建築女磚家
量子力學是一個極為複雜、奇妙而又詭異的物理學理論。
它是現代物理學兩大支柱之一,另一個是相對論。
如果算上20世紀以前,那就再加上個經典力學。
提到經典力學你會想到牛頓,提到相對論你會想到愛因斯坦。
可對於量子力學,還真想不出一個特別代表人物!而且感覺有點玄乎!甚至是好多頂級科學家們對量子論也是這一印象吧。
1、量子力學研究啥?
到目前為止我們知道:
物質是由分子構成的;
分子是由原子構成的;
原子包括原子核和電子;
原子核又包括質子和中子;
質子裡面又發現了夸克。
夸克是我們目前知道的最小的粒子。
這些粒子就構成了微觀世界。
量子力學是研究微觀世界的這些粒子的,這些粒子是什麼結構,怎麼運動的,有啥樣的規律,量子力學就是幹這個的。
與之對應的是相對論,相對論是研究宏觀世界的物體是怎樣運動的,宇宙、星體、時空、引力什麼的。
到目前為止,這兩種物理學理論只能適用於各自掌管的世界,量子力學掌管著微觀世界,而相對論則掌管著宏觀世界。相對論無法解釋微觀粒子,同樣量子力學也無法解釋宏觀宇宙
2、量子力學從什麼時候開始的?
事情要從19世紀末的三位著名科學家說起。
一位是開爾文,熱力學鼻祖,溫度單位是以他命名的。
一位是普朗克,量子力學的開創者。
一位就是愛因斯坦。
而那個時代是經典物理學的天下。
何謂經典物理學?
牛頓的經典力學。
麥克斯韋的電磁場理論。
熱力學三定律、分子運動論。
經典光學理論。
經典物理學認為:
原子不能再分了,它是最小的。
熱就是大量分子亂七八糟運動的結果,越亂越熱。
存在正負兩種電荷,電荷產生電場,電場產生磁場,電磁場結合又產生電磁波。
熱輻射、可見光、紫外線等等統統都是電磁波。
力、熱、光、電等現象甭管多複雜,都遵循能量守恆定律。
基本都是初中物理知識。
於是在當時形勢一片大好的情況下,德高望重的英國科學家開爾文爵士說了這麼一句話。
“十九世紀我們已將物理學大廈全部建成,今後物理學家的任務就是裝修這座大廈……,當然,物理學晴朗的天空中還飄著兩朵小小的烏雲,一朵是黑體輻射中的紫外災難,一朵是邁克爾遜-莫雷干涉實驗的以太零結果。”
開爾文(1824~1907)
完了,話說大了,老爺子英明一生,臨了來了這麼一句話。
正是他說的這兩朵晴朗天空上的小小烏雲,最終演化成了兩場狂風暴雨,一場暴雨澆出了量子力學,一場澆出了相對論。
對黑體輻射紫外災難的研究讓普朗克提出了能量量子化,量子力學橫空出世。
對邁克爾遜-莫雷干涉實驗的以太零結果的研究讓愛因斯坦提出狹義相對論的理論,相對論就此登場。
這兩種革命性理論的到來將物理學分為兩個時代。在相對論和量子力學出現之前所發展的所有理論以及從它們衍生的任何理論都被稱為經典物理學。而從相對論和量子力學理論中得出的所有理論都被稱為現代物理學。
3、量子到底是啥?
我們前面提到19世紀末物理學界的一朵烏雲是黑體輻射紫外災難。
啥是黑體輻射?啥又是紫外災難?
