量子讲堂第一期:量子力学中的量子并不是一种实在粒子,而是一种物理概念

量子力学的诞生绝非是一种偶然,而是物理学发展的必然结果,因为在19世纪末期,由伽利略、牛顿构建的经典力学物理体系趋于完善,物理学家一度认为世界上所有的事情都可以使用经典力学去解释,直到一个全新的微观粒子世界出现在物理学家的面前,物理学家们惊讶的发现:在微观粒子世界,微观粒子运动与宏观世界截然不同,如果使用经典力学去解释微观世界的粒子运动、现象的话,那么经典力学就会变得十分荒谬与乏力,于是物理学界急需要一种全新的物理理论去探索微观粒子世界,于是量子力学诞生了。

量子力学在20世纪初由普朗克、玻尔、爱因斯坦等多位著名的物理学家共同创建,主要是用来研究微观粒子运动规律的一门物理学分支,微观粒子其实包括很多种:原子、中子、质子、电子等等,但在这份微观粒子的名单中,唯独没有“量子”这种微观粒子的存在。

讲到这里,可能大家会产生这样的问题:为何研究微观粒子的物理学分子被称为量子力学,而不是粒子力学呢?量子力学中的量子究竟指的是什么呢?

首先来说:量子并不是一种实在的粒子,也就是说量子与原子、质子、中子不同,量子是物理学家人为创造的一种物理概念。

说起量子,我们就不得不提到德国一位伟大的物理学家:普朗克,他被誉为量子力学的奠基人,量子这一概念最早就是由普朗克率先提出的,在1900年,普朗克在研究黑体能量辐射的时候,普朗克经过多次实验、计算都无法得出黑体能量辐射问题背后的真相,在一次偶然的机会,普朗克提出了这样一个惊人的假设:普朗克假设能量的传递并不是连续不断、可以无限被分割的,能量是一段、一段进行传递的,这种假设在当时看起来十分荒诞,但正是这个看起来十分不靠谱的假设却成功的解释了黑体辐射的问题。

要知道能量传递是连续的,这是几百年物理学届的一个共识、或者说是一个定论,它就好像人饿了需要吃饭一样不可动摇,但几百年过去后,这样一个被奉为真理的定论却无法解释一些微观世界的现象,于是普朗克经过慎重的思考提出了一个全新的概念:能量的传递存在最小单位,即能量不可以被无限的分割,能量的传递实质上是由一段、一段的最小单位作用而成的,这一段、一段的最小单位就是能量子,后来被统一称为:量子,这就是量子最初的概念,即能量的最小单位。于是普朗特经过计算得出一个常数,即普朗克常数,h=6.62606896(33×10^(-34) J·s,普朗克常数意味着能量的最小单位被数学化,通过普朗克常数的变形,我们又可以得出普朗克时间、普朗克长度,分别代表着时间的最小单位、长度的最小单位。

后来物理学家们通过实验发现,不单单能量存在最小单位,像角动量、自旋等物理量也存在着最小单位,即角动量、自旋等这些物理量都是可以量子化的,物理学家们基于量子的概念创建了量子力学。