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提到大名鼎鼎的量子力學(xué)，相信大家都耳熟能詳，即便我搞不懂深?yuàn)W的量子力學(xué)到底說了啥玩意，但起碼我都聽說過，也知道量子力學(xué)和相對(duì)論是20世紀(jì)物理學(xué)最大的發(fā)現(xiàn)，而且徹底顛覆了300年前牛頓給我們定下的經(jīng)典時(shí)空觀。但是如果要問一下到底什么是量子，很多人就突然感覺有點(diǎn)犯迷糊，因?yàn)槲覀兺ǔ６际前蚜孔恿W(xué)連在一起使用，很少單獨(dú)去說量子這個(gè)事，高中的物理課本里也沒有明確的去定義量子，所以就出現(xiàn)了下圖這位網(wǎng)友這樣的疑問： 我在下面做了一個(gè)簡短的回答，但是想想還是有必要獨(dú)立寫一篇文章仔細(xì)的來說說，因?yàn)檫@是個(gè)基礎(chǔ)概念，準(zhǔn)確的理解量子的概念對(duì)加深理解量子力學(xué)，以及量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)之間的本質(zhì)區(qū)別都大有裨益。 概念 量子并不是分子、原子、電子、質(zhì)子這些微觀粒子上的概念，任何一個(gè)物理量如果存在一個(gè)最下不可分割的單位，這樣的物理量就是量子化的，它的最小單位就叫量子。 在傳統(tǒng)力學(xué)里面我們的物理量都是連續(xù)的，以能量為例，我們可以要1焦耳的能量，可以要0.1焦耳的能量，可以要0.000001焦耳的能量，而且只要我們高興，似乎我們可以要無窮小的能量（只要科技手段足夠發(fā)達(dá)）。但是量子力學(xué)告訴我們，你想要無窮小的能量是不可能的，因?yàn)槟芰渴橇孔踊?，它有一個(gè)最小不可分的能量單位，你小到這里就不能再小了，所有的能量都是這個(gè)最小能量的整數(shù)倍。 不光能量，很多物理量都是這樣的，基于這樣一種模型建立的力學(xué)體系就叫量子力學(xué)~ 由來 其實(shí)經(jīng)典力學(xué)里能量連續(xù)化的設(shè)想似乎很符合實(shí)際，我們平常感知到的一些物理量，不管是溫度、能量、長度還是速度什么的，似乎想要多小就有多小，但是你想過沒有，這樣其實(shí)是很沒道理的。在數(shù)學(xué)模型里我們可以用一個(gè)無限小，可以用極限的概念去無限逼近一個(gè)數(shù)，但是在我們的現(xiàn)實(shí)生活里，在這個(gè)由物質(zhì)組成的世界里難道真的會(huì)有這樣的東西去對(duì)應(yīng)無限??？既然是無限小的，那有怎么會(huì)有實(shí)體去跟他對(duì)應(yīng)呢，因?yàn)槟闶菬o限小，所以你應(yīng)該比所有出現(xiàn)的數(shù)字還要小，所以既然你出現(xiàn)了那就肯定不是最小無限小的那個(gè)。 在日常生活中我們感覺不到這種不連續(xù)是因?yàn)槲覀兤匠Ｌ幚磉@些問題的時(shí)候尺度都比較大，就像你現(xiàn)在看到手機(jī)或者電腦屏幕里的圖像照片，它看起來是連續(xù)的，其實(shí)這些都是由一個(gè)個(gè)的像素點(diǎn)組成的，你用1300萬像素的相機(jī)拍一張照片，就是說這張照片是由1300萬個(gè)點(diǎn)組成的。 之前的物理學(xué)處理的問題都比較宏觀，那些物理量是連續(xù)的還是離散的（也就是量子化）的對(duì)他們的影響不大，直到他們遇到了黑體輻射問題。黑體輻射說簡單點(diǎn)就是讓物體去吸收不同的電磁波，看看物體的溫度啊光譜啊到底發(fā)生了什么變化，然后給出一個(gè)描述這現(xiàn)象的公式出來。這個(gè)問題看起來簡單，可是經(jīng)典物理學(xué)就是給不出一個(gè)完美的公式出來，當(dāng)時(shí)解釋這個(gè)現(xiàn)象的理論有兩個(gè)：一個(gè)在短波的時(shí)候適用，長波的時(shí)候和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不符；另一個(gè)在長波的時(shí)候適用，在短波的時(shí)候又和實(shí)驗(yàn)不符。 就在物理學(xué)家們一籌莫展的時(shí)候，普朗克同學(xué)突然腦洞大開：我先不管什么原理不愿理，你們的兩個(gè)公式不是剛好一個(gè)在短波的時(shí)候適用，一個(gè)在長波的時(shí)候適用么？那我不管三七二十一，把你們這兩個(gè)公式拼在一起，先不管它的理論意義，總之至少先讓這個(gè)公式看起來和實(shí)驗(yàn)相符再說。然后普朗克同學(xué)就自己這樣拼出來了一個(gè)公式，然后普朗克同學(xué)就發(fā)現(xiàn)了一個(gè)驚人的東西：這個(gè)公式成立的前提，居然是他必須把能量當(dāng)做一份一份的來看，也就是說不能再把能量當(dāng)做完全連續(xù)的東西，能量都是有許多份最小的能量組成的，這樣最小的一份能量普朗克把它叫為能量子。這是量子的概念第一次正式出現(xiàn)在人們的眼前。 生父與教父 普朗克雖然通過能量量子化的假設(shè)解決了黑體輻射問題，但是他本人（包括當(dāng)時(shí)絕大多數(shù)的物理學(xué)家）不愿意接受這種假設(shè)，經(jīng)典物理學(xué)的世界都是連續(xù)的，這種量子化的假設(shè)簡直是離經(jīng)叛道，甚至大逆不道，完全毀了以前的世界。你看看牛頓的運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)定律，看看麥克斯韋那驚為天人的方程組，那種美妙和諧才是物理學(xué)，能量怎么能是不連續(xù)的呢？不對(duì)，一定哪里還有更深層的原因我們沒有發(fā)現(xiàn)，我們一定要從經(jīng)典物理學(xué)里找到這種量子化的深層原因。當(dāng)時(shí)主流的物理學(xué)家就是這樣的想法，包括普朗克，這個(gè)量子力學(xué)之父現(xiàn)在想要親手掐死自己這個(gè)丑陋的孩子，但是很顯然，不管他們怎么努力，他們的工作都是白費(fèi)的。 老一輩的物理學(xué)家眷戀自己的家園也情有可原，但是年輕一代的物理學(xué)家們可不會(huì)這樣，對(duì)就是對(duì)，錯(cuò)就是錯(cuò)，我要的是真理，至于真理是長啥樣，美麗還是丑陋的我不管，我們有勇氣拋棄一切。 最先站出來的就是愛因斯坦。 普朗克是量子力學(xué)是生父，但是這個(gè)生父剛把量子力學(xué)生下來就要拋棄它，愛因斯坦看到量子力學(xué)就像看到了一個(gè)天賦異稟但又不被人理解的小孩，于是愛因斯坦主動(dòng)擔(dān)負(fù)起了撫養(yǎng)教育他的重任。量子力學(xué)在愛因斯坦的呵護(hù)下慢慢成長，以至于后來有了挪移乾坤的本事，把整個(gè)物理界攪得天昏地暗。 愛因斯坦這個(gè)養(yǎng)父教父和量子力學(xué)的事我們后面再說。 |
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