量子力學的核心,普朗克常數

2020-12-05 夸克星貓

普朗克常數定義了我們宏觀實在物理學的尺寸級別,指引了通向奇異量子世界之路。而且微觀世界的量子表現能在宇宙的各種尺度觀測到。實際上,只需要測量陽光的顏色,就能觀測到這種量子表現的效果。甚至還能藉此測量普朗克常數。

芝諾著名的悖論告訴我們超越烏龜是不可能的。盡力奔跑,當你到達烏龜的初始位置是,烏龜早就向前移動了;你到達第二個位置時,烏龜又向前移動了一小點。為了超越烏龜,你需要無限次的到達之前烏龜達到的位置。每一步都比上一步短,但仍存在無限多步數。

這個悖論有一些問題,其中之一是它認為空間是無限可分的。事實並非如此,當你與烏龜之間的距離小到不可思議時,你的位置會呈現量子不確定性,當足夠接近是,這種量子模糊效應意味著無法斷言你的位置到底是在烏龜身前還是身後。這種效應,本質就是海森堡不確定性原理,描述了物體位置能被定義的最小尺度。

極小的普朗克常數:6.63×10^-34 J·s,規定了這種量子模糊的尺度。在許多方面,它定義了量子世界的可分割性。普朗克常數基本都會出現在描述量子現象的方程中。例如海森堡不確定性原理,德布羅意物質波,還有薛丁格方程,電子軌道能級,以及光子能量與頻率之間的關係。普朗克常數也定義了普朗克長度(1.6x10^-35 m),一個假象出來的值,比這個更小的尺寸沒有任何意義。

普朗克常數的影響在我們的宏觀尺度上也能觀測到。比如普朗克常數與太陽的溫度一同規定了陽光的顏色。如果普朗克常數比當前小25%,我們會看到紫太陽,其他的東西也一樣。宇宙中所有物體都根據自身溫度在發光,物體越熱,粒子振動的越快,產生的光子的平均頻率隨著溫度上升亦而增大。光子的平均頻率決定了我們觀察到的顏色,太陽是黃色的,因為其表面溫度為6000K,在電磁波譜的綠色和黃色區域產生了比其他區域更多的光子。藍巨星(參宿七)有12000K,它會產生巨量的高頻藍光以及更多的紫外線。我們的溫度大概是310K附近,因此,我們的熱量主要輻射出低頻紅外光子,這也是紅外攝像機的原理。

德國物理學家馬克斯·卡爾·恩斯特·路德維希·普朗克在解決黑體輻射光譜時,發現了普朗克常數。這個發現過程還蠻有趣的,當時他只是為了尋求某種數學技巧去解決黑體輻射,設想了讓粒子僅能以一個最小能量的整數倍進行振動,而在最後整合公式時,引進的一個常數卻無法去掉。就好像電腦死機了亂按鍵盤湊效了一般,

普朗克的發現是愛因斯坦需要設想的光量子存在的線索。光既是波,也是粒子,攜帶量子化的能量。愛因斯坦通過光電效應證明了他的假說,為此他獲得了1921年的諾貝爾物理學獎。緊隨普朗克在1918年獲獎之後。這一發現點燃了科學的狂熱,導致了20世紀20年代的量子革命。而這個普朗克在他絕望時刻弄出來的小小的數,普朗克常數仍舊待在所有量子世界的核心位置。

