量子力学中的“量子”到底是什么东西?

建筑女砖家


量子力学是一个极为复杂、奇妙而又诡异的物理学理论。

它是现代物理学两大支柱之一,另一个是相对论。

如果算上20世纪以前,那就再加上个经典力学。


提到经典力学你会想到牛顿,提到相对论你会想到爱因斯坦。

可对于量子力学,还真想不出一个特别代表人物!而且感觉有点玄乎!甚至是好多顶级科学家们对量子论也是这一印象吧。


1、量子力学研究啥?


到目前为止我们知道:

物质是由分子构成的;

分子是由原子构成的;

原子包括原子核和电子;

原子核又包括质子和中子;

质子里面又发现了夸克。

夸克是我们目前知道的最小的粒子。

这些粒子就构成了微观世界。


量子力学是研究微观世界的这些粒子的,这些粒子是什么结构,怎么运动的,有啥样的规律,量子力学就是干这个的。


与之对应的是相对论,相对论是研究宏观世界的物体是怎样运动的,宇宙、星体、时空、引力什么的。


到目前为止,这两种物理学理论只能适用于各自掌管的世界,量子力学掌管着微观世界,而相对论则掌管着宏观世界。相对论无法解释微观粒子,同样量子力学也无法解释宏观宇宙


2、量子力学从什么时候开始的?


事情要从19世纪末的三位著名科学家说起。

一位是开尔文,热力学鼻祖,温度单位是以他命名的。

一位是普朗克,量子力学的开创者。

一位就是爱因斯坦。


而那个时代是经典物理学的天下。


何谓经典物理学?

牛顿的经典力学。

麦克斯韦的电磁场理论。

热力学三定律、分子运动论。

经典光学理论。


经典物理学认为:

原子不能再分了,它是最小的。

热就是大量分子乱七八糟运动的结果,越乱越热。

存在正负两种电荷,电荷产生电场,电场产生磁场,电磁场结合又产生电磁波。

热辐射、可见光、紫外线等等统统都是电磁波。

力、热、光、电等现象甭管多复杂,都遵循能量守恒定律。

基本都是初中物理知识。


于是在当时形势一片大好的情况下,德高望重的英国科学家开尔文爵士说了这么一句话。


十九世纪我们已将物理学大厦全部建成,今后物理学家的任务就是装修这座大厦……,当然,物理学晴朗的天空中还飘着两朵小小的乌云,一朵是黑体辐射中的紫外灾难,一朵是迈克尔逊-莫雷干涉实验的以太零结果。

开尔文(1824~1907)


完了,话说大了,老爷子英明一生,临了来了这么一句话。


正是他说的这两朵晴朗天空上的小小乌云,最终演化成了两场狂风暴雨,一场暴雨浇出了量子力学,一场浇出了相对论。


对黑体辐射紫外灾难的研究让普朗克提出了能量量子化,量子力学横空出世。

对迈克尔逊-莫雷干涉实验的以太零结果的研究让爱因斯坦提出狭义相对论的理论,相对论就此登场。


这两种革命性理论的到来将物理学分为两个时代。在相对论和量子力学出现之前所发展的所有理论以及从它们衍生的任何理论都被称为经典物理学。而从相对论和量子力学理论中得出的所有理论都被称为现代物理学。



3、量子到底是啥?


我们前面提到19世纪末物理学界的一朵乌云是黑体辐射紫外灾难。

啥是黑体辐射?啥又是紫外灾难?


