量子到底是什麼?與我們熟知的分子、原子、電子是什麼關係?

2020-12-15 鍾銘聊科學

#了不起的基礎科學#

黑體輻射

實際上,某種程度來說「量子」本身的含義,遠不及它帶來的革命重要。不過,在說這些之前,我們可以先來了解一下,「量子」是咋來的。

科學家發現,只要是溫度高於絕度零度的物體都會發出輻射,這種輻射是以「電磁波」的形式發出來的。比如:人體就在時時刻刻向外輻射電磁波,之所以我們看不到,是因為這種電磁波不是可見光區域內的電磁波。

那這種現象為什麼引發物理學革命呢?實際上,當時的科學家是在研究工業上使用的電燈泡的輻射問題(不要驚訝,當時剛第二次工業達到頂峰),它們管這個問題叫做:黑體輻射。黑體輻射具體是什麼意思,在這裡就不過多闡述了,因為講了並沒有太大的意義。科學家通過統計發現:

黑體輻射能量按波長的分布僅與溫度有關。

並且得到了下面這樣一張圖表。

接下來要做的事情,其實也就很「簡單」的,說白了就是用方程解釋一下這個曲線就可以了。本來對科學家來說極其簡單的事情。但是硬是弄不出個結果來,很多當時的大神都在這上面栽了跟頭。

如果我們注意看曲線,就會發現這曲線好像是分段的,有個最高點。當時的科學家有的人能用方程描述前半段,後半段就失靈了;也有的人能描述後半段,前半段就不好使了。那問題到底出現在哪裡呢?

量子力學

這個時候有個叫做普朗克的科學家,他就不信邪,也來研究這個問題。結果,他也被整懵了。

在當時,德國是全世界的學術中心,有很多大牛。其中有個叫做玻爾茲曼的天才,他可以被認為統計力學的宗師級人物。他一直在和其他科學家為「光到底是波還是粒子」吵得不可開交,當時的主流觀點認為「光是一種波」,在物理學史上能和牛頓、愛因斯坦齊名的麥克斯韋就這麼看的。而玻爾茲曼覺得不應該是這樣,他堅持「光的粒子說」。

他就跟普朗克說,你們總是假設電磁波是連續的(也就是光是一種波),這肯定算不出來的,你試試看用不連續的方法來算(也就是光是一種粒子),一定可以。(PS:這段話是我自己想像的,不是真實歷史,但真實的歷史中,玻爾茲曼確實給了普朗克相關方面的啟示)

於是,普朗克提出了一種「量子」假設:

黑體輻射的能量變化並不是連續的,而是存在輻射能量的最小單位:量子。

基於這樣的假設,普朗克很快就得到了著名的普朗克定律:

用這個定律就可以很好地描述之前那個奇怪的變化曲線。不過,觀念總是根深蒂固的,普朗克雖然通過這個發現獲得了諾貝爾獎,但他始終都對這個理論無力接受,不僅是他,後來在這個領域做出傑出貢獻的愛因斯坦,薛丁格等偉大科學家都挺不能接受的。

「量子」顛覆了什麼?

為什麼這麼多科學家都無法接受呢?

這是因為這個理論指出了一個「事實」,

凡是變化都存在著一個最小的單位。

時間和距離都是如此,因此就有了最小的時間間隔:10^-43秒;最小的可測距離:1.6x10^(-35)米。前者被稱為普朗克事件,後者被稱為普朗克距離。

意思是,時間的變化並不是連續的,同樣的距離的變化也不是連續。說到這裡,你或許還是不能理解,我們可以舉個例子,還拿時間來說事。原本我們的觀念裡認為,時間從1秒到2秒,1秒到2秒,中間可能要度過1.000000000000000……1秒,也就是說時間可以無限切下去,本質上是連續的。但「量子」理論認為,這不是可以無限切下的,而是存在一個變化的最小單位,也就是10^-43秒,時間的變化最小也是這個量,沒辦法比它再小了。所以,它顛覆的是「變化是連續」的世界觀。

量子和粒子

量子和各種粒子有相同也有不同,首先,它們都是最小的單位,其次,它們不同的是,前者是變化的最小單位,而後者是物質粒子的基本單位(這裡指的是費米子和玻色子)。原子等例子描述的其實構成物質的基本單位,並且它們如何組合到一起。按照現在主流的理論,也就是粒子物理標準模型。這個模型中的粒子也就是構成物質的基本粒子。

