第一讲:量子究竟是什么?

发布时间:2018-09-19

量子是什么?可能是每一个人听到这个词的第一反应。许多人在不明觉厉的同时将其归结成某种粒子。我们知道构成物质的最小单元是基本粒子,比如分子、原子,原子又由原子核与电子组成,原子核又分质子和中子。那么量子究竟是什么呢?难道是比原子、电子更小的粒子吗?

量子,没有大小之分,它是一个物理概念,一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位,则这个物理量是量子化的,并把最小单位称为量子

如果用数学概念来理解量子呢?那就是离散变化的最小单元

什么叫离散变化?我们统计人数时,可以有一个人、两个人,但不可能有半个人。我们上台阶时,只能上一个台阶、两个台阶,而不能上半个台阶。这些就是离散变化。对于统计人数来说,一个人就是一个量子。对于上台阶来说,一个台阶就是一个量子。如果某个东西只能离散变化,我们就说它是量子化的。

 在发现离散变化是微观世界的一个本质特征后,科学家创立了一门准确描述微观世界的物理学理论,就是量子力学。现在你可以明白,这个名称是怎么来的,它其实是为了强调离散变化在微观世界中的普遍性。

量子最早是由德国物理学家普朗克1900年提出来的,用来解决困惑物理界的“紫外灾难”问题。普朗克假定,光辐射与物质相互作用时其能量不是连续的,而是一份一份的,一份“能量”就是所谓量子。就这样,“量子论”宣告诞生。

但当时的物理界,包括普朗克本人,都讨厌“量子”这个怪物,千方百计想要将它消化在经典物理的世界之中,但却屡试不果。1905年,爱因斯坦独具慧眼,他认为光辐射不仅在于与物质相互作用时的能量是一份一份的,光辐射的能量,本身就是“量子化”的,一份能量就是光能量的最小单元,后来称之为“光量子”,或简称“光子”。他还成功用这样一个公式解释了光电效应,从而获得了诺贝尔物理学奖。

1913年,玻尔创造性的把量子概念应用于氢原子系统,提出原子中的电子只能存在于具有分立能量的定态上,并且电子在不同能量定态之间的跃迁是非连续的。这样完美回答了氢原子稳定存在的原因,而且还成功地解释了氢原子和类氢原子的光谱现象。

1924年,法国年轻的博士生德布罗意在爱因斯坦“光子”概念的启发下提出:既然看似波动的光辐射,具有“粒子”特性,那么像电子这类看似“粒子”的物质,也应具有波动性。这就是“德布罗意物质波”的概念,由此引发后面大量理论与实验研究,证实所有微观粒子都同时具有波动性和粒子性二象性。

1925年7月,海森伯注意到玻尔理论中的电子轨道、旋转频率等物理量在真实的实验中是无法测量的,真正能够被测量到的是原子光谱的频率、强度等物理量。海森伯决定从经验出发,用可以被确实感知的物理量来描述量子理论。他引入数学矩阵工具,进而诞生了量子力学的第一套数学形式:矩阵力学

1925年末,薛定谔仔细研究了德布罗意的论文,按照德布罗意的想法,每个粒子都伴随着一个波,波和粒子同时存在。但薛定谔致力寻求理论上的统一,认为物质的本质就是波,所谓电子之类的概念只不过是物质波的某些运动给我们造成的错觉。薛定谔进一步在德布罗意给出的能量、动量条件的基础上推出了物质波的波动方程。由此发展出了量子力学的第二套数学形式:波动力学

1926年下旬,看上去迥然不同的矩阵力学波动力学很快被证明在数学上是等价的。薛定谔首先证明了波动力学与矩阵力学的等价性,之后,狄拉克进一步通过变换理论把两者统一起来。至此,量子力学的理论体系被创建完成。

此后,量子理论不断被验证和完善。

随着科学技术的发展,人们认识到“量子世界”不仅限于微观和单个粒子,某些宏观尺度下的多粒子系统也遵从量子力学规律。例如当原子聚合的温度足够低时,所有处于不同状态的原子,会突然聚集在同一个尽可能低的能量状态上,其行为就像一个“放大”的原子,遵从量子力学规律,这就是玻色-爱因斯坦凝聚

人们按物理运动规律的不同,将遵从经典运动规律(牛顿力学,电磁场理论)的那些物质所构成的世界称为“经典世界”,将遵从量子力学规律的那类物质所构成的世界称为“量子世界”。“量子”就是量子世界中物质客体的总称,它既可以是光子、电子、原子、基本粒子等微观粒子,也可以是超导体等宏观的量子系统,它们的共同特征就是必须遵从量子力学的规律。

量子”与“经典”本质区别在哪呢?经典世界的特点是物体的物理量、状态在某个时刻是完全确定的,即经典信息要么是0,要么是1,毫不含糊。但量子世界中,客体的物理量则是不确定的、概率性的,而且这种不确定性与实验技术无关,是量子世界的本质特征,无法消除。这个特征就是量子力学中重要的量子态叠加态。

从步入量子时代以来,越来越多的人投入到量子力学的应用研究中,基于量子规律的新技术也不断涌现,这些深深地改变了人类的生活,那么量子技术有哪些具体应用呢?敬请期待下回分解哦~

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