量子力學中的“量子”到底是什麼東西?

建築女磚家


量子(quantum)的本意是“一份”、“一份”的意思,這個詞被普朗克用來描述他為了解釋黑體輻射實驗曲線所引入的一份、一份的能量。

黑體輻射研究的是具有一定溫度的理想物體(所謂理想指的是這類物體對光的吸收率為1)發射的電磁輻射譜,橫軸是電磁波的波長,縱軸是能量密度。

黑體輻射譜。

根據經典的電磁波理論,電磁波是橫波,電磁波的能量由電場強度E的平方決定,而在經典物理中電場強度E是可以連續取值的。

舉個例子,我們在座標原點放一個電量為Q的點電荷,電場強度隨距離r的關係是:

由於距離r的取值是連續的,電場E的取值也肯定是連續的。換句話說,根據經典理論,電磁波具有的能量應該是連續的。

但普朗克現在說電磁波所具有的能量只能是一份、一份的,這每一份就是一個量子。

普朗克的量子就是光量子,或者乾脆叫光子。後來愛因斯坦又進一步發展了量子概念,提出光量子不僅具有一份、一份的能量,還具有確定的動量,和我們平時所見的粒子(小石頭子)一樣。

光是粒子其實是個很古老的想法,從古希臘哲學家到牛頓都認為光是粒子。

以量子為詞根,還有一些變形,最著名的有量子化,所謂量子化是說一些物理量我們一直以為它的取值是連續的,但後來發現在微觀物理學中變成是一個個分立取值的了。

最著名的量子化是能量量子化,比如電子在原子中能量的取值就是量子化的,此外還有角動量量子化等。

薛定諤針對電子在原子中的運動,提出了量子力學,解釋了這種量子化的行為,薛定諤版本的量子力學就是把電子的運動描述為波函數,然後針對波函數求解一個偏微分方程,薛定諤說過一句很有名的話,“所謂量子化就是求解本徵值問題!”

一維方勢井的本徵值問題。

因為在薛定諤的量子力學裡,偏微分方程的求解歸結為求解一系列本徵方程,因為邊界條件,能量本徵值等自然而然就是分立的,或量子化的。

薛定諤的這套方法後來被狄拉克推廣到相對論情形,以此為基礎又發展出了量子場論等等。除了薛定諤版本的量子力學外,還有海森堡的矩陣力學,費曼的路徑積分,這些在物理上都是等價的。

量子場論有很多版本,比如量子電動力學,量子色動力學等等。目前量子力學的這套方法在很多領域都取得了成功,只剩一個領域還沒有被量子力學描述,就是引力,因為引力實在是太弱了,要想觀察到引力的量子效應,得能量特別特別高才行。

在低溫,小尺寸情形下,還有許多奇特的量子行為,比如量子電導,就是電導率變成量子化的了。

弦論是把引力量子化的候選方案之一,但因為需要驗證弦論的能量太高了,目前這套理論尚缺乏實驗證據。


物理思維


這裡主要想澄清一個誤解:

量子不是粒子!

量子不是粒子!

量子不是粒子!

