基本性质

量子力学理论的标准解释认为，量子场内的变化不可预测且是瞬时的。在难以观测的微观世界里，阐明量子跃迁的性质，一直是困扰物理学家的重要难题。1986年，研究人员通过实验首次证实量子跃迁是一种能被观测和研究的实验现象。从那时起，科学家借助不断发展的技术，对这种神秘现象进行了更深入的观察。2019年的一项研究显示，量子跃迁的过程可以被预测，且开始后可以被阻断。近期，一项新的理论研究更深入挖掘了量子跃迁过程，以及它何时会发生。研究显示，这个看上去简单和基础的现象，实际上十分复杂。预测量子跃迁美国耶鲁大学研究人员通过一种干扰度最小的装置来监测量子跃迁进程。每一次跃迁都发生在一个超导量子比特的两个能态之间，这个小循环可用于模拟原子中离散量子能态的超导微环路。研究人员测量了低能态系统中量子比特的“附加活动”——可被观测设备捕捉但不会影响量子系统的运行。研究中的“附加活动”是一种监测设备所捕捉的、由系统散发的光子信号，这表明光子未被系统吸收、跃迁尚未发生。这种方式首次实现了对量子跃迁的间接监测，揭示了一个重要的性质：在“附加活动”中，量子向高能态跃迁之前会有一个停顿。而科学家可以通过这种停顿预测甚至阻止量子跃迁。跃迁过程由系统低能态开始也称为基态；当跃迁至系统高能态时，也称为激发态，随后跃迁路径转向，再次回到基态。文章作者Kyrylo Snizhko是德国卡尔斯鲁厄理工学院的一名博士后学者，他表示，模拟实验显示，在这个可间接预测或干扰量子跃迁中，一定存在一个不可捕捉的组分。具体来说，量子跃迁从激发态向基态的回落过程，并不总是平滑和可预测的，这就是作者所描述的“不可捕捉”的组分。研究指出，观测设备与受测系统的“连接度”，对系统跃迁有直接影响。在这一过程中，量子跃迁由观测的时间尺度而非跃迁过程定义。观测设备和量子系统的连接可能很弱，在这种情况下，通过信号的暂停能预测量子跃迁。量子系统的转变通过基态和激发态的混合实现，这称为量子系统的叠加态。然而，在观测设备和系统的联系超过一定阈值时，这种系统叠加态就会趋向某一个能值，并保持相对稳定，直至再次突然回到基态。论文的共同作者Parveen Kumar解释道，这意味着，即使我们一开始成功预测了量子跃迁发生，但无法避免会再次“跟丢”系统。而即使在跃迁可预测的期间，也会存在一些差异。Snizhko表示，这些过程中还包含着一种不可预测的组分。可捕捉的量子跃迁通常具有一个处在基态和激发态的叠加态上的跃迁“轨迹”，但整体的跃迁轨迹并没有明确的方向或终点。量子物理正在坍缩Zlatko Minev是微软托马斯沃森研究中心的研究员，也是这项耶鲁大学研究的第一作者。他表示这项新的理论研究“在以量子比特作为参数的实验条件下，描绘阐述了一个简单清晰的量子跃迁模式”。他认为，这项研究与先前的耶鲁实验互相参照，显示“相比于我们之前的认识，量子跃迁轨迹的离散性、随机性和可预测性还有待更广阔而充分的研究。”具体而言，耶鲁大学进行的研究首次揭示了量子跃迁的微妙行为——系统从基态到激发态的跃迁能被预测，表明量子世界中部分是可以预测的。这在此前曾被认为是不可能的。当Minev首次与组内的其他研究者讨论预测量子跃迁的可行性时，受到了一位同事激烈的回击：“跃迁轨迹如果能预测，量子物理界就要坍缩了！”“我们的实验最终成功了，并且推断出量子跃迁整体路径是随机和离散的。然而，在更精密的时间尺度上，每一步跃迁都是连续而逐步开展的。这二者尽管看似矛盾，却是量子跃迁中同时存在。” Minev解释道。而这一跃迁过程能应用到整个物质世界吗，如预测实验室外的原子？Kumar还不确定，而很大部分原因在于研究条件上的过多限制。Kumar说：“推广这项研究当然很令人兴奋。”如果未来不同的观测设备都得到了类似结果，那么这种量子行为将能解释量子世界的更多基本性质：在量子世界中，事件在某种意义上同时具有随机性和可预测性、离散性和连续性。量子跃迁是自然界中最基本、最原始的物理问题，但一直很难被真正观测到。直到最新的科技进展扭转了这一局势。美国华盛顿大学的助理教授Kater Murch表示：“耶鲁大学的实验启发了这项理论研究，为解决这个数十年的物理难题打开了全新的局面。在我心目中，实验与理论的相辅相成，最终转变我们这些理论物理学家对世界的认知，为日后的新发现奠定了基础。”

