在物理學中,量子是交互作用中涉及的任何物理實體(物理屬性)的最小量。這意味著物理性質的大小只能采用由一個量子的整數倍組成的離散值。
例如,光子是單量子的光(或任何其他形式的電磁輻射)。類似地,原子內的電子的電荷能量是量子化的,并且可以某離散值存在。實際上,原子和物質通常是穩(wěn)定的正是因為電子只能存在于原子內的離散能級。量子化是量子力學更廣泛物理學的基礎之一。能量的量化及其對能量和物質相互作用的影響(量子電動力學)是理解和描述自然的基本框架的一部分。
量子的性質似乎暗示了宇宙微觀層面的某種特性,通俗一點講,宇宙實際上更像一塊粗糙的布,遠看光滑柔順但近看則是由細密的“線”織成。
這里敷衍一下普朗克提出量子概念的簡單歷史:
1859年古斯塔夫·基爾霍夫提出黑體輻射問題,1877年波茨曼提出物理系統的能量狀態(tài)可以是離散的。1900年,馬克斯·普朗克(Max Planck)發(fā)現了輻射量子化的概念,他曾試圖了解被加熱物體的輻射發(fā)射,稱為黑體輻射。通過假設能量只能在微小的,微分的,離散的包(他稱之為“束”或“能量元”)中被吸收或釋放,即假設是能量以離散的“量子”(或能量包)輻射和吸收,普朗克精確解釋了觀察到的黑體輻射的模式。
關于黑體輻射的詮釋,終于揭開了量子這一重要的物理概念的新篇章。
其實關于量子的現實證實還要靠愛因斯坦,普朗克差點錯失“量子之父”之名。坦哥確實很厲害!
根據普朗克的理論,E=hv,即每個能量元(E)與其頻率(ν)成正比,其中h是普朗克常數。
普朗克謹慎地認為,“量子”只是輻射吸收和發(fā)射過程的一個方面,與輻射本身的物理現實無關。事實上,他將他的量子假設只視為一個得到正確的答案的數學技巧,而不是一個大發(fā)現。
然而,在1905年,坦哥打了普朗克的臉,他用更現實地證據解釋了普朗克的量子假設——用來解釋光電效應,即光照在某些物質上可以從物質材料中射出電子。坦哥因這項工作獲得了1921年諾貝爾物理學獎,后來還進一步發(fā)展了這一觀點,以表明光等電磁波也可以被描述為一個粒子(后來稱為光子),其能量取決于其頻率。
上圖:光電效應
大約在1900年至1910年間,量子理論和光的微粒理論首先被廣泛接受為科學事實; 后面的這些理論可以分別被視為物質和電磁輻射的量子理論。
后來,在20世紀20年代中期,量子力學在一大堆大神的發(fā)力之下蓬勃發(fā)展。在量子力學中,“量子”指的是分配給某些物理量的離散單位,例如靜止原子的能量。 各種粒子是具有波特性的離散能量包的發(fā)現,導致了處理原子和亞原子系統的物理學分支——量子力學的產生。
上圖:不同能級氫原子中電子的波函數。量子力學無法預測粒子在空間中的確切位置,只能預測在不同位置找到粒子的概率。更亮的區(qū)域代表發(fā)現電子的更高概率。波函數的取值是離散的(整數)才能符合實際的統計學結論。