19世纪中期的时候,一些科学家(打铁匠)搞了一些实验。

给一个铁块加热,过了一会,这个铁块变红了。

继续加热,又过了一会,这个铁块变成橙色了。

继续加热,又过了一会,这个铁块变成白色了。

此时,常识都可以告诉我们,白色的铁块最热,所谓的白热化就是如此。


换成科学的说法:

红色的铁块发射红光,红光频率较低,辐射能量较低,较热。

橙色的铁块发射橙光,橙光频率变高,辐射能量变高,很热。

白色的铁块发射白光,白光频率更高,辐射能量更高,非常热。

……

于是经典物理学的理论:光波的频率越高,辐射强度越大。


但是实测结果非常打脸,见下图,注意横轴是波长,光的频率与波长成反比。

实测结果是:

只有在红外线范围内(红色右边部分),光波频率与辐射强度成正比。

而在紫外线范围内(紫色左边部分),光波频率与辐射强度成反比。

这个结果让当时几乎所有这个领域的物理学家懵了,为什么辐射强度在红外阶段,与光波频率成正比,而到了紫外阶段,辐射强度就与光波频率成反比了。


这个实验就是黑体辐射。

这个结果就是紫外灾难。

这个结果经典物理学无法解释。

这朵乌云就此结成。


这时普朗克出场了。

普朗克(1858~1947)


为什么经典物理学无法解释黑体辐射?

因为在经典物理学中,时间、空间、能量、光、电、热统统都是连续不断的,可以无限被分割的,这在数学和哲学上也是完全成立的。

所谓 “一尺之棰,日取其半,万世不竭”。

注意,经典物理学认为能量是连续的。


而普朗克却提出疑问为什么能量是连续的?

他一没做实验,二没调查研究,直接从数学的角度出发。

假设能量不是连续的!

而是一股一股的向外冒,每次冒出一小包能量。

就像开机关枪似的,再快,每个瞬间也只能射出一个子弹,那这事儿就有的聊了。


他把这个小包能量起了个优美的名字,叫能量子。

而且他认为这个能量子就是能量的最小单位,再多的能量也只能是这个能量子的整数倍。

而这个能量子的能量怎么算呢?

光波频率乘以一个普朗克自己推导出来的常数,这个常数就是普朗克常数。

普朗克常数:h=6.626 × 10E-34 J·s

在此基础上,普朗克又搞出一个普朗克公式,用来解释上面的黑体辐射结果。这个公式有点复杂,别看了,看也看不懂。

总之,这个普朗克公式与黑体辐射测试结果完美契合!

好吧,我用自己的语言再解释一下。

前文引用:

只有在红外线范围内(红色右边部分),光波频率与辐射强度成正比。

而在紫外线范围内(紫色左边部分),光波频率与辐射强度成反比。

这样解释:

在红外线范围内,光波频率提高,所以单个能量子能量也提高,能量子数量可能会降低,但是总的能量的提高的,辐射强度也是提高的。

光波频率继续提高,到达了紫外线范围内,虽然单个能量子的能量又提高了,但是能量的数量还是降低的,到达临界值后,总的能量反而降低了,辐射强度也随之降低了。


继续解释:

红外线范围内发生的事相当于挨揍,别人5秒一拳的揍你,频率较低,很疼。

还是在红外线范围内,别人1秒一拳的揍你,频率较高,更疼。

施暴者出拳的频率增加了,到达紫外线范围内,1秒五拳的捶你的后背,力量必然降低,你是什么感受?很舒服,这是按摩。


好吧,1900年,普朗克提出了能量子的假设,并完美的解释了黑体辐射的紫外灾难。


该理论一提出,物理学界哗然!

这是疯狂的想法!

这是丑陋的理论!

世界居然不是连续的,这一点也不优美!


有意思的是,普朗克本人也这么认为。


普朗克在量子力学领域的建树,仅限于此,此外他依然沉浸于经典物理学之中。


而18年后,普朗克因为此项成就而获得诺贝尔物理学奖。


所以,一般认为普朗克是量子力学之父!


4、还有啥是量子?


我们先岔开话题。

我们回到17世纪。

光是什么?


牛顿说:

光一种粒子。

发光就是物体发射出粒子。

光直线传播就是一堆粒子向前飞。

反射就是粒子撞到东西反弹回来了。

粒子进入你的眼睛里,你就能看见那个发光物体了。


惠更斯说:

光一种波。

光是某种振动以波的形式向外传播。


牛顿问:

声音才是波,如果光也是一种波,那我躲在拐角说话,你能看见我吗?看不到吧,但是能听见我。

惠更斯:???


