量子是物理世界最小的
科學(xué)是大眾的，每個(gè)人都應(yīng)當(dāng)分享它所獲得的對自然的深刻理解，并分享由此給我們心靈所帶來的理性快樂。認(rèn)識科學(xué)了解科學(xué)不如就讓跟隨小編一起走進(jìn)科學(xué)感受物理世界中最小單位的量子。
量子定義
量子(quantum)是現(xiàn)代物理的重要概念。最早是M普朗克在1900年提出的。他假設(shè)黑體輻射中的輻射能量是不連續(xù)的，只能取能量基本單位的整數(shù)倍。后來的研究表明，不但能量表現(xiàn)出這種不連續(xù)的分離化性質(zhì)，其他物理量諸如角動(dòng)量、自旋、電荷等也都表現(xiàn)出這種不連續(xù)的量子化現(xiàn)象。這同以牛頓力學(xué)為代表的經(jīng)典物理有根本的區(qū)別。量子化現(xiàn)象主要表現(xiàn)在微觀物理世界。描寫微觀物理世界的物理理論是量子力學(xué)。量子一詞來自拉丁語quantum，意為“有多少”，代表“相當(dāng)數(shù)量的某物質(zhì)”。在物理學(xué)中常用到量子的概念，指一個(gè)不可分割的基本個(gè)體。例如，“光的量子”是光的單位。而延伸出的量子力學(xué)、量子光學(xué)等更成為不同的專業(yè)研究領(lǐng)域。其基本概念為所有的有形物質(zhì)是“可量子化的”。“量子化”指其物理量的數(shù)值是特定的，而不是任意值。例如，在(休息狀態(tài)的)原子中，電子的能量是可量子化的。這決定原子的穩(wěn)定和一般問題。在20世紀(jì)的前半期，出現(xiàn)了新的`概念。許多物理學(xué)家將量子力學(xué)視為了解和描述自然的的基本理論。在量子出現(xiàn)在世界上100多年間，經(jīng)過普朗克，愛因斯坦，斯蒂芬霍金等科學(xué)家的不懈努力，已初步建立量子力學(xué)理論。
量子理論建立
量子物理是根據(jù)量子化的物理分支，在1900年以理論來建立。由于馬克斯·普朗克(M. Planck)解釋所謂的黑體輻射，他的工作根本上合并了量子化，到了今天它仍被使用。但他嚴(yán)重地沖擊了古典物理學(xué)，也就是在量子論未確立之前，需要了另外30年的研究。直到現(xiàn)在一些主張仍然不能被充分地了解，不光是普朗克對這個(gè)新概念感到困擾，當(dāng)時(shí)德國物理學(xué)者中，黑體研究成為焦點(diǎn)。在10月、11月和12月會(huì)議前夕，對他的科學(xué)同事報(bào)告公開他的新想法。就這樣謹(jǐn)慎的實(shí)驗(yàn)學(xué)家(包括F. Paschen，O.R. Lummer，E. Pringsheim，H.L. Rubens，和F. Kurlbaum)和一位理論家迎接最巨大的科學(xué)革命。
原子物理與量子物理的區(qū)別
1.原子物理學(xué)是研究原子的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律及相互作用的物理學(xué)分支。它主要研究：原子的電子結(jié)構(gòu);原子光譜;原子之間或與其他物質(zhì)的碰撞過程和相互作用。
2.量子是現(xiàn)代物理的重要概念。最早是M·普朗克在1900年提出的。他假設(shè)黑體輻射中的輻射能量是不連續(xù)的，只能取能量基本單位的整數(shù)倍。后來的研究表明，不但能量表現(xiàn)出這種不連續(xù)的分離化性質(zhì)，其他物理量諸如角動(dòng)量、自旋、電荷等也都表現(xiàn)出這種不連續(xù)的量子化現(xiàn)象。這同以牛頓力學(xué)為代表的經(jīng)典物理有根本的區(qū)別。量子化現(xiàn)象主要表現(xiàn)在微觀物理世界。描寫微觀物理世界的物理理論是量子力學(xué)。
