量子力學中的「量子」到底是什麼東西？

06-10

這裡主要想澄清一個誤解：

量子不是粒子！

重要的話說三遍。

沒有任何一個粒子，可以被稱之為「量子」。之所以引起誤解，估計還是要翻譯來背鍋。

從最早的理論開始說吧。早期人們對於原子的認識，還停留在「行星模型」上。這個模型認為電子像行星一樣，繞著原子核旋轉。

但在電磁學建立之後，這個模型就暴露出了一個問題：旋轉運動的電子，會在運動的同時發出電磁波，從而損失能量。能量損失了，它就會墜入原子核中。

這樣的結構顯然是不穩定的。但我們身邊的物質都是非常穩定的。

必須有一個理論能解決這個矛盾。波爾提出了「波爾模型」，在這個模型中，他依然採取了行星的結構，但規定電子的軌道速度 x 半徑需要是某一個值的整數倍。

也就是說，電子的角動量是間斷的、不連續的。這樣電子的能量也是不連續的。

電子會在不同的軌道上躍遷，在這個過程中，會釋放、吸收光子，而這些光子的能量也是間斷、不連續的。

就像一份一份的能量一樣，而很多其他的物理量在量子力學中，也是不連續的、一份一份的。所以物理學家稱之為「量子」。

「子」這個字，在這裡只表示不連續、分立，但絕不是「粒子」的「子」。

這個問題其實是一個比較深的理論物理的問題，雖然很基本，但真要解釋清楚不容易。通俗地來講，「量子」指的就是物理研究中的基本能量單元。

在「電學」中，電子是基本能量單元；在「光學」中，光子是基本能量單元。基本能量單元的含義，就是不可再分割，是一份一份的能量，所以對應的數學就是離散數學、線性代數。

接下來打的比喻是高能的，請認真思考，明白了你就能透過去，看不懂就沒辦法了：

打個比喻，雖然我們看電影時，感覺上電影畫面是連續性的，但是實際上我們的電影畫面是一幀一幀地出來的。這種情形，對於你所見的世界其實也是一樣的，光被你感知其實也是一份一份的。

雖然如此，我不能告訴你，下述結論是正確的：

光子等是物質的最小基本單元！

我只能告訴你：

研究光學現象時，光子是所能研究的最小能量單元！

這不可能再小了，再小就會出現數學與邏輯上的錯誤了！

正因如此，量子力學是反經典，反傳統的。為什麼呢？因為從古希臘哲學以來的主流思辨傳統來看，物質一定是「無限可分」的。所以，從近代以來的經典力學傳統來講，從分子中再分出原子，從原子再分出質子、中子、電子等粒子。於是粒子到底能不能再細分就成了一個難題。

最初，普朗克在解釋黑體輻射時運用經典的理論不成功，便引入了能量量子的概念，取得了成功。也就是說，他用不連續性的數學與物理解釋，替代了傳統的基於連續性思想而建立起來的數學與物理解釋，反而成功了。

愛因斯坦在解釋「光電效應」時，也是按照普朗克的這個方法，提出了「光量子」的假說，注意這不是一種傳統的物質粒子概念，而是提出了光是由一份一份基本的能量單元構成的。愛因斯坦是憑這一理論得的諾貝爾獎的。

這兩個人的研究方法，可以說是量子力學的基本起點，隨後玻爾的哥本哈根詮釋使量子力學在此基礎上系統化了起來。

那麼，量子的概念與粒子有什麼區別呢？量子是從能量角度而言的，粒子則是傳統的物質結構概念。量子不等同於粒子，量子概念能解釋物質是無限可分還是不可分的悖論，而粒子概念不能。

那麼物質到底是無限可分還是不可分呢？這個問題其實若簡單回答為可分或不可分都會有邏輯矛盾，這是一個二律背反問題。但並不是不能解答，我們要注意，正如社會學研究中的最小單元是個體的人，不是胳膊、腿、腦袋、細胞什麼之類的；生理學研究中的最小單元是基因，而不是其他；物理學研究其實也自然會有最小的基本單元，也即各種量子，對應的是各種能量特性。如果你能體會這裡頭的微妙之處，你其實就大致明白了什麼是量子。本質上，這是一個建立在約定前提基礎上的「最小」能量概念。

為什麼我在這裡強調約定呢？要注意，正如絕對時間與絕對空間是不存在的，所謂「最小」或「基本」這樣的概念其實也不能是絕對性的，也是相對的。對我在此提出的這個觀念感興趣的研究者，不妨去查閱一下龐加萊關於數學的「約定主義」思想，我指的是這個含義。

