日期：2021.01.22
【文章摘要】：量子力學是目前物理學的熱門之一，但至今並沒有人真正說清楚量子到底是什麼，也沒有真正理解出現量子化的實質，更有把量子神秘化、唯心化的趨勢。本人就量子的本質及其物理意義作些探討，供有興趣的朋友們參考。
一、量子的由來簡述
1、量子的定義：
一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，並把最小單位稱為量子。量子英文名稱量子一詞來自拉丁語quantus，意為“有多少”，代表“相當數量的某物質”。在物理學中常用到量子的概念，指一個不可分割的基本個體。
2、量子的由來
2.1、提出概念：在經典物理學中，根據能量均分定理：能量是連續變化的，可以取任意值。19世紀後期，科學家們發現很多物理現象無法用經典理論解釋。當時德國物理界聚焦於黑體輻射問題的研究。1900年左右，M·普朗克試圖解決黑體輻射問題，他大膽提出量子假設，並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的構成單位一樣，“能量子”（量子）是能量的最小單位。物體吸收或發射電磁輻射，只能以能量量子的方式進行。普朗克在1900年12月14日的德國物理學學會會議中第一次發表能量量子化數值、一個分子摩爾（mol）的數值及基本電荷等。其數值比以前更準確，提出的理論也成功解決了黑體輻射的問題，標誌著量子力學的誕生。
2.2、理論的建立：量子理論的突破首先出現在黑體輻射能量密度隨頻率的分佈規律上 。1900年10月，由於普朗克解釋黑體輻射現象，將維恩定律加以改良，又將玻爾茲曼熵公式重新詮釋，得出了一個與實驗資料完全吻合普朗克公式來描述黑體輻射。普朗克發現，如作如下假定則可從理論上匯出其黑體輻射公式：對於一定頻率ν的輻射，物體只能以hν為能量單位吸收或發射它，h稱之為普朗克常數。換言之，物體吸收或發射電磁輻射，只能以量子的方式進行，每個量子的能量為E=hν，稱為作用量子。
首先注意到量子假設有可能解決經典物理學所碰到的其他疑難的是愛因斯坦。他試圖用量子假設去說明光電效應中碰到的疑難，提出了光量子概念，認為輻射場就是由光量子組成。每一個光量子的能量E與輻射的頻率ν的關係是E=hν。採用光量子概念之後，光電效應中出現的疑難隨即迎刃而解。
以上內容摘自【百度百科】。
二、量子化現象的實質簡述
1、與絕大部分物質都是由原子組成的直接相關
我們知道，除了極少數單獨存在的基本粒子電子、質子和中子等以外，其餘的絕在部分物質均是由原子構成的。而原子是由質子和中子組成的原子核與外部高速繞原子核運動的電子組成的。因此，無論是由帶質量的物質產生的萬有引力，還是由帶電荷的物質產生的電磁力都會是由所有原子產生的萬有引力或電磁力疊加而成的。當把原子作為一個單獨的實體來考慮時，其產生的萬有引力或電磁力當然是確定的，當觀測者離被觀測物體的距離遠大於物體尺寸時，則物體產生的萬有引力和電磁力當然可以近似地按每個原子產生的數值與原子總數量之積來計算。也就是每個原子產生的萬有引力或電磁力就是最小計算單位量，就是所謂的量子化的了。
2、與原子內部結構都是由電子圍繞原子核/質子運動直接相關
組成原子的方式都是：質子和中子組成原子核，電子以高速圍繞原子核運動。而電子圍繞原子核運動過程中需要找到一種能平衡原子核施加的萬有引力和電磁力的軌道才能穩定的圍繞原子核運動，而這樣的軌道是由多種因素共同決定的，因此，符合條件的軌道是離散的。就像太陽系的行星圍繞太陽公轉的軌道也是很有規律的、離散分佈一樣。
總之，是物質組成方式決定了微觀世界的諸多物理量呈現出離散的、量子化的特性。並不是所謂的能量是一份一份的所造成的。因為實際上並沒有純粹的、獨立存在的能量。能量只是帶質量的物質運動狀態及存在空間位置特性的表達方式之一。
三、幾個證明能量為離散量子化的物理實驗結果的證據效力分析
1、普朗克黑體輻射公式
所謂黑體輻射只是指物體不反射光或無入射光情形下，物體自然條件下產生的電磁輻射。這類輻射主要是分子熱運動過程中，原子核與電子運動不同步導致的原子被極化為電偶極子而產生的電偶極子電場和磁場。只是由於分子熱運動存在每個分子的運動行程、週期、方向、速度等的不同，其電偶極子之電偶極矩的強度、方向、頻率和相位等均隨時間變化的，但在統計學上存在類似於正態分佈的特性。所以其產生的電磁輻射為連續頻率譜的類正態分佈狀。
如（公式一）所示，普朗克黑體輻射公式表明：黑體的電磁輻射強度隨頻率的變化僅與物體的溫度有關，與物體的材料成分無關。這就表明：所謂的能量子是不可能與組成材料的元素及分子或原子的組成方式相關，也就是說：能量子不可能與原子、分子或電子和原子核的動能或運動速度有關。否則，原子量越大的元素就會具有更大的能量了。
普朗克黑體輻射公式：