惠更斯反问:那你怎么解释光在两种介质的界面上会同时发生反射和折射?

那你怎么解释几束光交叉后会继续向前传播?如果是粒子咋不撞开呢?

牛顿:???

牛顿:???

牛顿:我是牛顿!



这就是17世纪著名的光微粒说与波动说之争。

可以说两种理论对光的现象的解释各有成功和不足之处。

但是由于牛顿的江湖地位,所以微粒说完全占据了主导地位。


直到19世纪初事情才出现了转机。

一个叫托马斯·杨的英国物理学家做了一个实验。

杨氏双缝干涉实验


把光源放在一张开了两道平行狭缝的纸片前,光穿过两道狭缝后投到屏幕上。

结果,透过双缝的光会形成一系列明、暗相间的条纹。

如果是粒子的话,应该是两条竖线啊。

而一系列明、暗相间的条纹?

这是波才有的性质。波峰相加形成明条纹,波谷相加形成暗条纹。

因此光还是一种波。

这个实验中学物理课本里就有,就是著名的杨氏双缝干涉实验。


杨氏双缝干涉实验,使得光的波动学说起死复生,所以意义非同凡响。

此时,虽然牛顿已经去世80多年了。

但是,以托马斯杨的个人魅力显然无法与牛顿相提并论,所以实验做就做了吧!


又过了大约50年,一位天才物理学家出现了,事情才出现了极度的反转。

对于物理学家排名,是牛顿第一还是爱因斯坦第一,见仁见智。

但是对于老三,几乎没有争议。

是麦克斯韦!

麦克斯韦(1831~1879)


麦克斯韦建立的一套电磁场的理论,他将电学、磁学、光学全部统一起来,可以说是19世纪物理界最光辉的成就,没有之一。

他针对电磁学推导出的麦克斯韦方程组,是物理学界公认的最优美的公式。


麦克斯韦方程组


要知道如果没有电磁学,那现代我们一切的电力工业、电子工业都无从谈起,也就不可能有现代文明。


当然捎带着他还做了一个推理:有一种电磁波的东西,光就是这种电磁波。

注意,他只是推理,或者说是预测。因为他是一名理论物理学家,从不做实验。


但这就够了,因为后来另一名物理学家赫兹通过实验的方法发现了,确实有电磁波这种东西,它与光一样,可以发生反射、折射,其速度与光速一样,是30万千米每秒。

光的波动学说至此又站了起来。


你以为事情完了吗?没有


还是这位赫兹先生,他在证实光是电磁波的过程中还发现了另一个现象。

他发现:在光的照射下某些金属表面会发射出电子,而且发射出电子的数量与光的强度无关,只与光的频率有关。

这种现象后来被命名为光电效应。

但是波动说无法解释光电效应。


波动说认为光的能量与光的强度有关,光越强,光照时间长,金属中的电子获得能量多,电子就能从金属表面逸出,而这个实验表明,频率低于某一特定值的光无论光照时间多长,无论强度多大,也不能产生光电效应。


光波动学说,成也赫兹,败也赫兹。


谁能解释光电效应?

爱因斯坦!

爱因斯坦(1879~1955)


爱因斯坦说光是波,也是粒子。

晕吧!

爱因斯坦说光整体上看是波,分段看是粒子,注意这个粒子不是牛顿那个粒子。

这个粒子爱因斯坦也起了个优美的名字,叫光量子,也叫光子。


爱因斯坦认为,光是不连续的。

光是由一份一份不连续的光子组成,光子是有能量的。

当某一光子到达金属表面时,它的能量被该金属中的某个电子全部吸收。

电子吸收光子的能量后迅速活跃,如果活跃程度大到足以克服原子核对它的引力,就会发射出电子。

电子接收光子只能一个个接收,而且能量不会在电子上累加。

而且这个光子的能量是普朗克常数乘以频率。

实话实说,爱因斯坦受到了普朗克的启发。

爱因斯坦用这种观点解释了这种现象,并得出了公式,其结果与实验相符。

这种解释也叫光的波粒二象性。


这事发生在1905年。

而爱因斯坦因此而获得诺贝尔物理学奖实在1921年。

注意是表彰他在光电效应解释上,不是相对论。


5、给量子一个定义

好吧,我们给量子一个定义。

量子:一个不可以再继续分割的基本单位。

如果一个物理量存在小到不能再分割的基本单位,我们就可以认为这个物理量是量子化的,并把这个物理量的最小单位称为——量子。

只要是不连续的,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个能量子、2个能量子……不存在1.5个能量子。

