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袁岚峰1月前
量子为什么会成为一种理论? 《科学世界》是中国科学院科学出版社主办的科普杂志,在学术界和社会上声誉卓著。他们邀请我开了一个专栏,从2025年1月开始。下面,我就来介绍一下我在《科学世界》2025年3月刊的文章《量子为什么会成为一种理论?》,并推荐大家关注《科学世界》。 上次我们解释了“量子”(quantum)这个词的意义,它并不是一种粒子(所以不要问它跟电子、质子、中子相比是大是小),而是表示一种现象,即不连续变化。如果一个事物可取的值是不连续的,即台阶式的、离散的,我们就说它是量子化的(quantized),把它的最小单元称为量子。如果你了解这一点,你就超过了90%的人。 实际上,量子化的现象在日常生活中就有很多,例如上台阶、清点人数。但使量子这个词出名的,是有个物理学理论,叫做量子力学(quantum mechanics),它是描述微观世界的本质理论。这就不是日常生活中熟悉的了。那么,量子为什么会成为一种理论呢? 这是因为人们发现,量子化是微观世界的一个本质特征。也就是说,微观世界很多现象是不连续变化的。如果你了解这一点,你就超过了99%的人。 最早发现的这样的例子,是原子光谱(atomic spectra),包括原子发出的光(发射光谱)和外界的光经过原子时被吸收的光(吸收光谱)。前者是亮线,后者是暗线,两者位于同样的频率。原子光谱最明显的特征,就是它是个离散谱,即只有某些分立的频率。这强烈地暗示,原子中的某些现象是量子化的。 一个典型的例子,是氢原子光谱在可见光波段的四条线,它们的波长分别是410.1纳米、434.0纳米、486.1纳米和656.3纳米(纳米等于10-9米)。为什么会是这几个数值?你能从这个数列中看出什么规律? 这绝不是一眼能看出来的。许多人对此冥思苦想,从各种角度去建构,但都无法得到简单的公式。最终,打破这个哑谜的居然是一位瑞士的中学数学教师巴耳末(Johann Jakob Balmer,1825 - 1898)。#知识前沿派对 #量子 #量子化 #量子力学 #原子光谱
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