什么是量子理论?发现量子|能量子光量子量子数|电荷量子化 什么是量子理论? “量子一词意指“一个量”或一个离散的量”。在日常生活范围里,我们已经习惯于这样的概念,即:一个物体的性质 如它的大小、重量、颜色、温度、表面积以及运动,全都可以从一物体到另一物体以连续的方式变化着。例如,在各种形 状、大小与颜色的苹果之间并无显著的等级 然而,在原子范围内,事情是极不相同的。原子粒子的性质,如它们的运动、能量和自旋,并不总是显示出类似的连续 变化,而是可以相差一些离散的量。经典牛顿力学的一个假设是:物质的性质是可以连续变化的。当物理学家们发现这个观 念在原子范围内失效时,他们不得不设计一种全新的力学体系量子力学,以说明标志物质的原子特征的团粒性。这样 量子理论就是导出量子力学的基础理论。 考虑到经典力学在描述所有物体(从弹子台球到恒星与行星)的动力学方面的成就,它在原子范围内被新的力学体系所 取代,被视为一种革命性转变,是不足为奇的。不过没多久,通过对只有用量子理论才能理解的广泛现象的论证,物理学家 们证实了这个理论的价值。这类现象如此之多,以至今天量子理论常常被誉为一种前所未有的最有成效的科学理论 发现量子 高山先生所著《量子》第一章《发现量子》 1900年对于科学来说无疑是一个新的开端。这一年,诺贝尔基金委员会成立,从此代表科学界最高荣誉的诺贝尔奖开始 颁发;这一年,希尔伯特在国际数学家大会上提出了著名的23个问题,为新世纪勾勒了一幅美丽的数学画卷;也正是在这 年,普朗克发现了量子,人类从此迈入了辉煌的量子时代。 1900年10月的一个秋日的午后,在柏林近郊一条幽静的林间小路上,普朗克和他的儿子正在散步。秋天将整个柏林染 成了梦幻般的金黄色,小路两边已积了一层厚厚的落叶。普朗克有些激动地说道,“埃尔文,你知道吗?爸爸可能已经做出了 可与牛顿力学相媲美的伟大发现。”这正是量子的发现 那么量子是什么呢?简单地说,它就是自然的一种本性—分立性或非连续性,而量子的历史就是人们研究这种非连续 性的探脸历程。对于量子的发现历史,即使是科学史家们都抱怨它过于复杂,更不用说一个普通的读者了,这一方面说明了 量子的发现是如何的艰难,另一方面也说明了顽固的偏见是多么难以抗拒。因此,我们这里并不想让完整却无味的历史来破 坏读者的兴致,而是让读者去亲身经历那些最激动人心的伟大时刻,并分享由此所带来的精神快乐。请记住,只有逻辑才清 晰可见,而经验的历史总是纷乱复杂的 也许你没有机会进入大学,也许在大学里你没有机会学习量子理论,但你仍然可以理解神秘的量子,并最终欣赏它的美 丽。爱因斯坦曾慨叹,“新思想要到什么时候才会出现呢?谁要是能活到那个时候并且能够看到这一点,那该是多么幸福 啊。”与爱因斯坦相比,你是幸运的,因为一些新思想已经出现,你也会因为与它们的偶遇而获得从未有过的心灵震撼与精神 日常经验告诉我们,物体的运动是连续的,物体性质的变化也是连续的。而经典理论—牛顿力学和麦克斯韦电磁场理 论也正基于这样的假设,并且它的预测已经被大量的实验所证实。然而,自然并不轻易显露她的神秘和美丽,尽管她会在你 付出执著和热情之后给你意想不到的惊喜 孤注一掷的行动 “经过我一生中最紧张的几个星期的工作,黑暗中终于露出光亮,一幅末知的远景开始朦胧地显示出来。 普朗克1900年12月14日,柏林亥姆霍兹研究所 柏林的冬天是寒冷而干燥的,街上的行人都在匆匆赶路。在德国著名的亥姆霍兹研究所里,一年一度的德国物理学会会 议正在召开。参加会议的都是德国各大学和研究所的物理学家,来自柏林大学的普朗克教授已经到了不惑之年,但仍然工作 在物理学的前沿领域。永远把对绝对的探求看成是一切科学活动的最崇高的目标。 普朗克演讲的内容是关于物体热辐射的规律,即关于一定温度的物体发岀的热射在不同频率上的能量分布规律。普朗 克对于这一问题的研究已有6个年头了,今天他将公布自己关于热辐射规律的最新研究结果。普朗克首先报告了他在两个月 前发现的辐射定律,这一定律与最新的实验结果精确符合(后来人们称此定律为普朗克定律)。然后,普朗克指岀,为了推 导出这一定律,必须假设在光波的发射和吸收过程中,物体的能量变化是不连续的,或者说,物体通过分立的跳跃非连续地什么是量子理论? | 发现量子 | 能量子 | 光量子 | 量子数 | 电荷量子化| 什么是量子理论? [Top] “量子”一词意指“一个量”或“一个离散的量”。