量子聲學

原子、分子等微觀結構需要用量子力學來描述，與之相應的聲學分支就是量子聲學。量子化的聲波（機械波 ）稱為聲量子或聲子。聲子是一種準粒子，能量是hν（h是普朗克常數，ν是振動頻率）。它的某些性質像光子，遵從玻色-愛因斯坦統計（見量子統計法），具有波粒二象性。這個概念首先是由愛因斯坦和P.德拜為了解釋低温下固體的比熱容提出的。可以説，廣義的量子聲學是研究聲子的各種行為的聲學分支。通常把金屬中的點陣振動稱為熱聲子，而量子聲學着重討論外加聲波（聲子）與物質微觀結構的作用，包括與其他準粒子或元激發（如熱聲子、各種激子）和基本粒子（如電子、光子）的碰撞等，這些相互作用是揭示和了解近代物理中許多重要現象的物理基礎。 ^{[2]  [3]} 

舉例來説，描述固體彈性媒質最簡單的模型是以若干等間距的質量代表原子或離子，串以無質量的彈簧來代表它們之間的相互作用的長程電磁力；當聲波波長短到與這些間距相近時，就不能無視聲波傳播對這些“質量”的微觀結構以及它們之間相互作用的影響了。當然，實際情況要比這個模型複雜得多。 ^[3] 

值得提出的是超導電性和超流動性與聲傳播的關係。1954年，H.伯梅爾在鉛單晶的聲衰減實驗中發現，當温度降到超導體的轉變温度以下時，衰減突然變小；而若用磁場使它處於正常導電態，則衰減又很快上升，直到在很低温時它變成與温度無關。這種奇異的行為是超導金屬中聲子和電子相互作用的結果。因此聲子的研究在解釋超導機制方面起了重要的作用。這個實驗結果和1957年J.巴丁、L.庫珀和J.施裏弗建立了的超導微觀理論（簡稱BCS理論）結論基本吻合，該理論指出由於電子和聲子的相互作用，形成超導的電子對（稱庫珀對），且在超導態的激發態和基態間存在着能隙（它是温度的函數，從超導轉變温度時能隙值為從零到達絕對零度時的最大值） 。接近絕對零度的一定温度範圍內，液態氦處在HeⅡ相，黏滯性消失，具有超流動性。這樣的介質具有量子特性 ，存在通常介質中沒有的波模式，如第二、第三、第四聲，它們都是與超流動性緊密相聯的模式。這些模式的頻率較低，但仍屬於量子聲學研究的範疇。 ^{[2]  [3]} 

從上例可以説明，高頻和低頻以及量子系統和經典系統之間沒有截然的界限。但是，一般説來，當頻率高到10⁹Hz以上時，量子行為即顯示出來。但是在接近絕對零度時，量子液體（如超流液氦這類物質）中的量子行為，在幾千赫的頻率下就會出現，而伯梅爾的超導能隙實驗也只是在幾十兆赫下進行的（見聲與固體微觀結構的關係），因此有些科學家把超導和超流中聲傳播統稱為低温聲學。以氦為例，自然界中氦的穩定同位素⁴He和³He的化學性質是相同的，但由於各自遵從量子統計法之異，使二者物理性質沒有相同之處。這兩種液體所表現的現象使人們實地觀察到量子論的威力。在温度趨近0K時，在常壓下最難液化的氦也成為液態。在1930年前後荷蘭科學家W.科梭姆發現⁴He在 2.17K時液態氦經歷一“λ”相變，在此温度T_λ以上稱為HeI相，以下稱HeⅡ相。在HeⅡ中出現液體的粘滯性消失，還可出現穿過極微毛細管或塞滿細粉的空間而流動的超流動性和極好的導熱性。這種行為已由蘇聯科學家朗道和匈牙利科學家L.蒂薩分別提出用正常流體成分和能無摩擦運動的超流成分所組成的“二流體模型”來唯象地描述和解釋。而從微觀理論研究表明這種特性是量子力學在大範圍內作用（也稱宏觀量子現象）的結果。因⁴He原子是玻色子，玻色子體系在温度趨近 0K時，粒子會凝集到動量為零的狀態（這些粒子就相當於超流成分）稱玻色－愛因斯坦凝聚。依量子力學中⁴He原子的德布羅意波波長與動量間的反比關係，動量為零態即相當於波函數的波長趨於無限，故它在座標空間是長程有序，可以用一個宏觀波函數來描述。而波函數的相位的梯度即是超流速度。因此，從超流液氦的研究使通常只能在微觀尺度上顯示出來的量子力學效應，可在宏觀尺度上顯示出來。超流環流的量子化與普朗克常數相聯，在2.1個原子層厚度的極薄膜中可以觀察波長極長的第三聲的傳播。液氦－3（³He）是費米流體（即遵從費米-狄拉克統計的流體），需要温度進一步下降到10^－3K時，才呈現出各向異性的磁性超流體，並多於一相。它的正常成分的粘滯性非常大，因此類似於液氦－4（⁴He）的第一、二聲衰減甚烈。但是在其中可傳播一種由費米麪的形變為特徵的無碰撞聲，稱第零聲。並已在實驗中觀察到。此外 ，還有多種聲模式，均值得進一步探討。總之，量子聲學對物質結構提供重要信息，液氦超流和核質子及中子數有聯繫，均屬物理學和聲學的前沿課題。 ^[3] 

已能產生10¹²Hz以上的高頻聲子束，並繼續向更高頻率和聲子的相干性發展，例如採用超導隧道結的方式等等。這類產生傳播以及接收均包含不少近代基礎物理問題，應該説量子聲學的前景是廣闊的。 ^[3]