前言:小物和小理是2名普通的高中生,他们酷爱物理,在学习物理的过程中,小物经常向小理提出许多刁钻而有趣的物理问题,了解他们的故事也能让你的物理达到新的高度．

1 对话录

小物:在学习《选修3-5》过程中,经常听老师提到“量子化”,我也听说过量子力学,这可是门很神秘、很难的科目呢?量子到底是什么意思?真的非常难吗?小理你给我解释一下吧．

小理:好吧,那我首先来给大家解释一下“量子”的概念吧．量子(quantum)是现代物理的重要概念,英文名称量子一词来自拉丁语quantus,意为“有多少”,代表“相当数量的某物质”．量子的概念,指一个不可分割的基本个体,一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位,则这个物理量就是量子化的,并把最小单位称为量子．生活中也有很多的量子概念．比如:人数只能是1的整数倍,不能出现半个人,所以人数是量子化的．“量子化”指其物理量的数值是特定的,而不是任意值．再比如:我们在电场中所学的电荷的电量,存在最小的电荷量1.6×10-19 C,称为元电荷．带电体的电荷量只能是元电荷的整数倍,所以电量也是量子化的．

小物:哦,听你这么解释量子的概念也没有那么难理解．那你能给我讲讲“量子”概念的提出及发展吗?

2 小理的介绍

小理:好,量子最早是德国物理学家普朗克在1900年提出的．为了解释黑体辐射的实验规律,他大胆假设黑体辐射中的辐射能量是不连续的,只能取某一最小能量值ε的整数倍．这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子,即能量是量子化的．借助于能量子的假说,普朗克得出了黑体辐射的强度按波长分布的公式,与实验符合之好令人击掌叫绝．

量子假设的提出有力地冲击了以牛顿为代表的经典物理学,在经典物理学中,认为能量是连续变化的,可以取任意值．但在微观世界的某些现象用经典物理学却无法解释．后来的研究表明,不但能量表现出这种不连续的分离化性质,其他物理量诸如角动量、自旋、电荷等也都表现出这种不连续的量子化现象．量子假设的提出标志着量子力学的诞生．

科学家利用量子的思想可以解释很多微观现象:比如光电效应实验中,在解释为什么存在截止频率时遇到了困难,爱因斯坦根据普朗克的量子理论,在1905年提出光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的,就是我们常说的“光子”,利用光子的理论可以很好地解释光电效应现象．在研究原子的模型时,电子在核的周围到底怎么运动呢?经典物理学无法解释原子的稳定性和原子光谱的分立特征,丹麦物理学家玻尔(N.Bohr)在量子论的启发下,于1913年提出了轨道量子化,即电子运行轨道的半径不是任意的、连续的,电子只能在一定半径的轨道上运行,当电子在不同的轨道上运动时,原子处于不同的状态,原子在不同的状态中具有不同的能量,因此原子的能量也是量子化的．我们之所以能观察到原子光谱是因为电子在不同的能级之间进行跃迁,跃迁过程中吸收或辐射光子,光子的能量是由前后2个能级差决定的．在不同的能级间跃迁、辐射或吸收的光子的能量就不同,对应的光子的频率就不同,就表现为不同的光谱．这就是我们高中阶段所接触到的关于量子理论的一些知识,这也是早期的量子论．

小物:哇,小理你太厉害了,那什么是量子力学呢?

小理:通过刚才的讲解，你应该看出来了，量子化是在研究微观物理世界时提出的，用来解释微观现象.所以量子力学是描写微观粒子运动规律的物理理论，与相对论一起被认为是现代物理学的两大基本支柱，许多物理学理论和科学，如原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学以及其他相关的学科都是以量子力学为基础进行的.在通往量子理论的道路上闪耀着普朗克、爱因斯坦、玻尔、海森伯、德布罗意、玻恩和狄拉克等一大批杰出的物理学家光辉的名字，量子理论是很多物理学家共同努力的结晶．

由于微观世界我们无法用肉眼观察,微观粒子表现出一系列不同于宏观颗粒的性质,且跟我们的宏观世界遵循的规律根本不同,正如最早提出量子概念的普朗克最后也不得不承认“微观世界的某些规律,在我们宏观世界看来可能非常奇怪”,与我们的认知是相悖的,所以我们理解起来感觉很困难．

小物:刚才你提到了经典力学和量子力学,二者相互矛盾吗?

小理:简单地可以理解为经典力学描述宏观物质形态的运动规律,量子力学是描述微观物质形态的运动规律,经典力学的特征是连续性、确定性、因果性，而量子力学的特征是不连续性、不确定性、不因果性．1923年,尼尔斯·玻尔提出了对应原理,认为量子数(尤其是粒子数)高到一定的极限后的量子系统,可以很精确地被经典理论描述．因此一般认为在非常“大”的系统中,量子力学的特性会逐渐退化到经典物理的特性,二者并不相抵触．量子力学的出现是经典力学发展到一定阶段的产物,正因为有经典力学对宏观、微观物体运动完美解释的追求,才会有量子力学的诞生,以便能对微观粒子运动进行完美解释．这些完美解释也反过来促进了量子力学被大家接受认可．所以甚至在某种程度上看经典力学和量子力学是一对孪生兄弟,它们共同构筑起现代物理学的宏伟大厦．