在日常生活范围里，我们已经习惯于这样的概念，即：一个物体的性质， 如它的大小、重量、颜色、温度、表面积以及运动，全都可以从一物体到另一物体以连续的方式变化着。例如，在各种形 状、大小与颜色的苹果之间并无显著的等级。 然而，在原子范围内，事情是极不相同的。原子粒子的性质，如它们的运动、能量和自旋，并不总是显示出类似的连续 变化，而是可以相差一些离散的量。经典牛顿力学的一个假设是：物质的性质是可以连续变化的。当物理学家们发现这个观 念在原子范围内失效时，他们不得不设计一种全新的力学体系——量子力学，以说明标志物质的原子特征的团粒性。这样， 量子理论就是导出量子力学的基础理论。 考虑到经典力学在描述所有物体（从弹子台球到恒星与行星）的动力学方面的成就，它在原子范围内被新的力学体系所 取代，被视为一种革命性转变，是不足为奇的。不过没多久，通过对只有用量子理论才能理解的广泛现象的论证，物理学家 们证实了这个理论的价值。这类现象如此之多，以至今天量子理论常常被誉为一种前所未有的最有成效的科学理论。 发现量子 [Top] 高山先生所著《量子》第一章《发现量子》 1900 年对于科学来说无疑是一个新的开端。这一年，诺贝尔基金委员会成立，从此代表科学界最高荣誉的诺贝尔奖开始 颁发；这一年，希尔伯特在国际数学家大会上提出了著名的 23 个问题，为新世纪勾勒了一幅美丽的数学画卷；也正是在这一 年，普朗克发现了量子，人类从此迈入了辉煌的量子时代。 1900 年 10 月的一个秋日的午后，在柏林近郊一条幽静的林间小路上，普朗克和他的儿子正在散步。秋天将整个柏林染 成了梦幻般的金黄色，小路两边已积了一层厚厚的落叶。普朗克有些激动地说道，“埃尔文，你知道吗？爸爸可能已经做出了 可与牛顿力学相媲美的伟大发现。”这正是量子的发现。 那么量子是什么呢？简单地说，它就是自然的一种本性——分立性或非连续性，而量子的历史就是人们研究这种非连续 性的探险历程。对于量子的发现历史，即使是科学史家们都抱怨它过于复杂，更不用说一个普通的读者了，这一方面说明了 量子的发现是如何的艰难，另一方面也说明了顽固的偏见是多么难以抗拒。因此，我们这里并不想让完整却无味的历史来破 坏读者的兴致，而是让读者去亲身经历那些最激动人心的伟大时刻，并分享由此所带来的精神快乐。请记住，只有逻辑才清 晰可见，而经验的历史总是纷乱复杂的。 也许你没有机会进入大学，也许在大学里你没有机会学习量子理论，但你仍然可以理解神秘的量子，并最终欣赏它的美 丽。爱因斯坦曾慨叹，“新思想要到什么时候才会出现呢？谁要是能活到那个时候并且能够看到这一点，那该是多么幸福 啊。”与爱因斯坦相比，你是幸运的，因为一些新思想已经出现，你也会因为与它们的偶遇而获得从未有过的心灵震撼与精神 快乐。 日常经验告诉我们，物体的运动是连续的，物体性质的变化也是连续的。而经典理论——牛顿力学和麦克斯韦电磁场理 论也正基于这样的假设，并且它的预测已经被大量的实验所证实。然而，自然并不轻易显露她的神秘和美丽，尽管她会在你 付出执著和热情之后给你意想不到的惊喜。 孤注一掷的行动 “经过我一生中最紧张的几个星期的工作，黑暗中终于露出光亮，一幅未知的远景开始朦胧地显示出来。” ——普朗克,1900 年 12 月 14 日，柏林亥姆霍兹研究所 柏林的冬天是寒冷而干燥的，街上的行人都在匆匆赶路。在德国著名的亥姆霍兹研究所里，一年一度的德国物理学会会 议正在召开。参加会议的都是德国各大学和研究所的物理学家，来自柏林大学的普朗克教授已经到了不惑之年，但仍然工作 在物理学的前沿领域。永远把对绝对的探求看成是一切科学活动的最崇高的目标。 普朗克演讲的内容是关于物体热辐射的规律，即关于一定温度的物体发出的热辐射在不同频率上的能量分布规律。普朗 克对于这一问题的研究已有 6 个年头了，今天他将公布自己关于热辐射规律的最新研究结果。普朗克首先报告了他在两个月 前发现的辐射定律，这一定律与最新的实验结果精确符合（后来人们称此定律为普朗克定律）。然后，普朗克指出，为了推 导出这一定律，必须假设在光波的发射和吸收过程中，物体的能量变化是不连续的，或者说，物体通过分立的跳跃非连续地