怎样通过微波热效应来证实微波的量子特性?
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发布时间：2022-04-26 22:56
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时间：2022-06-19 13:24
本文中的光、光子除特别说明，均理解为一切频率。
张笃一,傻中傻霸两位网友的论证都很有力。傻中傻霸的例子中之所以杯子没有热效应，而水却产生热效应，这恐怕不是电磁理论可以定量说明的，不过我对电磁场理论只是个门外汉，我这么说，完全出于其它方面的认识，可以说是臆测吧，欢迎网友指正。
张笃一网友说：“还是我上次说的那句，这个现象可以用量子理论解释也可以用经典理论解释”，并且说“正如低速运动我们无需用相对论只要用牛顿力学即适用”。言下之意，电磁场理论是量子理论的低频下的近似（我这么理解大致是可以的吧，如果是我的错误理解，请见后文对该问题的论证）。既然如此，他实质上就接受了量子理论是更正确的，那么量子化的假设就可以认为是正确的，至少在没有新理论出现前比电磁场理论更正确。
就我所知，凡是涉及电磁波与实物的相互作用时，光子说总是成立的。既然成立，就可在一定程度上表明，它的理论出发点光的量子化是正确的，至少没有更好的理论（但量子化或光子究竟是物理实在，还仅是个数学工具或模型，恐怕现在还没人回答。关键是我们是否能“看到”单个的光子，正如我们已经可以“看到”单个原子，据称有人还“看到”了单个电子。但量子力学又禁止我们“看到”至少是低能的光子。例如1mm波长的微波，这是微波中的能量上限，按测不准原理，其位置不确定度近似为波长，1mm的不确定度对光子而言，是天文距离的吧。我们的处境非常尴尬，想彻底证明却没法证明，想证伪可眼下没发现它有什么错）
因此，我们目前只能在量子力学的框架下，来验证其假设的正确性，而不能完全证明其正确性。只有当我们的观测不能用量子理论说明的时候，那时才有必要考虑抛弃量子化假说。
光的量子性和物质的能级结构是密切关联的，实际上是量子论的一对孪生兄弟。二者都是一种假设，并无直接实验证据。假设的正确性只能根据它们导出的结论与大量实验很好的符合被验证。如前所述，我们至今未发现有任何明显的反例存在，但即便如此，对相同的结论是否可能由另一套“非量子性”假设导出，我们不得而知，但可能性是存在的。如果哪一天发现了不可调和的矛盾，量子力学真走到了山穷水尽的地步，相信总会有人提出更好的理论的。现在来看，还不是时候。如果没有历史上那几朵乌云，很可能普朗克、爱因斯坦和玻尔是谁我们没一个人会知道。
所以严格看来，我前文提出的实验论据核磁共振和微波炉其实也不能证明无线电波和微波的量子化，只能说明在这两个波段量子论仍然自洽，并能成功解释现象。
下面回到楼主的问题，具体讨论微波和转动能级。这里的讨论仍然在量子论的框架下进行。我主要从发射光谱的角度来阐述问题，吸收光谱是其逆过程，本质上一样。微波炉的微波发生器的工作细节我不清楚（但同样属于发射光谱），吸收过程的光谱行为我也没有具体资料，因此无法就此深入讨论。稍后再简单进一步讨论。
但气体分子的转动光谱（一般处于远红外一直可延伸到微波段，具体大小取决于特定分子转动能级的大小）已被大量详尽地研究，气态分子在较低温度下（数十K）的纯转动光谱是典型的线状光谱，并几乎等间距。在温度较低时，分子平均平动能较小，相互碰撞时一般不足以引发电子能级和振动能级的跃迁（不排除个别能量大的分子可引发这两种能级的跃迁），但温度只要不是太低，碰撞时即可能引起转动能级的跃迁，即平动能减小，转动能增加。分子位于转动高能级时，又自发辐射远红外或微波光子。其发射的线状光谱就表明了转动能级的量子化，等间距就表明了分子相邻转动能级之间的间隔相等（该推断虽然未必一定正确，但除此之外我们找不到更好的解释）。
附图中列出了HCl分子的转动光谱数据，表中的计算值是利用对非刚性转子模型进行量子力学计算得出的。可以看出量子理论计算值和实验值的相符程度很高。
其中实验测得的最小波数为83.03cm-1，波长0.12mm处于远红外光区，已接近微波光区。如果分子量更大的气体分子，根据理论计算，它们的辐射频率将出现在微波区。如果楼主想实验验证某一微波频率的话，具体方法可参考有关文献,我相信有人做过类似的工作。
