Question

量子力学 上

Answer 1

量子力学诞生于20世纪初，从那时候起人们认知到自然界中到处隐藏着分立的，也就是不连续的东西，在量子理论出现以前，人们相信光的强度是可以无限变弱的。

也就是说，光被认为是一种连续的东西，但是在量子力学理论中，光存在着最小的块儿~光量子，也就是光子，光还具备有不连续的性质。

就是说，如果把最小的光的强度设为“1”，那么在描述测量到光的强度时，光强只能是整数，比如2、10、23……也即是说，光强不可能以小数方式存在，比如0.9、2.59……在测量中，是不可能出现的数量。

在19世界即将结束时，为了冶炼出高品质的钢，人们需要能够正确的测量出熔炉中的温度，冶炼炉的温度太高，所以没有温度计能放入钢炉去测量，因此当时实际使用的方法，是观察高温物体所发出光的颜色（波长），进而推算出温度的高低。

比如，熔炉中的钢的颜色：红色对应的是600度左右，黄色对应的是1000度左右，白色对应的是1300度以上的温度。

德国物理学家马克斯.普朗克在1900年得到了和实验结果一致的方程式，给予这种现象一个恰当的解释，由此，普朗克革命性的提出了~“量子假说”。

在德国出生的物理学家阿尔伯特.爱因斯坦，也独立的考察了高温物体发出的光，并在1905年公开发表，但爱因斯坦提出的假说，与普朗克发现的发光粒子的振动能量是分立的，稍有区别。

这就是光量子假说：“光的能量是一份一份的~这意味着光是由具有粒子性质的~光子（光量子）集合而成的。”

我们能看到遥远的光源发出的光，比如能看到星星、星系等等，就是因为光具有粒子性~每个光子都携带能量。

如果光只具备波的性质是连续的，那么从遥远星星、星系发出的光，会被无限的摊薄，由于距离非常遥远，当光到达我们眼中的时候，已经被摊薄的非常微弱，微弱到无法让我们的视网膜上的感光分子识别，也就是说我们将看不到星星。

但是，根据“量子力学”~光作为光子的集合，而每个光子都独立保持自己的能量，所以光的能量不会被无限摊薄，因此，光子打到视网膜上的时候，虽然随着距离的拉长，打到视网膜上的光子会减少，但还是有足够的能量让我们看到星星。

在量子理论被发现前，光一直被人们认为是一种波，因为光有光的“干涉”，这是一种“波”所持有的特有的现象，量子理论出现后，光被证明，光在具有波的性质的同时，也具有粒子的性质，也就是~“光的波粒二象性”。

1913年，丹麦物理学家尼尔斯.玻尔，套用普朗克的量子假说，构造了一个原子模型，该模型认为原子内部的电子所携带的能量也一份一份的，如此一来，允许电子存在的轨道也就变成了分立的了。

所以，当电子从高能轨道去低能轨道的时候就会发光，光的能量等于轨道之间的能量差，由于电子的轨道是分立得，所以它发处的光的颜色（波长）也就变得分立了。

这解决了20世纪初的物理学界中，关于原子所发出的光的颜色问题，当时已经知道，氢原子能够发出的光有四种，而光的能量是由波长~波峰到波峰的距离决定的。

波长长的~更靠近红色，能量低；波长短的~更靠近紫色，能量高。

在氢原子发出的光中，红光的波长为656纳米，绿光的波长威486纳米，蓝光的波长为423纳米，紫光的波长威410纳米。

1923年，法国物理学家路易.德布罗意认为，既然光能具有波和粒子的二象性，那么被认为是粒子的电子也应该带有波的性质。

这在理论上成立，因为根据量子理论，单个电子就同时具有粒子和波的性质（单个的光子也具有粒子和波的二象性）。

但是，单个电子在其围绕原子核的过程中，它的粒子属性与波的属性，有原则上的冲突，无法在两个不同理论系统中自洽。

我们一起 探索 宇宙的终极秘密，下期精彩继续。