量子的提出,是缘于普朗克建立的黑体辐射公式。在十九世纪末,经典力学处于鼎盛时期,当时的科学家们都非常自信,认为科学留给后人的工作只是一些修修补补的事情。
然而,英国科学家开尔文却提出还有两个问题需要解决,他将这两个问题比喻为飘在经典力学晴朗☀️的天空中的两朵白云。其中一朵是,如果能量是连续的,则能量会集中到能量高的紫外端辐射☢️。这就是著名的紫外灾变。
为了解决这个问题,普朗克在其新建的黑体辐射公式中,引入了一个常数h。于是,能量不再是连续的了,只能是一份一份地生成。
那么,普朗克常数h具有何种物理意义呢?为什么有了该常数能量就不是连续的呢?
这需要探讨能量的本质是什么。能量给人最直接的印象是可以做功,比如一个运动的物体具有动能。如果这个运动的物体是无限可分的话,能量就变得连续了,单位能量可以无限小。
然而,如果物体的分割到一定的程度时,就不再可以继续分割了,即存在不可再分的最小粒子的话,则能量就是不连续的,从而可以消除紫外灾变。
此外,普朗克常数h的物理量纲是粒子的角动量,具有不变性。说明在我们的宇宙中,存在着不可再分的最小粒子。能量是关于粒子运动能力的度量,存在不可再分的最小粒子,所以能量是不连续的,是由一个个最小粒子的运动构成的。
为了突出最小粒子的不可再分的特性,我们就将其称为量子。类似秤砣,该粒子具有称量能量的作用。
能量的不连续性,在物理上具有非常重要的意义。比如,微观粒子存在的状态只能是量子能量的整数倍。这就好比是我们买东西,最小的货币单位是一分钱。那么无论我们买任何微小的商品,都只能用一分钱的整数倍来购买。否则的话,这买卖就无法成交。
比如,电子在原子中所处的能量状态,只能是h的整数倍。如果给予电子的能量是非整数倍的,则要么成为弹性碰撞,导致原子整体运动,要么就会破坏作为封闭体系的原子,将电子打离原子。
此外,由于宇宙是一个有机整体,其中包含着作为物理对象的物质和作为物理背景的空间。既然存在着不可再分的最小粒子——量子,那么宇宙的背景空间一定是由量子构成的,即存在着量子空间。
于是,宇宙中的一切物理现象都可以归结为空间量子的不对称碰撞,即量子空间的对称性破缺。比如,微观粒子的半径小于空间量子间距,就会受到量子的不对称碰撞,从而具有波动性。
总之,能量的不连续性,要求存在不可再分的最小粒子;而且,最小粒子的存在还可以解释宇宙中的其他各种不连续的现象。所以,我们有理由相信,宇宙中确实存在着不可再分的最小粒子。这一粒子就被称为量子,是构建我们宇宙的基石。