量子究竟是什麼? | 科技袁人

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本影片釋出於2021年9月29日,點贊量已達3w

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那麼說來說去最最基礎問題就是說,量子究竟是什麼?因為它名字叫做“子”對吧?所以有很多人立刻就覺得,量子應該是個粒子,你們平時都知道有電子、質子、中子、中微子等等這些都是子,它的第一反應就是說量子是個什麼子呢,它跟這些電子、質子、中子、中微子相比,它究竟是大是小呢,最基本的回答就是說,這個問題本身就是錯的,這個量子根本不是這個意思,量子不是個粒子,量子的正確理解是什麼?

量子是離散變化的最小單元,這個才是對它的精確的定義。

什麼叫做離散變化呢?最典型的表現就是像左邊這個圖,就是上臺階,上臺階的特點就是說,你可以上一個臺階兩個臺階三個臺階,但是你不可能上半個臺階對吧?假如你上半個臺階,結果你會摔倒,就會住醫院了是吧?然後平時我們統計人數的時候也是這樣,你可以數出有一個人、兩個人、三個人,但是不可能有半個人是吧?這種叫做離散變化。

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所以對於這種離散變化,變化最小的那一

格,那最小的單元就是一個量子,所以對於上臺階來說,一個臺階就是一個量子,對於統計人數來說,一個人就是一個量子。

所以當我們提到量子這個詞的時候,我們一定要說它是對於某個事物的量子,比如說光子就是光的量子,就是說我們平時見到一束光,它是由很多個光的量子組成的,這一個光的量就是一個光子,然後電子最初是在陰極射線當中發現的,比方說我們看下面這個圖,19世紀末的時候,約瑟夫·約翰·湯姆遜(Joseph John Thomson)他首先發現了電子,那時候是以陰極射線形式出現的,從陰極打出這麼一束射線,你用一個磁鐵可以使它偏轉,可見它是帶負電。

現在我們知道陰極射線其實就是電子束,這裡面就是一個個電子組成,你可以有1個電子、2個電子,但是不能有半個電子,所以電子就是陰極射線的電子,陰極射線的量子,所以大家就記住了,每當我們談到量子的時候,它一定是針對某個事物的量子,並沒有某個粒子專門叫做量子,所以你不可能去問量子跟電子、質子、中子相比是大是小,這個問題本身就是錯的。

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那麼在微觀世界當中,有一大類現象,它都是量子化的,就是說它是離散變化的,就是不連續的變化,比如說氫原子的能級,這個氫原子是世界上最小的原子,它只有一個電子,然後這一個電子,它可以出現的能量是分立的,比方說最低的能量是-13。6eV,圖中單位是eV,eV是什麼意思呢,是electron-volt,就是電子伏特,它是一個能量單位,最低的,就是現在標準1的-13。6eV,上一節呢,第二個是-3。4,負的3。4是怎麼來的呢?是-13。6除以4,就是除以2的平方,再上一個是它除以3的平方,再上一個是除以4的平方,就是說第n個能量,就是-13。6eV除以n的平方,它並不是等間距的,但是它確實是分立的,也就是說你可以在這個,n取1到任何一個數值都可以,但是你不會在這中間出現一個能量,比方說你不會出現-11eV對吧?所以對於這種不連續的變化,我們就稱它為量子化了。

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所以這個微觀世界,它的一大本質特徵,就是說有很多物理量都是量子化的,所以有整個一個大的基礎物理學科叫做量子力學。

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作者簡介

本文

袁嵐峰,中國科學技術大學化學博士,中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心副研究員,中國科學技術大學科技傳播系副主任,中國科學院科學傳播研究中心副主任,科技與戰略風雲學會會長,“科技袁人”節目主講人,安徽省科學技術協會常務委員,中國青少年新媒體協會常務理事,中國科普作家協會理事,入選“典贊·2018科普中國”十大科學傳播人物,微博@中科大胡不歸,知乎@袁嵐峰(

https://www。zhihu。com/people/yuan-lan-feng-8

)。

楊娜

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