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微观与宏观 精选

已有 3802 次阅读 2024-4-8 08:11 |个人分类:科学与生活|系统分类:科普集锦

微观与宏观

我们生活在地球上,我们周围的事物,大地山川、森林草原、海洋、空气、兽鸟鱼虫,都是能够感觉得到的。这就是我们通常所说的物质世界。我们人类也是这个物质世界中间的一员。众所周知,这些物质都是由原子分子组成的。

我们人的大小尺寸在米(公尺)这个数量级。我们的肉眼能够看得见的细小的物体比如头发丝,其直径在几十到一百微米(1微米是千分之一毫米)。再小一点的东西,我们可以用显微镜来看。显微镜这个词造得很好,显微就是把微小的东西显示出来。有了显微镜,我们就能够看到一些所谓的微生物如细菌,以及组成生物的细胞。一般可以看到的物体在十分之一微米的数量级。

但是对于一般的光学显微镜来说,原子实在是太小了。原子的大小在十分之一纳米数量级(一纳米为千分之一微米)。由几十个、千百个原子组成的分子也就在几个到几十个纳米的数量级。原子分子这样的大小一般被称为微观,像细胞、细菌那样尺寸或比它们更大的,也就是我们普通看到的以及小到可以用一般光学显微镜能够看到的,都是宏观的物质。

我们通常进行的化学实验,是在宏观世界进行的,我们进行的化学工业生产,也是在宏观世界进行的。

但是这些宏观物质的性质,是由它们的组成也就是组成这些宏观物质的微观粒子,原子分子所决定的。这些宏观物质之间的化学反应(以及生物学反应),从原则上来说,也是由这些微观的原子分子来决定的。

微观粒子的运动遵循量子力学规律,如果作高速运动,还需要考虑相对论效应。从原则上说,由量子力学以及相对论,可以计算出原子能够怎样组成分子,可以组成哪些分子,它们的形状如何,性质如何,也可以计算出分子之间可以发生怎样的反应,反应的途经有哪些,具有多大能量的分子可以发生这些反应等等。对于几十个甚至更多的原子组成的体系,现在已经可以计算得比较精确了。

但是这些原子分子的性质、反应都只是一些微观上可能的性质和可能的反应。当数以亿亿万万计的原子分子在一起,而且这些原子分子还可以组成了凝聚态(液态或固态)。考虑到了这些因素,考虑到这么多因素之间的相互作用,情况就非常非常复杂了。

有人说,我们不是有统计力学吗?不是可能由统计力学方法把微观量与宏观量联系起来吗?由于化学体系特别是生物体系涉及到的原子分子的种类繁多,每一种分子又有非常复杂的形状,组成了不同的物质形态,这种统计就不是像生成热力学规律那样方便了。

所以,许多宏观的化学反应特别是生物化学反应,并不是单纯从量子力学原理出发就能够解决的。化学有化学的问题,生物学有生物学的问题。它们有各自的运动规律。

从物理学的原理出发所进行的对微观体系的计算,可以给宏观的反应例如合成、制备等进行有价值的参考,但是不可能替代这些宏观规律的研究。

总之,从微观的角度看,物质的运动和相互作用,无论是化学的或者生物的,都符合物理定律。但是,由于微观粒子众多,其“集合”的形态、相互作用等,就非常复杂。它们的相互作用规律,就需要由化学、生物学等学科来研究了。



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