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量子到底是不是物质,怎么看到量子呢?

电脑版   2020-11-26 14:58  

量子到底是不是物质,怎么看到量子呢?:量子的提出,是缘于普朗克建立的黑体辐射公式。在十九世纪末,经典力学处于鼎盛时期,当时的科学家们都非常自信,认为科

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量子的提出,是缘于普朗克建立的黑体辐射公式。在十九世纪末,经典力学处于鼎盛时期,当时的科学家们都非常自信,认为科学留给后人的工作只是一些修修补补的事情。

然而,英国科学家开尔文却提出还有两个问题需要解决,他将这两个问题比喻为飘在经典力学晴朗??的天空中的两朵白云。其中一朵是,如果能量是连续的,则能量会集中到能量高的紫外端辐射??。这就是著名的紫外灾变。

为了解决这个问题,普朗克在其新建的黑体辐射公式中,引入了一个常数h。于是,能量不再是连续的了,只能是一份一份地生成。

那么,普朗克常数h具有何种物理意义呢?为什么有了该常数能量就不是连续的呢?

这需要探讨能量的本质是什么。能量给人最直接的印象是可以做功,比如一个运动的物体具有动能。如果这个运动的物体是无限可分的话,能量就变得连续了,单位能量可以无限小。

然而,如果物体的分割到一定的程度时,就不再可以继续分割了,即存在不可再分的最小粒子的话,则能量就是不连续的,从而可以消除紫外灾变。

此外,普朗克常数h的物理量纲是粒子的角动量,具有不变性。说明在我们的宇宙中,存在着不可再分的最小粒子。能量是关于粒子运动能力的度量,存在不可再分的最小粒子,所以能量是不连续的,是由一个个最小粒子的运动构成的。

为了突出最小粒子的不可再分的特性,我们就将其称为量子。类似秤砣,该粒子具有称量能量的作用。

能量的不连续性,在物理上具有非常重要的意义。比如,微观粒子存在的状态只能是量子能量的整数倍。这就好比是我们买东西,最小的货币单位是一分钱。那么无论我们买任何微小的商品,都只能用一分钱的整数倍来购买。否则的话,这买卖就无法成交。

比如,电子在原子中所处的能量状态,只能是h的整数倍。如果给予电子的能量是非整数倍的,则要么成为弹性碰撞,导致原子整体运动,要么就会破坏作为封闭体系的原子,将电子打离原子。

此外,由于宇宙是一个有机整体,其中包含着作为物理对象的物质和作为物理背景的空间。既然存在着不可再分的最小粒子——量子,那么宇宙的背景空间一定是由量子构成的,即存在着量子空间。

于是,宇宙中的一切物理现象都可以归结为空间量子的不对称碰撞,即量子空间的对称性破缺。比如,微观粒子的半径小于空间量子间距,就会受到量子的不对称碰撞,从而具有波动性。

总之,能量的不连续性,要求存在不可再分的最小粒子;而且,最小粒子的存在还可以解释宇宙中的其他各种不连续的现象。所以,我们有理由相信,宇宙中确实存在着不可再分的最小粒子。这一粒子就被称为量子,是构建我们宇宙的基石。

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量子是微观物质从它的某些性质上的定义。比如它释放能量的形式是不连续的、一个单位一个单位的。

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量子这个概念现在已经很流行了,有的人觉得量子就好像中医里的穴位一样,是一种很神秘的事物。这主要是因为他们对量子力学的基本思想缺乏了解。

其实,量子是一个统称,具体来说可以统称任何微观粒子。比如电子是量子,光子也是量子,中微子也是量子,质子也是量子……因此,量子本身肯定是物质。

至于说怎么样才能看到量子,这里面是这样的:

我们确实能看到量子,但实际上也破坏了量子的一些基本性质:量子叠加性以及波粒二象性。

作为量子来说,最基本的特性是所谓的量子叠加性。量子叠加性是很脆弱的,经受不住观测。

另外,作为量子来说,还有波粒二象性。一旦被观测,量子的波动性会消失,体现出粒子性;或者粒子性消失,体现出波动性。

所以,从这个意义上来说,量子确实还是比较神秘的。

当然了,从操作层面上来说,我们的肉眼是看不到量子的。我们的眼睛对单光子的响应很低,如果只飞过来一个光子——它就是一个量子,我们的眼睛是看不到的。同样道理,如果只飞过来一个电子,我们的眼睛也是看不到的。

但是,所谓的“看到”,其实还可以使用仪器,因为科学仪器也可以认为是人类的眼睛的延伸,利用科学仪器,我们可以看到单光子或者单电子,这是没有问题的。当然,目前的科学仪器要看到单个中微子则是比较困难的,因为中微子与物质的相互作用的概率极低。

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量子是不是物质?量子,我们当然看不见,我们甚至连夸克都看不见,但它们确实存在。