成果名称约瑟夫森结性质的测量及演示设备的研制单位名称北京大学联系人马靖联系邮箱mj@labpku.com成果成熟度□研发阶段 &radic 原理样机 □通过小试 □通过中试 □可以量产成果简介：作为实现超导器件的基础，约瑟夫森结的性质测量及检测是研究者十分关注的一个问题。但是国内拥有此项测量技术的单位并不多。中科院物理所有一套原始的微波测量设备，但此设备受液氮制冷温度所限，对器件的测量被限制在高温超导范围，对于传统低温超导器件及新兴材料二硼化镁超导器件，此设备已不能满足当下的实验需求。在国外，此类仪器基本都是根据各个实验室本身的需要自行研制。因为设备为组合型，没有专门的专利，也不能全套引进，因此需要研究者根据自身具体的需要，结合低温技术、微波技术、磁体技术、金工加工技术对设备进行研制。2009年，北京大学物理学院王福仁教授申请的&ldquo 约瑟夫森结性质的测量及演示设备的研制&rdquo 项目得到第二期&ldquo 仪器创制与关键技术研发&rdquo 基金的支持。该项目的目的是在申请人实验室原有的内循环式制冷系统和RT、IV测量系统的基础上，加入微波注入、微波辐射监测及磁场装置，用来测量约瑟夫森结的性质。在基金的有力帮助下，课题组的工作得以顺利的开展，主要内容包括：（1）将微波导入低温系统，并与待测样品耦合，实现微波与低温技术的结合；（2）在低温下将约瑟夫森结的微波辐射导入波导系统，进行微波辐射；（3）将磁场加到低温样品上，分析磁场对约瑟夫森结性质的影响；（4）解决系统软硬件匹配的问题，实现测量系统的半自动化。应用前景：目前，课题组已经建立了一整套约瑟夫森结性质测量及演示设备，相关指标达到预期，项目顺利结题。未来，该成果一方面将在超导器件研发领域中进行推广，另一方面也将应用于高校宏观量子现象演示实验中。

污水的类型 物理性质与污染指标污水的污染指标一般可以分为物理性质、化学性质和生物性质三类，其中物理性质分为： 工业企业排出的污水都有较高的温度，会导致水体缺氧和水质恶化； 是一项感官性指标，纯天然水清澈透明无色，污水往往五彩斑斓，污水排放对色度有严格要求； 水的易臭来源于还原性硫氮化合物、挥发性有机物和氯气等污染物质。 固体包括溶解性固体和悬浮固体，悬浮固体和挥发性悬浮固体是重要的水质指标，也是污水处理厂设计的重要参数。化学性质与污染指标有机物：生化需氧量BOD是有机物被生物分解所消耗的溶解氧量；化学需氧量COD是有机物被化学氧化剂氧化所消耗的溶解氧量；这两个参数被广泛运用于表达水中有机物的含量。此外，代表水中所有有机物含碳量总碳TOC以及氧化这些碳的总需氧量TOD也是衡量水中有机物含量的重要参数。 污水中的苯类化合物、酚类化合物、有机酸减、有机农药等，这些物质对微生物都有毒害与抑制作用，属于有毒物质。 污水中的油类污染物和表面活性剂（俗称洗涤剂）虽然无毒，但是对自然界的危害依旧很大，前者直接坑死动物；后者会让水体富营养化，间接坑死动物。 无机物：这个主要指示水样的酸碱性，正常水的pH值在6~9之间。 无机污染物也有有毒和无毒之分，重金属、砷（本身没毒，但极易氧化成砒霜）、含硫化合物、氰化物等都属于有毒物质。无毒的无机污染物主要是植物营养素氮、磷，农田里求之不得的肥料放在自然界的水里就是水生生物的大杀器，过量的氮磷造成水藻疯长、水体富营养化，严重影响鱼类生存。 生物性质与污染指标 细菌总数反映了水体受细菌污染的程度；大肠杆菌则是被视为最基本的粪便污染指示菌群；病毒则是比细菌还小还麻烦的东西。水体自净作用 水体的自净分为以挥发、稀释和沉淀为主的物理净化；以氧化、还原和分解为主的化学净化；以微生物分解为主的生物净化。污水处理就是使用自然净化的模式在小区域内人工加速这一过程，让废水达到排放标准。