重要的話說三遍。

沒有任何一個粒子,可以被稱之為「量子」。之所以引起誤解,估計還是要翻譯來背鍋。

從最早的理論開始說吧。早期人們對於原子的認識,還停留在「行星模型」上。這個模型認為電子像行星一樣,繞著原子核旋轉。

但在電磁學建立之後,這個模型就暴露出了一個問題:旋轉運動的電子,會在運動的同時發出電磁波,從而損失能量。能量損失了,它就會墜入原子核中。

這樣的結構顯然是不穩定的。但我們身邊的物質都是非常穩定的。

必須有一個理論能解決這個矛盾。波爾提出了「波爾模型」,在這個模型中,他依然採取了行星的結構,但規定電子的軌道速度 x 半徑需要是某一個值的整數倍。

也就是說,電子的角動量是間斷的、不連續的。這樣電子的能量也是不連續的。

電子會在不同的軌道上躍遷,在這個過程中,會釋放、吸收光子,而這些光子的能量也是間斷、不連續的。

就像一份一份的能量一樣,而很多其他的物理量在量子力學中,也是不連續的、一份一份的。所以物理學家稱之為「量子」。

「子」這個字,在這裡只表示不連續、分立,但絕不是「粒子」的「子」。


章彥博


普朗克(M.Planck ,1858~1947),德國物理學家,量子論奠基人。 1918年諾貝爾物理學獎。

十九世紀中期,物理學理論在當時看來已經發展到了相當完善的階段,物理學的上空可謂晴空萬里,在這種情況下,有許多人認為物理學的基本規律已完全被揭示,剩下的工作只是把已有的規律應用到各種具體的問題上,進行一些計算而已。

在物理學晴朗天空的遠處還有兩朵小小的、令人不安的烏雲。

(1)“紫外災難”,經典理論得出的瑞利-金斯公式,在高頻部分趨無窮。

(2)“以太漂移”,邁克爾遜-莫雷實驗表明,不存在以太。

前者催生了相對論,後者引產了量子論。這兩種理論構成了現代物理學大廈的兩根支柱。

普朗克曾多次試圖用經典理論解釋黑體輻射未果,終於例證量子力學假說的正確性,跨入了一個新時代。

1900年,他在黑體輻射研究中引入能量量子,即普朗克量子假說——電磁輻射的能量交換隻能是量子化的:對一定頻率的電磁波,物體只能以 hv為單位吸收或發射它,即吸收或發射電磁波只能以“量子”方式進行,每一份能量叫一能量子。

量子是指一個很小的基本個體;比如一個光子,可以叫做光量子。

"量子化" 指其物理量的數值會是一些特定(離散)數值, E = nhv,而不是任意(連續)值。

普朗克第一次把能量的不連續性引入人對自然過程的更進一步的認識,對20世紀20年代量子理論的進一步發展起了主要作用。

此後幾年中,原子物理學發展得很快。在1923~1927年間,一個關於微觀體系的新理論體系—量子力學建立起來了。

從德布羅意(De Broglie)的波粒二象性假設開始,海森堡(Hersenberg)和薛定諤(Schrodinger)兩人幾乎同時從不同的角度研究了這個問題,各自提出了自己的理論。後來證明,這兩種理論是等價的。後來有其他多位學者參加,共同完善了量子力學理論。

量子實驗室,歡迎評論和關注。


量子實驗室


簡單說,如果一個物理量存在最小的不可能的最小單位,那麼這個物理量就是量子化的,這個單位就是量子。比如說“光量子”(光子)就是指光的基本能量單位,光量子不可分割!

同時,量子化指的是物理量的數值是離散的,而不是連續出現的任意值!而在經典物理中,能量是連續的,可以取任意值,但在量子力學中並不是這樣!

物理學家普朗克在1900年首先提出了量子的概念,通過假設黑體輻射中的能量是不連續的,只能是基本單位的整數倍,這很好地解釋了黑體輻射的實驗現象!

之後愛因斯坦的光電效應表明光的波粒二重性,而德布羅意也提出“物質波”的概念,強調任何物質都有波粒二重性。海森堡和薛定諤分別建立了矩陣力學和波動力學,量子力學的發現進入全新階段!

而如今量子力學與相對論已經成為現代物理學的兩大基礎理論,科學家對量子力學的研究和認知進入新階段!

不過,對於量子力學中的詭異現象,科學家們並沒有完全理解,比如說量子糾纏,量子隧穿,不確定性等,但無論如何,量子力學已經影響到我們生活的方方面面!


