量子

量子

量子(quantum)是現代物理的重要概念。最早是M·普朗克在1900年提出的。他假設黑體輻射中的輻射能量是不連續的,隻能取能量基本單位整數倍。後來的研究表明,不但能量表現出這種不連續的分離化性質,其他物理量諸如角動量自旋電荷等也都表現出這種不連續的量子化現象。這同以牛頓力學為代表的經典物理有根本的區別。量子化現象主要表現在微觀物理世界。描寫微觀物理世界的物理理論是量子力學。

  • 中文名稱
    量子
  • 外文名稱
    Quantum
  • 拼音
    liàng zǐ
  • 註音
    ㄌㄧㄤˋ ㄗㄧˇ

概念

量子量子

一個物理量如果有最小的單元而不可連續的分割,就說這個物理量是量子化的,並把最小的單元稱為量子。

其基本概念是所有的有形性質也許是“可量子化的”。“量子化”指其物理量的數值會是一些特定的數值,而不是任意值。例如,在(休息狀態)的原子中,電子的能量是可量子化的,這能決定原子的穩定和一般問題。

發展歷史

發現

1900年,普朗克在對熱輻射的研究中第一個窺見了量子。這一年的12月14日,普朗克在德國物理學會會議上宣布了他的偉大發現---能量量子化假說,根據這一假說,在光波的發射和吸收過程中,發射體和吸收體的能量變化是不連續的,能量值隻能取某個最小能量元的整數倍,這一最小能量元被稱為“能量子”。普朗克的能量子概念第一次向人們揭示了微觀自然過程的非連續本性,或量子本性。

發展

量子理論量子理論

1905年,愛因斯坦提出了光量子假說,進一步發展了量子概念。愛因斯坦認為,能量子概念不隻是在光波的發射和吸收時才有意義,光波本身就是由一個個不連續的、不可分割的能量量子所組成的。利用這一假說,愛因斯坦成功地解釋了光電效應等實驗現象。光量子概念首次揭示了光的量子特徵或波粒二象性,即光不僅具有波動性,同時也具有粒子性

光量子-內部結構模型圖光量子-內部結構模型圖

1913年,玻爾把量子概念成功地套用于氫原子系統,並根據盧瑟福的核型原子模型創立了玻爾原子理論。這一理論指出,原子中的電子隻能存在于具有分立能量的定態上,並且電子在不同能量定態之間的躍遷是本質上非連續的。

1924年,在愛因斯坦光量子概念的啓發下,德布羅意提出了物質波假說,最終將光所具有的波粒二象性賦予了所有物質粒子,從而指出了自然界中的所有物質都具有波粒二象性,或量子特徵。德布羅意的物質波概念為人們發現量子的規律提供了最重要的理論基礎。

量子量子

1925-26年間,定量描述物質量子特徵的最初理論——量子力學誕生了。

1925年7月,海森伯在玻爾原子理論的基礎上,發現了將物理量(如位置、動量等)及其運算以一種新的形式和規則表述時,物質的量子特徵,如原子譜線的頻率和強度可以被一致地說明,這是關于量子規律的一種奇妙想法。

1925年末,在愛因斯坦的建議下,薛定諤仔細研究了德布羅意的論文,並產生了物質波需要一個演化方程的想法。1926年初,經過反復嘗試和努力之後,薛定諤終于發現了物質波的非相對論演化方程,即今天人們熟知的薛定諤方程。薛定諤方程的發現標志了量子力學的另一種形式體系——波動力學的建立。

1926年下旬,看上去非常不同的矩陣力學和波動力學很快被證明在數學上是等價的。薛定諤首先證明了波動力學與矩陣力學的等價性,之後,狄拉克進一步通過變換理論把矩陣力學和波動力學統一起來。至此,量子力學的理論體系被建立完成。

從此,人類開始進入量子時代。越來越多的人投入到量子力學的套用研究中,基于量子規律的新技術也不斷涌現,這些量子技術深深地改變了人類的生活,其中最引人註目的成就就是雷射技術和電子電腦的出現。

