曾聰

（河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院人文學(xué)院，廣東 河源517000）

對(duì)于什么是量子，我們大多數(shù)人都不是很清楚。畢竟這量子物理學(xué)的概念還不是很普及，只有專(zhuān)業(yè)是物理相關(guān)的人士才會(huì)知道其意義。為了能更好的理解下面描述的能量子，且認(rèn)識(shí)到能量子是一種粒子性的物質(zhì)。這里需要對(duì)量子的概念描述一下。物理科學(xué)家是這樣對(duì)量子進(jìn)行定義的：一個(gè)物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個(gè)物理量是量子化的，并把最小單位稱(chēng)為量子。量子英文名稱(chēng)量子一詞來(lái)自拉丁語(yǔ)quantus，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。通俗地說(shuō)，量子是能表現(xiàn)出某物質(zhì)或物理量特性的最小單元[1]。

對(duì)于量子的產(chǎn)生歷史，我們也可以了解一下。在經(jīng)典物理學(xué)中，根據(jù)能量均分定理：能量是連續(xù)變化的，可以取任意值。19世紀(jì)后期，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)很多物理現(xiàn)象無(wú)法用經(jīng)典理論解釋。當(dāng)時(shí)德國(guó)物理界聚焦于黑體輻射問(wèn)題的研究。1900 年左右，M·普朗克試圖解決黑體輻射問(wèn)題，他大膽提出量子假設(shè)，并得出了普朗克輻射定律，沿用至今。普朗克提出：像原子作為一切物質(zhì)的構(gòu)成單位一樣，“能量子”（量子）是能量的最小單位。物體吸收或發(fā)射電磁輻射，只能以能量量子的方式進(jìn)行。之后韋納·海森堡(Werner Heisenberg)、馬克斯·玻恩(Max Born)和帕斯庫(kù)爾·約當(dāng)(Pascual Jordan)三個(gè)人一起提出了量子力學(xué)較完整的第一個(gè)版本，矩陣力學(xué)。人們也開(kāi)始認(rèn)識(shí)到通過(guò)系統(tǒng)的方法整理可觀察的光譜線來(lái)理解原子中電子的運(yùn)動(dòng)是不可取的[2]。埃爾溫·薛定諤(Erwin Schrodinger)自己則獨(dú)立提出了量子力學(xué)的第二種形式，即所謂的波動(dòng)力學(xué)。在波動(dòng)力學(xué)中，體系的狀態(tài)用薛定諤方程的解——波函數(shù)來(lái)描述。表面上看矩陣力學(xué)和波動(dòng)力學(xué)好像是互為矛盾不相容的，但實(shí)質(zhì)上是用不同的形式表達(dá)了同樣的意思。緊跟著是保爾·A·M·狄拉克(Paul A. M. Dirac)提出了相對(duì)論性的波動(dòng)方程，這個(gè)波動(dòng)方程是用來(lái)描述電子的，解釋了電子的自旋并且還可以預(yù)測(cè)反物質(zhì)的存在[3]。提出電磁場(chǎng)的描述得到了更進(jìn)一步的發(fā)展，它是由狄拉克在量子方向來(lái)描述，建立了量子場(chǎng)論的基礎(chǔ)。為了解釋量子理論中一些明顯的矛盾，玻爾從哲學(xué)上出發(fā)，提出了互補(bǔ)原理，互補(bǔ)原理對(duì)波粒二象性的現(xiàn)象描述顯得更通俗易懂。1928 年，革命結(jié)束，量子力學(xué)的基礎(chǔ)本質(zhì)上已經(jīng)建立好了。

1 微觀現(xiàn)象與宏觀現(xiàn)象的聯(lián)系與統(tǒng)一

宏觀現(xiàn)象。有了前面關(guān)于量子的闡釋作鋪墊，那么我們可以進(jìn)入正題了。拿一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)，就是我們生活中最不可或缺之一的一樣?xùn)|西：水。我們都知道一池水由許多滴水組成，我們?nèi)庋塾^察到水是成一個(gè)大整體，并非是一粒一粒的水分子，而是一池的可以觸摸到，可以感受到，可以看的到的水，這就是水的宏觀現(xiàn)象。