19世紀中期的時候,一些科學家(打鐵匠)搞了一些實驗。
給一個鐵塊加熱,過了一會,這個鐵塊變紅了。
繼續加熱,又過了一會,這個鐵塊變成橙色了。
繼續加熱,又過了一會,這個鐵塊變成白色了。
此時,常識都可以告訴我們,白色的鐵塊最熱,所謂的白熱化就是如此。
換成科學的說法:
紅色的鐵塊發射紅光,紅光頻率較低,輻射能量較低,較熱。
橙色的鐵塊發射橙光,橙光頻率變高,輻射能量變高,很熱。
白色的鐵塊發射白光,白光頻率更高,輻射能量更高,非常熱。
……
於是經典物理學的理論:光波的頻率越高,輻射強度越大。
但是實測結果非常打臉,見下圖,注意橫軸是波長,光的頻率與波長成反比。
實測結果是:
只有在紅外線範圍內(紅色右邊部分),光波頻率與輻射強度成正比。
而在紫外線範圍內(紫色左邊部分),光波頻率與輻射強度成反比。
這個結果讓當時幾乎所有這個領域的物理學家懵了,為什麼輻射強度在紅外階段,與光波頻率成正比,而到了紫外階段,輻射強度就與光波頻率成反比了。
這個實驗就是黑體輻射。
這個結果就是紫外災難。
這個結果經典物理學無法解釋。
這朵烏雲就此結成。
這時普朗克出場了。
普朗克(1858~1947)
為什麼經典物理學無法解釋黑體輻射?
因為在經典物理學中,時間、空間、能量、光、電、熱統統都是連續不斷的,可以無限被分割的,這在數學和哲學上也是完全成立的。
所謂 “一尺之棰,日取其半,萬世不竭”。
注意,經典物理學認為能量是連續的。
而普朗克卻提出疑問為什麼能量是連續的?
他一沒做實驗,二沒調查研究,直接從數學的角度出發。
假設能量不是連續的!
而是一股一股的向外冒,每次冒出一小包能量。
就像開機關槍似的,再快,每個瞬間也只能射出一個子彈,那這事兒就有的聊了。
他把這個小包能量起了個優美的名字,叫能量子。
而且他認為這個能量子就是能量的最小單位,再多的能量也只能是這個能量子的整數倍。
而這個能量子的能量怎麼算呢?
光波頻率乘以一個普朗克自己推導出來的常數,這個常數就是普朗克常數。
普朗克常數:h=6.626 × 10E-34 J·s
在此基礎上,普朗克又搞出一個普朗克公式,用來解釋上面的黑體輻射結果。這個公式有點複雜,別看了,看也看不懂。
總之,這個普朗克公式與黑體輻射測試結果完美契合!
好吧,我用自己的語言再解釋一下。
前文引用:
“
只有在紅外線範圍內(紅色右邊部分),光波頻率與輻射強度成正比。
而在紫外線範圍內(紫色左邊部分),光波頻率與輻射強度成反比。
”
這樣解釋:
在紅外線範圍內,光波頻率提高,所以單個能量子能量也提高,能量子數量可能會降低,但是總的能量的提高的,輻射強度也是提高的。
光波頻率繼續提高,到達了紫外線範圍內,雖然單個能量子的能量又提高了,但是能量的數量還是降低的,到達臨界值後,總的能量反而降低了,輻射強度也隨之降低了。
繼續解釋:
紅外線範圍內發生的事相當於捱揍,別人5秒一拳的揍你,頻率較低,很疼。
還是在紅外線範圍內,別人1秒一拳的揍你,頻率較高,更疼。
施暴者出拳的頻率增加了,到達紫外線範圍內,1秒五拳的捶你的後背,力量必然降低,你是什麼感受?很舒服,這是按摩。
好吧,1900年,普朗克提出了能量子的假設,並完美的解釋了黑體輻射的紫外災難。
該理論一提出,物理學界譁然!
這是瘋狂的想法!
這是醜陋的理論!
世界居然不是連續的,這一點也不優美!
有意思的是,普朗克本人也這麼認為。
普朗克在量子力學領域的建樹,僅限於此,此外他依然沉浸於經典物理學之中。
而18年後,普朗克因為此項成就而獲得諾貝爾物理學獎。
所以,一般認為普朗克是量子力學之父!
4、還有啥是量子?
我們先岔開話題。
我們回到17世紀。
光是什麼?