所以,量子和粒子是不同的兩個物理概念。

相關焦點

  • 量子是什麼?與分子、原子、電子有什麼關係?
    說的簡單一點兒「量子」指的就是:「一個不可以再繼續分割的基本單位。」理解了這句話之後,我們就會明顯地發現分子、原子、電子它們都不是量子,因為它們是可分的!分子分子是由原子構成的,因此分子可分,分子很明顯就不可能是量子;原子原子是由原子核和核外電子構成的,而原子核是由質子和中子構成的,原子也可分
  • 分子、原子中的電子——從量子力學的角度
    前言:很不幸,這是本人在材料物理課上的大作業…一、電子初印象在中學時期,我對分子、原子、電子這些概念的認知大致就在:分子是保持物質化學性質的最小粒子,原子是化學變化中的最小微粒,原子則有原子核和核外電子構成,並且化學性質跟原子的最外層電子數關係最密切,原子的最外層電子數決定元素的化學性質。
  • 量子、原子、玻色子、費米子、夸克等各種「粒子」到底有啥區別?
    #了不起的基礎科學#前幾天,後臺有個小哥問我:粒子,分子,原子,量子,玻色子,費米子,質子、中子、電子簡單解釋一下。所以,今天我們就聊一聊各種「xx子」到底是什麼意思?普朗克在研究黑體輻射時,如果假設能量的變化是連續的,那理論就和現實是不相符的,只有假設輻射能量變化是不連續的,存在能量的最小單位:量子,能量的變化只能去量子的整數倍。所以,我們可以認為,最早「量子」對於能量變化的概念,就類似於「原子」對於物質的概念。
  • 深度科普:量子力學中量子究竟是什麼?與分子原子根本不是一回事
    大家好,歡迎收看量子科普第96期,我是常常,今天和大家聊一聊關於量子力學中提到的量子究竟指的是什麼?量子是研究微觀粒子世界的量子力學中十分重要的物理概念,可能說起量子,大家會常識性的認為:量子與分子、原子、中子、電子一樣,也是組成物質的基本粒子,但實際上量子與分子、原子等微觀粒子完全就不是一個概念,下面就給大家深度科普一下:微觀世界中提到的量子究竟是什麼?
  • 什麼是量子力學?愛因斯坦起到什麼作用,量子力學就在我們身邊
    咱們往下看量子力學是描述微觀物質行為的物理學理論,量子力學的研究對象涉及原子、分子和凝聚態物質,而且包括原子核和基本粒子等。量子力學在近代許多學科和技術中得到廣泛應用。它與相對論一起被認為是現代物理學的兩大基本支柱。
  • 量子?糾纏?量子糾纏到底是什麼?
    舉個例子,它可以用來測量引力波得到更精確的數據,是我們更好理解特殊材料的性質。它在其他領域也可以更準確的揭露:我一直研究粒子是怎麼彼此碰撞形成糾纏,想理解它是如何影響原子鐘的精確程度。但是什麼是糾纏?有什麼方式可以理解這種「幽靈」現象?我將嘗試通過組合兩個來自物理學的概念來解釋它:守恆定律和量子疊加。
  • 什麼樣的粒子才是量子?與分子、原子、電子又有什麼關係?
    ,但超前的思想無不令我們佩服,那麼是正確的嗎?如上圖,這塊鋼板因為加熱端在另一側,因此整塊鋼板的溫度分布是不均的,而這個現象最早在牛頓時代就已經被發現了,因為牛頓用三稜鏡將太陽光分解成了七色,其實完全不止,只不過我們肉眼能看到七色而已。不過比較可惜的是牛頓並沒有深究七色光分解的單色光的相對亮度有什麼奧妙,一直到200多年後的十九世紀五十年代之後,才有科學家將物體的亮度分布與頻率分布圖精確繪製出來。
  • 光子與電子到底是什麼關係?
    本文就跟你講明白,光子與電子究竟是什麼。電子的客觀存在電子是一種基本物質粒子,它在原子核的外圍高速運行。到目前為止,科學家們都無法將電子打散,它被認為是不能分割的粒子。我們通常會將原子核想像成太陽,將圍繞著原子核運動的電子想像成圍繞太陽旋轉的行星,比如水星、地球或木星,但事實上並不如此。
  • 什麼是「量子」?
    其他的粒子情況也是類似的,例如,在沒有被電離的原子中,繞核運動的電子的能量是「量子化」的,也就是說電子的能量只能取特定的離散的值。只有這樣,原子才能穩定存在,我們才能解釋原子輻射的光譜。不僅能量,對於原子中的電子,角動量也不再是連續變化的。
  • 星博說氫---人體是由原子構成的
    用量子力學處理氫原子得到的結果精確度最高,處理多電子原子問題困難則大得多,但氫原子理論中的一些結果對認識多電子原子的運動很有幫助。下面介紹氫原子的量子力學理論的概要,再略述多電子原子的量子力學理論。  氫原子 氫原子核的質量約為電子質量的1836倍,故可把運動簡化為電子在靜止的原子核的庫侖場中運動,以代表電子到核的距離,-代表電子的電荷,則電子的位能為原子的量子理論。
