量子(quantum)是現(xiàn)代物理的重要概念。最早是由德國(guó)物理學(xué)家M·普朗克在1900年提出的。他假設(shè)黑體輻射中的輻射能量是不連續(xù)的,只能取能量基本單位的整數(shù)倍,從而很好地解釋了黑體輻射的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
后來(lái)的研究表明,不但能量表現(xiàn)出這種不連續(xù)的分離化性質(zhì),其他物理量諸如角動(dòng)量、自旋、電荷等也都表現(xiàn)出這種不連續(xù)的量子化現(xiàn)象。這同以牛頓力學(xué)為代表的經(jīng)典物理有根本的區(qū)別。量子化現(xiàn)象主要表現(xiàn)在微觀(guān)物理世界。描寫(xiě)微觀(guān)物理世界的物理理論是量子力學(xué)。
量子一詞來(lái)自拉丁語(yǔ)quantus,意為“有多少”,代表“相當(dāng)數(shù)量的某物質(zhì)”。自從普朗克提出量子這一概念以來(lái),經(jīng)愛(ài)因斯坦、玻爾、德布羅意、海森伯、薛定諤、狄拉克、玻恩等人的完善,在20世紀(jì)的前半期,初步建立了完整的量子力學(xué)理論。絕大多數(shù)物理學(xué)家將量子力學(xué)視為理解和描述自然的基本理論。
一個(gè)物理量如果存在最小的不可分割的基本單位,則這個(gè)物理量是量子化的,并把最小單位稱(chēng)為量子。量子英文名稱(chēng)量子一詞來(lái)自拉丁語(yǔ)quantus,意為“有多少”,代表“相當(dāng)數(shù)量的某物質(zhì)”。在物理學(xué)中常用到量子的概念,指一個(gè)不可分割的基本個(gè)體。例如,“光的量子”(光子)是一定頻率的光的基本能量單位。而延伸出的量子力學(xué)、量子光學(xué)等成為不同的專(zhuān)業(yè)研究領(lǐng)域。其基本概念為所有的有形性質(zhì)是“可量子化的”。“量子化”指其物理量的數(shù)值是離散的,而不是連續(xù)地任意取值。例如,在原子中,電子的能量是可量子化的。這決定了原子的穩(wěn)定性和發(fā)射光譜等一般問(wèn)題。絕大多數(shù)物理學(xué)家將量子力學(xué)視為了解和描述自然的的基本理論。
通俗地說(shuō),量子是能表現(xiàn)出某物質(zhì)或物理量特性的最小單元。
在經(jīng)典物理學(xué)中,根據(jù)能量均分定理:能量是連續(xù)變化的,可以取任意值。19世紀(jì)后期,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)很多物理現(xiàn)象無(wú)法用經(jīng)典理論解釋。當(dāng)時(shí)德國(guó)物理界聚焦于黑體輻射問(wèn)題的研究。1900年左右,M·普朗克試圖解決黑體輻射問(wèn)題,他大膽提出量子假設(shè),并得出了普朗克輻射定律,沿用至今。普朗克提出:像原子作為一切物質(zhì)的構(gòu)成單位一樣,“能量子”(量子)是能量的最小單位。物體吸收或發(fā)射電磁輻射,只能以能量量子的方式進(jìn)行。普朗克在1900年12月14日的德國(guó)物理學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)議中第一次發(fā)表能量量子化數(shù)值、一個(gè)分子摩爾(mol)的數(shù)值及基本電荷等。其數(shù)值比以前更準(zhǔn)確,提出的理論也成功解決了黑體輻射的問(wèn)題,標(biāo)志著量子力學(xué)的誕生。
1905年,德國(guó)物理學(xué)家愛(ài)因斯坦把量子概念引進(jìn)光的傳播過(guò)程,提出“光量子”(光子)的概念,并提出光同時(shí)具有波動(dòng)和粒子的性質(zhì),即光的“波粒二象性”。
20世紀(jì)20年代,法國(guó)物理學(xué)家德布羅意提出“物質(zhì)波”概念,即一切物質(zhì)粒子均具備波粒二象性;德國(guó)物理學(xué)家海森伯等人建立了量子矩陣力學(xué);奧地利物理學(xué)家薛定諤建立了量子波動(dòng)力學(xué)。量子理論的發(fā)展進(jìn)入了量子力學(xué)階段。
1928年,英國(guó)物理學(xué)家狄拉克完成了矩陣力學(xué)和波動(dòng)力學(xué)之間的數(shù)學(xué)等價(jià)證明,對(duì)量子力學(xué)理論進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié),并將兩大理論體系——相對(duì)論和量子力學(xué)成功地結(jié)合起來(lái),揭開(kāi)了量子場(chǎng)論的序幕。量子理論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石之一,從微觀(guān)層面理解宏觀(guān)現(xiàn)象提供了理論基礎(chǔ)。
量子假設(shè)的提出有力地沖擊了經(jīng)典物理學(xué),促進(jìn)物理學(xué)進(jìn)入微觀(guān)層面,奠基現(xiàn)代物理學(xué)。但直到現(xiàn)在,物理學(xué)家關(guān)于量子力學(xué)的一些假設(shè)仍然不能被充分地證明,仍有很多需要研究的地方。
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