03.02 量子到底是什麼?是比原子、電子更小的粒子,還是一種理論?

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量子是什麼?或許在大多數人的潛意識裡量子就像原子電子一樣是一種粒子,它與原子電子的區別就是大小不一樣。但是這個理解是錯誤的,首先量子並不是一種粒子,它是一個概念;其次量子是沒有大小的,它的定義就是不可分割的最小微元。

量子的概念是怎麼來的呢?這就要說到量子概念的提出者——普朗克。這首先來自於人們對黑體輻射問題的研究。黑體是什麼呢?這是一個理想狀態下的概念,即在任何條件下,對任何波長的輻射完全吸收而不任何反射的物體。但是事實上這種物體是不存在的。19世紀末的時候,關於黑體輻射問題的研究變得火熱起來,大批的科學家投入到了黑體輻射問題的研究,這其中就包括普朗克。

黑體不一定就是黑色的,它雖然不能反射光,但是卻可以發出電磁波,而電磁波的能量和波長只與黑體的溫度有關。當時人們試圖用一種用經典物理學的方程來描述這種關係,可是要麼只是在波長較小時,要麼只在波長較大時才跟實驗所得的曲線擬合得較好,無論如何都無法跟實驗數據完全吻合,這被稱為是“紫外線災難”,這裡面就有瑞利——金斯曲線還有後來維恩的修復曲線,都無法很好的吻合。這時候普朗克就提出了一個大膽的假設,即黑體輻射的能量是一份一份的不連續的,他提出了能量量子提化的概念,輻射頻率是v的能量的最小數值E=hv,其中h被稱為普朗克常量。而後愛因斯坦在解釋光電效應的時候直接提出了光子的概念,他指出電磁輻射在本質上就是一份一份不連續的,無論是原子在發射和吸收它們的時候都是這樣。到此,量子的概念才被完整的建立起來。


雖然量子建立概念很早,但是作為量子的發現者,普朗克一直對他的發現持懷疑態度,這也造成了量子力學的發展有所推遲。直到幾十年以後薛定諤、海森堡等一批傑出的量子物理學家出現才使得量子物理有所發展,近幾十年量子力學的發展很是迅速。

其實量子的概念十分廣闊,它不是一種粒子,自然界的一切粒子都具有波粒二象性,而量子則是聯繫二者的橋樑。


鏡像科普


根據題主要求我們來通俗回答一下。歡迎關注點評。

量子是什麼

這個詞最早於1900年被普朗克提出,用來解釋黑體輻射現象。量子是構成物質或者能量的基本單元,指的是一份份的能量或者一份份的物質,強調的是物質和能量的離散型而不是連續性。

舉一個不太恰當的例子,有一車蘋果,我們說這車蘋果是量子化的,無論給它怎樣分堆,每一堆一定是蘋果的整數倍,不可能出現一半的蘋果,也就是說一個蘋果就是量子,它的性質能量都以單個蘋果來表示,並不能用半個蘋果。

愛因斯坦最早發現光電效應,指出光的量子就是光子,推動了量子力學的發展(雖然他比較反對量子力學的不確定原理,戲稱為上帝擲骰子),並因此獲得了諾貝爾獎。


原子、電子

量子和原子、電子是有本質上的區別的,原子、電子等就是一種種真實存在的例子。而我們平常所說的量子是我們對物質和能量表現出“一份份的性質”的概念描述,也可以說量子是一種概念描述,量子化的。
(所有圖片來源網絡,侵刪)


微言淺見,祝好。


科學黑洞


這是個很有意思的問題。看到“量子”這個詞,許多人在“不明覺厲”之餘,第一反應就是把它理解成某種粒子。但是隻要是上過中學的人,都知道我們日常見到的物質是由原子組成的,原子又是由原子核與電子組成的,原子核是由質子和中子組成的。那麼問題來了,量子究竟是個什麼鬼?難道是比原子、電子更小的粒子嗎?

其實不是。量子跟原子、電子根本不能比較大小,因為它的本意是一個數學概念。好比說“5”是一個數字,“3個蘋果”是一個實物,你問“5”和“3個蘋果”哪個大,這讓人怎麼回答?正確的回答只能是:它們不是同一範疇的概念,無法比較。

那麼,量子這個數學概念的意思究竟是什麼呢?就是“離散變化的最小單元”。

舉個例子。我們上臺階時,只能上一個臺階、兩個臺階,而不能上半個臺階、1/3 個臺階。這就是“離散變化”,對於上臺階這件事來說,一個臺階就是一個量子。

跟“離散變化”相對的叫做“連續變化”。例如你在一段平路上,你可以走到1米的位置,也可以走到1.1米的位置,也可以走到1.11米的位置,如此等等,中間任何一個距離都可以走到,這就是“連續變化”。

顯然,離散變化和連續變化在日常生活中都大量存在,這兩個概念本身都很容易理解,沒有什麼特別之處。那麼,為什麼“量子”這個詞會變得如此重要呢?