需要说明的是，分子更大，相应频率更低时，分子能级间隔更小，谱线相互靠的更近，需要使用更高分辨率的分光系统，将它们分得足够远以致可辨。还有个较难避免的困难在于多普勒变宽和自吸效应这两个因素的存在将大大增加谱线宽度，通常比测不准原理所限定的自然宽度大几个数量级，从而造成谱线的重叠，用再好的分光系统也不可能分开。我怀疑附图中123三条线没有数据可能与此有关。另一个重要原因，可能是在试验温度下实际最低能级并非基态，很可能是第二激发态，如果知道温度的话应该是可以计算的。还有可能与分子无规运动时偶然的分子间作用（对大量分子而言就不是偶然了）引起平动能的显著量子化有关（造成转动能级跃迁的同时伴随平动能级的跃迁，从而使谱线成为带状）。因未看到原图，上述判断仅是臆测。记忆中以前看到过纯转动光谱似乎每条线都有，宽度也较窄，一时想不起来在哪见过。
上面讨论的都是气体分子，如果是液体和固体，分子间的相互作用将使转动能级结构变得极为复杂（正如固体中电子能级的结构一样）。据我很有限的知识，目前还没有很好的理论。至于其实验数据我也没有资料，但相信能级间隔会变小，对应的吸收发射频率会红移。这可以解释微波炉对水有显著的热效应。但可以预料的是，微波吸收谱会是近似连续的，而不会像气体那样出现线状光谱，正因如此，连续的电磁场理论才可能解释该现象。如果是水蒸汽，根据前面HCl的数据估计，很可能不足以引起转动能级的跃迁，不会明显表现热效应。
最后再补充一个直接验证微波量子性的实验，电子自旋共振ESR。其原理与核磁共振有类似之处，它是由微波与电子自旋在磁场中的*的能级之间产生的相互作用，当光子能量满足该能级差时将可能被吸收产生信号。由于应用范围较窄，故没有核磁共振普及，本人也未用过。楼主欲知详情可参考一些现代分析方法和仪器的教材和专著。百度百科上的介绍过于简单，恐帮助不大。http://ke.baidu.com/view/8154.html?wtp=tt。楼主想亲自验证的话可与有该仪器的高校联系，不过个人认为意义不大，不太可能发现用量子力学无法说明的现象，同时如前所述要严格证明量子性也不可能（如果你不认可该实验所依据的原理，一定要寻求严格证明）。
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看到楼上“大作业F”朋友的解答，忍不住想再说两句。这位朋友说的第三种方法，我没见过，不知是否有人做过，但我想说想用任何方法“看见”微波光子恐怕是不可能的（前文已有说明，不妨再说几句。姑且假定能做到一束微波就是一“串”光子，每个光子间隔1mm，呵呵这一串光子的确粒粒可数，但每个光子的能量分散在1mm方圆内，一万年以后有没有人能发明探测这样小强度光的高灵敏装置，我不清楚，目前是没戏）。另外目前看来，无论采用何种光子计数器，所谓的数目都是用绝对光强折算出来的，而不是一个一个“数出”来的。其它的微波探测技术产生的信号也必是连续的（除非像刚才一样每隔1mm一个），当然人为调制例外。
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我查了一下中文期刊（检索工具‘中国期刊全文数据库’目前最全的中文科技数据库），涉及微波谱测量的文献两篇，微波谱理论文章若干篇。测量文献如下：
1.甄梦章. 反-1-氟-2-丁烯的微波谱、红外和拉曼光谱、构象分析、内转动位垒以及振动分析[J]. 化学推进剂与高分子材料, 1987,(02)
2.王关忠, 陆中贞. 上海天文台铯钟改进束光学系统后的微波谱[J]. 中国科学院上海天文台年刊, 1991,(00)
楼主想要全文（其中有测量数据，和谱图，属于明显的线状光谱）可向我索取。
国外该方面的观测数据我猜想应较多。楼主想要验证可补充问题，我将给出检索结果。
ESR研究中文文献较多，简单检索有2000余篇。例如：
1.煤及其液化产物的~(13)C CP/MAS/TOSS NMR和ESR研究。波谱学杂志, Chinese Journal of Magnetic Resonance, 2010年 02期
2.王广清, 杜立波, 张冬艳, 徐元超, 贺曾, 田秋, 贾宏瑛, 刘扬. 链接琥珀酰亚胺的线性硝酮的合成与ESR研究[J]. 波谱学杂志, 2010,(01)
NMR测量那就不计其数了全球至少100万篇以上。核磁共振应用太广泛了，基本已属于研究中的常规武器。