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  • 普朗克常數
    我們都說量子力學是描述微觀世界結構、運動與變化規律的物理科學。它是20世紀人類文明發展的一個重大飛躍。那麼,在這其中普朗克假設是怎樣的呢?我們需要了解一個物理常量。那就是普朗克常數。在物理學的基本常數中,有些是通過實驗觀測發現的,如真空中的光速 、基本電荷、磁常數 、電常數 等。也有一些是在建立相關定律、定理時被引入或間接導出的,如牛頓引力常數、阿伏伽德羅常數 、玻耳茲曼常數 等。而普朗克常數則是完全憑著普朗克的創造性智慧發現的。
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    這裡h就是著名的普朗克常數而ν是光的頻率。自此,普朗克常數(或約化普朗克常數ħ = h /2π)開始出現在描述各種微觀粒子性質的物理量中,比如自旋⻆動量等於ħ的整數或半整數倍,原子或分子的大小正比於ħ的平方。在各種量子效 應,比如量子隧穿和能級分裂,我們也都能看到普朗克常數扮演的重要⻆色。現在普朗克常數已經成為量子效應的代名詞。
  • 普朗克常數與一系列普朗克常量分別是什麼?它們支配著這個世界!
    那普朗克常數究竟是什麼呢?普朗克常數是一個物理常數,用h表示,被用來描述量子的大小,是量子力學領域最重要的常數,其大小為6.62607015×10^(-34) J·s。人類七大基本單位之一的「千克」就是基於普朗克常數,利用質能公式轉換而制定的。除了這個普朗克常數外,還有一系列的普朗克常量,如普朗克溫度,普朗克時間,普朗克長度。
  • 物體熱輻射的規律,普朗克常數,普朗克常數
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    本文大致分為兩個部分,第一部分按照歷史發展的順序簡單回顧普朗克常數的提出和量子力學的發現過程,第二部分按照個人理解簡單介紹普朗克常數在物理學框架中的地位或意義。希望能滿足對量子物理了解程度各不相同的讀者。
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  • 不愛套路的宇宙精靈:普朗克量子常數
    德國物理學家普朗克(Max Planck,1858-1927年)雖然思想保守,卻在量子力學的誕生史上充當了一次革命者。但普朗克並沒有提出光量子的思想,直到1905年,26歲的愛因斯坦對光電效應的貢獻才真正使人們看到了量子概念所閃現的曙光。愛因斯坦認為,光線的能量不是連續的,而是以一個一個光量子的形式存在。
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  • 量子序曲之普朗克常數
    我們用大寫英文字母$E$來表示能量,小寫希臘字母$\nu$表示頻率,而比例因子被記做$h$,為了榮耀普朗克,我們稱之為普朗克常數。現在一個光子(或一個光量子)攜帶的能量就是:「普朗克常數 x 光的頻率」在國際單位制中能量的單位是焦耳,能量是物理世界中的「貨幣」,它可以有多種形態存在,並可以互相轉換,但在轉換過程中沒有「花帳」和「黑洞」,我們需要做的是把轉換因子定義好,這樣就可得到能量守恆的概念了
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    普朗克常數不熟悉量子力學的人估計都沒有聽過這個名字,普朗克常數的作用是描述量子的大小。它的創始人普朗克是能和愛因斯坦並駕齊驅的物理學家,是量子力學的主要開創者。量子力學的基礎概念就是量子,而普朗克常數就是專門用來描述它的。量子是微觀角度的概念,它的大小是多少對於研究它的性質而言,是個重要的出發角度。
  • 普朗克常數簡史
    普朗克在他就任柏林理論物理學教授前,一直在熱力學和電磁學領域努力思考這個問題和相關的問題許多年。在普朗克到達之前,這個職位是給玻爾茲曼和赫茲的,但兩人都拒絕了。對普朗克來說這是幸運的,由於柏林是黑體輻射實驗研究中心,普朗克所潛心進行的實驗工作對他後來的理論成果起到了關鍵的作用。物理學家與同事之間有廣泛的和隨意的交談時,他們往工作得最好。
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    只懂經典物理,就敢猜測原子模型,太膨脹了》一文中,提到了玻爾的原子模型打開了量子力學的大門,這裡來講一講一、在通往量子力學的路上,玻爾巧遇驅霧人話說,玻爾成功利用自己的氫原子模型解釋了氫原子譜線之後,立刻成為了那個階段物理學界中的明星。跟我們現在很多人出名了之後一樣,四處講學。一天,玻爾在某個禮堂裡面向下面的聽眾描述他的原子結構。
  • 我國成為可獨立測量普朗克常數的國家
    該課題通過「能量天平」方案,開展對普朗克常數測量和質量量子基準及其關鍵技術的研究,建立能量天平法測量普朗克常數裝置,使我國首次具備普朗克常數測量和千克基準穩定性絕對測量能力,成為國際上第4個可以獨立測量普朗克常數的國家,步入國際計量前沿研究行列。 計量基準的準確與否,需要國際單位制的7個基本單位的保證。
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    感謝建站之星的投遞新聞來源:solidot英國國家物理實驗室的研究人員開發出新技術,能以前所未有的精度測量普朗克常數
  • 如何使用樂高測量普朗克常數?
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    CIPM計劃在2018年11月召開大會,對質量單位「千克」進行重新定義,改用普朗克常數測量值為基準。  在國際單位制的7個基本單位中,只有質量單位「千克」用實際物體定義,其他單位都是以自然常數定義。定義「千克」的實物,是一塊用90%鉑和10%銥打造的標準砝碼,即存放在法國國際標準局保險箱內的國際千克原器(IPK)。
  • 普朗克常數是什麼?為什麼宇宙要依賴它?
    普朗克常數幾乎是所有學過物理的人所知道的,可以說是常識。德國物理學家馬克斯·普朗克於1900年計算得出該常數,這使得他獲得了1918年的諾貝爾獎。這一常數改變了遊戲規則,其通過描述物質的最細微部分如何在稱為量子的離散束中釋放能量,從而將「量子」本質上置於量子力學中。
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    他們理論分析的成果同樣也是一個關於I(v,T)的表達式,但與維恩通過實驗得出的公式大不相同。在瑞利-金斯定律中,I(v,T)=(2k/c2)v2T,其中k為波爾茲曼常數、c為光速。這一公式相較於維恩公式具有顯著的優勢:首先,公式中的常數都是已知的物理學常數,而非實驗得出的數據;其次,該公式相比維恩的公式更符合實驗測得的紅光強度曲線。不過,它也有一個重大的劣勢,那就是它是明顯錯誤的。
  • 普朗克常數改寫「公斤」定義
    多年來,測量的定義——安培(ampere)、燭光(candela)、克耳文(kelvin)、公斤(kilogram)、公尺(meter)、莫耳(mole)以及秒(second)——都已經過重新定義,因而都是以自然發生的現象為為基礎,例如普朗克常數(Planck’s Constant)等。基於實物定義的最後一個SI單位——公斤,最近終於也重新定義了。