因為人們發現,離散變化是微觀世界的一個本質特徵。

微觀世界中的離散變化可以分為兩類,一類是物質組成的離散變化,一類是物理量的離散變化。

先來看第一類。例如光是由一個個光子組成的,你不能分出半個光子、1/3個光子,所以光子就是光的量子。陰極射線是由一個個電子組成的,你不能分出半個電子、1/3個電子,所以電子就是陰極射線的量子。

在這種情況下,你似乎可以拿量子去跟原子、電子比較了,但這並沒有多大意義,因為它是隨你的問題而變的。你需要分清,原子、電子、質子、中子、中微子這些詞本身就對應某些粒子,而量子這個詞在不同的語境下對應不同的粒子(如果它對應粒子的話)。並沒有某種粒子專門叫做“量子”!

再來看第二類。例如氫原子中電子的能量只能取-13.6 eV(eV 是“電子伏特”,一種能量單位)或者它的1/4、1/9、1/16 等等,總之是這個值除以某個自然數的平方(-13.6/n^2 eV,n可以取1、2、3、4、5等等),而不能取-13.6 eV的2 倍、1/2 或1/3等等。這時我們不好說氫原子中電子能量的量子是什麼,但會說氫原子中電子的能量是“量子化”的。

說某個東西是量子化的,意思就是這個東西只能離散變化。這是一種普遍現象,每一種原子中電子的能量都是量子化的,也就是說它只能取某些值,不能取這些值之間的值。

發現“離散變化是微觀世界的一個本質特徵”後,科學家創立了一門準確描述微觀世界的物理學理論,就是“量子力學”。現在你可以明白,這個名稱是怎麼來的,它其實是為了強調離散變化在微觀世界中的普遍性。量子力學出現後,人們把傳統的牛頓力學稱為經典力學。

對普通民眾來說,量子力學聽起來似乎很前沿。但對相關專業(物理、化學)的研究者來說,量子力學的相關發展已經超過了一個世紀。

量子力學起源於1900 年,當普朗克在研究“黑體輻射”問題時,發現必須把輻射攜帶的能量當作離散變化的,才能推出跟實驗一致的公式。在此基礎上,愛因斯坦、玻爾、德布羅意、海森堡、薛定諤、狄拉克等人提出了一個又一個新概念,大大擴展了量子力學的應用範圍。到20 世紀20 年代末,量子力學的理論大廈已基本建立起來,能夠對微觀世界的很多現象作出定量描述了。

許多最基本的問題,是量子力學出現後才能回答的。例如:

為什麼原子能保持穩定,例如氫原子中的電子不落到原子核上?

為什麼原子能形成分子,例如兩個氫原子聚成氫氣分子?

為什麼原子有不同的組合方式,例如碳原子能組合成石墨、金剛石、足球烯、碳納米管、石墨烯?為什麼食鹽會形成離子晶體?

為什麼有些物質很穩定,而有些物質很容易發生化學反應?

為什麼有些物質,如銅,能導電?有些物質,如塑料,不導電?為什麼有些物質如硅,是半導體?為什麼有些物質,如水銀,在低溫下變成超導體?

為什麼會有相變,例如水在0℃以下結冰,0 ~100℃是液體,100℃以上氣化?

為什麼改變鋼鐵的組成,能製造出各種特種鋼?

為什麼激光器和發光二極管能夠發光?

為什麼化學家能合成比大自然原有物質種類多得多的新物質?

為什麼通過觀察宇宙中的光譜線能知道遠處星球的元素組成?

現代社會碩果累累的技術成就,幾乎全都與量子力學有關。你打開一個電器,導電性是由量子力學解釋的,電源、芯片、存儲器、顯示器的工作原理是基於量子力學的。走進一個房間,鋼鐵、水泥、玻璃、塑料、纖維、橡膠的性質是由量子力學決定的。登上飛機、輪船、汽車,燃料的燃燒過程是由量子力學決定的。研製新的化學工藝、新材料、新藥,都離不開量子力學。可以這麼說:與其問量子力學能用來幹什麼,不如問它不能幹什麼!


