什麼課堂上的孩子們卻乖巧得多、屁股坐得很穩當？壓力！這都是壓力啊！在課堂上從乖孩子衰變為熊孩子是要挨訓的呀！

這下，你懂了吧：處在自由狀態下的中子平均壽命確實很短，可以通過弱相互作用衰變為質子，放出一個電子和一個反中微子，成為一個質子。可是處在原子核中的質子就沒那麼自由了，當它有這個念頭的時候，想了想，難道真的打算衰變成質子嗎？它環顧四周，突然發現，原子核里還有那麼多質子呢，而且大家都擠在這個狹小的空間中，還都帶著正電荷！這麼大的斥力還不得擠死？嗯，我還是靜靜地做個不帶電荷的美男子，哦不，美中子吧。在這個過程中，電荷斥力對應的勢能相當於中子衰變的勢壘，把中子囚禁其中，不突破勢壘就無法衰變。當然，相應的逆過程也是存在的，即自由狀態下穩定的質子有時會在束縛態中轉變為中子，以降低系統的總能量。

5

Q

月球是否有自轉？或者說月球自轉方向是否與面對地球的一面垂直，所以永遠只有一面對著地球。

By COSMOS

A

首先，月球是沒有自轉的。地球和月球的關係，差不多就像你用一根繩子拴著球轉圈一樣，球只繞著你轉，而不會繞著自己的軸轉。所以我們看到的月球臉上的坑的位置一直都沒有變化。

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為什麼月球不像地球那樣自轉呢？據說其實月球原來是有自轉的，但因為潮汐力慢慢就不轉了。所謂潮汐力（呃……小編是不是講多了？），這樣說吧，由於月球與地球之間的萬有引力，地球離月亮近的一面受到的力就會稍大一點，遠的一面受力就小一點（什麼？你不知道為什麼。把萬有引力公式寫下來），於是我們就看到海水潮漲潮落，其實都是月球（當然還有太陽）吸引的結果，這種力就是所謂的潮汐力。

潮汐力會帶動海水運動，而水之間的摩擦又會把轉動的能量轉變成熱能，然後散掉。結果就是，因為月球的吸引，地球自轉會越來越慢。原子鐘測量地球上的一天每年都會延長15微秒；另外從化石上推算，地球上原來一天只有6個小時。但反過來考慮，我們知道力的作用是相互的，所以地球對月球也有潮汐力（不要以為月球上沒水就沒「潮漲潮落」了，在巨大的引力面前，那些石頭就像果凍一樣軟），月球的自轉也會變慢。時間久了，就成了現在這樣——月亮她完全不轉了。這種現象叫做「潮汐鎖定」。它並不只發生在月球上，土星的衛星土衛六也和月球一樣，只有一面對著土星。（關於「潮汐鎖定」還有更有意思的內容，例如軌道共振，感興趣的童鞋要自己查閱哦。）

不過剛才我們說的「月球沒有自轉」，如果換個坐標系考慮，例如把日-月看作一個系統（把地球抹掉），那麼你也可以說，月球是有自轉的，其周期大約為27天。因為太陽每次都花27天把月亮烤一遍，就和太陽烤別的行星一樣。

6

Q

為什麼同一種元素的不同離子在水溶液中顏色不一樣?

By 萌之吃吃

A

離子之所以表現色彩，是因為其允許特定能量的電子躍遷、吸收特定頻率的光，且該頻率恰好處在可見光範圍內。裸離子在溶液中易與H2O及其他分子或離子形成配合離子。以Fe2+和Fe3+的水合離子為例，其中有3個蝴蝶狀軌道dxy，dxz，dyz，1個花生狀軌道dz2，1個餅狀軌道dx2-y2，6個水分子以八面體形式包圍了中心的鐵離子，這樣會導致怎樣的結果呢？3個蝴蝶狀軌道所處的幾何環境相同，其電荷分布密集區巧妙地避開了周圍的H2O分子，相安無事地插在了間隙位置，從而具有較低的能量；而花生狀軌道的兩頭、餅狀軌道的外圍卻與H2O分子頭碰頭，相互排斥，從而具有較高的能量。最終，5個d軌道發生能級分裂，成為高低兩組，能量差恰好處在可見光範圍內，電子在兩組d軌道間躍遷產生顏色。同種元素的不同離子，電荷越高則分裂能越大，產生的顏色就會不同。其中Fe2+對應的分裂能較小，吸收的光子能量相對較低，處在紅光區，故顯現與其互補的淺綠色；而Fe3+對應的分裂能稍大，吸收的光子能量相對較高，處在橙黃光區，故顯現與其互補的淺紫色。另外，溶液中的其它離子也可替換部分H2O分子與中心離子配合，且影響分裂能的大小，引起顏色變化。例如在溶液pH值>1時，[Fe(H2O)6]3+的2個H2O被OH-替換，並發生二聚化，顏色從淺紫色變為黃棕色、紅棕色。而在FeCl3溶液中，4個水分子被Cl-離子替換，形成FeCl4(H2O)2-,顯現黃色。

