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天恒科普|量子是什么？
發(fā)表時(shí)間：2019-03-15
量子（quantum）是現(xiàn)代物理的重要概念。最早是由德國物理學(xué)家M·普朗克在1900年提出的。他假設(shè)黑體輻射中的輻射能量是不連續(xù)的，只能取能量基本單位的整數(shù)倍，從而很好地解釋了黑體輻射的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
后來的研究表明，不但能量表現(xiàn)出這種不連續(xù)的分離化性質(zhì)，其他物理量諸如角動(dòng)量、自旋、電荷等也都表現(xiàn)出這種不連續(xù)的量子化現(xiàn)象。這同以牛頓力學(xué)為代表的經(jīng)典物理有根本的區(qū)別。量子化現(xiàn)象主要表現(xiàn)在微觀物理世界。描寫微觀物理世界的物理理論是量子力學(xué)。
量子一詞來自拉丁語quantus，意為“有多少”，代表“相當(dāng)數(shù)量的某物質(zhì)”。自從普朗克提出量子這一概念以來，經(jīng)愛因斯坦、玻爾、德布羅意、海森伯、薛定諤、狄拉克、玻恩等人的完善，在20世紀(jì)的前半期，初步建立了完整的量子力學(xué)理論。絕大多數(shù)物理學(xué)家將量子力學(xué)視為理解和描述自然的基本理論。
中文名 量子 適用范圍 微觀物理世界別
外文名 Quantum 名能 量子
定義
一個(gè)物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個(gè)物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子。量子英文名稱量子一詞來自拉丁語quantus，意為“有多少”，代表“相當(dāng)數(shù)量的某物質(zhì)”。在物理學(xué)中常用到量子的概念，指一個(gè)不可分割的基本個(gè)體。例如，“光的量子”（光子）是一定頻率的光的基本能量單位。而延伸出的量子力學(xué)、量子光學(xué)等成為不同的專業(yè)研究領(lǐng)域。其基本概念為所有的有形性質(zhì)是“可量子化的”。“量子化”指其物理量的數(shù)值是離散的，而不是連續(xù)地任意取值。例如，在原子中，電子的能量是可量子化的。這決定了原子的穩(wěn)定性和發(fā)射光譜等一般問題。絕大多數(shù)物理學(xué)家將量子力學(xué)視為了解和描述自然的的基本理論。
歷史
在經(jīng)典物理學(xué)中，根據(jù)能量均分定理：能量是連續(xù)變化的，可以取任意值。19世紀(jì)后期，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)很多物理現(xiàn)象無法用經(jīng)典理論解釋。當(dāng)時(shí)德國物理界聚焦于黑體輻射問題的研究。1900年左右，M·普朗克試圖解決黑體輻射問題，他大膽提出量子假設(shè)，并得出了普朗克輻射定律，沿用至今。普朗克提出：像原子作為一切物質(zhì)的構(gòu)成單位一樣，“能量子”（量子）是能量的最小單位。物體吸收或發(fā)射電磁輻射，只能以能量量子的方式進(jìn)行。普朗克在1900年12月14日的德國物理學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)議中第一次發(fā)表能量量子化數(shù)值、一個(gè)分子摩爾（mol）的數(shù)值及基本電荷等。其數(shù)值比以前更準(zhǔn)確，提出的理論也成功解決了黑體輻射的問題，標(biāo)志著量子力學(xué)的誕生。
20世紀(jì)20年代，法國物理學(xué)家德布羅意提出“物質(zhì)波”概念，即一切物質(zhì)粒子均具備波粒二象性；德國物理學(xué)家海森伯等人建立了量子矩陣力學(xué)；奧地利物理學(xué)家薛定諤建立了量子波動(dòng)力學(xué)。量子理論的發(fā)展進(jìn)入了量子力學(xué)階段。
1928年，英國物理學(xué)家狄拉克完成了矩陣力學(xué)和波動(dòng)力學(xué)之間的數(shù)學(xué)等價(jià)證明，對(duì)量子力學(xué)理論進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)，并將兩大理論體系——相對(duì)論和量子力學(xué)成功地結(jié)合起來，揭開了量子場(chǎng)論的序幕。量子理論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石之一，從微觀層面理解宏觀現(xiàn)象提供了理論基礎(chǔ)。
量子假設(shè)的提出有力地沖擊了經(jīng)典物理學(xué)，促進(jìn)物理學(xué)進(jìn)入微觀層面，奠基現(xiàn)代物理學(xué)。但直到現(xiàn)在，物理學(xué)家關(guān)于量子力學(xué)的一些假設(shè)仍然不能被充分地證明，仍有很多需要研究的地方。
理論建立
量子理論的突破首先出現(xiàn)在黑體輻射能量密度隨頻率的分布規(guī)律上 。1900年10月，由于普朗克解釋黑體輻射現(xiàn)象，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(gè)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完全吻合普朗克公式來描述黑體輻射。
普朗克發(fā)現(xiàn)，如作如下假定則可從理論上導(dǎo)出其黑體輻射公式：對(duì)于一定頻率ν的輻射，物體只能以hν為能量單位吸收或發(fā)射它，h稱之為普朗克常數(shù)。換言之，物體吸收或發(fā)射電磁輻射，只能以量子的方式進(jìn)行，每個(gè)量子的能量為E=hν，稱為作用量子。
從經(jīng)典力學(xué)來看，能量不連續(xù)的概念是絕對(duì)不允許的 。但是在詮釋這個(gè)公式時(shí)，通過將物體中的原子看作微小的量子諧振子，不得不假設(shè)這些量子諧振子的總能量不是連續(xù)的，即總能量只能是離散的數(shù)值（經(jīng)典物理學(xué)的觀點(diǎn)恰好相反）。普朗克進(jìn)一步假設(shè)單獨(dú)量子諧振子吸收和放射的輻射能是量子化的，這一觀點(diǎn)嚴(yán)重地沖擊了經(jīng)典物理學(xué)。量子論涉及物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的根本變革。
首先注意到量子假設(shè)有可能解決經(jīng)典物理學(xué)所碰到的其他疑難的是愛因斯坦。他試圖用量子假設(shè)去說明光電效應(yīng)中碰到的疑難，提出了光量子概念，認(rèn)為輻射場(chǎng)就是由光量子組成。每一個(gè)光量子的能量E與輻射的頻率ν的關(guān)系是E=hν。采用光量子概念之后，光電效應(yīng)中出現(xiàn)的疑難隨即迎刃而解。