如果把人群看做是物理量的话,那么人的个数也是量子化的,只能是1个人、2个人……,没有1.5个人。


那么粒子和量子又有什么关系呢?

粒子是客观存在的。

量子是一种物理概念、思想

量子可以描述粒子。

量子力学这种理论就是描述粒子的结构以及运动状态的。


量子是世界不连续性的一种表现,即空间、时间、物质和能量都是不连续的,有最小单位。这种不连续性在微观世界表现明显,而在宏观世界,这种效应极其微弱,通常不做考虑。

现在你懂什么是量子力学了吗?


如果你还是不懂,那你赢了。

谁要是懂量子力学,那么他就是真的不懂量子力学。

这是著名的物理学家理查德·费曼说的,他因量子力学领域的贡献而获得1965年的诺贝尔物理学奖。


一头雾水吧。


独读吧


这里主要想澄清一个误解:

量子不是粒子!

量子不是粒子!

量子不是粒子!

重要的话说三遍。

没有任何一个粒子,可以被称之为「量子」。之所以引起误解,估计还是要翻译来背锅。

从最早的理论开始说吧。早期人们对于原子的认识,还停留在「行星模型」上。这个模型认为电子像行星一样,绕着原子核旋转。

但在电磁学建立之后,这个模型就暴露出了一个问题:旋转运动的电子,会在运动的同时发出电磁波,从而损失能量。能量损失了,它就会坠入原子核中。

这样的结构显然是不稳定的。但我们身边的物质都是非常稳定的。

必须有一个理论能解决这个矛盾。波尔提出了「波尔模型」,在这个模型中,他依然采取了行星的结构,但规定电子的轨道速度 x 半径需要是某一个值的整数倍。

也就是说,电子的角动量是间断的、不连续的。这样电子的能量也是不连续的。

电子会在不同的轨道上跃迁,在这个过程中,会释放、吸收光子,而这些光子的能量也是间断、不连续的。

就像一份一份的能量一样,而很多其他的物理量在量子力学中,也是不连续的、一份一份的。所以物理学家称之为「量子」。

「子」这个字,在这里只表示不连续、分立,但绝不是「粒子」的「子」。


章彦博





沈大哥


量子按照中文的意思就是可以被量化的粒子。最开始的时候因为研究的是能量,涉及到光子,所以这种被量化特指能量是可以被量化的,即能量有最小的基本单位。之后发展到很多物理量都是可以量化的,比如自旋、角动量、电荷都是可以量化的,存在一个最小的基本单位。因此光子也被称为光量子。



随着人们认识的深入,逐渐发现除了光子外,其它粒子也具有类似光量子的可量子化属性,有些物理量也是存在基本的最小单位,它们的部分理化性质不可用常规物理规律描述,因此这些粒子都具有量子的属性,都可以在某种程度上被称为量子。

除了发现粒子有量子特性,科学家们还发现一些纳米级的材料也具有量子化特性。后续经过研究发现,尺寸只要小于一定程度,物质都会具有某些量子特性。比如半导体量子点,它就是尺寸小于10nm,具有量子尺寸效应,可以发射强烈荧光的半导体纳米颗粒。除了半导体量子点,还有碳量子点,黑磷量子点等等各种类型的纳米材料。



所以,现在的量子已经是一个具有多重含义的词语了,它即使名词,又是动词,不同的语境中含义也不一样。


科学探秘频道


欲知“究竟什么是量子?如何理解量子?”请看下文:

量子到底为何物?