宇宙探索


看了不少答案,有的說的比較接近了。但是量子這個概念,不是非要拿微觀世界來說事的。

量子,是一種現象的統稱。首先我們定義清楚,它說的不是某種粒子,說的是某種現象。這個現象就是東西被分成了一份一份的,或者說不連續的,整數倍的。

最早提出來的時候就是排名第一的答案裡提到的黑體輻射的事情。它說的事情簡單一句話表述,就是對一個給定頻率的光,光輻射攜帶能量是頻率的整數倍。

這個提出來的時候是一個假設,而且是不那麼讓人覺得舒服的假設。這之後的故事就不多說了,咱只說量子這個概念。

為啥我覺得需要專門強調一下不要僅和微觀粒子扯上關係專門寫一個答案呢。因為很多沒學過的人總以為量子是某種粒子,或者代表了最基本粒子裡的某些東西。然而並不是。

比如量子霍爾效應。

它講的是感應電壓與磁場的關係(我沒記錯的話)是整數倍的。當然解釋這個還是從微觀入手的。但是這個現象被稱為量子霍爾效應而區別於霍爾效應的原因,是現象裡本身有整數倍這種現象。


安茲烏拉恭





沈大哥


量子是不是像電子和質子一樣的微觀粒子,而是最小的不可分割的基本單位,把這個最小單位稱為量子。

量子是一個統稱,可以統稱任何微觀粒子。電子是量子,光子也是量子,中微子也是量子,質子也是量子。


量子這一概念最早由普朗克為了解決黑體輻射而提出的,1900年普朗克在研究黑體輻射的時候引入了能量子假說,吸收和發射電磁波只能以量子的形式進行,也就是能量被分為一份份能量子。

後來的愛因斯坦在解釋光電效應的時候引入了光量子的概念光量子是電磁輻射的載體,光也是也是一份份傳遞的,被稱為光量子。在愛因斯坦之前人們都認為光是以波的形式傳播的,愛因斯坦指出了光的波粒二象性,後來人們大膽猜一切微觀粒子都具有波粒二象性,後來也都證明了這一點。


由此科學家們瞭解了微觀世界的物理定律和宏觀世界有很大的差別,為了更好的理解於是創立了量子力學,雖然愛因斯坦一直反對量子力學的某些觀點並與量子力學派隔空對峙了幾十年,但也推動了量子力學的發展。

時至今日,現在物理學兩大支柱相對論和量子力學,一個進一步揭示空間本質另一個描述微觀世界


宇宙探索未解之迷


建立量子概念是為解釋黑體輻射問題。經典力學依據其它物質輻射的數據規律去推測黑體輻射的實驗性數據有出入,主要表現在曲線高峰處。依據數據曲線不符,經典力學只能把黑體輻射當作特例看待,當著一個問題擺著需要去解決。普朗克湊了一個公式,能解決黑體輻射的實驗數據,當然就不能解釋其它物質的輻射數據了。別開物體輻射世界整體,只淡黑體輻射,便於就事論事解決問題。以黑體輻射實驗數據與經典推測建立的數據不同,為了解決這個新問題。普朗克提出能量是一份一份的,量子化後成了最小的能量單位,現代量子力學偏重於離散化後的純數學推測,借數學巨大能力忽悠。能量是一份一份輻射的,肯定了能量的不連續性,肯定了做功的斷續性。倘若說能量是一份一份的還認為是連續的不科學,是忽悠。能量是一份一份的沒指物質,只指能量,這裡的能量脫離了物質不科學,探討無物質的純數學推測只能是虛無的探討,如宇宙飛船到了什麼星球不關心,只關心宇宙飛船留下的概率統計波,結果如何可想而知。量子依賴概率統計,是純數學式的推測,主要探討的是光量子。光子沒有靜止態,有的是動態,依據動態是有質量的,得光子隨時有質量。

