巨觀量子現象

巨觀量子現象（macroscopic quantum phenomena）是指低溫下體系可用巨觀波函式描述，量子力學的一些特性可在巨觀尺度上顯示出來的現象。

在低溫條件下，大量粒子整體也可在巨觀尺度上表現出量子效應，如 液態氦和超導體的許多特殊性質與巨觀量子現象密切相關。

基本介紹

• 中文名：巨觀量子現象
• 外文名：macroscopic quantum phenomena
• 特徵：低溫下體系可用巨觀波函式描述

理論詮釋

液態⁴He在飽和蒸氣壓下溫度降到2.172K時發生超流相變，或超導體的溫度低於其臨界溫度時，都會發生玻色－愛因斯坦凝聚現象（見統計物理學）。⁴He是玻色子，超流相變相當於有巨觀數量的⁴He原子凝聚到一個單粒子態上，而在超導體中有巨觀數量的動量等值反向自旋反向的成對電子占有單一的電子態。這一單粒子態的波函式，具有和微觀原子或分子波函式相同的量子力學性質，但它描述的是整個巨觀物體，是巨觀數量粒子在巨觀尺度上的行為，因此也稱為巨觀波函式或巨觀量子態。巨觀波函式的相位在巨觀尺度上是相互關聯有相干性的，它的密度流（就是超流密度流）是一個量子密度流，它不攜帶熵，也不產生任何的能量耗散。這使巨觀數量的粒子關聯在一起，具有某種特性和剛性。超流速度由波函式的相位梯度決定，任何局部的改變（如速度的改變）都必然涉及凝聚在這一狀態上的巨觀數量粒子的同時改變。這就需要過大的能耗，從而不容易發生，因而穩定的、沒有能量損耗、零黏滯性的超流得以存在。超流氦中量子化渦旋線的存在，反映波函式相位相干性的約瑟夫森效應等也是巨觀尺度上表現出的量子力學效應。其他表現出巨觀量子現象的體系有液態³He的超流動性和超導體中的超導電性。不同的是³He原子和超導體中的電子是費米子，在超流或超導態中，它們兩兩配對（庫柏對）成為玻色子，凝聚到用巨觀波函式描述的單粒子態上（見巨觀量子態）。

具體解釋

在液氦中有巨觀數量的氦原子占有單一的量子態。與此對應，可用一個巨觀波函式來描述這些體系。這種波函式的相位具有巨觀距離上的相干性。這種巨觀波函式具有與微觀粒子波函式相同的量子性質，但是它描述的是整個巨觀物體，相位的相干使整個凝聚了的巨觀數量的質點（在超導中為庫珀對，見超導微觀理論）聯結在一起。對巨觀波函式的任何改變都必然牽涉到所有凝聚在這個狀態上的巨觀數量質點的同時改變。由於這種巨觀波函式的量子性質，導致在巨觀尺度上的許多量子現象。譬如，液氦中的超流，渦旋線的量子化（見液態氦）或在超導體中的超導電流，磁通量的量子化（見超導電性）等，都是在巨觀尺度上表現出的量子效應。