上篇分析了灵魂存在的“道理”,并指出了灵魂和量子之间的关系。

平时大家经常听到“量子计算机”、“量子通信”、“量子纠缠”等等,感觉好像“量子”神了,无所不能。那么,量子到底是什么呢?

“量子”这个词是“quantus”,来源于拉丁语,它意思是“多少”,代表“相当数量的某事物”。从中可以看出:量子是一个单纯的数学概念。

“量子力学”只能给出相关原子事件结果的概率,简而言之,就是统计原子事件结果出现的几率。由此可见,量子其实是泛指比原子更小的粒子,也就是“亚原子”。量子是对亚原子的泛称,并不是特指哪种基本粒子。比如:电子、中微子、光子等等都可以称为量子。

就好比要测试汽车的“寿命”和“故障率”,就要研究组成汽车的零配件的“寿命”、“疲劳强度”、“老化率”等等。这时,就可以把汽车上的不同零配件看成组成汽车不同的量子。因为汽车的零配件的寿命直接决定了汽车的寿命和故障率。

当然,你非要说汽车上路后可能会“碰撞”、“刮擦”,甚至地陷掉到坑里或被大水冲走。只能说这属于“偶然事件”或“意外事件”,和汽车本身寿命或故障率是两回事。

所以说,量子是物质物理量特性的最小单元,不能再分割的基本个体。

而“量子化”是指其物理量的数值是“离散”(不连续)的、“一份一份”的,而且是最小单元的整数倍(只能取整数,不能有小数),不是连续地任意取值。

“连续”和“离散”可以理解成实线和虚线,但还有点不同:

实线是连续的,计算方法,可以去测量,测量值可以是任意值;

虚线是离散的,量子方面的计算方法,不能去测量,而是数“个数”(有多少个),一小段代表一个。

比如说:光子(光量子),可以说一个光子,两个光子,三个光子,十个光子,但不能说1.1个光子,1.2个光子,1.3个光子。

这里有一个笑话,也能说明这个问题:

有个人记性不好,为了怕忘记事情,他就在门背后装了一块“黑板”,专门记载他认为重要的事。

有一天,他的邻居向他借了一个鸡蛋,他就在黑板上画了一个小圆圈代表鸡蛋(他一般都用小圆圈代表鸡蛋,这个不会记错)。

接下来五天,每天借一个鸡蛋,又借了他五个鸡蛋。

他又在黑板上依次画了五个小圆圈,形成很整齐的一列。

现在总共画了六个小圆圈。

第八天时,他的邻居买回来鸡蛋,把六个鸡蛋一次性还给他。

他为了记住他曾经借给他邻居鸡蛋(也就是说,他认为他邻居欠他一个人情),他从六个鸡蛋中间画了一条竖线,表示一笔勾销,借鸡蛋的事就算完了,并在旁边标上日期。

但过了两天,也就是到了第十天,他找他邻居说:“你欠我一串糖葫芦,什么时候还?”

他邻居很诧异,更很纳闷,理不出头绪:“我什么时候借了你糖葫芦?”

他说:“两天前,我都记着呢!”

他拉他邻居看他在黑板上做的记录。

他邻居看过后,哭笑不得:知道他记性不好,爱做标识,但没想到把还鸡蛋变成了糖葫芦。又一想,糖葫芦没有多少钱,权当付点利息,改天给他买了一串糖葫芦。这次把记录擦掉,以防节外生枝。

这里的一串糖葫芦有六个小圆圈。每个小圆圈就相当于一个量子。如果画半个圆的话,那就成了“葫芦瓢”,古时放在水缸里,用来取水,性质就完全变了。

宏观世界里的例子很多,再比如一列火车:

一列火车有好多节车厢,每节车厢就可以看成一个“量子”,量子化就是一节车厢一节车厢的,没有说有半节车厢的。

量子最初出现时,既不“合情”,也不“合理”,更不“合适”,但实验数据需要它,又不能不出现,正如唐朝诗人白居易《琵琶行》里所描述的:“千呼万唤始出来,犹抱琵琶半遮面。”

