宏觀量子效應

日常所見的宏觀物體，雖然是由服從這種量子力學規律的微觀粒子組成，但由於其空間尺度遠遠大於這些微觀粒子的德布羅意波長，微觀粒子量子特性由於統計平均的結果而被掩蓋了。因此，在通常的條件下，宏觀物體整體上並不出現量子效應。然而，在温度降低或粒子密度變大等特殊條件下，宏觀物體的個體組分會相干地結合起來，通過長程關聯或重組進入能量較低的量子態，形成一個有機的整體，使得整個系統表現出奇特的量子性質。

我們知道組成物體的微觀粒子如原子、電子，原子核等都具有量子特徵，當在一定外界條件和內因作用下（如極低温、高壓或高密度等條件下），所有粒子彼此相互結對，凝聚到單一的狀態上，形成高度有序、長程相干狀態，往往會表現出宏觀量子效應。因為在這種高度有序的狀態中，所有粒子的行為幾乎完全相同。這時大量粒子的整體運動，就和其中一個粒子的運動一樣。由於一個粒子的運動是量子化的，則這些大量 粒子的運動就可表現出宏觀量子效應來。 ^[1] 

在固體物理學中，有幾個出現在宏觀物體中的量子力學效應。例如，原子氣體的玻色-愛因斯坦凝聚、超流性、超導電性和約瑟夫遜效應。

量子力學的穿透位壘的隧道效應可以產生宏觀量子效應。對原子核來説，人們知道這種效應已經有許多年了，它的位壘是由於包圍原子核的靜電場引起的。現在舉的例子中，位壘是指分隔兩個導體的人工氧化層。在和位壘有關的現象中，一個有趣的例子是B．約瑟夫（B．Josephson）在1962年預言過的、第二年由P．w．安德森(P．W．Anderson)和J．羅厄爾(J．Rowell)實現的約瑟夫森效應。把氧化層夾在兩個超導體之間時，就有電流通過這個夾合體。這個電流有兩個成分：一個是連續的，即使沒有電動勢也會存在的成分，就象是普通超導體中的電流一樣；另一個交流成分迭加在第一個電流上，僅當兩個超導體之間存在電位差V時才會出現。第二個電流成分的頻率為ν=2eV/h，它競與構成結的材料無關！這種現象給出了一種已知V時測量e/h的新方法。反之，若e/h為已知時，就可測量V。這種現象非常可靠和精密，可用來規定電壓的單位。此外，通過微小的超導金屬管會發生磁通量量子化現象，也屬於約瑟夫森效應。1961年，斯坦福大學和慕尼黑大學各自獨立地觀察到了這種現象。 ^[2] 

一些特殊星體，如白矮星和中子星，也會表現出宏觀量子效應。白矮星的質量是太陽質量的1.4倍，但比太陽的半徑小100倍，約為10³~10⁶公里；和地球半徑接近中子星的質量約為太陽的2倍，半徑約為10公里，因此它們都是高度緻密的類星體。前者的平均密度為10⁶-10⁸克/釐米³，後者高達 1 0. 1一10 1克/釐米³，比太陽內部的密度大得多。在這樣高的密度下，白矮星中的電子和中子星中的中子都處於高度簡併狀態，它們產生的簡併壓力平衡了星體內強大引力，從而維持一個穩定狀態。在白矮星中在一個低的温度和高密度下，這些高度簡併的電子氣體靠其自相互作用可形成束縛的電子對，出現長程相干的狀態，產生超導永久電流，並在白矮星表面呈現出很強磁場。實驗已證明白矮星表面磁場為10⁶-10⁷T,比太陽表面磁場（1T）大得多，並不斷向外輻射能量和電磁波。就説明了白矮星內確實出現了凝聚，可能發生了宏觀量子效應。 ^[1] 

對導電性質介於金屬和絕緣體之間的材料——叫做半導體的研究，最後導致發明了晶體管。要取得這項成就，必須製備非常純的鍺。迄今為止，可能沒有任何物質能象鍺那樣大量生產而又含如此少的雜質。巴丁(即後來發現解決超導性問題線索的同一個巴丁)，W．H．布拉頓(W．H．Brattain)和W．肖克利(W．Shockly)在貝爾實驗室於1948年造出了第一個晶體管。晶體管是所有電子線路中極其普通的一個組成部分，它做的事情基本上和電子管做的一樣：放大、整流、振盪等等，但它沒有熱電子發射絲。這在電子學中引起了一場真正的革命。沒有晶體管，人們就不能建造現代的計算機，也不能把人送到月球上去。由於晶體管使人們能製造計算機並改變了我們的通訊手段，因而它已探深地影響了人類的文明進程。