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什么是量子? 精选

已有 2987 次阅读 2024-4-19 08:03 |系统分类:科研笔记

什么是量子?有人说“量子是参与基本相互作用的任何物理实体的最小量”,也有人说“量子的概念,皆涉及一个不可分割的基本个体,这意味着物理性质的值只能采用由一个量子的整数倍组成的离散值”。这些说法有道理吗?

朗道在他的量子力学教科书里面写道:

为简便计,在本节及以后各节中,凡是讲到“一个电子”的地方,可以一般地理解为一个具有量子特性的任何客体,即指不服从经典力学而服从量子力学的粒子或粒子系统。

费曼在他的物理学讲义中写道:

原子客体(电子、质子、中子、光子等)的量子行为都是相同的,它们都是“粒子波”或者随便什么你愿意称呼的名称。所以,我们所学的关于电子(我们将用它作为例子)的性质也可应用到所有的“粒子”,包括光子。

我认为,朗道和费曼的表述包括三个要点:

1. “量子”可以理解为“具有量子特性的客体”,也就是“不服从经典力学而服从量子力学的粒子或粒子系统”。

2. 电子、质子、中子、光子等微观粒子,它们的量子行为都是相同的,都服从量子力学。在这个意义上可以说它们都是量子。

3. “量子”这个名称并不重要,可以改为“粒子波”,或者其他名称。

为了理解量子的概念,不妨参照经典力学中质点的概念。

经典力学有广泛的研究对象,包括子弹、足球、月球、地球等。但是经典力学没有逐个研究每个物体,而是寻找它们的共性。物理学家发现,如果在描述一个物体运动时可以忽略其结构和几何形状以及其他一些特殊性质,它们的运动就有许多共性,例如“遵守牛顿运动定律”、“遵守万有引力定律”等。物理学家为了描述物体这些共性,采用了“质点”这一名称。物理学家建立了质点动力学,一揽子解决了一批物理问题。如果要给“质点”下一个定义,也许可以说,“质点就是服从质点动力学的客体”。

类似地,量子力学也有广泛的研究对象,包括电子、质子、中子、光子、原子、离子、分子等。物理学家发现,如果在描述微观粒子运动时可以忽略其结构和几何形状以及其他一些特殊性质,它们的运动就有许多共性,例如“量子态由波函数描述”、“波函数的时间演化满足薛定谔方程(或者狄拉克方程)”、“每个力学量都对应一个厄米算符”、“力学量的测量值只能是该厄米算符的本征值”等。这些共性就是朗道所说的“量子特性”,也就是费曼所说的“量子行为”。物理学家为了描述微观粒子的这些共性,采用了“量子”这一名称。如果采用费曼建议的“粒子波”这个名称,也许能够更好地体现微观粒子的波-粒子二象性,不过科学界已经习惯了“量子”这个名称。物理学家建立了量子力学,一揽子解决微观世界的一大批物理问题。类比质点的定义,不妨说,“量子就是服从量子力学的客体”。

“质点”是一个抽象概念。自然界存在严格意义的质点吗?大概不存在,但是可以用“质点”来描述的宏观客体比比皆是。一个宏观物体可否被看做质点,要根据具体条件而定。例如,研究行星绕太阳的运动时,可以认为行星是质点;但是在考虑到行星的自转时,它就不能被当作质点。

类似地,“量子”也是一个抽象概念。自然界存在严格意义的量子吗?大概也不存在。但是可以用“量子”来描述的微观粒子比比皆是。在量子力学教科书中,常常用电子或光子作为典型例子来讨论微观粒子的量子行为。一个微观粒子是否应当被看做量子,也要视具体条件而定。例如C60分子,在讨论它的力学性质时,通常应当被看成经典粒子,因为它服从经典力学。但是,在巧妙设计的实验中,可以满意地观察到C60双缝干涉条纹,这里的C60分子就应当被看成量子,因为它不服从经典力学而服从量子力学。

把“量子”解释为“物理实体的最小量”,或者“不可分割的基本个体”,这些说法不够准确。自从英国医生托马斯-杨观察到光的双缝干涉现象,光的波动说就逐渐替代了光的微粒说。后来,普朗克创立黑体辐射理论,爱因斯坦解释光电效应,都突破了波动说的局限,揭示出辐射能量的值是离散化的。他们敏锐的科学洞察,赢得了众人的钦佩和仰慕。但是,他们的量子化假说,仅仅是量子力学理论建立之前的序曲,而不是量子力学的全部。时至今日,朗道和费曼以及其他物理学大师撰写的教科书,沿用了“量子”这个名称,对量子力学的基本概念已经有了更加精确的表述。



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