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呵呵，我开头也误解为楼主一定要寻求严格的证明（至少是不逊于黑体辐射的证明），属于“固执”一派，于是就尽我所知列出了几个堪比黑体辐射的验证实验，试图打消楼主“怀疑一切”的想法。看了楼主的上文说明，看来我等都狭隘了。不过在具体的测试细节上，我猜想楼主当是目前参与本帖讨论的网友中最具权威的人士，我本人对楼主的专业问题就帮不上任何忙了，毕竟测试涉及的电学、光学的细节问题的复杂程度不是非行内人士所能想象的。
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针对“一个微波量子的热效应变化难道就能使电偶的输出有相应的变化？”我们来做个非常粗略的计算。以能量最高的300GHz微波量子为例，一个量子的能量为-22次方J量级。假定热电偶的接触点质量为1mg，比热为1J/gK，吸收一个量子后接触点的温升为-19次方K量级（温度是个宏观概念这么算其实是有问题的，不过只关心数量级的话，估计数量级不会差太多），热电偶的温差电动率通常为数十微伏每开，不妨假定采用性能优异的热电偶可达1mV/K.这样算来，一个微波量子产生的电动势大约在-22次方V的量级。
且不说这个电动势能否被相对准确测量（其难度楼主应比我清楚），先说环境温度的影响，很明显任何原因造成的温度波动必须小于-19次方K，测量结果才有意义，这个温度控制恐怕太困难了。换句话说，要想测定一个微波量子的温差电效应的前提是：在现有仪器可以分辨的时段内，热电偶的一端保证只吸收一个量子，另一端必须保证绝无净吸收或净发射一个量子的可能性（不吸收或发射是决不可能的）。这个可能性目前看来是不存在的。所以我倾向于认为试图利用微波热效应进而转换为电效应加以测量的方法证实微波的量子性是不太现实的。
现实的方法还是光谱、波谱法。光谱波谱法的验证不依赖于辐射强度，无论用多大的强度谱线的位置不变，正如光电效应那样。楼主有兴趣的话可以参考前人是如何在仪器上实现测量的。对它们的工作细节我也不清楚，无法更多讨论。
另外单光子技术以前没太留意过，我前文中关于光子计数的观点可能落伍了（我一直认为是累积效应）。看了一下网上有《红外单光子探测器的研制》中科大07年的博士论文，摘要中说“成功的探测到了1550nm单光子脉冲”应视为能探测到的最小频率的光子（离可见区的末端很有限）。从理论上说，微波可以借鉴这一方法，但实现的前提还是寻找到逸出功极小的光电材料。
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时间：2022-06-19 13:24
量子态超空间转移理论是量子信息理论的重要组成部分。
量子态超空间转移，也称量子
*传态、量子远程传态、量子离物传态或量子传真
这种非局域关联或称非局域作用能使量子态从一个地方无需媒介瞬
间转移到另一个地方，以至遥远的天边。爱因斯坦在1947年3月给玻恩的
信中称非局域作用为幽灵般的远距离作用
我们先探讨量子纠缠从何而来。这要从量子干涉现象谈起，在弱光的双
缝干涉实验中，探测屏上出现的微小斑点清楚显示光子有一个点状的部
分，即有一个反映能量集中的峰，而出现的干涉条纹好像暗示它还具有
鲜为人知的峰外部分，因而自然推想条纹起因于被双缝割出的含峰片与
不含峰片的自身联合。
我们再探讨量子是如何纠缠的。前面所述的那对辅助光子是用高功率激
光在非线性晶体中产生的纠缠光子，通常说，其中光子A发到1处，
光子B发到2处，其实这种说法无异于视光子为经典实体。如果视光子
为上面所述那样的量子实体，则可以设想，当光子B的含峰片包括其平面
电磁波向2方向运动时，它的一个不含峰片包括其平面电磁波同时跟
着光子A的含峰片走，如影随形、永不分离，且二者与生俱来叠加干涉
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时间：2022-06-19 13:25
