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。量子英文名称量子一词来自拉丁语quantus,意为“有
多少”,代表“相当数量的某物质”。在物理学中常用到量子的概念,指一个不可
分割的基本个体。例如,“光的量子”(
光子)是一定频率的
光的基本能量单位。而延伸出的
量子力学、
量子光学等成为不同的专业研究领域。其基本概念为所有的有形性质是“可量子化的”。“量子化”指其物理量的
数值
是离散的,而不是连续地任意取值。例如,在
原子中,电子的
能量是可量子化的。这决定了原子的稳定性和发射光谱等一般问题。绝大多数物理学家将量子力学视为了解和
描述自然的基本
理论。
通俗地说,量子是能表现出某物质或物理量特性的最小单元。
量子一词最早是由
德国物理学家M·普朗克在1900年提出的。他假设
黑体辐射中的
辐射能量是不连续的,只能取能量
基本单位的
整数倍,从而很好地解释了黑体辐射的实验现象。
后来的研究表明,不但能量表现出这种不连续的分离化性质,其他物理量诸如角动量、自旋、电荷等也都表现出这种不连续的量子化现象。这同以牛顿力学为代表的经典物理有根本的区别。量子化现象主要表现在微观物理世界。描写微观物理世界的物理理论是量子力学。
在经典物理学中,根据能量均分定理:能量是连续变化的,可以取任意值。19世纪后期,科学家们发现很多物理现象无法用经典理论解释。当时德国物理界聚焦于黑体辐射问题的研究。1900年左右,M·普朗克试图解决黑体辐射问题,他大胆提出量子假设,并得出了普朗克辐射定律,沿用至今。普朗克提出:像原子作为一切物质的构成单位一样,“能量子”(量子)是能量的最小单位。物体吸收或发射电磁辐射,只能以能量量子的方式进行。普朗克在1900年12月14日的德国物理学学会会议中第一次发表能量量子化数值、一个分子摩尔(mol)的数值及基本电荷等。其数值比以前更准确,提出的理论也成功解决了黑体辐射的问题,标志着量子力学的诞生。
1905年,美国物理学家
爱因斯坦把量子概念引进光的
传播过程,提出“光量子”(
光子)的概念,并提出光同时具有
波动和
粒子的性质,即
光的“
波粒二象性”。
20世纪20年代,法国物理学家
德布罗意提出“
物质波”概念,即一切物质粒子均具备
波粒二象性;德国物理学家
海森伯等人建立了量子
矩阵力学;奥地利物理学家
薛定谔建立了量子
波动力学。
量子理论的发展进入了量子力学阶段。
1928年,英国物理学家
狄拉克完成了矩阵力学和波动力学之间的数学等价证明,对量子力学理论进行了系统的总结,并将两大理论体系——
相对论和量子力学成功地结合起来,揭开了
量子场论的序幕。量子理论是
现代物理学的两大基石之一,从
微观层面理解宏观现象提供了理论基础。
量子假设的提出有力地
冲击了
经典物理学,促进物理学进入微观层面,奠基
现代物理学。但直到现在,物理学家关于量子力学的一些假设仍然不能被充分地证明,仍有很多需要研究的地方。
理论建立
量子物理学是研究
微观粒子运动规律的学科,是研究
原子、
分子以至
原子核和
基本粒子的结构和性质的基本理论
[1]
。
量子理论的突破首先出现在
黑体辐射能量密度随
频率的分布规律上
[1]
。1900年10月,由于
普朗克解释
黑体辐射现象,将维恩定律加以改良,又将
玻尔兹曼熵公式重新诠释,得出了一个与实验数据完全吻合
普朗克公式来描述黑体辐射。
普朗克提出能与观测结果很好地符合的简单公式,
实验物理学家相信其中必定蕴藏着一个尚未被揭示出来的科学原理。
[2]