牛頓說:
光一種粒子。
發光就是物體發射出粒子。
光直線傳播就是一堆粒子向前飛。
反射就是粒子撞到東西反彈回來了。
粒子進入你的眼睛裡,你就能看見那個發光物體了。
惠更斯說:
光一種波。
光是某種振動以波的形式向外傳播。
牛頓問:
聲音才是波,如果光也是一種波,那我躲在拐角說話,你能看見我嗎?看不到吧,但是能聽見我。
惠更斯:???
惠更斯反問:那你怎麼解釋光在兩種介質的界面上會同時發生反射和折射?
那你怎麼解釋幾束光交叉後會繼續向前傳播?如果是粒子咋不撞開呢?
牛頓:???
牛頓:???
牛頓:我是牛頓!
這就是17世紀著名的光微粒說與波動說之爭。
可以說兩種理論對光的現象的解釋各有成功和不足之處。
但是由於牛頓的江湖地位,所以微粒說完全佔據了主導地位。
直到19世紀初事情才出現了轉機。
一個叫托馬斯·楊的英國物理學家做了一個實驗。
楊氏雙縫干涉實驗
把光源放在一張開了兩道平行狹縫的紙片前,光穿過兩道狹縫後投到屏幕上。
結果,透過雙縫的光會形成一系列明、暗相間的條紋。
如果是粒子的話,應該是兩條豎線啊。
而一系列明、暗相間的條紋?
這是波才有的性質。波峰相加形成明條紋,波谷相加形成暗條紋。
因此光還是一種波。
這個實驗中學物理課本里就有,就是著名的楊氏雙縫干涉實驗。
楊氏雙縫干涉實驗,使得光的波動學說起死復生,所以意義非同凡響。
此時,雖然牛頓已經去世80多年了。
但是,以托馬斯楊的個人魅力顯然無法與牛頓相提並論,所以實驗做就做了吧!
又過了大約50年,一位天才物理學家出現了,事情才出現了極度的反轉。
對於物理學家排名,是牛頓第一還是愛因斯坦第一,見仁見智。
但是對於老三,幾乎沒有爭議。
是麥克斯韋!
麥克斯韋(1831~1879)
麥克斯韋建立的一套電磁場的理論,他將電學、磁學、光學全部統一起來,可以說是19世紀物理界最光輝的成就,沒有之一。
他針對電磁學推導出的麥克斯韋方程組,是物理學界公認的最優美的公式。
麥克斯韋方程組
要知道如果沒有電磁學,那現代我們一切的電力工業、電子工業都無從談起,也就不可能有現代文明。
當然捎帶著他還做了一個推理:有一種電磁波的東西,光就是這種電磁波。
注意,他只是推理,或者說是預測。因為他是一名理論物理學家,從不做實驗。
但這就夠了,因為後來另一名物理學家赫茲通過實驗的方法發現了,確實有電磁波這種東西,它與光一樣,可以發生反射、折射,其速度與光速一樣,是30萬千米每秒。
光的波動學說至此又站了起來。
你以為事情完了嗎?沒有
還是這位赫茲先生,他在證實光是電磁波的過程中還發現了另一個現象。
他發現:在光的照射下某些金屬表面會發射出電子,而且發射出電子的數量與光的強度無關,只與光的頻率有關。
這種現象後來被命名為光電效應。
但是波動說無法解釋光電效應。
波動說認為光的能量與光的強度有關,光越強,光照時間長,金屬中的電子獲得能量多,電子就能從金屬表面逸出,而這個實驗表明,頻率低於某一特定值的光無論光照時間多長,無論強度多大,也不能產生光電效應。
光波動學說,成也赫茲,敗也赫茲。
誰能解釋光電效應?
愛因斯坦!
愛因斯坦(1879~1955)
愛因斯坦說光是波,也是粒子。
暈吧!