微波是一种高频率的电磁波，其频率范围约在300～300 000MHz(相应的波长为100～0．1cm)在300MHz至300GHz之间．它具有波动性、高频性、热特性和非热特性四大基本特性。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性．微波量子的能量为1 99×l0 -25～ 1．99×10-22j．它与生物组织的相互作用主要表现为热效应和非热效应。微波能够透射到生物组织内部使偶极分子和蛋白质的极性侧链以极高的频率振荡，引起分子的电磁振荡等作用，增加分子的运动，导致热量的产生。微波还能够对氢键、疏水键和范德华产生作用，使其重新分配，从而改变蛋白质的构象与活性。生物体的非热特性一 生物效应是微波的重要特性之一，它已成为医学、细胞学等方面研究的一个重要方面，同时它也能为微波理疗或微波手术等方面提供理论依据 随着人们对微波加热技术认识的深入，它已引起了许多科学工作者的关注，并在一些方面进行了深入而广泛的研究。
1．1 微波的特性
1．1．1 选择性加热
物质吸收微波的能力，主要由其介质损耗因数来决定。介质损耗因数大的
物质对微波的吸收能力就强，相反，介质损耗因数小的物质吸收微波的能力也
弱。由于各物质的损耗因数存在差异，微波加热就表现出选择性加热的特点。
物质不同，产生的热效果也不同。水分子属极性分子，介电常数较大，其介质
损耗因数也很大，对微波具有强吸收能力。而蛋白质、碳水化合物等的介电常
数相对较小，其对微波的吸收能力比水小得多。因此，对于食品来说，含水量
的多少对微波加热效果影响很大。
1．1．2 穿透性
微波比其它用于辐射加热的电磁波，如红外线、远红外线等波长更长，因
此具有更好的穿透性。微波透入介质时，由于介质损耗引起的介质温度的升高，
使介质材料内部、外部几乎同时加热升温，形成体热源状态，大大缩短了常规
加热中的热传导时间，且在条件为介质损耗因数与介质温度呈负相关关系时，
物料内外加热均匀一致。
1．1．3 热惯性小
微波对介质材料是瞬时加热升温，能耗也很低。另一方面，微波的输出功
率随时可调，介质温升可无惰性的随之改变，不存在“余热”现象，极有利于
自动控制和连续化生产的需要。
1．2 微波的生物效应机制
当微波作用于生物体时，在生物控制系统的作用和调节下，生物体必然要建立新的平衡状态以适应外界电磁环境条件的变化，因此也就必然产生某些生物效应．微波的生物效应主要是由微波的热效应，其次是非热效应所引起的．
1．2.1 微波的热效应
微波对生物体的热效应是指由微波引起的生物组织或系统受热而对生物体产生的生理影响．热效应主要是生物体内有极分子在微波高频电场的作用下反复快速取向转动而摩擦生热；体内离子在微波作用下振动也会将振动能量转化为热量；一般分子也会吸收微波能量后使热运动能量增加．如果生物体组织吸收的微波能量较少，它可借助自身的热调节系统通过血循环将吸收的微波能量(热量)散发至全身或体外．如果微波功率很强，生物组织吸收的微波能量多于生物体所能散发的能量，则引起该部位体温升高．局部组织温度升高将产生一系列生理反应，如使局部血管扩张，并通过热调节系统使血循环加速，组织代谢增强，白细胞吞噬作用增强，促进病理产物的吸收和消散等．
热心网友
时间：2022-06-19 13:25
微波热效应不能验证微波的粒子性,连续吸收能量一样可以加热的。
光电效应也几乎不可能，没有那么小逸出功的物质，现在逸出功最小的固体材料也要大约0.1-1eV量级的逸出功。
微波的量子性应该是有的，电磁波都有，但这个实验真的不太好设计，那个帖子里基本没人提出办法，宇筠锋的思路理论上可以，但既然是实验验证，那就得分析精度、可能引起误差的因素等等。我也不确定他的设计是否可以。毕竟，微波的波长太长了，粒子性很弱。
热心网友
时间：2022-06-19 13:26
我来为你献上一策，是结合你的几次技术路线来的，所以应当是你的拿手活。
你提到你曾经设计过带光纤传感器的机械扫描盘，我想你这次不妨将光纤去了，沿着扫描盘的边缘等距的贴上一周微型热电偶（相当于你的光纤端面，最好是偶数个。），热电偶外敷吸波材料（相当于你的荧光材料），如有条件，不妨直接用表面工艺作出。
在你的注入谐振腔驻波波节处沿磁场方向（是磁场还是电场方向，我一时也糊涂，你自个想清楚。）开条缝隙，让高速旋转的圆盘边缘从缝隙处，或干脆于波节中掠过，吸波材料会因微波热效应产生热，并由热电偶转换成电信号，热电偶在临加热前信号最低，加热刚结束时信号最强，采集这每一热电偶的强、弱信号差值可形成周期信号，这个周期是圆盘转速的倍频，所以参考信号可由转速锁相倍频得到。