最後再打一個比喻：量子這個概念其實很像微積分中的導數概念，它其實不是實體性的。所以，也千萬不要誤以為世界是由某種實際的「最小」物質組成的，這可是推理不出來的。

所以，量子力學與相對論結合的一個必然邏輯結果是：統一場論。必須建立在將這個世界看作不可分割的統一整體來看，然後在此基礎上才可再進行相對性或互補性的分割，以方便數學上的運算。在我個人看來，玻爾的互補性原理其實就是相對性原理的另一種角度的表述而已。

如果你看完本篇後，覺得還是無法理解「量子」概念，沒必要覺得可恥，就算了吧，別再研究這玩意，因為你沒這天分，再整下去就成民科了，精神容易出問題，而且會被方舟子們戲弄的。雖然實際上頭條科普裡頭那些與方舟子成群結隊的所謂博士們來佈道的科學神棍式的科普，我看也全都是一個一個的蠢貨們講的胡話，他們是「蠢貨量子」。

建立量子概念是為解釋黑體輻射問題。經典力學依據其它物質輻射的數據規律去推測黑體輻射的實驗性數據有出入，主要表現在曲線高峰處。依據數據曲線不符，經典力學只能把黑體輻射當作特例看待，當著一個問題擺著需要去解決。普朗克湊了一個公式，能解決黑體輻射的實驗數據，當然就不能解釋其它物質的輻射數據了。別開物體輻射，只淡黑體輻射，便於就事論事解決問題。以黑體輻射實驗數據與經典推測建立的數據不同，為了解決這個新問題。普朗克提出能量是一份一份的，量子化後成了最小的能量單位，現代量子力學偏重於離散化後的純數學推測，借數學巨大能力忽悠。能量是一份一份輻射的，肯定了能量的不連續性，肯定了做功的斷續性。倘若說能量是一份一份的還認為是連續的不科學，是忽悠。能量是一份一份的沒指物質，只指能量，這裡的能量脫離了物質不科學，探討無物質的純數學推測只能是虛無的探討，如宇宙飛船到了什麼星球不關心，只關心宇宙飛船留下的概率統計波，結果如何可想而知。量子依賴概率統計，是純數學式的推測，主要探討的是光量子。光子沒有靜止態，有的是動態，依據動態是有質量的，得光子隨時有質量。

能量脫離物質適合於想像的唯心論，只能得出唯心的結果，與神秘聯繫在一起了。現代科學還不能肯定純能量的存在，脫離物質單獨探討能量，當解決問題時還是離不開物質。波動傳送信息依賴於是物質參與了運動，是物質運動時形成的波動。量子存在疊加態，建立在純能量基礎上也就不足為怪了。量子糾纏還是指具有質量的粒子參與了，如電子，光量子。反事實量子直接通信成像，量子又不指粒子了，實際上是利用量子為己用，為利益而用。宇宙任何空間都是有阻力的，客觀上阻力是建立在物質基礎之上的，阻力是一切運動粒子的傳播介質，是信息的源頭。反事實量子通信中的量子是有阻運動的，無論能運行多麼遙遠的距離。量子肯定是有阻運動，既是有介質的運動，而介質不會對虛無的量子起作用，介質只能對有質量的粒子運動時起傳播作用。給一點能使光子一糾纏，好象成了無阻運動的了，瞬間出現在宇宙的任何地方，瞬間在無力到達的前題下還能相互改變對方的存在態，變神了，以後還有更多的神奇提法在後頭。

現代量子變味了，成了只屬於個別人懂的神學，成了個別人的搖錢樹，說什麼就是什麼，忽悠什麼都是真。糾纏一方的單光子能縱橫整個宇宙，糾纏光子速度是光速的10000倍；密鑰不作為信息卻同強激光一起發射，不確定性隱性傳輸，…………。糾纏光子一坍塌，非定域論瞬間變為定域論，不確定性瞬間變為確定性，而定域論和確定性長時間再不糾纏就是量子力學不允許的在的態，矛盾重重。量子變味了，左搖右擺，有說有改的，成了忽悠式的欺騙，成了個別人的專利，成了無法理解的神學。

量子按照中文的意思就是可以被量化的粒子。最開始的時候因為研究的是能量，涉及到光子，所以這種被量化特指能量是可以被量化的，即能量有最小的基本單位。之後發展到很多物理量都是可以量化的，比如自旋、角動量、電荷都是可以量化的，存在一個最小的基本單位。因此光子也被稱為光量子。