能量脫離物質適合於想象的唯心論,只能得出唯心的結果,與神秘聯繫在一起了。現代科學還不能肯定純能量的存在,脫離物質單獨探討能量,解決問題時還是離不開物質。量子存在疊加態,建立在純能量基礎上也就不足為怪了。量子糾纏還是指具有質量的粒子參與,如電子,光量子。反事實量子直接通信成像,量子又不指粒子了,實際上是利用量子為己用,為利益而用。宇宙任何空間都是有阻力的,客觀上阻力是建立在物質基礎之上的,阻力是一切運動粒子的傳播介質,是信息的源頭。反事實量子通信中的量子是有阻的運動,無論有多麼遙遠的距離通倌。量子肯定是有阻運動,既是有介質的運動,而介質不會對虛無的量子起作用,介質只能對有質量的粒子運動時起傳播作用。光子一糾纏,好象成了無阻運動,瞬間出現在宇宙的任何地方,瞬間在無力到達的前題下還能相互改變對方的存在態,變神了,以後還有更多的神奇提法在後頭。

現代量子變味了,成了只屬於個別人懂的神學,成了個別人的搖錢樹,說什麼就是什麼,忽悠什麼都是真。糾纏一方的單光子能縱橫整個宇宙,糾纏光子速度是光速的10000倍;密鑰不作為信息卻同強激光一起發射,不確定性隱性傳輸,…………。糾纏光子一坍塌,非定域論瞬間變為定域論,不確定性瞬間變為確定性,而定域論和確定性長時間再不糾纏就是量子力學不允許的在的態,矛盾重重。量子變味了,左搖右擺,有說有改的,成了忽悠式的欺騙,成了個別人的專利,成了無法理解的神學。


蘭天196926837


最早普朗克在解釋黑洞輻射是提出量子的概念,採用能量最小單位的概念。愛因斯坦提出光波其實是光量子的組合解釋光電效應得到了巨大的成功,因此得到了諾貝爾獎。從此量子的概念得到了真正的認定。

有些吃瓜群眾不知道“量子”其中的道理,是因為被錯誤概念和字面誤導。其實道理很簡單,量子的出現就是因為微觀世界的物質已經不可再分造成的。

舉個現實中的量子概念例子,你去超市買糖果你可以要任意斤數量的糖果(只要超市有),但仔細的人會發現,其實最小的單位是有的就是一顆糖的重量。增加或減少只能以最小單位一顆糖為單位,不能把一顆糖再分開。這就是在微觀世界物質不可再分出現的正常現象,在原子的微觀世界,原子中的電子是一個一個的,質子中子也是,光其實也是一個一個光量子組合。所以就出現了物理中的量子概念,就是每一個電子或光量子等微粒子所帶的能量有個最小單位,不能再分,這個單位就是普朗克常數h,在微觀世界能量是一份一份的就是這樣來的,雖然能量是一份一份的但並不代表能量不連續,在微觀世界中可以用一個一個的計數就說明是連續的。就像是元素週期表,元素週期按質子數一個一個排列,就是連續的週期,如果出現半個質子反而不正常。如光的能量E=hv,v光的頻率是可以是個連續量,所以光量子的能量從宏觀上可以做到能量連續,其他粒子也一樣。


維度開拓者


量子,不要單看到那個“子”就認為和其它粒子一樣,這裡要看前面的那個“量”,之所以為量,就是一份一份一份的“量”。量子並不是粒子。

起初,普朗克為了解決紫外災變,而提出能量是一份份的傳遞的,而在此之前,人們都認為能量是連續的。

1905年,愛因斯坦提出了光電效應,並假設了“光子”這個概念,要知道,在此之前,人們都認為光是一種波,而且,前面的關於光是波還是粒子的爭論都是以光是波勝出。而愛因斯坦說,光也是一份份傳遞的,這一份就是“光量子”,提出了光的“波粒二象性”,後來德布羅意在此基礎上提出一切物質粒子都具有波粒二象性。

量子就是一份份的能量,物體吸收電磁波只能以一份份的量子來吸收,同樣發射也是。“光子”、“引力子”都是在此基礎上提出的。


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