量子力學中的“量子”到底是什麼東西?

建築女磚家


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


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


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


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


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。


一枚遊戲科幻迷


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


現代物理對量子的解釋簡直是亂七八糟,根本不能自圓其說!

量子必須從能量球理論的角度來解釋。任何物體都存在輻射,輻射是不連續的,是一份一份的,這每一份就是個量子單位。

輻射出的東西,必定是物質的,也就是說量子是物質的。而量子力學把量子當成能量看待,而能量是物質運動效應的度量,把量子當成能量很不恰當。

量子是物質的,量子也是運動的,而且以光速運動。波是物質運動的表現,把量子說成波也是不恰當的。量子力學把量子能量化和波動化使得量子論亂象從生和不可理解。

量子是粒子的輻射物,此輻射物是一群光子,並以光速運動。電子和原子核以及一切物體都是由空心球組成,空心球吸收空間環境中的光子並輻射出一堆光子,這堆光子就是量子。量子以光速運動,具有很大的動能,形成一定的碰撞效應。宇宙是空心球機制的運作,宇宙奧秘盡在能量球理論!


布魯諾二


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。


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