隨著人們認識的深入，逐漸發現除了光子外，其它粒子也具有類似光量子的可量子化屬性，有些物理量也是存在基本的最小單位，它們的部分理化性質不可用常規物理規律描述，因此這些粒子都具有量子的屬性，都可以在某種程度上被稱為量子。

除了發現粒子有量子特性，科學家們還發現一些納米級的材料也具有量子化特性。後續經過研究發現，尺寸只要小於一定程度，物質都會具有某些量子特性。比如半導體量子點，它就是尺寸小於10nm，具有量子尺寸效應，可以發射強烈熒光的半導體納米顆粒。除了半導體量子點，還有碳量子點，黑磷量子點等等各種類型的納米材料。

所以，現在的量子已經是一個具有多重含義的詞語了，它即使名詞，又是動詞，不同的語境中含義也不一樣。

量子（quantum）的本意是「一份」、「一份」的意思，這個詞被普朗克用來描述他為了解釋黑體輻射實驗曲線所引入的一份、一份的能量。

黑體輻射研究的是具有一定溫度的理想物體（所謂理想指的是這類物體對光的吸收率為1）發射的電磁輻射譜，橫軸是電磁波的波長，縱軸是能量密度。

黑體輻射譜。

根據經典的電磁波理論，電磁波是橫波，電磁波的能量由電場強度E的平方決定，而在經典物理中電場強度E是可以連續取值的。

舉個例子，我們在坐標原點放一個電量為Q的點電荷，電場強度隨距離r的關係是：

由於距離r的取值是連續的，電場E的取值也肯定是連續的。換句話說，根據經典理論，電磁波具有的能量應該是連續的。

但普朗克現在說電磁波所具有的能量只能是一份、一份的，這每一份就是一個量子。

普朗克的量子就是光量子，或者乾脆叫光子。後來愛因斯坦又進一步發展了量子概念，提出光量子不僅具有一份、一份的能量，還具有確定的動量，和我們平時所見的粒子（小石頭子）一樣。

光是粒子其實是個很古老的想法，從古希臘哲學家到牛頓都認為光是粒子。

以量子為詞根，還有一些變形，最著名的有量子化，所謂量子化是說一些物理量我們一直以為它的取值是連續的，但後來發現在微觀物理學中變成是一個個分立取值的了。

最著名的量子化是能量量子化，比如電子在原子中能量的取值就是量子化的，此外還有角動量量子化等。

薛定諤針對電子在原子中的運動，提出了量子力學，解釋了這種量子化的行為，薛定諤版本的量子力學就是把電子的運動描述為波函數，然後針對波函數求解一個偏微分方程，薛定諤說過一句很有名的話，「所謂量子化就是求解本徵值問題！」

一維方勢井的本徵值問題。

因為在薛定諤的量子力學裡，偏微分方程的求解歸結為求解一系列本徵方程，因為邊界條件，能量本徵值等自然而然就是分立的，或量子化的。

薛定諤的這套方法後來被狄拉克推廣到相對論情形，以此為基礎又發展出了量子場論等等。除了薛定諤版本的量子力學外，還有海森堡的矩陣力學，費曼的路徑積分，這些在物理上都是等價的。

量子場論有很多版本，比如量子電動力學，量子色動力學等等。目前量子力學的這套方法在很多領域都取得了成功，只剩一個領域還沒有被量子力學描述，就是引力，因為引力實在是太弱了，要想觀察到引力的量子效應，得能量特別特別高才行。

在低溫，小尺寸情形下，還有許多奇特的量子行為，比如量子電導，就是電導率變成量子化的了。

弦論是把引力量子化的候選方案之一，但因為需要驗證弦論的能量太高了，目前這套理論尚缺乏實驗證據。

量子力學中的「量子」到底是什麼東西？

也許這應該請翻譯出來背鍋，準確的描述應該是「量能」，因為它描述的是能量而非物質，而這個翻譯的量子卻讓人毫無懸念的理解成了中子或者質子這樣的物質概念！

世界不是連續的，後面接的那句大家應該耳熟能詳了吧.....而是一份一份的！！那麼這一份份的哦世界是怎麼來的呢？

從1894年開始到1900年，普朗克在黑體輻射的研究上浸淫了超過6年，但進展甚微，因為當前流行的維恩公式僅僅在短波範圍內起作用而瑞利公式則在長波範圍內起作用，似乎在這之間沒有一個通用的公式可將之整合起來，而之間似乎還有不小的差距！