7

Q

兩個氣球一大一小，用吸管連接起來，在氣密性良好的情況下，氣體流向是什麼，為什麼實驗出來是大的變大、小的變小？

By 310

A

首先說明，這個結果只是眾多結果中的一個，該結果確實更常見，適合氣球大小適中時，但它並不是全部情況。當兩個氣球材質和規格都相同，可使用簡化的模型來計算其中氣體壓強與半徑的關係：氣體對氣球做功，轉化為氣球薄膜上的彈性勢能。假設氣球原半徑很小可以忽略，而薄膜彈性勢能只與面積有關，則有(p-p) dV=σdS，其中p為大氣壓強，σ為表面張力係數。因球面面積S=4πr2，則dV=4πr2dr，dS=8πrdr，從而有p-p=2σ/r，可見氣球內外壓差與半徑成反比，半徑越大，壓差反而越小。考慮到實際情形中，氣球有一定的厚度和半徑，相應可以近似得到：p-p=2σ(r-r)/r2，這樣在剛開始吹的時候又多了一個越來越費力的階段。當氣球吹到很大時，已經遠離彈性近似區，氣球綳得很緊，達到彈性極限，此時半徑增大一點點，壓強即增加很多。

回想一下吹氣球的場景，你有沒有這樣的感覺：剛開始時幾乎不費力，可是很快遇到一個費力的瓶頸區，越小的氣球越明顯；而一旦越過這個階段，氣球達到一定程度後，中間越來越省力；最後當氣球變得很大很大時，又開始費力了，直至爆炸。

有趣的是，上面的簡化模型也適合描述液體中的氣泡。極微小的氣泡由於較大的壓差不易形成，但如果突然在其中撒入普通的小顆粒作成核點，相當於提供了初始半徑，則氣泡迅速形成並變大，造成暴沸。鍋爐中為了防止暴沸造成危險，預先在水中放入多孔且孔徑適中的沸石、瓦片等，幫助氣泡及時均勻地形成和釋放，也是這個原理。

8

Q

光從光疏介質進入光密介質發生半波損失的微觀解釋是什麼？

By 章永

A

半波損失是指光波從光疏介質射向光密介質時，在掠入射和正入射的情形下，反射波的相位會突變π的現象。要說明的是，非掠入射和正入射也會發生相位突變，但情況比較複雜，在回答中就不討論了。

而且半波損失不僅限於光波，在機械波和物質波中也有類似的現象。應該說，半波損失是滿足波函數連續（一階導數也連續）和能量守恆要求的必然結果。即：第一：入射波函數加反射波函數等於透射波函數；第二，入射波能量等於反射波能量加透射波能量。基於這兩點我們就可以導出半波損失這個物理事實。當然你會問，為什麼要求波函數連續（一階導數也連續）？因為波函數是薛定諤方程的解，薛定諤方程存在對位置的二階導數，所以必然要求函數和一階導數都連續。而薛定諤方程是量子力學的基本假設（制止你繼續問為什麼的強大理由）。當然你又會問，光不是電磁波么，怎麼扯上薛定諤方程？因為光場的波函數可以看成光子的概率波函數。當然，更準確地說，光子滿足狄拉克方程。要提的一點是，機械波也有類似的推導，那時的波函數和一階導數連續相當于波疏介質和波密介質界面兩側振動位移和應力分別相等。

本期答題團隊：

物理所李治林、大化所J.Baker、理論物理所W.Jia、北理工文卿、清華物理系41的同學

寫下您的問題，下周五同一時間哦~

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編輯：PXL

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