1）转盘不再用于人体扫描，所以直径可以做得很小，有利提高转速。但是用大盘得到的热电偶温差信号可能要强，因为吸波材料散热时间长。每分钟数万转的电机有的是，要得到你长于放大的100KHz频率信号很容易。
2）为了加强信号相关性，可以对注入信号（也就是驻波）进行调制，调制频率应当是前面所说参考信号的偶数分频，以避免奇次谐波干扰。有这样个双重相关，应当不亚于你的微波锁相环吧。
3）这里不知你的微波量子转换成热电偶输出，信号有多强，肯定要比直接电磁场信号接收弱得多，但是这里没有混频衰减，你若能将信号积分后取出，成功可能性要比你的微波逐粒计数大得多。
4）结构设计要考虑如何处理高速运转时的机械振动带来的问题，最好设计个机械的自动配平。
其它如何衰减注入信号，放大计数更是你强项了。
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想法顶好啊，实现要比那“烽火轮”容易得多，悬疑仍是不知单量子具体能产生多大的温差，放大想不受*肯定是不可能的，因为放大倍数是随时间正比增长的，而对噪声的平均则是和时间的平方根成正比，锁相环的相位噪声肯定会制约精度。有条件的话不妨试一下，看看这种方法究竟能测到多大的温差。
提点具体建议：
1）谐振腔波导不妨长一些，信号由中间注入，电流耦合，注入点处为波节，在注入点两边都形成两节驻波，两边靠中间的波腹、波节各放一组，共4组晶片，每组8片或更多片。从左到右1、2、3、4组晶片，1和2，3和4，位置能互调，在每次测量都要互调各测一次。这都是为了消除系统误差，系统误差可能主要来自吸波材料的涂敷效果不一致。
2）如果结构不好设计，担心互调造成位置变化，会引入新的误差，可考虑调换注入方式，同时调节波导长度，来使波腹、波节互换。互换后的功率耦合强度校准，就利用你的差拍计数器。
3）谐振腔置于水中均温、恒温。
4）我想其实有种快速的测温方法，就是晶体温度变化后各向折射率会有变化，用激光照射晶体，测干涉、测偏角都能反映晶体温度变化，……。不过，激光一照，哪怕光脉冲再短，给晶片带来的温升，恐怕也会远远超过量子水平了，唉，你还是老老实实地数你的脉冲吧。
有结果告诉一声啊。
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忽然想到，你的方案有个致命的缺陷，晶体谐振器本身是无源元件，但却要施加激励电压才能产生谐振，你的晶体振荡器对晶体耦合再弱，也不至于低于1mW，如此“巨大”的能量加在上面，最后也还是变成温升，还怎么测量子啊？太大的系统误差，即使采用我前面的建议，也是无法消除的，快打住吧。
顺便解释一下，“烽火轮”方案并非“嘲弄”，早期的光学扫描、调制，前些年的磁带录像机，都是采用“烽火轮”的。
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楼主怀疑的有道理，caoyuannust 更给判了死刑，看来烽火轮是玩不转了。如果定要在微波热效应这方面做下去，测单个量子是不可能了，“零售”不行得改“批发”，如何将信号累积或叠加，但又不失“量子”特性，是问题的难关，希望你能在对此难关的探索中有所收益。
问题快要到期了，建议将caoyuannust 的回答选为最佳答案，问题既然不得解决，那就请给能做“死刑”结论的人评分吧。
热心网友
时间：2022-06-19 13:27
微波热效应应该不能验证微波的粒子性，利用经典的电磁理论可以解释这一效应，可以看成是电场极化，受迫振动。
还是我上次说的那句，这个现象可以用量子理论解释也可以用经典理论解释，不能来证明粒子性。正如低速运动我们无需用相对论只要用牛顿力学即适用。
我的观点基本和caoyuannust一致，我们无法去确切的证明微波的量子特性，但是可以在量子框架内进行验证，只要我们还没有实验证据表明利用这一假定定量的解释出现明显错误，我们既可认为其数学表述和物理假定是适用的。我们所用的论证手段不是直接证明量子性，而是应该指出某一现象其他理论失效而唯有量子理论可以定量解释。
Lz试图去证实微波是一份一份给吸收的，这个难度比较大，据我所知，现在的单光子检测技术都是基于光电效应的基础上来的。caoyuannust也指出如果要在微波热效应的中观测到量子性，低温是必不可少的条件，否则平动动能将掩盖其效应。电子自旋共振ESR，这个个人认为是最具说服力的，因为它和经典理论不符，只能依靠量子理论来解释。
