- 中文名
- 量子声学
- 外文名
- quantum acoustics
- 学科性质
- 声学的分支
- 研究对象
- 与微观结构有关的声学现象
理论诠释
原子、分子等微观结构需要用量子力学来描述，与之相应的声学分支就是量子声学。
量子化
的声波（
机械波
）称为声量子或
声子
。声子是一种
准粒子
，
能量
是
hν
（
h
是
普朗克常数
，
ν
是
振动频率
）。它的某些性质像
光子
，遵从
玻色-爱因斯坦统计
（见
量子统计法
），具有
波粒二象性
。这个概念首先是由
爱因斯坦
和P.
德拜
为了解释
低温
下
固体
的
比热容
提出的。可以说，广义的量子声学是研究声子的各种行为的声学分支。通常把
金属
中的
点阵
振动称为热声子，而量子声学着重讨论外加声波（声子）与物质微观结构的作用，包括与其他准粒子或
元激发
（如热声子、各种
激子
）和
基本粒子
（如
电子
、光子）的
碰撞
等，这些
相互作用
是揭示和了解
近代物理
中许多重要现象的物理基础。
[2-3]
举例来说，描述固体弹性媒质最简单的
模型
是以若干等间距的
质量
代表原子或
离子
，串以无质量的
弹簧
来代表它们之间的相互作用的长程
电磁力
；当声波波长短到与这些间距相近时，就不能无视声波传播对这些“质量”的微观结构以及它们之间相互作用的影响了。当然，实际情况要比这个模型复杂得多。
[3]
实验发现和解释
值得提出的是
超导电性
和
超流动性
与
声传播
的关系。1954年，H.伯梅尔在铅单晶的声衰减
实验
中发现，当
温度
降到
超导体
的
转变温度
以下时，衰减突然变小；而若用
磁场
使它处于正常导电态，则衰减又很快上升，直到在很低温时它变成与温度无关。这种奇异的行为是超导金属中声子和电子
相互作用
的结果。因此声子的研究在解释超导机制方面起了重要的作用。这个实验结果和1957年J.
巴丁
、L.库珀和J.
施里弗
建立了的
超导微观理论
（简称
BCS理论
）结论基本吻合，该理论指出由于电子和声子的相互作用，形成
超导
的
电子对
（称
库珀对
），且在
超导态
的
激发态
和
基态
间存在着
能隙
（它是温度的函数，从超导转变温度时能隙值为从零到达
绝对零度
时的最大值） 。接近绝对零度的一定温度范围内，
液态氦
处在HeⅡ相，
黏滞性
消失，具有超流动性。这样的介质具有量子特性 ，存在通常介质中没有的波模式，如第二、第三、第四声，它们都是与超流动性紧密相联的模式。这些模式的频率较低，但仍属于量子声学研究的范畴。
[2-3]
前沿课题
从上例可以说明，
高频
和
低频
以及量子系统和经典系统之间没有截然的界限。但是，一般说来，当频率高到10
9
Hz以上时，量子行为即显示出来。但是在接近绝对零度时，
量子液体
（如超流液氦这类物质）中的量子行为，在几千赫的频率下就会出现，而伯梅尔的超导能隙实验也只是在几十兆赫下进行的（见
声与固体微观结构的关系
），因此有些科学家把超导和
超流
中声传播统称为低温声学。以
氦
为例，
自然界
中氦的
稳定同位素
4
He和
3
He的
化学性质
是相同的，但由于各自遵从
量子统计法
之异，使二者
物理性质
没有相同之处。这两种
液体
所表现的现象使人们实地观察到
量子论
的威力。在温度趋近0K时，在
常压
下最难
液化
的氦也成为
液态
。在1930年前后荷兰科学家W.科梭姆发现
4
He在 2.17K时液态氦经历一“λ”相变，在此温度
T
λ
以上称为HeI相，以下称HeⅡ相。在HeⅡ中出现液体的粘滞性消失，还可出现穿过极微
毛细管
或塞满细粉的空间而流动的超流动性和极好的
导热性
。这种行为已由苏联科学家
朗道
和匈牙利科学家L.蒂萨分别提出用正常流体成分和能无摩擦运动的超流成分所组成的“
二流体模型
”来
唯象
地
描述
和解释。而从微观理论研究表明这种特性是量子力学在大范围内作用（也称
宏观量子现象
）的结果。因
4
He原子是
玻色子
，玻色子体系在温度趋近 0K时，
粒子
会凝集到
动量
为零的状态（这些粒子就相当于超流成分）称
玻色－爱因斯坦凝聚
。依量子力学中
4
He原子的
德布罗意波
波长与动量间的反比关系，动量为零态即相当于
波函数
的波长趋于无限，故它在
坐标空间
是
长程有序
，可以用一个宏观波函数来描述。而波函数的
相位
的
梯度
即是超流速度。因此，从超流液氦的研究使通常只能在
微观尺度
上显示出来的量子力学效应，可在
宏观尺度
上显示出来。超流环流的
量子化
与普朗克常数相联，在2.1个原子层厚度的极薄膜中可以观察波长极长的第三声的传播。液氦－3（
3
He）是
费米流体
（即遵从
费米-狄拉克统计
的
流体
），需要温度进一步下降到10
－3
K时，才呈现出
各向异性
的
磁性
超流体，并多于一相。它的正常成分的粘滞性非常大，因此类似于液氦－4（
4
He）的第一、二声衰减甚烈。但是在其中可传播一种由
费米面
的形变为特征的无碰撞声，称第零声。并已在实验中观察到。此外 ，还有多种声模式，均值得进一步探讨。总之，量子声学对物质结构提供重要
信息
，液氦
超流
和核
质子
及
中子
数有联系，均属
物理学
和
声学
的前沿课题。
[3]
发展前景
已能产生10
12
Hz以上的高频声子束，并继续向更高频率和声子的
相干性
发展，例如采用超导隧道结的方式等等。这类产生传播以及接收均包含不少近代
基础物理
问题，应该说量子声学的前景是广阔的。
[3]