愛因斯坦說光整體上看是波,分段看是粒子,注意這個粒子不是牛頓那個粒子。
這個粒子愛因斯坦也起了個優美的名字,叫光量子,也叫光子。
愛因斯坦認為,光是不連續的。
光是由一份一份不連續的光子組成,光子是有能量的。
當某一光子到達金屬表面時,它的能量被該金屬中的某個電子全部吸收。
電子吸收光子的能量後迅速活躍,如果活躍程度大到足以克服原子核對它的引力,就會發射出電子。
電子接收光子只能一個個接收,而且能量不會在電子上累加。
而且這個光子的能量是普朗克常數乘以頻率。
實話實說,愛因斯坦受到了普朗克的啟發。
愛因斯坦用這種觀點解釋了這種現象,並得出了公式,其結果與實驗相符。
這種解釋也叫光的波粒二象性。
這事發生在1905年。
而愛因斯坦因此而獲得諾貝爾物理學獎實在1921年。
注意是表彰他在光電效應解釋上,不是相對論。
5、給量子一個定義
好吧,我們給量子一個定義。
量子:一個不可以再繼續分割的基本單位。
如果一個物理量存在小到不能再分割的基本單位,我們就可以認為這個物理量是量子化的,並把這個物理量的最小單位稱為——量子。
只要是不連續的,就是量子化的。
前面的提到的能量是量子化的,能量值只能1個能量子、2個能量子……不存在1.5個能量子。
如果把人群看做是物理量的話,那麼人的個數也是量子化的,只能是1個人、2個人……,沒有1.5個人。
那麼粒子和量子又有什麼關係呢?
粒子是客觀存在的。
量子是一種物理概念、思想
量子可以描述粒子。
量子力學這種理論就是描述粒子的結構以及運動狀態的。
量子是世界不連續性的一種表現,即空間、時間、物質和能量都是不連續的,有最小單位。這種不連續性在微觀世界表現明顯,而在宏觀世界,這種效應極其微弱,通常不做考慮。
現在你懂什麼是量子力學了嗎?
如果你還是不懂,那你贏了。
“
誰要是懂量子力學,那麼他就是真的不懂量子力學。
”
這是著名的物理學家理查德·費曼說的,他因量子力學領域的貢獻而獲得1965年的諾貝爾物理學獎。
一頭霧水吧。
獨讀吧
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
沈大哥
量子按照中文的意思就是可以被量化的粒子。最開始的時候因為研究的是能量,涉及到光子,所以這種被量化特指能量是可以被量化的,即能量有最小的基本單位。之後發展到很多物理量都是可以量化的,比如自旋、角動量、電荷都是可以量化的,存在一個最小的基本單位。因此光子也被稱為光量子。
隨著人們認識的深入,逐漸發現除了光子外,其它粒子也具有類似光量子的可量子化屬性,有些物理量也是存在基本的最小單位,它們的部分理化性質不可用常規物理規律描述,因此這些粒子都具有量子的屬性,都可以在某種程度上被稱為量子。
除了發現粒子有量子特性,科學家們還發現一些納米級的材料也具有量子化特性。後續經過研究發現,尺寸只要小於一定程度,物質都會具有某些量子特性。比如半導體量子點,它就是尺寸小於10nm,具有量子尺寸效應,可以發射強烈熒光的半導體納米顆粒。除了半導體量子點,還有碳量子點,黑磷量子點等等各種類型的納米材料。
所以,現在的量子已經是一個具有多重含義的詞語了,它即使名詞,又是動詞,不同的語境中含義也不一樣。
科學探秘頻道
欲知“究竟什麼是量子?如何理解量子?”請看下文:
量子到底為何物?
平時大家經常聽到“量子計算機”、“量子通信”、“量子糾纏”等等,感覺好像“量子”神了,無所不能。那麼,量子到底是什麼呢?