科技袁人袁嵐峰


“量子”一詞最初是普朗克於1900年發明的,他以此驅散當時物理學天空中的一朵烏雲:受熱物體發出的電磁輻射能量與波長之間的關係。電磁輻射即電磁波,在不同頻率範圍分別稱作可見光、紅外線、可見光、紫外線等等。普朗克假設物體發射出的電磁輻射能量是一份一份的,其中每份能量總是一個基本單位的整數倍。這個能量基本單位被他稱作能量量子,等於頻率乘以一個常數(後稱普朗克常數)。1905年,愛因斯坦進一步提出,電磁波本身就是由能量量子組成的,稱作光量子(後簡稱為光子)。這是唯一被愛因斯坦自己稱作“革命性”的工作。1913年,玻爾提出,原子中電子的能量只能取一些分立的值,叫作能量量子化。

所以在量子論早期,“量子”的主要含義是分立和非連續。這種含義也被用於當代物理中,比如,“量子霍爾效應”就是指霍爾電導只能取一些分立值。另外,現代物理學中,與光量子類似,每種基本粒子都是一個量子場的振動激發,也叫量子。它們與牛頓力學的粒子觀念不同,但依然是客觀物質。

1925至1927年,海森堡、玻恩、約旦、薛定諤、狄拉克等人創立了系統的量子力學,取代了早期量子論。量子力學是整個一套理論體系,其特徵並不能簡單歸結於分立和非連續。 現在更多情況下,“量子”是作為一個形容詞或者前綴在使用,“量子X”是指在將量子力學基本原理用於X,比如量子光學、量子統計、量子凝聚態物理、量子磁學、量子化學、量子電動力學、量子場論、量子宇宙學、量子信息、量子計算等等。


物理文化與施鬱世界線


量子科學之所以顯得神秘,首先這個名字就是一大原因。

看到“量子”這個詞,許多人在“不明覺厲”之餘,第一反應就是把它理解成某種粒子。但是隻要是上過中學的人,都知道我們日常見到的物質是由原子組成的,原子又是由原子核與電子組成的,原子核是由質子和中子組成的。那麼量子究竟是個什麼鬼?難道是比原子、電子更小的粒子嗎?

其實不是。量子跟原子、電子根本不能比較大小,因為它的本意是一個數學概念。正如“5”是一個數字,“3個蘋果”是一個實物,你問“5”和“3個蘋果”哪個大,這讓人怎麼回答?正確的回答只能是:它們不是同一範疇的概念,無法比較。

原子結構示意圖

量子這個數學概念的意思究竟是什麼呢?就是“離散變化的最小單元”。

什麼叫“離散變化”?我們統計人數時,可以有一個人、兩個人,但不可能有半個人、1/3個人。我們上臺階時,只能上一個臺階、兩個臺階,而不能上半個臺階、1/3 個臺階。這些就是“離散變化”。對於統計人數來說,一個人就是一個量子。對於上臺階來說,一個臺階就是一個量子。如果某個東西只能離散變化,我們就說它是“量子化”的。

上臺階

跟“離散變化”相對的叫做“連續變化”。例如你在一段平路上,你可以走到1米的位置,也可以走到1.1米的位置,也可以走到1.11米的位置,如此等等,中間任何一個距離都可以走到,這就是“連續變化”。

顯然,離散變化和連續變化在日常生活中都大量存在,這兩個概念本身都很容易理解。那麼,為什麼“量子”這個詞會變得如此重要呢?

因為人們發現,離散變化是微觀世界的一個本質特徵。

微觀世界中的離散變化包括兩類,一類是物質組成的離散變化,一類是物理量的離散變化。

先來看第一類,物質組成的離散變化。例如光是由一個個光子組成的,你不能分出半個光子、1/3個光子,所以光子就是光的量子。陰極射線是由一個個電子組成的,你不能分出半個電子、1/3個電子,所以電子就是陰極射線的量子。

在這種情況下,你似乎可以拿量子去跟原子、電子比較了,但這並沒有多大意義,因為它是隨你的問題而變的。原子、電子、質子、中子、中微子這些詞本身就對應某些粒子,而量子這個詞在不同的語境下對應不同的粒子(如果它對應粒子的話)。並沒有某種粒子專門叫做“量子”!

