量子,真不是個「東西」!

量子,真不是個“東西”!


量子是什麼東西?答案讓您失望了,量子不是個“東西”。即,量子並不是具體某種粒子~!那量子是什麼?具體看下去,可能超乎你的想想~~~

量子一詞來自拉丁語quantus,意為“有多少”,代表“相當數量的某物質”。量子作為是現代物理的重要概念,最早是由德國物理學家M·普朗克在1900年分析黑體輻射實驗後,發現能量竟然可以不連續,進而提出的。

任何物體都具有不斷輻射、吸收、反射電磁波的性質。輻射出去的電磁波在各個波段是不同的,也就是具有一定的譜分佈。這種譜分佈與物體本身的特性及其溫度有關,因而被稱之為熱輻射。為了研究不依賴於物質具體物性的熱輻射規律,物理學家們定義了一種理想物體——黑體(black body),以此作為熱輻射研究的標準物體。

理想黑體可以吸收所有照射到它表面的電磁輻射,並將這些輻射轉化為熱輻射,其光譜特徵僅與該黑體的溫度有關,與黑體的材質無關。

但從經典物理學出發推導出的維恩定律在低頻區域與實驗數據不相符,而在高頻區域,從經典物理學的能量均分定理推導出瑞利-金斯定律又與實驗數據不相符,在輻射頻率趨向無窮大時,能量也會變得無窮大,這結果被稱作“紫外災變”。

1900年10月,普朗克將維恩定律加以改良,又將玻爾茲曼熵公式重新詮釋,得出了一個與實驗數據完全吻合普朗克公式來描述黑體輻射。

普朗克發現,如作如下假定則可從理論上導出其黑體輻射公式:對於一定頻率ν的輻射,物體只能以hν為能量單位吸收或發射它,h稱之為普朗克常數。換言之,物體吸收或發射電磁輻射,只能以量子的方式進行,每個量子的能量為E=hν,稱為作用量子。

普朗克完成公式設計和普朗克常數提出時,很可能自己都認識到,他不僅僅是有效描述了黑體輻射問題,而是打開了人們認知微觀世界的大門。為什麼這麼說呢?

在詮釋這個公式時,普朗克不得不假設黑體輻射中的輻射能量是不連續的,只能取能量基本單位的整數倍。即,普朗克詮釋這個公式時,通過將物體中的原子看作微小的量子諧振子,不得不假設這些量子諧振子的總能量不是連續的,即總能量只能是離散的數值,進一步假設單獨量子諧振子吸收和放射的輻射能是量子化的。儘管這樣很好地解釋了黑體輻射的實驗現象,但與經典物理學的觀點恰好相反。

能量不“連續”?經典物理學看似無法接受的東西卻能很好的符合觀測結果呢?物理學家相信其中必定蘊藏著一個尚未被揭示出來的科學原理。這就是涉及微觀世界物質運動形式和規律的東東。

首先注意到量子假設有可能解決經典物理學所碰到的其他疑難的是愛因斯坦。他試圖用量子假設去說明光電效應中碰到的疑難,提出了光量子概念(國內廣為人知的量子通信就是基於這個東東),認為輻射場就是由光量子組成。每一個光量子的能量E與輻射的頻率ν的關係是E=hν。採用光量子概念之後,光電效應中出現的疑難隨即迎刃而解。

至此普朗克提出的能量不連續的概念,才逐漸引起物理學家的注意。就這樣,掀起了20世紀初量子物理學革命的帷幕。 綜上,我們可以看出量子不是具體指某一個東西(微觀的某種粒子),而是不連續量的一個單位。再嚴謹一點兒:一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位,則這個物理量是量子化的,並把最小單位稱為量子。

所以,量子計算的實現方式可以多樣例如:光量子、離子阱、冷原子、自旋量子... ... 光量子是一定頻率的光的基本能量單位。

冷原子是將原子置於一個極低溫環境(接近絕對零度,0K)下的原子狀態,進而利用其原子的量子力學性質。(可以是好多個原子哦~~)離子阱是將離子通過電磁場限定在有限空間內,進而產生量子態。... ...


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