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能否通俗易懂的解释什么是量子?与我们熟知的分子、原子、电子是什么关系?

2020-08-16 23:55:20 历史 历史网 823°c
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黑体辐射

实际上,某种程度来说“量子”本身的含义,远不及它带来的革命重要。不过,在说这些之前,我们可以先来了解一下,“量子”是咋来的。

科学家发现,只要是温度高于绝度零度的物体都会发出辐射,这种辐射是以“电磁波”的形式发出来的。比如:人体就在时时刻刻向外辐射电磁波,之所以我们看不到,是因为这种电磁波不是可见光区域内的电磁波。

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那这种现象为什么引发物理学革命呢?实际上,当时的科学家是在研究工业上使用的电灯泡的辐射问题(不要惊讶,当时刚第二次工业达到顶峰),它们管这个问题叫做:黑体辐射。黑体辐射具体是什么意思,在这里就不过多阐述了,因为讲了并没有太大的意义。科学家通过统计发现:

黑体辐射能量按波长的分布仅与温度有关。

并且得到了下面这样一张图表。

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接下来要做的事情,其实也就很“简单”的,说白了就是用方程解释一下这个曲线就可以了。本来对科学家来说极其简单的事情。但是硬是弄不出个结果来,很多当时的大神都在这上面栽了跟头。

如果我们注意看曲线,就会发现这曲线好像是分段的,有个最高点。当时的科学家有的人能用方程描述前半段,后半段就失灵了;也有的人能描述后半段,前半段就不好使了。那问题到底出现在哪里呢?

量子力学

这个时候有个叫做普朗克的科学家,他就不信邪,也来研究这个问题。结果,他也被整懵了。

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在当时,德国是全世界的学术中心,有很多大牛。其中有个叫做玻尔兹曼的天才,他可以被认为统计力学的宗师级人物。他一直在和其他科学家为“光到底是波还是粒子”吵得不可开交,当时的主流观点认为“光是一种波”,在物理学史上能和牛顿、爱因斯坦齐名的麦克斯韦就这么看的。而玻尔兹曼觉得不应该是这样,他坚持“光的粒子说”。

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他就跟普朗克说,你们总是假设电磁波是连续的(也就是光是一种波),这肯定算不出来的,你试试看用不连续的方法来算(也就是光是一种粒子),一定可以。(PS:这段话是我自己想象的,不是真实历史,但真实的历史中,玻尔兹曼确实给了普朗克相关方面的启示)

于是,普朗克提出了一种“量子”假设:

黑体辐射的能量变化并不是连续的,而是存在辐射能量的最小单位:量子。

基于这样的假设,普朗克很快就得到了著名的普朗克定律:

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用这个定律就可以很好地描述之前那个奇怪的变化曲线。不过,观念总是根深蒂固的,普朗克虽然通过这个发现获得了诺贝尔奖,但他始终都对这个理论无力接受,不仅是他,后来在这个领域做出杰出贡献的爱因斯坦,薛定谔等伟大科学家都挺不能接受的。

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“量子”颠覆了什么?

为什么这么多科学家都无法接受呢?

这是因为这个理论指出了一个“事实”,

凡是变化都存在着一个最小的单位。

时间和距离都是如此,因此就有了最小的时间间隔:10^-43秒;最小的可测距离:1.6x10^(-35)米。前者被称为普朗克事件,后者被称为普朗克距离。

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意思是,时间的变化并不是连续的,同样的距离的变化也不是连续。说到这里,你或许还是不能理解,我们可以举个例子,还拿时间来说事。原本我们的观念里认为,时间从1秒到2秒,1秒到2秒,中间可能要度过1.000000000000000……1秒,也就是说时间可以无限切下去,本质上是连续的。但“量子”理论认为,这不是可以无限切下的,而是存在一个变化的最小单位,也就是10^-43秒,时间的变化最小也是这个量,没办法比它再小了。所以,它颠覆的是“变化是连续”的世界观。

量子和粒子

量子和各种粒子有相同也有不同,首先,它们都是最小的单位,其次,它们不同的是,前者是变化的最小单位,而后者是物质粒子的基本单位(这里指的是费米子和玻色子)。原子等例子描述的其实构成物质的基本单位,并且它们如何组合到一起。按照现在主流的理论,也就是粒子物理标准模型。这个模型中的粒子也就是构成物质的基本粒子。

能否通俗易懂的解释什么是量子?与我们熟知的分子、原子、电子是什么关系?

所以,量子和粒子是不同的两个物理概念。

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