什麼是量子?與我們熟知的分子、原子、電子是什麼關係?

2020-12-04 科學認識論

量子力學自從1900年被普朗克提出後,經過了一百多年的發展,現在已經完全融入我們的生活中了。

可以說,沒有量子力學就沒有能帶理論,就不會用我們如今的電子產品,網際網路。

量子力學是信息革命的巨大引擎。人們一提到量子力學首先會問什麼是「量子」。量子是類似電子,光子的微觀粒子嗎?

其實量子只是一種概念,它不是特指哪一種具體的粒子。

分子,原子,電子是具體的粒子,量子只是符合某一特徵的粒子總稱。比如光子就是光量子,是量子的一種!

普朗克當初提出能量量子化的概念只是基於黑體輻射實驗而拼湊出的概念。他一直認為量子的概念只是過渡的。

在20世紀之前,科學家認為能量的釋放和吸收必然是連續的。這也是牛頓力學造成的慣性思維。

黑體輻射的光譜表明:任何嘗試用能量連續性的觀念來解釋實驗結果都是行不通的。

為此普朗克另闢蹊徑,用一種分立的,間斷地,具有基本單元的量子概念解釋能量的非連續性,這也就是能量量子化。

在微觀粒子中,如果一種物理量具有基本單位,且不可再分,那麼就可以用量子表示這種物理量。

我們用最古典的思維假設這樣一個場景

一棟大廈的基礎單元是什麼?你可以說是磚塊。但是磚塊的基本單元又是什麼?

你可以說是無數個顆粒。這些小顆粒依舊可以再分,直到分子和原子。

我們現在知道原子依舊可以再分,那有沒有不可再分的基礎單元呢?

答案就是有,那就是光子。

當電子釋放能量時,並不是連續漸進地釋放,而是以光子作為基礎單位,每次釋放的能量都是單一光子能量的整數倍。

光子的能量E=hv,v是光子的頻率,h是普朗克常數。而光子每次釋放的能量只能說E=nhv,n必須為正整數。所以電子釋放的能量只能是hv、2hv、3hv……

如果按照連續性思維,從hv到2hv之間比然存在無數個連續的能量值。就好比說1到2之間還存在無數個數。

然而事實卻是從hv到2hv之間沒有任何過渡,所以hv就是一個基礎單位,這種跳躍式釋放能量就是非連續的。

量子的概念就是非連續,具有基本量的單元。

這種非連續概念也體現在電子的能級跳躍上。按照經典力學的設想:電子從低能級到高能級,必然會一個連續的過渡運動。但是事實卻是電子的能級跳躍是不連續,且沒有過渡過程。

在量子力學中,微觀粒子總是在相互作用,比如碰撞,湮滅,吸收等。而這些行為或多或少地產生能量,而能量的形式絕大部分都是以光子形式體現出來。比正反物質湮滅,β衰變,電磁輻射都是釋放光子。而光子的能量形式正是量子化的。

所以量子在微觀世界無處不在,量子力學也因此得名。

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