“量子”這個詞是“quantus”,來源於拉丁語,它意思是“多少”,代表“相當數量的某事物”。從中可以看出:量子是一個單純的數學概念。
“量子力學”只能給出相關原子事件結果的概率,簡而言之,就是統計原子事件結果出現的幾率。由此可見,量子其實是泛指比原子更小的粒子,也就是“亞原子”。量子是對亞原子的泛稱,並不是特指哪種基本粒子。比如:電子、中微子、光子等等都可以稱為量子。
就好比要測試汽車的“壽命”和“故障率”,就要研究組成汽車的零配件的“壽命”、“疲勞強度”、“老化率”等等。這時,就可以把汽車上的不同零配件看成組成汽車不同的量子。因為汽車的零配件的壽命直接決定了汽車的壽命和故障率。
當然,你非要說汽車上路後可能會“碰撞”、“刮擦”,甚至地陷掉到坑裡或被大水沖走。只能說這屬於“偶然事件”或“意外事件”,和汽車本身壽命或故障率是兩回事。
所以說,量子是物質物理量特性的最小單元,不能再分割的基本個體。
而“量子化”是指其物理量的數值是“離散”(不連續)的、“一份一份”的,而且是最小單元的整數倍(只能取整數,不能有小數),不是連續地任意取值。
“連續”和“離散”可以理解成實線和虛線,但還有點不同:
實線是連續的,計算方法,可以去測量,測量值可以是任意值;
虛線是離散的,量子方面的計算方法,不能去測量,而是數“個數”(有多少個),一小段代表一個。
比如說:光子(光量子),可以說一個光子,兩個光子,三個光子,十個光子,但不能說1.1個光子,1.2個光子,1.3個光子。
這裡有一個笑話,也能說明這個問題:
有個人記性不好,為了怕忘記事情,他就在門背後裝了一塊“黑板”,專門記載他認為重要的事。
有一天,他的鄰居向他借了一個雞蛋,他就在黑板上畫了一個小圓圈代表雞蛋(他一般都用小圓圈代表雞蛋,這個不會記錯)。
接下來五天,每天借一個雞蛋,又借了他五個雞蛋。
他又在黑板上依次畫了五個小圓圈,形成很整齊的一列。
現在總共畫了六個小圓圈。
第八天時,他的鄰居買回來雞蛋,把六個雞蛋一次性還給他。
他為了記住他曾經借給他鄰居雞蛋(也就是說,他認為他鄰居欠他一個人情),他從六個雞蛋中間畫了一條豎線,表示一筆勾銷,借雞蛋的事就算完了,並在旁邊標上日期。
但過了兩天,也就是到了第十天,他找他鄰居說:“你欠我一串糖葫蘆,什麼時候還?”
他鄰居很詫異,更很納悶,理不出頭緒:“我什麼時候借了你糖葫蘆?”
他說:“兩天前,我都記著呢!”
他拉他鄰居看他在黑板上做的記錄。
他鄰居看過後,哭笑不得:知道他記性不好,愛做標識,但沒想到把還雞蛋變成了糖葫蘆。又一想,糖葫蘆沒有多少錢,權當付點利息,改天給他買了一串糖葫蘆。這次把記錄擦掉,以防節外生枝。
這裡的一串糖葫蘆有六個小圓圈。每個小圓圈就相當於一個量子。如果畫半個圓的話,那就成了“葫蘆瓢”,古時放在水缸裡,用來取水,性質就完全變了。
宏觀世界裡的例子很多,再比如一列火車:
一列火車有好多節車廂,每節車廂就可以看成一個“量子”,量子化就是一節車廂一節車廂的,沒有說有半節車廂的。
量子最初出現時,既不“合情”,也不“合理”,更不“合適”,但實驗數據需要它,又不能不出現,正如唐朝詩人白居易《琵琶行》裡所描述的:“千呼萬喚始出來,猶抱琵琶半遮面。”
當人們慢慢接受“量子”時,才發現“量子”的確是個好東西,應該“大有可為”。正如唐朝詩人白居易《琵琶行》裡所描述的:“轉軸撥絃三兩聲,未成曲調先有情。弦弦掩抑聲聲思,似訴平生不得志。”
當“量子”應用於各個行業“遍地開花”,深入人心時,正如唐朝詩人白居易《琵琶行》裡所描述的:“銀瓶乍破水漿迸,鐵騎突出刀槍鳴。”一發不可收拾,成了“制勝法寶”,引發了物理學的一次深刻轉型。
瞭解了這些,相信很多人對量子已有“初步”的瞭解和認識,而不是“抽象”的認識,接下來,再瞭解一下量子的發展史,預知詳情,請看下篇。
十年一劍XYF
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
量子,最簡單的理解就是“能量粒子”。
普朗克在研究黑體輻射時,發現經典理論不能解釋一些現象,當他創造性打破經典物理學的能量均分定理,將以前認為能量是連續變化的變成能量是離散的,一份份的“能量子”之後,成功的解釋了黑體輻射的問題。
普朗克認為“能量子"是能量的最小單位,普朗克在1900年12月14日的德國物理學學會會議中第一次發表了能量量子化數值,標誌著量子力學的誕生。
其後,1905年,愛因斯坦借鑑普朗克“量子”的概念,提出了“光量子”的說法,提出光具有波動性和粒子性,從而完美的解釋了光電效應。
光量子簡稱為光子,這麼一簡化,反而讓人誤解光子只具有粒子性了,而不是光線能量的最小單位。
老郭的封面
量子力學中的“量子”到底是什麼東西?