  • 顛覆常規的量子
    理解了這句話之後,我們就會明顯地發現分子、原子、電子它們都不是量子,因為它們是可分的!分子分子是由原子構成的,因此分子可分,分子很明顯就不可能是量子;原子原子是由原子核和核外電子構成的,而原子核是由質子和中子構成的,原子也可分,原子也不可能是量子;
  • 中科大33歲教授再發《自然》:實現原子與分子間的量子糾纏
    在雷射控制下,被困在電磁場陷阱中的一個分子離子和一個原子離子出現了神奇的糾纏效應。5月20日,發表在世界頂級學術期刊《自然》上的一篇論文報告了這種在分子層面上的量子控制能力。由於分子比特頻率可以在寬範圍內選擇,論文相信,類似機制可以用作混合量子信息系統中的「轉換器」,正如經典計算機需要兼容處理器、光碟、硬碟驅動器等不同屬性的物理載體,以進行信息處理、存儲或傳輸。
  • 什麼是量子力學?什麼是量子糾纏?為什麼說量子力學很詭異?
    隨著科技的發展,量子學的出現,以前我們認為構成物質最小的單位是分子原子,但沒有包括無形的意識,那靈魂和意識又是什麼呢,有形的物質無形的意識包括靈魂和能量,都是有量子構成一團震動的能量,這乃是裡程碑似的結論,它統一了有形的物質世界和無形虛擬世界。
  • 量子力學中的「量子」到底是什麼東西?
    具體到物理上,人類建立個兩大科學支柱,一個是愛因斯坦那著名的相對論,另一個便是由眾多科學家一起努力而築建的量子力學!或許,你認為量子力學距離你的生活很遙遠,但這只不過是你的誤解而已!事實上,我們如今所應用的所有科技產品幾乎都涵蓋了量子力學。在現代,量子力學的應用程度遠遠大於相對論。
  • 量子力學:量子糾纏到底糾纏什麼?怎麼纏?簡單解釋給你聽!
    然而當科學家開始探究微觀世界的時候,卻發現了宏觀世界的舊有理論大部分不適用,於是在一大批物理學家(愛因斯坦、普朗克、薛丁格、海森堡等)共同努力下,量子力學被創立。到底什麼是量子力學呢?讓我來介紹一下。量子力學主要研究原子、分子和凝聚態物質,以及原子核和基本粒子結構、性質,是研究物質世界微觀粒子運動規律的物理學分支。它和相對論一起構成現代物理學的理論基礎。
  • 微觀世界分子原子粒子為什麼都在振動或運動?
    有網友問:都說分子振動,原子振動,粒子振動,為什麼振動?本質是什麼?運動是這個世界的根本屬性,而振動是運動的一種方式。最簡單的運動形式有四種,即勻變速直線運動、拋體運動、勻速圓周運動和簡諧振動。只有宏觀物體,我們才能夠看到相對的靜止,比如一棟房子或者一張桌子,我們看到的可能是靜止畫面,但從微觀世界來說,所有的物體內部深層次的分子、原子、亞原子粒子都在不停的運動變化,這種靜中有動的運動,主要方式就是振動。分子振動近似於簡諧振動。
  • 量子波動速讀跟量子力學到底啥關係?
    讓廣大網民哭笑不得,讓無數雞娃老母親愛恨難捨的——量子波動速讀。 好奇之下我給某培訓班打了個電話,那邊慷慨激昂地告知我「我們這套課程是有量子力學專業知識支撐的balabalabala……」,當時隱隱約約覺得我作為理科生的過往和智商,在被piàn子們按在地上摩擦。
  • 人類首次發現超低溫下基態分子與原子散射共振
    超低溫度下基態分子與原子之間的散射共振現象,最近在實驗上被人類首次發現。1月18日,中國科大發布重大成果,該校潘建偉、趙博等利用超冷原子分子量子模擬在化學物理研究中取得重大突破,他們通過對磁場的精確調控首次在實驗上觀測到超低溫度下基態分子與原子之間的散射共振,向基於超冷原子分子的超冷量子化學研究邁進了重要一步。
  • 量子速讀、量子鞋墊、量子內衣……是真正的量子產品嗎?|神奇的...
    量子算命、量子鞋墊、量子速讀……我們家早就用上了!這些「偽科學」沒有科學文獻的支撐,沒有任何能證明效果的實驗數據。郭光燦、潘建偉等院士紛紛闢謠。那到底什麼是量子?電子科技大學基礎與前沿研究院教授周強從事量子研究12年。他說,「說起量子,大家總有一種『不明覺厲』的陌生感。」
  • 電子與原子分子碰撞反應動力學研究獲進展
    圖2 中科院近代物理研究所原子分子動力學組科研人員利用自主研製的反應顯微成像譜儀,在80eV~220eV入射能量範圍內,開展了電子入射Ne、Ar原子以及CH4、N2、CO2等小分子的單電離(e, 2e)反應實驗研究,並取得重要進展。