科学领域常见疑问解答，涵盖超导、半导体、量子力学、核物理、光学、材料科学、宇宙学等基础科学概念

基础物理：力学、量子与相对论

物理学基础

• 物理研究对象：物质、力、能量
• 基本作用力：引力、电磁力、弱相互作用、强相互作用
• 基本粒子：
  • 费米子（物质粒子）：夸克（通过强相互作用构成中子和质子）、轻子（不参与强相互作用）
  • 玻色子（传递力）：光子（电磁力）、胶子（强相互作用）、W/Z 玻色子（弱相互作用）
  • 希格斯玻色子：质量的来源

力学

牛顿力学 核心是力，一个二阶微分方程。

哈密顿力学 核心是能量，两个一阶微分方程。

量子力学

量子计算 利用量子叠加和纠缠进行计算。

量子场论 粒子是场的激发，波是场的概率幅演化。

量子力学诠释

• 退相干：量子系统与环境的相互作用导致量子态退化为经典态
• 真空灾难：量子场论预言的真空能量与观测值之间存在巨大差异

统计力学

• 经典粒子：可区分，交换后是一个新的物理态
• 玻色子：不可区分，交换后波函数相同
• 费米子：不可区分，交换后波函数相反

相对论

狭义相对论 时间和空间是相对的，洛伦兹变换，相对性原理，光速不变原理。

相对论协变 物理定律在不同参考系变换下保持不变。

• 固有时：观察者自身参考系中测量的时间
• 坐标时：其他参考系中测量的时间

核物理

核裂变 中子撞击重原子使其裂变释放能量，产生新的中子链式反应，需要超过临界质量，新产生的快中子需要减速为慢中子。

核聚变 需要高温或强大的引力使原子核聚变，磁约束或惯性约束。

等离子体 高温或强磁场下原子中的电子挣脱束缚，与原子核分离，宏观上电中性，微观上是带电粒子。低温等离子体（电子很热，离子接近室温）。

宇宙学

概念	说明
多普勒效应	相互靠近，频率升高。相对运动使空间中各处的频率不同，光会出现横向多普勒效应
宇宙学红移	空间膨胀使波长增大
宇宙微波背景辐射	黑体辐射光谱，宇宙的第一束光
黑体辐射	完全吸收光，辐射只与温度有关
三体问题	三个天体之间的引力相互作用问题

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光学与波动

光学

光的散射

• 瑞利散射：微粒尺寸远小于光的波长，与波长四次方成反比
• 米氏散射：微粒尺寸接近光的波长，均匀散射
• 拉曼散射：光子与分子转动或振动能级交换能量
• 布里渊散射：光子与声子交换能量

光的色散 介质对不同频率的光折射率不同。

激光 增益介质、泵浦源、谐振腔。

半波损失 反射光相比于入射光相位相差半个波长，菲涅尔公式可证明，光疏到光密。

波动光学

概念	说明
相速度	单色波的速度
群速度	波包的速度

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材料、凝聚态与电子器件

超导

• 零电阻：输电、超导磁储能、不发热、产生强磁场
• 完全抗磁性：磁悬浮

纳米技术

在纳米尺度上构建物质，涉及导电性、熔点、材料强度等特性。

纳米材料

材料	特点
碳纤维	微米级，强度高，导电性好，石墨微晶层叠，按束生产（几万根纤维）
碳纳米管	纳米级，一层或多层石墨卷成的空心管，性质比碳纤维更好
石墨烯晶体管	二维材料，高电子迁移率

凝聚态物理

晶体结构

• 晶体：粒子在空间中周期性排列，长程有序
• 非晶：原子排列长程无序
• 准晶：原子排列有序，有特殊的旋转对称

概念	说明
原胞	晶体中最小重复单元，只包含一个格点，由三个基矢围成的六面体
晶胞	主要体现出晶体的对称性
结构基元	对应一个格点
旋转对称性	由晶体点阵决定
傅里叶变换	物理上的位置和动量恰好是傅里叶变换的一对共轭变量

能带理论

• 声子：晶格振动产生的格波的能量量子。能量量子可以抽象为粒子，方便使用处理粒子的各种方式解决问题
• 布里渊区：倒格子中的 W-S 原胞
• 布洛赫定理：晶体中电子波函数的形式，说明倒易空间具有周期性
• 晶格振动：与晶格热容有关
• 电子热容：和导电性有关
• 能带理论：单电子能级是分立的，晶体中电子能级发生分裂，形成能带
• 价带：最外层电子已经填充满的能带
• 导带：电子未填充满的能带
• 费米面：整个晶体中，波矢空间里电子占据态和未占据态的分界面
• 理论基础：绝热近似、单电子近似、布洛赫定理；具体处理方式：近自由电子近似、紧束缚近似（如何解薛定谔方程）

电子器件

电子管 热阴极发射自由电子，用于信号放大、开关。

晶体管 半导体材料载流子的运动，用于信号放大、开关。

半导体

• 纯净硅是本征半导体（通过热激发成对产生载流子）
• 硅和其他材料掺杂成 N 型或 P 型（可以控制载流子浓度）

半导体制造工艺

工艺	说明
薄膜沉积	在晶圆上铺设各种材料的薄层
光刻	晶圆上涂光刻胶，光线穿过掩模，显影液冲洗光刻胶
刻蚀	去除没有被光刻胶保护的薄膜
粒子注入	形成晶体管核心结构
抛光	将晶圆表面打磨平整

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成像、测量与识别技术

医学成像

核磁共振 (MRI) 氢原子核自旋磁矩发生能级分裂 → 磁场 → 共振 → 驰豫（不同组织氢原子驰豫时间不同）→ 捕捉信号 → 构图

FMRI（功能性磁共振成像） 检测血氧（能量消耗），判断大脑如何运行，脱氧血红蛋白具有顺磁性。

视觉技术

3D 眼镜 偏振镜片或不同颜色的镜片产生两种图像，欺骗大脑重构 3D 图像。

全息技术 重建物体光场，记录振幅和相位。

识别技术

RFID 射频识别技术。

显微镜技术

扫描隧道显微镜 极细的针尖，利用量子隧穿效应，检测电流变化重构原子级三维形貌图。

原子力显微镜 针尖原子与样品原子的相互作用力，微悬架产生微小偏转，激光捕捉偏转并进行放大。

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交叉应用与其他概念

其他概念

• 分子装配机（纳米工厂）：操纵每一个原子来构建物质
• 离心机：分离不同密度的物质
• 热量约束：减少热量摄入延长寿命，降低新陈代谢，能量缺乏时自噬细胞清理机制
• 干细胞：强大的分化能力，胚胎干细胞、成人干细胞（造血干细胞）