量子運(yùn)用舉例
1.量子干涉“搞定”能量回收
無論怎樣心懷尊敬，對于我們來說，都不太容易能把量子力學(xué)代表的理論和它帶來的成果聯(lián)系在一起，因?yàn)樗麄兟犉饋砭褪峭耆幌喔傻膬杉�。�?ldquo;能量回收”就是個(gè)例子。
每次駕車出行，人們都會(huì)不可避免地做一件負(fù)面的事情——浪費(fèi)能量。因?yàn)樵诎l(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)燃燃料以產(chǎn)生推動(dòng)車身前進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力同時(shí)，相當(dāng)一部分能量以熱量的形式散失，或者直白地說，浪費(fèi)在空氣當(dāng)中。對于這種情況，美國亞利桑那大學(xué)的研究人員試圖借助量子力學(xué)中的量子干涉原理來解決這一問題。
量子干涉描述了同一個(gè)量子系統(tǒng)若干個(gè)不同態(tài)疊加成一個(gè)純態(tài)的情況，這聽起來讓人完全不知所謂，但研究人員利用它研制了一種分子溫差電材料，能夠有效地將熱量轉(zhuǎn)化為電能。更重要的是，這種材料的厚度僅僅只有百萬分之一英尺，在其發(fā)揮功效時(shí)，不需要再額外安裝其他外部運(yùn)動(dòng)部件，也不會(huì)產(chǎn)生任何污染。研究團(tuán)隊(duì)表示，如果用這種材料將汽車的排氣系統(tǒng)包裹起來的話，車輛因此將獲得足以點(diǎn)亮200只100瓦燈泡的電能——盡管理論讓人茫然，但這數(shù)字可是清晰可見的。
該團(tuán)隊(duì)因此對新型材料的前途充滿信心，確定在其他存在熱量損失的領(lǐng)域，該材料同樣能夠發(fā)揮作用，將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔�，比如光伏太陽能板。而我們只需知道，這都是量子干涉“搞定”的。
2.不確定的量子，極其確定的時(shí)鐘
作為普通人，一般是不會(huì)介意自己的手表快了半分鐘，還是慢了十幾秒。但是，如果是像美國海軍氣象天文臺(tái)那樣為一個(gè)國家的時(shí)間負(fù)責(zé)，那么這半分半秒的誤差都是不被允許的。好在這些重要的組織單位都能夠依靠原子鐘來保持時(shí)間的精準(zhǔn)無誤。這些原子鐘比之前所有存在過的鐘表都要精確。其中最強(qiáng)悍的是一臺(tái)銫原子鐘，能夠在2000萬年之后，依然保持誤差不超過1秒。
看到這種精確的能讓人紊亂的鐘表后，你也許會(huì)疑惑難道真的有什么人或者什么場合會(huì)用到它們?答案是肯定的，確實(shí)有人需要。比如航天工程師在計(jì)算宇宙飛船的飛行軌跡時(shí)，必須清楚地了解目的地的位置。不管是恒星還是小行星，它們都時(shí)刻處在運(yùn)動(dòng)當(dāng)中。同時(shí)距離也是必須考慮的因素。一旦將來我們飛出了所在星系的范圍，留給誤差的邊際范圍將會(huì)越來越小。
那么，量子力學(xué)又與這些有什么關(guān)系呢?對于這些極度精準(zhǔn)的原子鐘來說，導(dǎo)致誤差產(chǎn)生的最大敵人，是量子噪聲。它們能夠消減原子鐘測量原子振動(dòng)的能力。現(xiàn)在，來自德國大學(xué)的兩位研究人員已經(jīng)開發(fā)出，通過調(diào)整銫原子的能量層級來抑制量子噪聲程度的方法。它們目前正在試圖將這一方法應(yīng)用到所有原子鐘上去。畢竟科技越發(fā)達(dá)，對準(zhǔn)時(shí)的要求就越高。
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