也許這應該請翻譯出來背鍋,準確的描述應該是“量能”,因為它描述的是能量而非物質,而這個翻譯的量子卻讓人毫無懸念的理解成了中子或者質子這樣的物質概念!
世界不是連續的,後面接的那句大家應該耳熟能詳了吧.....而是一份一份的!!那麼這一份份的哦世界是怎麼來的呢?
從1894年開始到1900年,普朗克在黑體輻射的研究上浸淫了超過6年,但進展甚微,因為當前流行的維恩公式僅僅在短波範圍內起作用而瑞利公式則在長波範圍內起作用,似乎在這之間沒有一個通用的公式可將之整合起來,而之間似乎還有不小的差距!
普朗克利用了數學上的內插法將這兩個公式湊成了他想象中的那個公式,分別適用與這些個不同的波長的應用範圍!!但如果要滿足這個公式必須有一個前提,那就得假設能量的發射與接收時,不是連續的......不是連續的......不是連續的......現代已經普遍接受了量子理論後也許並不覺得這是一件多突兀的事件,但在基本還處在牛頓經典力學的二十世紀初確實是一個顛覆性的事件!!終於有一天,經典力學所構建的大廈根基在量子力學的剛剛開始建立的二十世紀初期開始崩塌了,其實用“崩塌”形容還是有些誇張,因為兩者在不同的領域仍然發揮著各自的作用!
在1900年的12約14日這個載入量子力學史冊的日子,普朗克在德國物理學會上發表了《黑體光譜中的能量分佈》中描述:
“為了找出N個振子具有總能量的可能性,我們必須假設能量是不可連續分割的,它只能是一些基本的量的有限總和……”普朗克在《黑體光譜中的能量分佈》中將這最小能量單位稱為“能量子”,但在另一論文中又改成了“量子”!
一份份的概念中,還有普朗克長度:1.6×10^35米
普朗克時間:1.6×10^-35/c^2 = 5.4×10^-44秒
所以各位注意了,量子並不是某種物質最小單位的概念哦.......
星辰大海路上的種花家
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
在回答量子為何物之前,首先需要我們瞭解量子的來歷。
在二十世紀以前,經典熱力學認為,能量是連續的。當時有兩個黑體輻射公式,它們分別適用於紅外端和紫外端。
然而,由於連續的能量,會使能量集中在紫外端輻射☢️。這是與實際情況相矛盾的。於是,能量的紫外端輻射被稱為紫外災變,是十九世紀飄在經典物理學頭上的兩朵烏雲☁️之一。
為了統一黑體輻射公式,為了消除連續能量所引起的紫外災變,德國物理學家普朗克於1900年提出了一個新的黑體輻射公式。在該公式中,普朗克引入了一個量綱為粒子角動量的物理常數h。其具體數值為,6.623x10-27爾格秒。
於是,新的黑體輻射公式,不僅避免了紫外災變,還將原來的兩個輻射公式統一了起來。它們分別是新公式在紅外端和紫外端的兩個不同的極限。
於是,普朗克完好地解決了這一長期以來困擾物理學界的難題。其留給人們思考🤔的問題是,普朗克常數h的含義是什麼?為什麼在我們的宇宙中存在著這樣一個物理常數?
