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量子在现代的理解中，意思是任何物理性质的最小可能离散单位，如能量或物质。量子这个概念出现在1900年之后，当时物理学家马克斯·普朗克（Max Planck）在德国物理学会的演讲中使用了这种叫法。普朗克试图找出发光体的辐射从红色变成橙色，随着温度升高最终变成蓝色的原因。他发现，通过假定辐射存在最小的离散单位，就像一般的物质一样，而不是像以前假设的那样只是一个恒定连续的电磁波，那么他就可以找出他的问题的正确答案。

普朗克写了一个数学方程，普朗克方程，这个方程涉及一个符号来表示单个的能量量子。他叫单位量子。例如，光子是光的单位量子（或者任何其他形式的电磁辐射的），并且可以被称为“光量子”。 类似地，原子内结合的电子的能量也是量子化的，因此只能以某些离散值存在。 电子只能在原子中以离散能级存在的事实导致原子稳定，因此物质一般是稳定的。

最初普朗克认为，量子的发现只是一个理论工具。但事实上，它的出现后来发展成了一个全新的，基本的自然规律。这个规律就是20世纪大名鼎鼎的量子理论。量子理论和爱因斯坦的相对论共同解释了地球上所有物质和能量的本质和行为，构成了现代物理学的基础。然而，这两者之间仍然存在冲突。爱因斯坦一生中大部分时间都在寻求他所谓的统一场理论 - 一个可以调和两个理论的不相容性的新理论。后来，超弦理论和M理论被提出作为统一理论的候选人被发展出来。

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量子是20世纪物理学家在试图解释一些物理现象时提出的，从字面意思理解，量子代表的就是分立的，一份一份的，是用于描述微观世界自然规律的基本单元。我们最容易认知的原子、原子核和电子是一个一个的，可以认为是一种广义上的量子。但物理学中的量子绝不仅限于此，而且要丰富地多。光子、能量子、自旋都可以认为是一种量子的概念。需要注意的是，量子不仅具有分立的特性，而且具有波的特性。这就是所谓的波粒二象性。

相关历史

量子概念的提出是对经典力学的挑战，具有很重要的历史意义，是人类对物质世界认知的一大突破。但其实量子的概念是上个世纪初很多解释不了的实验数据所催发的一个必然产物。

1900年，量子的概念首先由普朗克提出，成功解释了当时的“黑体辐射”数据；
1905年，爱因斯坦提出了光量子的概念，成功解释了当时“光电效应”的实验规律；1913年，玻尔受到光谱学中巴耳末公式的启发，提出了基于量子概念的氢原子模型，成功地解释了氢原子的不连续光谱。量子现象

微观世界是量子化的，是我们认知微观世界所必须的一个最基本的概念，同时也是很多新奇物理效应（比如超导）的微观根源。我们在这里介绍几个比较典型的量子以及和其有关的有趣物理现象，来帮助大家认识量子的概念。

电子和能量量子：电子的能量是量子化的，并不是能取所有的值。多电子原子的电子分布在不同的轨道上，能量或者说电子的状态也会有所不同。更深入的知识告诉我们，电子的位置是不能确定的，而是具有一定的不确定性。我们只能用它在空间某一点出现的概率去描述它，因此就出现了各种各样的电子云，如下图。图1. 不同形状的电子状态(电子云，图片来自于wikipedia:Atomic orbital)

光子：由于电子的能量是分立的，电子在不同状态之间变化时（专业术语叫量子跃迁），便有可能发射出光子，因此光子的能量也是量子化的。图2. 两个不同能量的光子，光子频率也是不同的，紫色的光子能量要比黄色的高(图片来自于wikipedia: Photon)

自旋：自旋的全称是自旋角动量量子数，因此，首先它是一个数，例如电子的自旋是1/2；

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关于量子的问题一个回答不能说的很全面，我在这里简单的回顾一下量子的提出。

十九世纪的最后一天，欧洲的物理学家齐聚一堂，迎接新世纪的来临。著名的科学家开尔文爵士惊叹于物理学的伟大成就，自豪的说：“物理学的大厦已经建成，后世的物理学家只要做一些修修补补的工作就可以了。”

开尔文这么说，是因为在那个时代，经典力学通过牛顿、拉格朗日、拉普拉斯等人的贡献已经清楚的解释了物体之间的相互作用和天体运行规律，麦克斯韦电磁方程组将电与磁完美的统一起来，热力学统计物理可以解释分子的运动规律，仿佛物理学已经完全成熟了，没有什么重大的理论问题需要解决。以后的物理学家只需要将物理常数的精度提高几位就可以了。

但是，开尔文同时也说：“在物理学晴朗的天空中，还飘着两朵令人不安的乌云。”他所说的这两朵乌云其一是指黑体辐射问题中实验结果与理论不符合，另一朵是指寻找光的参考系-以太的麦克尔孙莫雷实验的失败。

恰恰是这两朵乌云，发展成为二十世纪物理学最伟大的两个发现：量子力学和相对论的诞生。人类认识到自己探索自然的道路还很漫长。

我们首先介绍一下黑体。物理研究发现：一切物体都在吸收、反射和辐射电磁波。如果一个物体只吸收和辐射电磁波，不反射电磁波，这个物体就称为黑体。比如太阳就可以看作一个黑体，因为太阳的辐射特别强，辐射的电磁波强度远远大于反射的电磁波。

人们经过研究发现，黑体辐射的情况与物体的温度有关。

图中纵坐标是单位波长单位面积辐射功率，横坐标是波长。我们通过这个图可以发现两个结论：

第一：物体温度越高，辐射强度越大。根据斯特番-波尔兹曼定律，黑体单位面积辐射能量与温度的四次方成正比。人们根据这个规律及算了太阳表面

2023-01-16 15:15:17

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