天恒科普|量子是什么？
发表时间：2019-03-15
后来的研究表明，不但能量表现出这种不连续的分离化性质，其他物理量诸如角动量、自旋、电荷等也都表现出这种不连续的量子化现象。这同以牛顿力学为代表的经典物理有根本的区别。量子化现象主要表现在微观物理世界。描写微观物理世界的物理理论是量子力学。
量子一词来自拉丁语quantus，意为“有多少”，代表“相当数量的某物质”。自从普朗克提出量子这一概念以来，经爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森伯、薛定谔、狄拉克、玻恩等人的完善，在20世纪的前半期，初步建立了完整的量子力学理论。绝大多数物理学家将量子力学视为理解和描述自然的基本理论。
中文名 量子 适用范围 微观物理世界别
外文名 Quantum 名能 量子
定义
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。量子英文名称量子一词来自拉丁语quantus，意为“有多少”，代表“相当数量的某物质”。在物理学中常用到量子的概念，指一个不可分割的基本个体。例如，“光的量子”（光子）是一定频率的光的基本能量单位。而延伸出的量子力学、量子光学等成为不同的专业研究领域。其基本概念为所有的有形性质是“可量子化的”。“量子化”指其物理量的数值是离散的，而不是连续地任意取值。例如，在原子中，电子的能量是可量子化的。这决定了原子的稳定性和发射光谱等一般问题。绝大多数物理学家将量子力学视为了解和描述自然的的基本理论。
历史
在经典物理学中，根据能量均分定理：能量是连续变化的，可以取任意值。19世纪后期，科学家们发现很多物理现象无法用经典理论解释。当时德国物理界聚焦于黑体辐射问题的研究。1900年左右，M·普朗克试图解决黑体辐射问题，他大胆提出量子假设，并得出了普朗克辐射定律，沿用至今。普朗克提出：像原子作为一切物质的构成单位一样，“能量子”（量子）是能量的最小单位。物体吸收或发射电磁辐射，只能以能量量子的方式进行。普朗克在1900年12月14日的德国物理学学会会议中第一次发表能量量子化数值、一个分子摩尔（mol）的数值及基本电荷等。其数值比以前更准确，提出的理论也成功解决了黑体辐射的问题，标志着量子力学的诞生。
20世纪20年代，法国物理学家德布罗意提出“物质波”概念，即一切物质粒子均具备波粒二象性；德国物理学家海森伯等人建立了量子矩阵力学；奥地利物理学家薛定谔建立了量子波动力学。量子理论的发展进入了量子力学阶段。
1928年，英国物理学家狄拉克完成了矩阵力学和波动力学之间的数学等价证明，对量子力学理论进行了系统的总结，并将两大理论体系——相对论和量子力学成功地结合起来，揭开了量子场论的序幕。量子理论是现代物理学的两大基石之一，从微观层面理解宏观现象提供了理论基础。
理论建立
量子理论的突破首先出现在黑体辐射能量密度随频率的分布规律上 。1900年10月，由于普朗克解释黑体辐射现象，将维恩定律加以改良，又将玻尔兹曼熵公式重新诠释，得出了一个与实验数据完全吻合普朗克公式来描述黑体辐射。
普朗克发现，如作如下假定则可从理论上导出其黑体辐射公式：对于一定频率ν的辐射，物体只能以hν为能量单位吸收或发射它，h称之为普朗克常数。换言之，物体吸收或发射电磁辐射，只能以量子的方式进行，每个量子的能量为E=hν，称为作用量子。
从经典力学来看，能量不连续的概念是绝对不允许的 。但是在诠释这个公式时，通过将物体中的原子看作微小的量子谐振子，不得不假设这些量子谐振子的总能量不是连续的，即总能量只能是离散的数值（经典物理学的观点恰好相反）。普朗克进一步假设单独量子谐振子吸收和放射的辐射能是量子化的，这一观点严重地冲击了经典物理学。量子论涉及物质运动形式和运动规律的根本变革。
首先注意到量子假设有可能解决经典物理学所碰到的其他疑难的是爱因斯坦。他试图用量子假设去说明光电效应中碰到的疑难，提出了光量子概念，认为辐射场就是由光量子组成。每一个光量子的能量E与辐射的频率ν的关系是E=hν。采用光量子概念之后，光电效应中出现的疑难随即迎刃而解。