理論建立

量子物理是根據量子化的物理分支,在1900年以理論來建立。由于馬克斯·普朗克(M. Planck)解釋所謂的黑體輻射,他的工作根本上合並了量子化,到了今天它仍被使用。但他嚴重地沖擊了古典物理學,也就是在量子論未確立之前,需要了另外30年的研究。直到現在一些主張仍然不能被充分地了解,不光是普朗克對這個新概念感到困擾,當時德國物理學者中,黑體研究成為焦點。在10月、11月和12月會議前夕,對他的科學同事報告公開他的新想法。就這樣謹慎的實驗學家(包括F. Paschen,O.R. Lummer,E. Pringsheim,H.L. Rubens,和F. Kurlbaum)和一位理論家迎接最巨大的科學革命

量子方程

當物體被加熱,它以電磁波的形式散發紅外線輻射,這是了解清楚的最明顯的重要性。當物體變得熾熱,紅色波長部分開始變得可見。但是大多數熱輻射仍然是紅外線,除非直到物體變得像太陽的表面一樣熱,這是當時的實驗室內不能夠達成的,而且隻可以量度部分黑體光譜。

黑體輻射量子方程是量子力學的第一部分,在1900年10月7日面世。

能量 E、輻射頻率 f 及溫度 T 可以被寫成:

E=hf/(e^(hf/κT)-1)

h 是普朗克常數及 k 是玻爾茲曼常數,兩者都是物理學中的基礎。基礎能量的量子是 hf。可是這個單位正常之下不存在並不需要量子化。

量子力學詮釋:霍金膜上的四維量子論

10維或11維的“弦論模型圖類似10維或11維的“弦論”=振動的弦、震蕩中的象弦一樣的微小物體。

霍金膜上四維世界的量子理論的近代詮釋(鄧宇等,80年代):

振動的量子(波動的量子=量子鬼波)=平動微粒子的振動;振動的微粒子;震蕩中的象量子(粒子)一樣的微小物體。

波動量子=量子的波動=微粒子的平動+振動

=平動+振動

=矢量和

量子

量子鬼波的DENG'S詮釋:微粒子(量子)平動與振動的矢量和

粒子波、量子波=粒子的震蕩(平動粒子的震動)

“波”和“粒子”統一的數學關系

振動粒子的量子論詮釋

物質的粒子性由能量E和動量p刻劃,波的特征則由電磁波頻率ν 和其波長λ 表達,這兩組物理量的比例因子由普朗克常數h(h=6.626*10^-34J·s)所聯系。

光子-內部結構模型圖光子-內部結構模型圖

E=hv,E=mc^2 聯立兩式,得:m=hv/c^2(這是光子的相對論質量,由于光子無法靜止,因此光子無靜質量),而p=mc

則p=hv/c(p 為動量)

粒子波的一維平面波的偏微分波動方程,其一般形式為

эξ/эx=(1/u)(эξ/эt) 5

三維空間中傳播的平面粒子波的經典波動方程為

эξ/эx+эξ/эy+эξ/эz=(1/u)(эξ/эt) 6

波動方程實際是經典粒子物理和波動物理的統一體,是運動學與波動學的統一。波動學是運動學的一部分,是運動學的延伸,即平動與振動的矢量和。對象不同,一個是連續介質,一個是定域的粒子,都可以具有波動性(鄧宇等,80年代)。

經典波動方程1,1'式或4--6式中的u,隱含著不連續的量子關系E=hυ和德布羅意關系λ=h/p,由于u=υλ,故可在u=υλ的右邊乘以含普朗克常數h的因子(h/h),就得到

u=(υh)(λ/h)

=E/p

等關系u=E/p,使經典物理與量子物理,連續與不連續(定域)之間產生了聯系,得到統一。

粒子的波動與德布羅意物質波的統一

德布羅意關系λ=h/p,和量子關系E=hv(及薛定諤方程)這兩個關系式實際表示的是波性與粒子性的統一關系,而不是粒性與波性的兩分。德布羅意物質波是粒波一體的真物質粒子,光子,電子等的波動。

量子

解釋死亡

量子解釋死亡現象量子解釋死亡現象

關于人死後生命是否依然存在的問題一直被各界爭論不休,然而俄羅斯<晨報>2012年10月30日文章卻指出,這一問題的答案已變成肯定,學者們找到了有力證據證明,人在心跳停止以後依然存在“靈魂”。

研究人員表示,“當人的心跳停止,血液停止流動時,微管失去其量子狀態,但存在于其中的量子信息不會被破壞,所以它們就在宇宙中傳播散布。所以如果重症監護室的病人存活下來,他們多會講述那“一束白光”或者看到自己如何“靈魂出竅”;如果病人去世,那麽量子信息就會在不確定的期限記憶體在于肉體之外,即"靈魂"。”

