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  • 量子这个数学概念的意思究竟是什么呢?

    英超直播吧:量子这个数学概念的意思究竟是什么呢?

    作者:顺馨缘量子 来源:未知 2017-10-23 14:26????浏览次数:????
     
     
    这是个很有意思的问题??吹?ldquo;量子”这个词,许多人在“不明觉厉”之余,第一反应就是把它理解成某种粒子。但是只要是上过中学的人,都知道我们日常见到的物质是由原子组成的,原子又是由原子核与电子组成的,原子核是由质子和中子组成的。那么问题来了,量子究竟是个什么鬼?难道是比原子、电子更小的粒子吗?
     
    其实不是。量子跟原子、电子根本不能比较大小,因为它的本意是一个数学概念。好比说“5”是一个数字,“3个苹果”是一个实物,你问“5”和“3个苹果”哪个大,这让人怎么回答?正确的回答只能是:它们不是同一范畴的概念,无法比较。
     
    那么,量子这个数学概念的意思究竟是什么呢?就是“离散变化的最小单元”。
     
    举个例子。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、1/3 个台阶。这就是“离散变化”,对于上台阶这件事来说,一个台阶就是一个量子。
     
    ?
     
    跟“离散变化”相对的叫做“连续变化”。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,中间任何一个距离都可以走到,这就是“连续变化”。
     
    显然,离散变化和连续变化在日常生活中都大量存在,这两个概念本身都很容易理解,没有什么特别之处。那么,为什么“量子”这个词会变得如此重要呢?
     
    因为人们发现,离散变化是微观世界的一个本质特征。
     
    微观世界中的离散变化可以分为两类,一类是物质组成的离散变化,一类是物理量的离散变化。
     
    先来看第一类。例如光是由一个个光子组成的,你不能分出半个光子、1/3个光子,所以光子就是光的量子。阴极射线是由一个个电子组成的,你不能分出半个电子、1/3个电子,所以电子就是阴极射线的量子。
     
    在这种情况下,你似乎可以拿量子去跟原子、电子比较了,但这并没有多大意义,因为它是随你的问题而变的。你需要分清,原子、电子、质子、中子、中微子这些词本身就对应某些粒子,而量子这个词在不同的语境下对应不同的粒子(如果它对应粒子的话)。并没有某种粒子专门叫做“量子”!
     
    再来看第二类。例如氢原子中电子的能量只能取-13.6 eV(eV 是“电子伏特”,一种能量单位)或者它的1/4、1/9、1/16 等等,总之是这个值除以某个自然数的平方(-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。这时我们不好说氢原子中电子能量的量子是什么,但会说氢原子中电子的能量是“量子化”的。
     
    说某个东西是量子化的,意思就是这个东西只能离散变化。这是一种普遍现象,每一种原子中电子的能量都是量子化的,也就是说它只能取某些值,不能取这些值之间的值。
     
    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。量子力学出现后,人们把传统的牛顿力学称为经典力学。
     
    对普通民众来说,量子力学听起来似乎很前沿。但对相关专业(物理、化学)的研究者来说,量子力学的相关发展已经超过了一个世纪。
     
    量子力学起源于1900 年,当普朗克在研究“黑体辐射”问题时,发现必须把辐射携带的能量当作离散变化的,才能推出跟实验一致的公式。在此基础上,爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森堡、薛定谔、狄拉克等人提出了一个又一个新概念,大大扩展了量子力学的应用范围。到20 世纪20 年代末,量子力学的理论大厦已基本建立起来,能够对微观世界的很多现象作出定量描述了。
     
    许多最基本的问题,是量子力学出现后才能回答的。例如:
     
    为什么原子能保持稳定,例如氢原子中的电子不落到原子核上?
     
    为什么原子能形成分子,例如两个氢原子聚成氢气分子?
     
    为什么原子有不同的组合方式,例如碳原子能组合成石墨、金刚石、足球烯、碳纳米管、石墨烯?为什么食盐会形成离子晶体?
     
    为什么有些物质很稳定,而有些物质很容易发生化学反应?
     
    为什么有些物质,如铜,能导电?有些物质,如塑料,不导电?为什么有些物质如硅,是半导体?为什么有些物质,如水银,在低温下变成超导体?
     
    为什么会有相变,例如水在0℃以下结冰,0 ~100℃是液体,100℃以上气化?
     
    为什么改变钢铁的组成,能制造出各种特种钢?
     
    为什么激光器和发光二极管能够发光?
     
    为什么化学家能合成比大自然原有物质种类多得多的新物质?
     
    为什么通过观察宇宙中的光谱线能知道远处星球的元素组成?
     
    现代社会硕果累累的技术成就,几乎全都与量子力学有关。你打开一个电器,导电性是由量子力学解释的,电源、芯片、存储器、显示器的工作原理是基于量子力学的。走进一个房间,钢铁、水泥、玻璃、塑料、纤维、橡胶的性质是由量子力学决定的。登上飞机、轮船、汽车,燃料的燃烧过程是由量子力学决定的。研制新的化学工艺、新材料、新药,都离不开量子力学??梢哉饷此担河肫湮柿孔恿ρ苡美锤墒裁?,不如问它不能干什么!
     
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