1905年,愛因斯坦為了解釋光電效應,他認為光是不可再分的最小粒子,其具體的大小是由普朗克常數h定量的。因此,光的本質是光量子,是由於電子能級的躍遷所激發的量子。
正是因為普朗克與愛因斯坦的上述工作,為量子力學的建立奠定了基礎。不過,在理論界,對於量子究竟為何物,存在著較大的爭論。
主流學派認為,普朗克常數h的存在,僅意味著能量存在著最小份額。因而,能量是不連續的。他們並沒有更進一步地認為,量子是不可再分的最小粒子。
於是,為了瞭解量子,需要我們知道能量是什麼。為什麼能量存在著最小份額?作為類比,如果我們說水是不連續的,其存在著最小的份額,是什麼含義呢?
根據布朗運動,細小的花粉在水中具有一定的無規運動。這說明水是由無數個離散的水分子構成的。由於花粉的半徑小於水分子之間的距離,使花粉受到水分子的碰撞💥是不對稱的。由此,花粉獲得了水分子的部分動能,產生了熱運動。
由於物質並非實體,其僅只是由粒子的運動所形成的封閉體系。所以,作為物質的物理參量,質量是被封閉的粒子關於其空間效應的度量。於是,與質量相對應的能量,其定義是開放的粒子關於其運動能力的度量。
由上述能量的定義以及水是由離散的水分子構成的,可以推斷,正是因為存在著不可再分的最小粒子,才使得能量具有不連續性。而能量的最小份額,就是關於最小粒子運動能力的度量。
於是,量綱為角動量的普朗克常數h,就是該最小粒子的角動量,其具有相對於最小粒子能量的不變性。
所以,量子是不可再分的最小粒子。而能量的最小份額,僅只是最小粒子的存在所產生的表觀現象。
由於人類的認識是有限的,對於同一個現象可以有多種不同的解釋。所以,對於量子的理解也是多樣化的,我們並不能認定量子是最小粒子的這一解釋是絕對正確的。
判定正確與否的標準,是比較不同的解釋能否擴展我們的認識,形成統一的理論。如果只有一種解釋,那麼無論其功效如何,都會得到認可;如果是多個解釋,我們就採信能夠獲得統一認識的那個解釋。
量子是不可再分的最小粒子這一觀點,可以解釋不同領域中的許多新的物理現象。由此說明,量子的粒子性是有道理的。
比如,所有的微觀粒子都具有波動性,類似花粉在水中的熱運動,說明存在著由無數個離散的量子構成的物理背景,即存在著量子空間。
比如,存在著統一的微波背景輻射溫度,說明我們宇宙的物理背景是由無數個由普朗克常數h定量的最小粒子(量子)構成的。這些量子具有一定的熱運動,是宇宙膨脹所殘留的能量。
比如,物體的運動會受到光速的限制🚫,說明存在著由離散的量子構成的物理背景。當物體的速度接近於量子的速度時,類似於聲障,就會受到極大的阻力,從而使其能量的增大由原來的動能形式轉變為相對於量子空間的勢能形式。
比如,物質的熱輻射會使量子空間形成熱的梯度分佈。於是,兩物體之間的空間量子會由於疊加效應而具有較高的溫度,從而提高了它們對物體的穿透概率,使兩物體的外側獲得了更多的量子碰撞。由此形成的量子空間壓力差,就是萬有引力。
總之,由於量子的粒子性可以使各種不同的物理現象獲得統一的解釋,使我們形成了一個有機的量子宇宙觀。所以,我們有理由相信,由普朗克常數h定量的量子,就是我們宇宙中的最小粒子。