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量子是什么？

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发布时间：2019-02-08加入收藏来源：互联网点击：

量子是什么？

回答于 2019-09-11 08:43:50

回答于 2019-09-11 08:43:50

量子是20世纪物理学家在试图解释一些物理现象时提出的，从字面意思理解，量子代表的就是分立的，一份一份的，是用于描述微观世界自然规律的基本单元。我们最容易认知的原子、原子核和电子是一个一个的，可以认为是一种广义上的量子。但物理学中的量子绝不仅限于此，而且要丰富地多。光子、能量子、自旋都可以认为是一种量子的概念。需要注意的是，量子不仅具有分立的特性，而且具有波的特性。这就是所谓的波粒二象性。

相关历史

量子概念的提出是对经典力学的挑战，具有很重要的历史意义，是人类对物质世界认知的一大突破。但其实量子的概念是上个世纪初很多解释不了的实验数据所催发的一个必然产物。

1900年，量子的概念首先由普朗克提出，成功解释了当时的“黑体辐射”数据；

1905年，爱因斯坦提出了光量子的概念，成功解释了当时“光电效应”的实验规律；

1913年，玻尔受到光谱学中巴耳末公式的启发，提出了基于量子概念的氢原子模型，成功地解释了氢原子的不连续光谱。

量子现象

微观世界是量子化的，是我们认知微观世界所必须的一个最基本的概念，同时也是很多新奇物理效应（比如超导）的微观根源。我们在这里介绍几个比较典型的量子以及和其有关的有趣物理现象，来帮助大家认识量子的概念。

电子和能量量子：电子的能量是量子化的，并不是能取所有的值。多电子原子的电子分布在不同的轨道上，能量或者说电子的状态也会有所不同。更深入的知识告诉我们，电子的位置是不能确定的，而是具有一定的不确定性。我们只能用它在空间某一点出现的概率去描述它，因此就出现了各种各样的电子云，如下图。图1. 不同形状的电子状态(电子云，图片来自于wikipedia:Atomic orbital)

光子：由于电子的能量是分立的，电子在不同状态之间变化时（专业术语叫量子跃迁），便有可能发射出光子，因此光子的能量也是量子化的。图2. 两个不同能量的光子，光子频率也是不同的，紫色的光子能量要比黄色的高(图片来自于wikipedia: Photon)

自旋：自旋的全称是自旋角动量量子数，因此，首先它是一个数，例如电子的自旋是1/2；其次，角动量是有方向的，而量子化的自旋角动量方向也是分立的，只有上下两个方向，因此电子的自旋只有+1/2和-1/2两种。电子自旋和宏观材料的磁性具有很密切的关系，他们都有两个方向，这是我们最容易认识到的二者之间的共性。图3. 电子自旋示意图

量子世界的许多怪异的结论导致了很多出乎意料的现象。我们最常听到的就是超导了，这是一种在某个临界温度以下电阻为零的状态，对于电流传输而言，超导材料是无损耗的，因此具有极大的应用价值。而之所以超导，究其内因，就是和量子世界的规律紧密相关的。

图4. 利用超导线圈提供磁场的核磁共振系统

量子与现代科技生活

毫不夸张地说，没有量子就没有现代科技生活，就没有现在的信息高速公路，也就没有我们身边的智能手机、笔记本电脑，还有我们时时刻刻都离不开的数据流量和WiFi。

为什么这么说呢？现代的科技生活，究其根源，是由于半导体工业的巨大发展提供了足够好的硬件条件。而半导体工业中使用的半导体材料，其优良的性质就是跟量子的概念紧密相关的。最常用的硅基半导体，就是在量子力学的基础上研究发展起来的。由于涉及到了更深入的物理，这里便不再多说了。

图5. 半导体芯片

回答于 2019-09-11 08:43:50

量子在现代的理解中，意思是任何物理性质的最小可能离散单位，如能量或物质。量子这个概念出现在1900年之后，当时物理学家马克斯·普朗克（Max Planck）在德国物理学会的演讲中使用了这种叫法。普朗克试图找出发光体的辐射从红色变成橙色，随着温度升高最终变成蓝色的原因。他发现，通过假定辐射存在最小的离散单位，就像一般的物质一样，而不是像以前假设的那样只是一个恒定连续的电磁波，那么他就可以找出他的问题的正确答案。

普朗克写了一个数学方程，普朗克方程，这个方程涉及一个符号来表示单个的能量量子。他叫单位量子。例如，光子是光的单位量子（或者任何其他形式的电磁辐射的），并且可以被称为“光量子”。 类似地，原子内结合的电子的能量也是量子化的，因此只能以某些离散值存在。 电子只能在原子中以离散能级存在的事实导致原子稳定，因此物质一般是稳定的。

最初普朗克认为，量子的发现只是一个理论工具。但事实上，它的出现后来发展成了一个全新的，基本的自然规律。这个规律就是20世纪大名鼎鼎的量子理论。量子理论和爱因斯坦的相对论共同解释了地球上所有物质和能量的本质和行为，构成了现代物理学的基础。然而，这两者之间仍然存在冲突。爱因斯坦一生中大部分时间都在寻求他所谓的统一场理论 - 一个可以调和两个理论的不相容性的新理论。后来，超弦理论和M理论被提出作为统一理论的候选人被发展出来。

回答于 2019-09-11 08:43:50

在物理学中，量子是交互作用中涉及的任何物理实体（物理属性）的最小量。这意味着物理性质的大小只能采用由一个量子的整数倍组成的离散值。

例如，光子是单量子的光（或任何其他形式的电磁辐射）。类似地，原子内的电子的电荷能量是量子化的，并且可以某离散值存在。实际上，原子和物质通常是稳定的正是因为电子只能存在于原子内的离散能级。量子化是量子力学更广泛物理学的基础之一。能量的量化及其对能量和物质相互作用的影响（量子电动力学）是理解和描述自然的基本框架的一部分。

量子的性质似乎暗示了宇宙微观层面的某种特性，通俗一点讲，宇宙实际上更像一块粗糙的布，远看光滑柔顺但近看则是由细密的“线”织成。

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