微觀現(xiàn)象。然而每一滴水都是由許多的水分子所組成，等于將水拆分成無(wú)數(shù)個(gè)水分子來(lái)想象。我們?cè)谀X海里想象一下，一池的水其實(shí)就是一池的無(wú)數(shù)個(gè)水分子聚集在那里，不停地蠕動(dòng)，不停地碰撞，這就是水的微觀現(xiàn)象。

宏觀與微觀的聯(lián)系與統(tǒng)一。我們用手拍打在一池的水面上，會(huì)發(fā)現(xiàn)有波浪在水面上傳播，這是我們宏觀上觀察到的現(xiàn)象，讓我們想象一下，水浪在上下波動(dòng)，將水拆成無(wú)數(shù)個(gè)水分子，你會(huì)發(fā)現(xiàn)有N 個(gè)水分子在上下運(yùn)動(dòng)著，這是所謂的微觀現(xiàn)象。當(dāng)這些無(wú)數(shù)個(gè)水分子的上下運(yùn)動(dòng)組合成一個(gè)美妙的波動(dòng)曲線時(shí)，我們的肉眼才能夠欣賞到這些美麗的波浪曲線。我們生活中一定經(jīng)歷過(guò)這樣的事情，當(dāng)水流從軟管中噴射而出的時(shí)候，大部分的水是成直線運(yùn)動(dòng)的，只是偶爾有那么一小簇不聽(tīng)話的水珠脫離了群眾，而相對(duì)如此大勢(shì)，這些小水珠就成為孤獨(dú)的個(gè)體了?？梢韵胂蟮揭皇獠ㄉ涑鰜?lái)，就那么一些光子會(huì)逸散出來(lái)，不跟隨大眾，這就是為什么光是波粒二象性。因?yàn)橹鞴馐际怯纱罅抗庾咏M合成的（水流），體現(xiàn)了波的形式，而逸散出來(lái)的光子就是（水珠）體現(xiàn)了光的粒子性。因此，根據(jù)普朗克定義的量子，任何物質(zhì)都是可以拆分成其構(gòu)成其物質(zhì)性的最小單位。

2 能量子的定義與描述

能量子：能被一切高于絕對(duì)零度的物質(zhì)所吸收，且自身就是能量體現(xiàn)的微粒子物質(zhì)。能量子是所有已知物質(zhì)性中最小的單位粒子，它不能長(zhǎng)期單獨(dú)存在于空間中，因?yàn)樗梢员蝗魏胃哂诮^對(duì)零度的物質(zhì)所吸收。即使我們用某種東西來(lái)存儲(chǔ)能量，能量照樣會(huì)緩慢逸散，請(qǐng)記住，能量子能被任何高于絕對(duì)零度的物質(zhì)所吸收。

根據(jù)對(duì)能量子的定義，那么我們可以推測(cè)出太陽(yáng)光照射到地球，給我們帶來(lái)了光明，同時(shí)也給我們帶來(lái)了溫度。實(shí)質(zhì)上是光子吸收了N 個(gè)能量子，之后跨越星空，雖然在星空旅行中會(huì)有無(wú)數(shù)個(gè)能量子被帶離我們的太陽(yáng)光束的大軍，但是還是有大部分太陽(yáng)光到達(dá)地球，再經(jīng)過(guò)大氣層與云層的吸收與削弱，最終才抵達(dá)地球地表，被地球地表的物質(zhì)從光子中剝離出能量子，并將其吸收，從而獲得能量。

物質(zhì)吸收能量子不可能是一個(gè)或者幾個(gè)幾個(gè)去吸收，其吸收的能量子數(shù)取決于物質(zhì)表面的量子數(shù)，因此普朗克中描述的物體吸收或發(fā)射電磁輻射是以量子的形式進(jìn)行。

假設(shè)物質(zhì)表面有N 個(gè)粒子，則每個(gè)粒子一次性能吸收能量子數(shù)為K，則一次性吸收的能量子總數(shù)為N*K。物質(zhì)表面的粒子不會(huì)一次性吃成胖子，它會(huì)分L 次進(jìn)行吸收，那么表面粒子飽和性吸收的能量子數(shù)為N*K*L 個(gè)，而且物質(zhì)還會(huì)將表面吸收的能量子向里面?zhèn)鬟f。表面的飽和性吸收能量子僅僅是表面物質(zhì)吸收的龐大N*K*L 個(gè)能量子，這龐大的能量子群宏觀上表現(xiàn)出了物質(zhì)是一波一波去吸收或輻射能量的，這就形成了我們發(fā)現(xiàn)的波動(dòng)學(xué)說(shuō)，從而誕生輻射頻率f。

