量子到底是什麼?與我們熟知的分子、原子、電子是什麼關係?

2020-12-04 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。

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