当人们慢慢接受“量子”时,才发现“量子”的确是个好东西,应该“大有可为”。正如唐朝诗人白居易《琵琶行》里所描述的:“转轴拨弦三两声,未成曲调先有情。弦弦掩抑声声思,似诉平生不得志。”

当“量子”应用于各个行业“遍地开花”,深入人心时,正如唐朝诗人白居易《琵琶行》里所描述的:“银瓶乍破水浆迸,铁骑突出刀枪鸣。”一发不可收拾,成了“制胜法宝”,引发了物理学的一次深刻转型。

了解了这些,相信很多人对量子已有“初步”的了解和认识,而不是“抽象”的认识,接下来,再了解一下量子的发展史,预知详情,请看下篇。


十年一剑XYF


量子(quantum)的本意是“一份”、“一份”的意思,这个词被普朗克用来描述他为了解释黑体辐射实验曲线所引入的一份、一份的能量。

黑体辐射研究的是具有一定温度的理想物体(所谓理想指的是这类物体对光的吸收率为1)发射的电磁辐射谱,横轴是电磁波的波长,纵轴是能量密度。

黑体辐射谱。

根据经典的电磁波理论,电磁波是横波,电磁波的能量由电场强度E的平方决定,而在经典物理中电场强度E是可以连续取值的。

举个例子,我们在坐标原点放一个电量为Q的点电荷,电场强度随距离r的关系是:

由于距离r的取值是连续的,电场E的取值也肯定是连续的。换句话说,根据经典理论,电磁波具有的能量应该是连续的。


但普朗克现在说电磁波所具有的能量只能是一份、一份的,这每一份就是一个量子。

普朗克的量子就是光量子,或者干脆叫光子。后来爱因斯坦又进一步发展了量子概念,提出光量子不仅具有一份、一份的能量,还具有确定的动量,和我们平时所见的粒子(小石头子)一样。

光是粒子其实是个很古老的想法,从古希腊哲学家到牛顿都认为光是粒子。

以量子为词根,还有一些变形,最著名的有量子化,所谓量子化是说一些物理量我们一直以为它的取值是连续的,但后来发现在微观物理学中变成是一个个分立取值的了。

最著名的量子化是能量量子化,比如电子在原子中能量的取值就是量子化的,此外还有角动量量子化等。

薛定谔针对电子在原子中的运动,提出了量子力学,解释了这种量子化的行为,薛定谔版本的量子力学就是把电子的运动描述为波函数,然后针对波函数求解一个偏微分方程,薛定谔说过一句很有名的话,“所谓量子化就是求解本征值问题!”

一维方势井的本征值问题。

因为在薛定谔的量子力学里,偏微分方程的求解归结为求解一系列本征方程,因为边界条件,能量本征值等自然而然就是分立的,或量子化的。

薛定谔的这套方法后来被狄拉克推广到相对论情形,以此为基础又发展出了量子场论等等。除了薛定谔版本的量子力学外,还有海森堡的矩阵力学,费曼的路径积分,这些在物理上都是等价的。

量子场论有很多版本,比如量子电动力学,量子色动力学等等。目前量子力学的这套方法在很多领域都取得了成功,只剩一个领域还没有被量子力学描述,就是引力,因为引力实在是太弱了,要想观察到引力的量子效应,得能量特别特别高才行。

在低温,小尺寸情形下,还有许多奇特的量子行为,比如量子电导,就是电导率变成量子化的了。

弦论是把引力量子化的候选方案之一,但因为需要验证弦论的能量太高了,目前这套理论尚缺乏实验证据。


物理思维


量子,最简单的理解就是“能量粒子”。

普朗克在研究黑体辐射时,发现经典理论不能解释一些现象,当他创造性打破经典物理学的能量均分定理,将以前认为能量是连续变化的变成能量是离散的,一份份的“能量子”之后,成功的解释了黑体辐射的问题。

普朗克认为“能量子"是能量的最小单位,普朗克在1900年12月14日的德国物理学学会会议中第一次发表了能量量子化数值,标志着量子力学的诞生。

其后,1905年,爱因斯坦借鉴普朗克“量子”的概念,提出了“光量子”的说法,提出光具有波动性和粒子性,从而完美的解释了光电效应。

光量子简称为光子,这么一简化,反而让人误解光子只具有粒子性了,而不是光线能量的最小单位。


老郭的封面


量子力学中的“量子”到底是什么东西?