量子力學

量子力學就是在克服早期量子論的困難和局限性中建立起來的。在普朗克—愛因斯坦的光量子

論和玻爾的原子論的啓發下,法國物理學家L.德布羅意分析了光的微粒說與波動說的發展歷史,並註意到幾何光學經典粒子力學的相似性,根據類比方法構想實物(靜質量m≠0的)粒子也和光一樣,具有波粒二象性,且這兩方面必有類似的關系相聯系,而普朗克常數必定出現在其中。他假定與一定能量E和動量p的實物粒子相聯系的波(稱為“物質波”)的頻率波長分別為 ν=E/h,λ=h/p,稱為德布羅意關系式。他提出這個假定一方面是企圖把作為物質存在的兩種形式(光和m≠0的實物粒子)統一起來;另一方面亦是為了更深入地理解微觀粒子能量的不連續性,以克服玻爾理論帶有人為性質的缺陷。德布羅意把原子定態駐波聯系起來,即把束縛運動實物粒子的能量量子化與有限空間中駐波的波長(或頻率)的離散性聯系起來[2]。

奧地利物理學家E.薛定諤註意到了德布羅意的工作,1926年初他提出了一個波動方程——薛定諤方程,是含波動函式空間坐標的二階微商偏微分方程。薛定諤把原子的離散能級微分方程在一定的邊界條件下的本征值問題聯系起來,成功說明了氫原子諧振子等的能級和光譜的規律。幾乎與此同時,W.海森伯與M.玻恩和E.約當建立了矩陣力學。矩陣力學的提出,與玻爾的量子論有很密切的關系,特別是玻爾的對應原理思想對海森伯有重要影響(見對應原理)。它繼承了量子論中合理的核心(如原子的離散能級和定態、量子躍遷、頻率條件等概念),同時又摒棄了一些沒有實驗根據的傳統概念(如粒子軌道運動的概念)。海森伯特別強調,任何物理理論中隻應出現可觀測物理量(如光譜線的波長、光譜項、量子數、譜線強度等)。矩陣力學中賦予每一個物理量(如粒子的坐標動量、能量等)以一個矩陣,它們的代數運算規則與經典物理量不同,兩個量的乘積一般不滿足交換律。不久薛定諤就發現矩陣力學波動力學是完全等價的。緊接著P.狄拉克和E.約當提出一種稱為變換理論的更普遍的形式,指出矩陣力學和波動力學隻不過是量子力學規律的無限多種表述形式中的兩種[2]。

量子力學是研究原子、分子以至原子核和基本粒子的結構和性質的基本理論,是近代物理的基礎理論之一。20世紀前的經典物理學隻適于描述一般巨觀條件下物質運動,而對于微觀世界(原子和亞原子世界)和一定條件下的某些巨觀現象則隻有在量子力學的基礎上才能說明。另一方面,物質屬性及其微觀結構隻有在量子力學的基礎上才能得以解釋[2]。所有涉及物質屬性和微觀結構的問題,無不以量子力學作為理論基礎[2]。

黑體輻射量子方程

黑體幅射量子方程是量子力學的第一部分,在1900年10月7日面世。

物體被加熱,以電磁波的形式散發紅外線輻射。物體變得熾熱時,紅色波長部分開始變得可見。大多數熱輻射是紅外線,除非物體變得像太陽的表面一樣熱,但當時的實驗室內不能夠達成這種條件而且隻可以量度部分黑體光譜。

能量E、輻射頻率f及溫度T可以被寫成:

E=hf/[e(hf/κT)-1]

h是普朗克常數及k玻爾茲曼常數。兩者都是物理學中的基礎。基礎能量的量子是hf。可是這個單位正常之下不存在並不需要量子化。

微觀粒子量子論詮釋。物質的粒子性能量E和動量p刻劃,的特征則由頻率ν 和其波長λ 表達,這兩組物理量普朗克常數h(h=6.626×10-34J·s)聯系。

由 E=hv,E=mc2 聯立兩式得:

m=hv/c2(這是光子的相對論質量,由于光子無法靜止,因此光子無靜質量),而p=mc,則p=hv/c(p 為動量)

德布羅意關系λ=h/p,和量子E=hv,這兩個關系式表征波動性粒子性的統一。物質波微觀粒子,如光子、電子等的波動,具有波粒二象性。

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