究竟什么是量子？如何理解量子？

网友提问：

究竟什么是量子？如何理解量子？

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量子在现代的理解中，意思是任何物理性质的最小可能离散单位，如能量或物质。量子这个概念出现在1900年之后，当时物理学家马克斯·普朗克（Max Planck）在德国物理学会的演讲中使用了这种叫法。普朗克试图找出发光体的辐射从红色变成橙色，随着温度升高最终变成蓝色的原因。他发现，通过假定辐射存在最小的离散单位，就像一般的物质一样，而不是像以前假设的那样只是一个恒定连续的电磁波，那么他就可以找出他的问题的正确答案。

普朗克写了一个数学方程，普朗克方程，这个方程涉及一个符号来表示单个的能量量子。他叫单位量子。例如，光子是光的单位量子（或者任何其他形式的电磁辐射的），并且可以被称为“光量子”。 类似地，原子内结合的电子的能量也是量子化的，因此只能以某些离散值存在。 电子只能在原子中以离散能级存在的事实导致原子稳定，因此物质一般是稳定的。

最初普朗克认为，量子的发现只是一个理论工具。但事实上，它的出现后来发展成了一个全新的，基本的自然规律。这个规律就是20世纪大名鼎鼎的量子理论。量子理论和爱因斯坦的相对论共同解释了地球上所有物质和能量的本质和行为，构成了现代物理学的基础。然而，这两者之间仍然存在冲突。爱因斯坦一生中大部分时间都在寻求他所谓的统一场理论 - 一个可以调和两个理论的不相容性的新理论。后来，超弦理论和M理论被提出作为统一理论的候选人被发展出来。

匿名用户回答:

我个人认为，量子用“不可分割的最小单位”来定义并不恰当，即并不能说明量子的特性。比如电子，可以跃迁出光子，说明电子还可再“分割”（但不能以通常意义上的切割等同）的。实际上量子与我们宏观世界的“系统”概念有些类似，只不过量子是微观“系统”，你看，电子，光子，质子，中微子等，它们都有自己的特性，在宇宙中起着不同的作用。再比如电子与光子，“光子”在电子中作为电子的一部分，代表着电子的能量级，起到的是“部件”的作用，而当从电子跃迁出来后，就绝不是电子的“分割”部分，而成为具有新特性、新功能的新“系统”了。光子越深究，越觉得它的与众不同，这个“众”代表着有静止质量的所有物质，光子好似动中之动，而“众”好似动中之静，光子好似代表着宇宙的某些特性，又好似是宇宙中的所有“众”物质连接的桥梁、纽带。

匿名用户回答:

在物理学中，量子是交互作用中涉及的任何物理实体（物理属性）的最小量。这意味着物理性质的大小只能采用由一个量子的整数倍组成的离散值。

例如，光子是单量子的光（或任何其他形式的电磁辐射）。类似地，原子内的电子的电荷能量是量子化的，并且可以某离散值存在。实际上，原子和物质通常是稳定的正是因为电子只能存在于原子内的离散能级。量子化是量子力学更广泛物理学的基础之一。能量的量化及其对能量和物质相互作用的影响（量子电动力学）是理解和描述自然的基本框架的一部分。

量子的性质似乎暗示了宇宙微观层面的某种特性，通俗一点讲，宇宙实际上更像一块粗糙的布，远看光滑柔顺但近看则是由细密的“线”织成。

这里敷衍一下普朗克提出量子概念的简单历史：

1859年古斯塔夫·基尔霍夫提出黑体辐射问题，1877年波茨曼提出物理系统的能量状态可以是离散的。1900年，马克斯·普朗克（Max Planck）发现了辐射量子化的概念，他曾试图了解被加热物体的辐射发射，称为黑体辐射。通过假设能量只能在微小的，微分的，离散的包（他称之为“束”或“能量元”）中被吸收或释放，即假设是能量以离散的“量子”（或能量包）辐射和吸收，普朗克精确解释了观察到的黑体辐射的模式。

关于黑体辐射的诠释，终于揭开了量子这一重要的物理概念的新篇章。

其实关于量子的现实证实还要靠爱因斯坦，普朗克差点错失“量子之父”之名。坦哥确实很厉害！

根据普朗克的理论，E=hv,即每个能量元（E）与其频率（ν）成正比，其中h是普朗克常数。

普朗克谨慎地认为，“量子”只是辐射吸收和发射过程的一个方面，与辐射本身的物理现实无关。事实上，他将他的量子假设只视为一个得到正确的答案的数学技巧，而不是一个大发现。

然而，在1905年，坦哥打了普朗克的脸，他用更现实地证据解释了普朗克的量子假设——用来解释光电效应，即光照在某些物质上可以从物质材料中射出电子。坦哥因这项工作获得了1921年诺贝尔物理学奖，后来还进一步发展了这一观点，以表明光等电磁波也可以被描述为一个粒子（后来称为光子），其能量取决于其频率。

上图：光电效应

大约在1900年至1910年间，量子理论和光的微粒理论首先被广泛接受为科学事实; 后面的这些理论可以分别被视为物质和电磁辐射的量子理论。

后来，在20世纪20年代中期，量子力学在一大堆大神的发力之下蓬勃发展。在量子力学中，“量子”指的是分配给某些物理量的离散单位，例如静止原子的能量。 各种粒子是具有波特性的离散能量包的发现，导致了处理原子和亚原子系统的物理学分支——量子力学的产生。

上图：不同能级氢原子中电子的波函数。量子力学无法预测粒子在空间中的确切位置，只能预测在不同位置找到粒子的概率。更亮的区域代表发现电子的更高概率。波函数的取值是离散的（整数）才能符合实际的统计学结论。