量子是一个物理概念,没有大小之分,量子的性质指其物理量的数值是特定的,而不是任意值。

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。

所以,一个光子就叫做量子。经典牛顿力学的一个假设是:物质的性质是可以连续变化的。当物理学家们发现这个观念在原子范围内失效时,他们不得不设计一种全新的力学体系——量子力学,以说明标志物质的原子特征的团粒性。

量子力学理论和相对论理论是现代物理学的两大基本支柱,经典力学奠定了现代物理学的基础,但对於高速运动的物体和微观条件下的物体,牛顿定律不再适用,相对论解决了高速运动问题;量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。量子力学认为在亚原子条件下,粒子的运动速度和位置不可能同时得到精确的测量,微观粒子的动量、电荷、能量、粒子数等特性都是分立不连续的,量子力学定律不能描述粒子运动的轨道细节,只能给出相对机率,为此爱因斯坦和玻尔产生激烈争论,并直至去世时仍不承认量子力学理论的哥本哈根诠释。

量子力学是一个物理学的理论框架,是对经典物理学在微观领域的一次革命。它有很多基本特徵,如不确定性、量子涨落、波粒二象性等,在原子和亚原子的微观尺度上将变的极为显著。爱因斯坦、海森堡、玻尔、薛定谔、狄拉克等人对其理论发展做出了重要贡献。

一些对量子力学不懂的人,胡说什么量子力学颠覆了唯物主义,我可以告诉你们,这是他们的信口开河。意识影响物质,只是一个比喻,并没有被主流科学界所接受。即使存在这种现象,也没有颠覆唯物主义。唯物主义是以物质性为第一性,即使意识影响物质,也依然没有推翻物质第一性。何况,意识也是一种物质的表达,没有物质,何来意识?大量的确凿的实验,早就证明了有物质才能诞生意识,而不是相反。

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量子到底是不是物质,那要看物质的定义是狭义的还是广义的。是物理学意义上的还是哲学意义上的。

狭义定义是构成宇宙间的一切物体的实物,具有一定的性能(化学和物理特征)。广义定义(哲学意义)则是指独立于人们的意识之外,又能为人的意识所反映的客观存在。而量子是所有微观粒子的统称,能体现和甄别物质的性能特征的最小单位到原子,比原子更为细分化的微观粒子,则无法区分其化学性能。因此,在狭义定义上,量子不算是物质,而是组成物质的最小单位。在广义定义上,量子是客观存在,则可以视作是物质微观形态。


怎么看到量子?

人的肉眼自然是无法直接看到量子,最多只能看到量子集束,比如光线。单个光子无法直接形成视觉刺激。但是可以借助设备和仪器以及一些特定的场能,对微观粒子进行分离、观测、靶向、捕捉等操作。比如高能物理对撞机(也称粒子对撞机)将特定粒子流(质子、强子或电子等)加速对撞,观测其能量、状态变化,是否会产生新的粒子等现象。

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量子不是指特定的物质,就像「整数」也不是指特定的物质一样。

我们从一个叫做「玻尔模型」的原子模型说起。这个模型甚至都没有用到量子力学(因为那时量子力学还没有起步),但它仍然有「量子化」的思想。在人们观测到的氢原子光谱中,可以看到几条明显的、分立的谱线。也就是氢原子只会发出波长为122、103、97、95纳米……这样的谱线,而不会存在例如123.456纳米这样的光。

这种不连续性就引发的危机。因为之前的模型根本无法解释这个现象。而玻尔模型则认为电子的「角动量」必须是某个值的整数倍。

「角动量」必须是某个值的整数倍

这就是「量子化」。「人数」也是量子化的,只能有一个人、两个人、三个人,不存在2.1个人。这就是「量子化」。你可以将它看作一种思想、理论,但一定要记住,不存在「量子」这种物质。

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首先我想说的是,大家不要以为量子这个概念有多么地难,多么地抽象。真正难的和抽象的是描述量子的概念和理论,而量子本身我们可以通过一些很形象的方法来理解。

如果我们要认识物质,认识世界有两个方面去研究:一方面是往大了研究,研究天体研究宇宙;另一方面是往小了研究,研究物质是由什么组成的。量子的东西就是研究物质微观机理的一种科学。

我们要研究微观的东西,最先想到的一个问题就是物质是无限可分的吗?如果不是无限可分,那么对应的最小单位是什么?想象一下我们拿到了一块玻璃,我们拿锤子用力杂碎它,然后挑一块小的碎片继续砸。一直这么进行下去,我们可以把玻璃砸到多小?我想这是很多人小时候都想过的一个问题。

图1. 不同能量状态的电子

答案是:物质不是无限可分的。物质的基本组成部分是一个叫做原子的东西。原子这个概念很早就在古希腊时期被一些哲人从哲学的观点提出来了。科学意义上的原子的概念最小是科学家道尔顿提出来的。

