什么样的粒子才是量子?与分子、原子、电子又

日期:2020-06-16 21:26:56

关于无限细分的典故有好多个,比如战国时期的《庄子·天下篇》中描述的:“一尺之棰,日取其半,万世不竭”,也有古希腊时期的“芝诺悖论”,还有之诺悖论演绎的“阿喀琉斯追龟辩”,都说明了我们的物质世界都可以无限细分,尽管古人并不知道微观世界是个如何的样子,但超前的思想无不令我们佩服,那么是正确的吗?

十九世纪末科学家已经意识到,物质的表观温度与它内部的微观粒子活动剧烈程度有关,而只要微观粒子在运动中,那么就会有宏观的温度表现,这种表现将会以电磁辐射方式向周围发射,比如我们站在一块烧红的钢铁旁边,瞬间就会感受到它澎湃的热量!

如上图,这块钢板因为加热端在另一侧,因此整块钢板的温度分布是不均的,而这个现象最早在牛顿时代就已经被发现了,因为牛顿用三棱镜将太阳光分解成了七色,其实完全不止,只不过我们肉眼能看到七色而已。

不过比较可惜的是牛顿并没有深究七色光分解的单色光的相对亮度有什么奥妙,一直到200多年后的十九世纪五十年代之后,才有科学家将物体的亮度分布与频率分布图精确绘制出来。在这个基础上,1879年和1884年斯洛文尼亚物理学家斯特藩和奥地利物理学家玻尔兹曼独立发现了热力学中的著名定律:黑体在单位面积、单位时间内辐射的总能量与内体本身的绝对温度T的四次方成正比:

在玻尔兹曼这棵大树下,维恩和瑞丽-金斯分别推出了符合部分波段辐射能量计算的经典公式。

从上图中我们可以看到维恩公式在短波长辐射上的计算是几乎是完美的,而瑞利-金斯公式则在长波辐射上计算跟观测完美匹配的。

但用随着辐射频率上升,瑞利-金斯公式的计算结果能量密度迅速上升,最终达到∞大的恐怖结果,显然这是不可能的。而频率上升,在可见光趋向紫色光谱甚至紫外,这就是所谓的“紫外灾变来历”

普朗克注意到了这两个经典公式之间的窘境,他从1894年开始研究黑体辐射,一直都想把两个公式统一起来,推导出黑体辐射的全频段普适公式。当然我们现在都知道了普朗克将能量“量子化”以后完美的解决了这个问题,使得普朗克成为量子力学的开山鼻祖之一,在这一点上他应该不能忘记上文提出现过那个天才玻尔兹曼的帮助。

普朗克的计算结果与实际结果完美契合,但当时普朗克并没意识到他已经开创了一个全新的不同于以往的世界,这个世界并不是连续的,而是一份份的!而这个超前的理论一直到数年后才被逐渐接受,并且普朗克因此获得了1918年的诺贝尔奖。

这副秒杀现代任何明星普朗克侧脸照上的中文标注已经描绘出了世界的真谛,我们这个世界是不连续的,无论是能量、时间还是距离,还有物质,尽管不能无限细分,但至少我们摸到了部分物质世界的尽头,发现了物质世界最小的砖块:

费米子就是物质最小的单元砖块,玻色子就是粘合这些砖块的水泥,那么这么多最小的分割单元中哪些是量子哪些又不是量子呢?

如果从广义上来区分,量子就是物理学中物体不可分割的最小部分,但它并不代表某种粒子,准确的说用量子化来描述这个量子会更精确一些,比如前文将黑体辐射的能量量子化,比如时间也可以量子化(普朗克时间,时间的最小单位),长度也可以量子化(普朗克长度,长度的最小单位),甚至电子的自旋也是量子化的。

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