科普:量子力學中的量子指的是什麼?量子比電子、夸克還要小嗎?

2020-12-03 量子科普

大家好,歡迎收看量子科普第90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」究竟是什麼物質?量子是比中子、電子、夸克還要小的微觀粒子嗎?

喜歡科學領域的讀者一定對量子力學這門物理學科並不陌生,大家多多少少都知道量子力學是研究微觀量子領域的學科,更準確的說量子力學是:描述描寫原子和亞原子尺度的物理學理論,亞原子指的是比原子更小的微觀粒子,例如原子核、電子、中子、質子,甚至是夸克,可能說到這裡,大家會很奇怪:量子力學,顧名思義,應該是研究量子的學科啊,但是量子力學定義之中提到的原子及亞原子之中並沒有「量子」這種物質,量子是要比中子、電子還要小的微觀粒子嗎?今天就來給大家科普一下:量子力學中的「量子」究竟指的是什麼?

首先來說,雖然原子、原子核、中子、電子、夸克等等這些粒子與量子一樣都是量子力學的研究範疇,但是這些原子、原子核、中子、電子、夸克等等粒子與量子並不屬於同一個範疇,首先來說,原子、原子核、中子、電子、夸克等等這些粒子是客觀存在的,是一種物質,而量子本身並不是一種實際存在的粒子,而是物理學家們人為定義的一種物理概念。

就好像我們將地球自轉一圈視為一天,那麼一天就是一個人為定義的物理量,而地球自轉這種運動則是真實存在的,原子與量子就是這種關係。

量子指的是:如果某物理量存在最小的、不能再被分割的基本單位,那麼這個物理量就是量子化的,這個最小的基本單位就是量子,量子來自拉丁語,本意是「有多少」的意思,表示:相當數量的某物質,量子這一概念的提出是量子力學區別於經典力學的首次突破。

在宏觀世界中,能量是連續、持續變化的,我們可以取它的任意值,但是隨著科技的發展,越來越多的現象無法使用經典力學的觀點去解釋,例如黑體輻射中的能量問題,普朗克發現使用經典力學無法解釋這種現象,他發現只有假設在黑體輻射中,能量不連續的,取能量最基本單位的最小整數倍,才能很好的解釋這種現象,於是普朗克拋棄了經典力學,提出了一個全新的概念:能量子,簡稱:量子,普朗克指出:原子是物質的構成單位,而量子則是能量的最小單位。

最早「量子化」這一概念的提出僅僅是針對能量這個物理量,但是隨著科學的不斷發展,科學家發現,量子化絕不僅僅局限於能量這個物理量自旋、電荷等物理量也同樣可以量子化,量子化這個概念是區別於宏觀世界經典力學的,量子化只能使用於微觀粒子世界,量子力學也與相對論一同被稱為現代物理學的兩大支柱。

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