那么原子可以再往下分吗?答案是可以的。但是与物质的性质息息相关的就是原子,不同种类的原子,它们的性质也各不相同。这就是我们常见的元素周期表。

原子再往下分,可以分为原子核和核外的电子,而原子核又可以分为质子和中子。这里的质子、中子、电子就属于量子的一种了。为什么这样说呢?因为这些粒子的性质我们用传统的物理学已经解释不了了,必须用一种新的物理学去解释。科学家发展出了一整套理论去描述他们,对应的名字就叫“量子理论”。

除了电子、质子、中子等等,我们可以想得到的,光也是一种量子,叫做光子。那么这些量子有什么神奇的性质呢?最典型的当然就是他们的不连续性了。所以才叫做量子嘛,是不是很容易理解。但除此之外,它们还具有波粒二象性、它们的能量以及其它的一些相关的物理量也是不连续的,而是一份一份的。这就是“量子”的更深一层的含义所在。

那么我们能不能看得见量子呢?答案是可以的。随着技术的发展,我们已经可以直观地观察到很多微观的东西。正如前些年IBM公司的科研人员已经可以通过操纵原子摆出特定的图样。

图2. 原子拼成的IBM图样

但IBM公司操纵的是原子。那我们能不能直接看到电子、质子、中子呢?这是比较有难度的。由于它们的波粒二象性,当我们试图去直接观测他们时,便会遇到衍射极限的问题。关于这方面的东西就不再往下深入了。尽管如此,我们还是可以通过一些特定的现象,去确认我们发展出来的量子理论的正确性,感兴趣的朋友可以去了解一下。

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看了不少答文,都有点道理,总觉得没点明要害。我的习得体会如下。

其一,量子一定属于物质,是物质的不连续分布的单元(unit)或单子(monad)。此类量子是“物质波的量子”。量子可能是最小单元,也可能是较大单元,这取决于你的研究对象。

例如:地面上的铁球可以是一个量子,有粒子性与波动性,可以按物质波来计算它的波长。铁球的量子是铁原子,铁原子的量子是核子与电子。电子与质子可以是最小的量子,中子的量子是质子、电子、中微子。

▲物质波语境下的量子,具有波粒二象性

其二,物质波的量子,承载着相应的能量子或动量子,此类量子,是一种“能量波的量子”。电子物质波承载特定的能量子,光子物质波(真空介质承载)承载一个光量子。

▲电子能级,是能量波语境下的量子

其三,能量子依附物质波,是波粒二象性的“波动性”,是物质波的一个属性。因此,能量子不是物质,不能独立存在。

我不赞成:有的物理参与者,认为能量可独立存在,可转换为物质。

因为:物质是我们研究的一个体系(system),能量只是物质体系中的一个内在属性。不能把体系与属性混为一谈,不能说能量是一个体系。

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某种程度上,大家每天都会看到“量子”。

量子是什么呢?

先从宏观的“连续”世界说起:比如我给车加油我可以一升一升加,可以直接加满,甚至可以一滴一滴加。为什么呢?因为我的油箱里装的油的量,可以认为是“连续”的,我想加多少就加多少。

那什么是“量子”呢?其实“量子”不是中子、电子那样的一个“子”,而是一个状态。比如我又给我的油箱加油,但这次不一样的是,我的油箱“量子化”了。好嘛,惨了,这时候我就不能想加多少加多少了,我只能一小桶一小桶往里倒。你说倒半桶?不存在的!不行的!必须一桶一桶倒!大家可能觉得很奇怪啊,老子的油箱老子想怎么搞怎么搞啊,怎么还有这个道理?但是没办法啊,量子的东西,他就是这么奇怪。

当然,真正的量子世界里,不会有邮箱这样的东西。那些被分成一分一分的,不再是“油量”,而变成了诸如能量、质量、角动量之类的参数。比如一种发光物质,他能吸收一个电子-空穴碰撞产生的能量,然后放出一个某个能量的光子。那么,他吸收的这个电子的能量,和他放出的这个光子的能量,都是量子化的。你说,你要吸收半个电子的能量,放出半个光子,对不起,没门。1.1个呢?1.5个呢?对不起,都不行。就一个电子,一个光子,没得商量。

这就是“量子化”。有点类似爬台阶,你能上一个台阶,能上两个台阶,但你能上半个台阶吗?

那为什么说,量子随处可见呢?因为,显示器就是利用了量子的原理。显示器里的发光材料,就只有两个主要能级,然后材料在这两个能级之间跑来跑去。从低能级到高能级,就会吸收能量,然后从高能级到低能级,就会放出一个光子。如果我们有三种不同的材料,分别对应红、绿、蓝三种不同颜色的光,那合在一起就是白光了。显示器就是这么个发光原理。

所以,什么时候想看量子了,你就打开手机看看屏幕好了~

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量子是一份微微乎其微的能量,是构成宇宙万物的一切基本粒子,列入,光子,电子,夸克。这些都属于量子论研究的非为。量子就是能量与微粒的统称。

比如上图中的电子就属于量子论的研究范围。我们现在的仪器已经完全可以在实验室里面找到和观测到量子的踪迹。人们对于量子的研究步伐一直向前。

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