再來看第二類,物理量的離散變化。例如氫原子中電子的能量只能取-13.6 eV(eV 是“電子伏特”,一種能量單位)或者它的1/4、1/9、1/16 等等,總之就是-13.6 eV除以某個自然數的平方(-13.6/n2 eV,n可以取1、2、3、4、5等),而不能取其他值,例如-10 eV、-20 eV。我們不好說氫原子中電子能量的量子是什麼(因為不是等間距的變化),但會說氫原子中電子的能量是量子化的,位於一個個“能級”上面。每一種原子中電子的能量都是量子化的,這是一種普遍現象。

氫原子能級

發現離散變化是微觀世界的一個本質特徵後,科學家創立了一門準確描述微觀世界的物理學理論,就是“量子力學”。現在你可以明白,這個名稱是怎麼來的,它其實是為了強調離散變化在微觀世界中的普遍性。量子力學出現後,人們把傳統的牛頓力學稱為“經典力學”。

對普通民眾來說,量子力學聽起來似乎很前沿。但對相關專業(物理、化學)的研究者來說,量子力學是個很古老的理論,——已經超過一個世紀了!

量子力學的起源是在1900年,德國科學家普朗克(Max Planck)在研究“黑體輻射”問題時,發現必須把輻射攜帶的能量當作離散變化的,才能推出跟實驗一致的公式。在此基礎上,愛因斯坦(Albert Einstein)、玻爾(Niels H. D . Bohr)、德布羅意(Louis V. de Broglie)、海森堡(Werner K. Heisenberg)、薛定諤(Erwin R. J. A. Schrodinger)、狄拉克(Paul A. M. Dirac)等人提出了一個又一個新概念,一步一步擴展了量子力學的應用範圍。到1930年代,量子力學的理論大廈已經基本建立起來,能夠對微觀世界的大部分現象做出定量描述了。


量子小飛豬


量子最初由普朗克提出,當時的本意就是一份一份的、不連續的輻射能量,注意最開始量子只描述能量。

後來隨著研究深入,量子的定義發展為:一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位,則這個物理量是量子化的,並把最小單位稱為量子。注意這時的量子不再只描述能量,也可以說是物質的最小單元。通俗而簡單的說,量子是能表現出某物質或物理量特性的最小單元。

再說粒子,也是非常複雜的問題,在微觀世界裡,原子算是龐然大物了,我們都知道原子由中子和質子構成,而中子和質子的大小隻是原子的十萬分之一,中子和質子由夸克構成,而夸克的大小還不到中子、質子的萬分之一。當然粒子界還有很多其他成員,電子、光子、介子、強子、中微子等等等等。

一段時期基本確定夸克、電子、光子、中微子等為自然界最小粒子,後來,又出來一個“弦理論”,認為以上粒子不是單個粒子,不是自然界最小單元,這些粒子是由很小很小的閉合弦構成。弦理論已經成為人類探尋宇宙奧秘的一個非常重要的理論,還很有可能成為終極理論。

再回到量子的問題,量子力學是研究物質世界微觀粒子運動規律的物理學分支,目前我們的量子力學只是停留在發現了一些神奇現象,現在一些最懂量子力學的科學家依然說不懂量子力學,包括主導研製量子通信衛星(去年8月份發射上天)的潘建偉這樣的牛人依然說不懂。這個不懂也有必要解釋一下,就好比一份產品的使用說明書,你看明白了會利用了,可是依然停留在現象,是什麼樣的本質導致瞭如此現象與功能呢?這才是這些牛人的不懂?