普朗克利用了數學上的內插法將這兩個公式湊成了他想像中的那個公式，分別適用與這些個不同的波長的應用範圍！！但如果要滿足這個公式必須有一個前提，那就得假設能量的發射與接收時，不是連續的......不是連續的......不是連續的......現代已經普遍接受了量子理論後也許並不覺得這是一件多突兀的事件，但在基本還處在牛頓經典力學的二十世紀初確實是一個顛覆性的事件！！終於有一天，經典力學所構建的大廈根基在量子力學的剛剛開始建立的二十世紀初期開始崩塌了，其實用「崩塌」形容還是有些誇張，因為兩者在不同的領域仍然發揮著各自的作用！

在1900年的12約14日這個載入量子力學史冊的日子，普朗克在德國物理學會上發表了《黑體光譜中的能量分布》中描述：

「為了找出N個振子具有總能量的可能性，我們必須假設能量是不可連續分割的，它只能是一些基本的量的有限總和……」

普朗克在《黑體光譜中的能量分布》中將這最小能量單位稱為「能量子」，但在另一論文中又改成了「量子」！

一份份的概念中，還有普朗克長度：1.6×10^35米

普朗克時間：1.6×10^-35/c^2 = 5.4×10^-44秒

所以各位注意了，量子並不是某種物質最小單位的概念哦.......

量子，最簡單的理解就是「能量粒子」。

普朗克在研究黑體輻射時，發現經典理論不能解釋一些現象，當他創造性打破經典物理學的能量均分定理，將以前認為能量是連續變化的變成能量是離散的，一份份的「能量子」之後，成功的解釋了黑體輻射的問題。

普朗克認為「能量子"是能量的最小單位，普朗克在1900年12月14日的德國物理學學會會議中第一次發表了能量量子化數值，標誌著量子力學的誕生。

其後，1905年，愛因斯坦借鑒普朗克「量子」的概念，提出了「光量子」的說法，提出光具有波動性和粒子性，從而完美的解釋了光電效應。

光量子簡稱為光子，這麼一簡化，反而讓人誤解光子只具有粒子性了，而不是光線能量的最小單位。

看了不少答案，有的說的比較接近了。但是量子這個概念，不是非要拿微觀世界來說事的。

量子，是一種現象的統稱。首先我們定義清楚，它說的不是某種粒子，說的是某種現象。這個現象就是東西被分成了一份一份的，或者說不連續的，整數倍的。

最早提出來的時候就是排名第一的答案里提到的黑體輻射的事情。它說的事情簡單一句話表述，就是對一個給定頻率的光，光輻射攜帶能量是頻率的整數倍。

這個提出來的時候是一個假設，而且是不那麼讓人覺得舒服的假設。這之後的故事就不多說了，咱只說量子這個概念。

為啥我覺得需要專門強調一下不要僅和微觀粒子扯上關係專門寫一個答案呢。因為很多沒學過的人總以為量子是某種粒子，或者代表了最基本粒子里的某些東西。然而並不是。

比如量子霍爾效應。

它講的是感應電壓與磁場的關係(我沒記錯的話)是整數倍的。當然解釋這個還是從微觀入手的。但是這個現象被稱為量子霍爾效應而區別於霍爾效應的原因，是現象里本身有整數倍這種現象。

好多人都把量子看成微觀的實際粒子像電子中子等一樣，但實際上這是完全錯誤的的。1900年的時候德國物理學家普朗克第一次提出量子的概念，用來解釋光輻射與物質相互作用時的情況。他認為能量並不是連續的，而是一份一份的，也就是說能量是有基本單位的，這一份基本單位就是所謂的量子。

現代物理關於量子的定義：一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，並把最小單位稱為量子。在經典物理學中能量是聯繫變化的，想取多少就取多少，但是經典物理學並不能解釋黑體輻射的現象，這也是量子概念提出的源頭。

所以說量子指得是「一份份」這種概念，並不能特指某種實際粒子。

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千百年來我們對宏觀世界認識越來越清晰。而認識微觀世界知之甚少，量子力學應運而生。量子力學是研究物質世界微觀粒子運動規律的物理學分支，主要研究原子、分子、凝聚態物質，以及原子核和基本粒子的結構、性質的基礎理論。為了更直觀更直接的了解量子力學，我們需要更多的實驗支持。這是孔徑光柵顯微鏡拍攝銅原子

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