也许这应该请翻译出来背锅,准确的描述应该是“量能”,因为它描述的是能量而非物质,而这个翻译的量子却让人毫无悬念的理解成了中子或者质子这样的物质概念!

世界不是连续的,后面接的那句大家应该耳熟能详了吧.....而是一份一份的!!那么这一份份的哦世界是怎么来的呢?

从1894年开始到1900年,普朗克在黑体辐射的研究上浸淫了超过6年,但进展甚微,因为当前流行的维恩公式仅仅在短波范围内起作用而瑞利公式则在长波范围内起作用,似乎在这之间没有一个通用的公式可将之整合起来,而之间似乎还有不小的差距!

普朗克利用了数学上的内插法将这两个公式凑成了他想象中的那个公式,分别适用与这些个不同的波长的应用范围!!但如果要满足这个公式必须有一个前提,那就得假设能量的发射与接收时,不是连续的......不是连续的......不是连续的......现代已经普遍接受了量子理论后也许并不觉得这是一件多突兀的事件,但在基本还处在牛顿经典力学的二十世纪初确实是一个颠覆性的事件!!终于有一天,经典力学所构建的大厦根基在量子力学的刚刚开始建立的二十世纪初期开始崩塌了,其实用“崩塌”形容还是有些夸张,因为两者在不同的领域仍然发挥着各自的作用!

在1900年的12约14日这个载入量子力学史册的日子,普朗克在德国物理学会上发表了《黑体光谱中的能量分布》中描述:

“为了找出N个振子具有总能量的可能性,我们必须假设能量是不可连续分割的,它只能是一些基本的量的有限总和……”

普朗克在《黑体光谱中的能量分布》中将这最小能量单位称为“能量子”,但在另一论文中又改成了“量子”!

一份份的概念中,还有普朗克长度:1.6×10^35米

普朗克时间:1.6×10^-35/c^2 = 5.4×10^-44秒

所以各位注意了,量子并不是某种物质最小单位的概念哦.......


星辰大海路上的种花家


看了不少答案,有的说的比较接近了。但是量子这个概念,不是非要拿微观世界来说事的。

量子,是一种现象的统称。首先我们定义清楚,它说的不是某种粒子,说的是某种现象。这个现象就是东西被分成了一份一份的,或者说不连续的,整数倍的。

最早提出来的时候就是排名第一的答案里提到的黑体辐射的事情。它说的事情简单一句话表述,就是对一个给定频率的光,光辐射携带能量是频率的整数倍。

这个提出来的时候是一个假设,而且是不那么让人觉得舒服的假设。这之后的故事就不多说了,咱只说量子这个概念。

为啥我觉得需要专门强调一下不要仅和微观粒子扯上关系专门写一个答案呢。因为很多没学过的人总以为量子是某种粒子,或者代表了最基本粒子里的某些东西。然而并不是。

比如量子霍尔效应。

它讲的是感应电压与磁场的关系(我没记错的话)是整数倍的。当然解释这个还是从微观入手的。但是这个现象被称为量子霍尔效应而区别于霍尔效应的原因,是现象里本身有整数倍这种现象。


安兹乌拉恭


在回答量子为何物之前,首先需要我们了解量子的来历。

在二十世纪以前,经典热力学认为,能量是连续的。当时有两个黑体辐射公式,它们分别适用于红外端和紫外端。

然而,由于连续的能量,会使能量集中在紫外端辐射☢️。这是与实际情况相矛盾的。于是,能量的紫外端辐射被称为紫外灾变,是十九世纪飘在经典物理学头上的两朵乌云☁️之一。

为了统一黑体辐射公式,为了消除连续能量所引起的紫外灾变,德国物理学家普朗克于1900年提出了一个新的黑体辐射公式。在该公式中,普朗克引入了一个量纲为粒子角动量的物理常数h。其具体数值为,6.623x10-27尔格秒。

于是,新的黑体辐射公式,不仅避免了紫外灾变,还将原来的两个辐射公式统一了起来。它们分别是新公式在红外端和紫外端的两个不同的极限。

于是,普朗克完好地解决了这一长期以来困扰物理学界的难题。其留给人们思考🤔的问题是,普朗克常数h的含义是什么?为什么在我们的宇宙中存在着这样一个物理常数?

