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小妖精? 不死不活的猫 ?量子到底是个啥?

2016-08-17 06:09
kumsing
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   如果有人说,在物理世界中有一个百岁的“幽灵”,你会相信吗?

  一百多年前,爱因斯坦也曾一直为这个“幽灵”——量子理论产生的种种现象所困惑。

  如今,爱因斯坦逝世已逾六十载,可谜团仍未完全破解。因此,可以毫不夸张地说,量子理论就是这么一个“幽灵”。

  在量子理论对世界的描述中,一个物体可以同时处于多个位置,粒子也可以无阻碍似地穿过障碍物,所有的物体都有“波粒二象性”,它既是粒子又是波两个分得很开的物体也可以进行某种类似“精神性”的合作……

  这些描述听上去令人毛骨悚然,不可捉摸。难怪量子理论创立者之一玻尔说过:“如果一个人没有被量子力学所震惊,那么他就没有真正懂得量子力学。”  

  量子“小妖精”

  什么是“量子”?它与原子、电子、中子这些客观存在的粒子一样也是某一种物质实体吗?

  答案是否定的。

  “量子”不是一种粒子,它是一个能量的最小单位。所有的微观粒子(包括分子、原子、电子、光子)都是量子的一种表现形态。

  众所周知,世界是由微观粒子组成的。因此从某种意义上来说,世界本身就是由量子组成的。在物理学中提到“量子”时,实际上指的是微观世界的一种行为倾向:物质或者说粒子的能量和其他一些性质(统称为可观测物理量)都倾向于不连续的变化。

  以光为例,我们说一个“光量子”,是因为一个光量子的能量是光能量变化的最小单位,光的能量是以光量子的能量为单位一份一份地变化的。其他的粒子情况也是类似的,例如,在没有被电离的原子中,绕核运动的电子的能量是“量子化”的,也就是说电子的能量只能取特定的离散的值。只有这样,原子才能稳定存在,我们才能解释原子辐射的光谱。不仅能量,对于原子中的电子,角动量也不再是连续变化的。

  量子物理学告诉我们,电子绕原子核运动时也只能处在一些特定的运动模式上。在这些模式上,电子的角动量分别具有特定的数值,介于这些模式之间的运动方式是极不稳定的。即使电子暂时以其他的方式绕核运动,很快就必须回到特定运动模式上来。

  实际上在量子物理学中,所有的物理量的值都可能必须不连续地、离散地变化。在上世纪初,物理学家马克斯·普朗克最早猜测到微观粒子的能量可能是不连续的。

  出生于德国传统保守家庭的普朗克从小受到良好的教育,虽然具有音乐天赋,十分迷恋音乐,但仍旧立志献身于科学,研究物理。

  当他去慕尼黑大学时,一位物理学教授曾劝说他不要学习物理,因为“这门科学中的一切都已经被研究过了,只有一些不重要的空白需要填补”。教授的一席话正代表了当时大多数物理学家的心态。

  然而执着的普朗克却表示:“我并不期望发现新大陆,只希望能理解已经存在的美丽的物理理论,或许能将其加深和发展那么一点点。”

  命运总是喜欢开玩笑。本来并未期望在物理研究中“发现新大陆”的普朗克,却在不经意间成为了量子力学的创始人。

  当时,解释热力学中的辐射问题,主要有瑞利—金斯定律和维恩位移定律,前者适用于低频辐射,却无法解释高频率下的测量结果;而维恩位移定律可以正确反映高频率下的结果,但无法符合低频率下的结果。

  如何才能导出一个新的公式,使得高频、低频下都能符合实验结果呢?

  普朗克使用了一种巧妙新颖的方法:运用玻尔兹曼的统计物理,把光当成一个一个的谐振子。在他的假设中,既然辐射的是一个一个的谐振子,也就是说在黑体辐射时,能量就不是连续地,而是一份一份地发射出来的。

  据此,普朗克导出了一个新公式,这个公式在频率较小时自动回到瑞利—金斯公式,在频率较大时又自动回到维恩公式。因此,新公式能在所有的频率范围与实验结果符合。

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