我們都知道水是從高處往低處流的，這是由高度差造成的結(jié)果。那么同樣存在能量差的時(shí)候，相應(yīng)會(huì)發(fā)生的事情就是能量流動(dòng)，能量流動(dòng)是從高能量流向低能量，最終走向能量平衡。在局部區(qū)域里，能量差不存在，則不會(huì)有能量的流動(dòng)。

3 解釋生活中的現(xiàn)象

生活中為什么黑色的車(chē)比其他車(chē)顏色的車(chē)在太陽(yáng)光底下更熱?根據(jù)能量子存在假設(shè)，我們能夠得到這樣的解釋。黑色的車(chē)更容易吸收光子，那么其所吸收的光子數(shù)量會(huì)比其他顏色的車(chē)多的多。而光子攜帶著能量子，自然產(chǎn)生的能量也會(huì)較多，因此黑色車(chē)的溫度會(huì)較高些。

保溫瓶中的熱水最終會(huì)變成冷水。我們都知道，無(wú)論保溫瓶的保溫效果有多么驚人，里面裝的100 度的水，最后肯定會(huì)變冷，材質(zhì)的不同無(wú)非造成保溫的時(shí)間段不同而已。那為什么會(huì)這樣呢？根據(jù)能量子理論，我們可知只要高于絕對(duì)零度以上的物質(zhì)都能夠吸收能量子。對(duì)于不同的保溫材質(zhì)，其吸收能量子的速度與容量不同，換句話來(lái)說(shuō)，好的保溫材質(zhì)的保溫瓶，吸收能量子比較慢，且與外部的能量子流動(dòng)較遲鈍，所以保溫效果好的保溫瓶能夠擁有較長(zhǎng)的保溫時(shí)間段。相反，保溫效果不好的保溫瓶自然吸收能量子較快，且與外部能量子流動(dòng)較快，造成保溫時(shí)間段較短。

能量激光的射程是有限的?，F(xiàn)代武器當(dāng)中，能在極短時(shí)間里打掉敵人的空中飛行器或者是遠(yuǎn)處某物體。我們立馬可以想到是能量激光武器，也只有它能夠在極短時(shí)間里解決這個(gè)問(wèn)題。光是可以照射到非常非常遠(yuǎn)，那我們豈不是可以讓所有的武器在激光武器面前失效？事實(shí)并非如此，激光武器有一定的限程，超過(guò)了這個(gè)距離就會(huì)達(dá)不到理想的效果。為什么呢？根據(jù)能量子理論，任何高于絕對(duì)零度的物質(zhì)都可以將其吸收。那么，在激光射向鎖定目標(biāo)的過(guò)程中，它會(huì)被空氣中的物質(zhì)吸收掉部分能量子，且即使擊中目標(biāo)如果在臨界時(shí)間段里，能量子數(shù)沒(méi)有累積到一定的數(shù)量也是無(wú)法摧毀目標(biāo)的。這些原因都造成激光武器并非無(wú)所不能，因此激光武器是有有效射程短板制約著。

結(jié)束語(yǔ)

上面的描述對(duì)能量子有了概念性的闡釋?zhuān)瑢?duì)于其本質(zhì)的理解是這樣的，能量子是一種微小的粒子物質(zhì)，可能是目前已知所有物質(zhì)當(dāng)中的最小單位物質(zhì)性粒子，能被高于絕對(duì)零度的一切物質(zhì)所吸收，不能長(zhǎng)期單獨(dú)存在于空間中。最后我提議一種實(shí)驗(yàn)證明來(lái)檢驗(yàn)?zāi)芰孔邮欠翊嬖凇Ｓ靡皇?yáng)光束同樣強(qiáng)度的人造光束照射，用一只凸面鏡將光聚焦，觀察其是否能產(chǎn)生同樣的熱量。假如太陽(yáng)光聚焦的能量與人造光束聚焦的能量相差巨大，那么能量子存在假設(shè)就成立了。