量子這個數學概念的意思究竟是什么呢?

量子這個數學概念的意思究竟是什么呢?

作者:順馨緣量子 來源:未知 2017-10-23 14:26????瀏覽次數:????
 
 
這是個很有意思的問題??吹?ldquo;量子”這個詞,許多人在“不明覺厲”之余,第一反應就是把它理解成某種粒子。但是只要是上過中學的人,都知道我們日常見到的物質是由原子組成的,原子又是由原子核與電子組成的,原子核是由質子和中子組成的。那么問題來了,量子究竟是個什么鬼?難道是比原子、電子更小的粒子嗎?
 
其實不是。量子跟原子、電子根本不能比較大小,因為它的本意是一個數學概念。好比說“5”是一個數字,“3個蘋果”是一個實物,你問“5”和“3個蘋果”哪個大,這讓人怎么回答?正確的回答只能是:它們不是同一范疇的概念,無法比較。
 
那么,量子這個數學概念的意思究竟是什么呢?就是“離散變化的最小單元”。
 
舉個例子。我們上臺階時,只能上一個臺階、兩個臺階,而不能上半個臺階、1/3 個臺階。這就是“離散變化”,對于上臺階這件事來說,一個臺階就是一個量子。
 
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跟“離散變化”相對的叫做“連續變化”。例如你在一段平路上,你可以走到1米的位置,也可以走到1.1米的位置,也可以走到1.11米的位置,如此等等,中間任何一個距離都可以走到,這就是“連續變化”。
 
顯然,離散變化和連續變化在日常生活中都大量存在,這兩個概念本身都很容易理解,沒有什么特別之處。那么,為什么“量子”這個詞會變得如此重要呢?
 
因為人們發現,離散變化是微觀世界的一個本質特征。
 
微觀世界中的離散變化可以分為兩類,一類是物質組成的離散變化,一類是物理量的離散變化。
 
先來看第一類。例如光是由一個個光子組成的,你不能分出半個光子、1/3個光子,所以光子就是光的量子。陰極射線是由一個個電子組成的,你不能分出半個電子、1/3個電子,所以電子就是陰極射線的量子。
 
在這種情況下,你似乎可以拿量子去跟原子、電子比較了,但這并沒有多大意義,因為它是隨你的問題而變的。你需要分清,原子、電子、質子、中子、中微子這些詞本身就對應某些粒子,而量子這個詞在不同的語境下對應不同的粒子(如果它對應粒子的話)。并沒有某種粒子專門叫做“量子”!
 
再來看第二類。例如氫原子中電子的能量只能取-13.6 eV(eV 是“電子伏特”,一種能量單位)或者它的1/4、1/9、1/16 等等,總之是這個值除以某個自然數的平方(-13.6/n^2 eV,n可以取1、2、3、4、5等等),而不能取-13.6 eV的2 倍、1/2 或1/3等等。這時我們不好說氫原子中電子能量的量子是什么,但會說氫原子中電子的能量是“量子化”的。
 
說某個東西是量子化的,意思就是這個東西只能離散變化。這是一種普遍現象,每一種原子中電子的能量都是量子化的,也就是說它只能取某些值,不能取這些值之間的值。
 
發現“離散變化是微觀世界的一個本質特征”后,科學家創立了一門準確描述微觀世界的物理學理論,就是“量子力學”?,F在你可以明白,這個名稱是怎么來的,它其實是為了強調離散變化在微觀世界中的普遍性。量子力學出現后,人們把傳統的牛頓力學稱為經典力學。
 
對普通民眾來說,量子力學聽起來似乎很前沿。但對相關專業(物理、化學)的研究者來說,量子力學的相關發展已經超過了一個世紀。
 
量子力學起源于1900 年,當普朗克在研究“黑體輻射”問題時,發現必須把輻射攜帶的能量當作離散變化的,才能推出跟實驗一致的公式。在此基礎上,愛因斯坦、玻爾、德布羅意、海森堡、薛定諤、狄拉克等人提出了一個又一個新概念,大大擴展了量子力學的應用范圍。到20 世紀20 年代末,量子力學的理論大廈已基本建立起來,能夠對微觀世界的很多現象作出定量描述了。
 
許多最基本的問題,是量子力學出現后才能回答的。例如:
 
為什么原子能保持穩定,例如氫原子中的電子不落到原子核上?
 
為什么原子能形成分子,例如兩個氫原子聚成氫氣分子?
 
為什么原子有不同的組合方式,例如碳原子能組合成石墨、金剛石、足球烯、碳納米管、石墨烯?為什么食鹽會形成離子晶體?
 
為什么有些物質很穩定,而有些物質很容易發生化學反應?
 
為什么有些物質,如銅,能導電?有些物質,如塑料,不導電?為什么有些物質如硅,是半導體?為什么有些物質,如水銀,在低溫下變成超導體?
 
為什么會有相變,例如水在0℃以下結冰,0 ~100℃是液體,100℃以上氣化?
 
為什么改變鋼鐵的組成,能制造出各種特種鋼?
 
為什么激光器和發光二極管能夠發光?
 
為什么化學家能合成比大自然原有物質種類多得多的新物質?
 
為什么通過觀察宇宙中的光譜線能知道遠處星球的元素組成?
 
現代社會碩果累累的技術成就,幾乎全都與量子力學有關。你打開一個電器,導電性是由量子力學解釋的,電源、芯片、存儲器、顯示器的工作原理是基于量子力學的。走進一個房間,鋼鐵、水泥、玻璃、塑料、纖維、橡膠的性質是由量子力學決定的。登上飛機、輪船、汽車,燃料的燃燒過程是由量子力學決定的。研制新的化學工藝、新材料、新藥,都離不開量子力學??梢赃@么說:與其問量子力學能用來干什么,不如問它不能干什么!
 
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