1905年,爱因斯坦为了解释光电效应,他认为光是不可再分的最小粒子,其具体的大小是由普朗克常数h定量的。因此,光的本质是光量子,是由于电子能级的跃迁所激发的量子。

正是因为普朗克与爱因斯坦的上述工作,为量子力学的建立奠定了基础。不过,在理论界,对于量子究竟为何物,存在着较大的争论。

主流学派认为,普朗克常数h的存在,仅意味着能量存在着最小份额。因而,能量是不连续的。他们并没有更进一步地认为,量子是不可再分的最小粒子。

于是,为了了解量子,需要我们知道能量是什么。为什么能量存在着最小份额?作为类比,如果我们说水是不连续的,其存在着最小的份额,是什么含义呢?

根据布朗运动,细小的花粉在水中具有一定的无规运动。这说明水是由无数个离散的水分子构成的。由于花粉的半径小于水分子之间的距离,使花粉受到水分子的碰撞💥是不对称的。由此,花粉获得了水分子的部分动能,产生了热运动。

由于物质并非实体,其仅只是由粒子的运动所形成的封闭体系。所以,作为物质的物理参量,质量是被封闭的粒子关于其空间效应的度量。于是,与质量相对应的能量,其定义是开放的粒子关于其运动能力的度量。

由上述能量的定义以及水是由离散的水分子构成的,可以推断,正是因为存在着不可再分的最小粒子,才使得能量具有不连续性。而能量的最小份额,就是关于最小粒子运动能力的度量。

于是,量纲为角动量的普朗克常数h,就是该最小粒子的角动量,其具有相对于最小粒子能量的不变性。

所以,量子是不可再分的最小粒子。而能量的最小份额,仅只是最小粒子的存在所产生的表观现象。

由于人类的认识是有限的,对于同一个现象可以有多种不同的解释。所以,对于量子的理解也是多样化的,我们并不能认定量子是最小粒子的这一解释是绝对正确的。

判定正确与否的标准,是比较不同的解释能否扩展我们的认识,形成统一的理论。如果只有一种解释,那么无论其功效如何,都会得到认可;如果是多个解释,我们就采信能够获得统一认识的那个解释。

量子是不可再分的最小粒子这一观点,可以解释不同领域中的许多新的物理现象。由此说明,量子的粒子性是有道理的。

比如,所有的微观粒子都具有波动性,类似花粉在水中的热运动,说明存在着由无数个离散的量子构成的物理背景,即存在着量子空间。

比如,存在着统一的微波背景辐射温度,说明我们宇宙的物理背景是由无数个由普朗克常数h定量的最小粒子(量子)构成的。这些量子具有一定的热运动,是宇宙膨胀所残留的能量。

比如,物体的运动会受到光速的限制🚫,说明存在着由离散的量子构成的物理背景。当物体的速度接近于量子的速度时,类似于声障,就会受到极大的阻力,从而使其能量的增大由原来的动能形式转变为相对于量子空间的势能形式。

比如,物质的热辐射会使量子空间形成热的梯度分布。于是,两物体之间的空间量子会由于叠加效应而具有较高的温度,从而提高了它们对物体的穿透概率,使两物体的外侧获得了更多的量子碰撞。由此形成的量子空间压力差,就是万有引力。

总之,由于量子的粒子性可以使各种不同的物理现象获得统一的解释,使我们形成了一个有机的量子宇宙观。所以,我们有理由相信,由普朗克常数h定量的量子,就是我们宇宙中的最小粒子。


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