8.量子理论

定 义：一种描述粒子和辐射在极小尺度上的异常行为的理论。

发现历史：1905年，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）是将光子当成实体来研究的第一人。1924年，路易斯·维克多·德布罗意（Louis Victor de Broglie）提出粒子具有波动性。

关键突破：1927年，沃纳·海森堡（Werner Heisenberg）发现了统治亚原子世界的不确定性原理。

重要意义：现实的量子本质从根本上改变了我们对自然现象的理解。

 

量子理论是塑造我们现代宇宙观的一个关键因素。虽然它通常作用在非常小的尺度上，但是它描述的物质和能量相互作用的方式，对于理解广阔宇宙的本质至关重要。

20世纪初的量子革命源于19世纪后期的一场危机，当时的科学家们愈发意识到经典物理学的各个领域，尤其是电磁辐射的行为，并没有得到完善和统一。例如，电磁辐射具有不可否认的波动性，但是用来传播波动性的介质，即“光以太”，似乎并不存在。白炽灯泡的发明使天文学家们能够测量“黑体辐射”——在任何给定温度下，由非反射的发光体（如恒星）产生的波长分布范围，然而还没有人能给出符合现实的黑体辐射理论模型。同时，在光电效应（当一些金属被光照射时释放电子的现象）中也显示出矛盾的地方：大量的红光不能产生电流，而少量的蓝光却可以。

光之粒子

1900年，德国物理学家马克斯·普朗克（Max Planck）为黑体问题找到了一个巧妙的解决办法。普朗克认为光源释放的能量来源于其原子的振动，他假设这些振动发生在离散的频率上，就像小提琴弦的谐波模式一样。因此，当原子改变其模式，所释放的辐射也将具有离散的能量、频率和波长。普朗克的模型产生了与实验测量相匹配的结果，但是在当时，没有人认为它也揭示了关于光的本质的基本真理。这一突破来自阿尔伯特·爱因斯坦，他在1905年的论文中提出了光电效应问题的解决方案。通过假设光本身分成离散的包或“量子”，每个光量子都具有自己的能量、频率和波长等波动特征，爱因斯坦揭示了为什么少量的高能蓝光光子可以产生更大的电流，而大量的低能红光光子却无法做到这一点。

光量子的现代名字叫作光子，它的存在对现代天文学意义重大。正如尼尔斯·玻尔和沃尔夫冈·泡利所描述的，用于证认遥远恒星、星系和星云中化学组成的光谱，究其根源是由原子核外的电子改变其轨道时发射或吸收光子引起的。电子CCD探测器（译注：CCD为Charge-coupled Device的首字母缩写，意为电荷耦合元件，在现代天文仪器中很常见）依靠光电效应接收来自遥远星系的稀疏光子，并生成传统胶片无法实现的高质量图像。普朗克的黑体辐射模型可以用于描述从恒星表面到宇宙诞生的余晖等各种现象。当然，光以光子形式传播的另一个主要优点是，它不需要像以太这样的传播媒介。

“从宇宙学角度来看，不确定性原理具有非常重要的意义，因为它使得整个时空都容易受到随机涨落的影响。”

波动性问题

量子物理学不仅仅研究光的本质。1924年，法国物理学家路易斯·维克多·德布罗意提出了一个令人惊讶的设想：如果光波有时候表现出粒子的行为，那么物质粒子偶尔也会表现得像光波动一样吗？德布罗意甚至提出了一种计算粒子的物质波波长的理论方法，该方法表明波长与其质量成反比，因此对于任何亚原子尺度以上的物质来说，对应的物质波的波长都非常小。没过几年，两个实验室的科学家们就已经各自独立证明了，在特定的实验中，电子确实可以像光一样发生衍射和干涉。

说粒子具有波长是什么意思呢？奥地利物理学家欧文·薛定谔（Erwin Schrödinger）认为，波长应该是代表了粒子能量的空间分布，并且在1926年他发展出一种计算该属性的方法，叫作“波函数”。从那时起，物理学家对于波函数的真正含义就存在争议——薛定谔认为，这从根本上揭示了所有粒子本质上都是能量的波动，而德国的沃纳·海森堡等人则认为波函数只是一种描述概率的概率波，表示了某一粒子在特定时间占据特定位置的概率。

电子显微镜是现代科学的标准工具，可用于拍摄很小的结构（如这些细菌）的令人惊叹的图像。它的原理依赖于量子特性——电子在特定情况下展现波动性的能力。

不确定性原理

通过对波函数含义的思考，海森堡有了另一个重要发现：集中在一个确定位置的波，无法测定其波长，而可测量波长的波则不能精准确定其位置。这就是海森堡不确定性原理，它使得人们无法绝对精确地同时测量粒子的各种配对或者说共轭特性。例如，我们对粒子位置测量得越准确，就越不能准确地知道它的动量和能量。从宇宙学的角度来看，这是非常重要的，因为它使得整个时空容易受到随机涨落的影响——转瞬即逝的“虚粒子”（或者更确切地说，是粒子‒反粒子对）可以凭空冒出来并存在短短一瞬间，有时会产生惊人的影响。同样地，即使在宇宙大爆炸暴胀阶段的均匀火球中，物质的温度和密度也会有微小的量子涨落，从而可以创造出我们现在的宇宙大尺度结构。即使在更普通的天体物理过程中，人们也能感觉到不确定性原理的存在，正是它使得很多在传统物理学看来不可能的核反应和放射性衰变得以发生。

说到底，物质的波动性提出了关于现实本质的基本科学和哲学问题，为此人们发展了多种理论来描述微观量子世界与宏观世界（天文学家更感兴趣的传统领域）的经典物理学相互作用的方式。

在光纤末端出现的七彩光谱。颜色只是人眼感知不同能量的光的方式，因此颜色与光的频率和波长有着内在联系。频率高、波长短的电磁波呈现为蓝色，而频率低、波长长的呈现为红色。