最後說一下弦理論,它是繼續深入的研究微觀粒子的理論,隨著發展很有可能會發現粒子的真正構成以及粒子相互作用(或聯繫)的本質,這應該也是量子力學的本質。


褚浩35584593


只說我們的宇宙,大概是因為宇宙中的黑洞,都知道黑洞的存在,那麼黑洞在宇宙中是無數的,宇宙空間是靠生長而膨脹的,黑洞確是靠吸收收縮而膨脹,這是理論得來,那麼宇宙空間中自然有物質產生都有可能被黑洞吸走的可能,由此回到一點就是小宇宙和小黑洞兩點,就是宇宙當初相互糾纏而旋轉,好比今天所說的量子,當然這也只是其中的兩個,也許還有更多的,一吸一長造就今天的宇宙,或許它們一吸一長能產生各種氣體和物質吧,久而久之形成一種變化,產生了銀河星系,產生了物質生命,這一切也不知是誰的傑作,從這裡可以看出宇宙群也是圍繞什麼在旋轉 ,到底我們是不是在一個超級智慧大神的大腦裡邊的神經信號呢?要不然為啥人類有智慧,難道人類智慧信息都要經過大神的中樞系統,大神不生不滅,所以人的靈魂不滅是有道理的,留在大神系統當中等待下次機會,其實每個人都能感覺有神明,就是不願相信而已,每個人都可以琢磨一下,為啥人類有各種各樣的說法,就是信號的傳遞,做夢現象是各種各樣的信號穿梭,今天看到的無法解釋的現象,就是信息穿梭現象,也就是人們想像出來的,或是以前有過的產物,好了大家探討,只說大概就不細說。有疑問可以問哈。


知足常樂126525698


我認為,量子只是描述微觀世界粒子性的一個籠統概念,它包函可以獨立存在的任何形式粒子,如質子、中子、電子,光子等都可以在各自的研究領域內稱為“量子”。

量子有幾個重要的物理屬性值得關注:

1、能量不連續性,即普朗克所描述的粒子傳遞能量是“一份一份進行的”;

2、角動量不連續性,比如電子在核外分別時,其軌道角動量是不連續的,具有“跳躍性”;

3、運動的自旋性,量子描述的世界是一個帶有自旋運動的世界,這與經典粒子概念不同;

4、自旋磁矩性,任何粒子都有自旋性,同時也都有自旋磁矩性,“自旋生磁”是我“自旋場理論”的重要組成部分(當然,磁的產生還包括“公轉生磁”——這說明磁的產生有二種形式,即“自旋生磁”和“公轉生磁”,電磁學和目前的量子力學只強調“公轉生磁”,卻忽略了自旋生磁性,這是當今物理學存在嚴重“疏漏”的地方)。

——從量子的上述“屬性”來看,量子概念還可以再拓展:在一個研究系統中,凡是具有自旋、自旋磁矩性存在的獨立系統或個體,都可以歸納為一個“量子系統”,從這個意義上來說,太陽系也可以被看做是一個“量子系統”,地球就是一個“量子”......

陀螺—上帝擲出的骰子


首先承認自己不懂!其次嘗試著用語言表述自己的理解。“用語言表述”本身會存在誤差,不準確的地方,可探討。

第一,我覺得,要理解什麼是量子,還是要從數學開始。我們知道,從0.99999999無限個9到整數1之間,一定有一個數,0.000000000無限個0最後還有一個跟在零後面的1。那麼問題就來了,如果是龜兔賽跑,是不是因為這個無限的0.000000後面似乎永遠也不出現的1,兔子🐰就永遠追不上烏龜了呢?答案當然是否定的。特朗普說,一定有一個極限,這個0不會無限下去的!這個最小的“間隔”,放在能量分割上,就是“量子”!

第二,“量子”是個統稱,不止有一種!為什麼?我個人覺得,這是因為“量子”不止是“純”能量的緣故。根據物質能量轉換的公式,再小的能量,也有著相對應的質量。也就是量子的波粒二象性!而“量子”一旦被觀測,表現為粒子形態的時候,就有可能是不同形態的粒子,例如光子什麼的。

第三,還是回到數學上,如果“量子”有不同的能量大小和質量大小,那麼,這些不同的“量子”之間,是否有著某種可用數學公式以確定的關係?我覺得是可以的有的,只不過我不知道罷了。

第四,據說科學家計算出來,我們這個宇宙的質量,缺了三分之二,然後用“暗物質”和“暗能量”稱呼缺少的部分。那麼,如果把平行宇宙概念和中外神話傳說結合起來,我們是不是能夠想象一下,存在有兩個和我們物質世界平行的純能量世界呢?其中一個叫做天堂,另一個叫做地獄。三個世界的共同點是都有能量,不同點是我們生活的這個世界還有物質。


燒鍋爐的魚43426494


由於語言翻譯的原因,漢語認知量子需要特別說明一下。

首先,量子不是物質粒子,其單位沒有一,仔細閱讀,你會發現幾乎沒人說一個量子,一顆量子。原因是被翻譯為漢語量子的外文概念是一個多數概念的詞。其本意為“幾個”。被普朗克用來定義能量單位。因其不是連續可數,也不是從一開始可數。

明白了這些正確概念細節,可以說為理解量子力學開了個好頭。

關於量子力學能否被真正弄懂,對說漢語的人來說,翻譯是否準確猶如霧霾。


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