式中：Ｅ為輻射強度；h為普朗克常數；Ｔ為黑體溫度；ν為輻射頻率；Ｃ為真空中的光速；k為玻耳茲曼常數。
如果輻射是由能量子E0=hv組成的，則當對（公式一）進行如下改寫可得到：
由（公式二）可知：單位面積或體積中的能量子數量僅與頻率和溫度有關，與黑體的材料無關，也不是整數值。也就是說：任何材料內部的能量子分佈密度都是相等的。這顯然背離了不同材料具有不同的動能和熱比的實際情形。同時，能量子數量也不應隨溫度的不同而不同。
由此可見，用能量子解釋黑體輻射顯然是不可行的。實際上，黑體輻射強度與頻率間的關係是由黑體中分子熱運動頻率相等的分子數量的分佈決定的，同頻率的分子數量越多，輻射強度就越大。因此溫度是熱運動同頻率分子數量峰值的標誌，並不是分子熱運動平均動能的標誌。
2、光電效應
實際上，光電效應無處不在，也不是一定要高於一定頻率（紅限）才會產生光電效應。日常生活中的靜電放電，閃電、電焊等現象，其電場和磁場的頻率就遠低於紅限，甚至頻率為0也一樣可以產生光電效應。就像光譜分析中採用低頻超強電場剝離原子中所有外部電子一樣，只要電場強度大到能在電子繞原子核半個週期內使電子加速到逃逸速度，就會出現光電效應。目前人們所說的光電效應只是指當電場強度未大到半個週期內可使電子加速到逃逸速度，必須透過對原子中的電子進行多週期的同步加速才能使電子加速到逃逸速度的特殊情形而已。
用光具有與頻率成正比的動能與動量雖然能解釋光電效應中存在紅限頻率的問題，但並不能解決存在紫限頻率（高於一定頻率的光不僅不能產生更多的光電子，還會逐漸停止產生光電效應，如X射線和γ射線就不能產生光電效應）的問題，也不能解決紅限頻率不隨光的強度增大而降低（當二個或以上稍低於紅限頻率的光子同時或先後作用於同一電子時將使其成為光電子）的問題。因此，光電效應並不能證明光量子真的存在，更不能證明光本身具有動能與動量。
如果用光是具有同頻率變化的電場和磁場，其照射到金屬表面後會使原子中的電子改變運動方向與速度，當頻率合適時，會使部分相位合適的電子被同步加速而變成光電子來解釋光電效應，則可完美地解釋為什麼紅限頻率不會隨光的強度降低，也可以解釋紫限頻率問題。
3、康普頓效應
用具有與頻率成正比動能和動量的光子解釋康普頓效應時，必須假設金屬中的電子為靜止的自由電子，且光子不會與二個或二個以上的自由電子、內層電子和原子核發生作用，這顯然違背粒子與粒子間相互作用的客觀規律。如果X射線具有粒子性，不僅其應該與所有電子作用，更應該與體積大得多的原子核作用，甚至是X射線光量子相互間也應該相互作用而改變運動方向。但實際情況並非如此。因此，用光量子解釋康普頓效應十分勉強。但用光具有同頻率的變化電場和磁場來解釋的話，則可以解決這些矛盾：無論電子是運動的還是靜止的，其使電子在X射線產生的電場和磁場同一週期內的加速度變化量是相同的，但原子核同時期的加速度變化量比電子小得多（與質量成反比，至少小1830倍以上），再加上原子核被加速的方向與電子正好相反，只會稍微增大電子與原子核構成的電偶極矩而已。因此，主要是電子的加速度決定了被入射X射線作用後的次生電偶極子的電偶極矩。當它們的加速度相同時，其電偶極矩自然也相同，所產生的電偶極子場也相同。而不同方向上的所謂反射X射線是由不同極化方向的電偶極子產生的次生X射線，其頻率不同也完全正常的且隨出射方位角有規律地變化也理所應當。
4、原子線性光譜
原子發光主要有二種形式：一是自然發光，即溫度型黑體輻射類發光。其光的強度與頻率的關係為連續頻率譜的類似正態分散式；另一類為強迫發光，即在外力作用下使電子與原子核運動不同步，甚至使電子脫離原子核束縛時的發光。其發光有的為連續頻率譜，有的為連續頻率譜+線性譜。原子光譜就屬於後者。也就是原子線性譜只是原子發光的部分形式或特例而已，不具有普遍性和唯一性。如果把此種類型的發光當成全部的發光方式，則明視訊記憶體在以偏概全的方法論層面的錯誤。
原子線性光譜具有的離散性，以及需要同時用四種量子數（主量子數、角量子數、磁量子數和自旋量子數）來描述它們說明：原子在沒有被極端高壓的電場作用並剝離所有外部電子前，電子與原子核均是圍繞著共同的質心作公轉運動的。就像太陽系中的太陽與各行星都圍繞著質心公轉運動一樣。在這種情況下，原子基本上呈現出電中性而不產生電磁輻射。這一方面證明圍繞原子核公轉的電子並非完全無規則地、機率式或雲狀分佈，而是圍繞質心作圓周運動的。只是質心相對地球在不停地、無規則地位移著而已。而當施加超強電場時，原子的外層電子被瞬間剝離，而原子核因質量遠大於電子，基本上仍處於原地保持原有狀態運動著。電子的瞬間飛離原子核並不能產生單一頻率的電磁輻射，只能產生連續頻率的輻射。但保持原地原狀運動的原子核會產生單一頻率的電磁輻射，且因為原子外層電子數量越多，原子核的運動狀態越複雜，其複雜的複合型圓周類運動會同時產生對應原來電子圍繞原子核同頻率的電磁輻射。這才是原子線性光譜的本質。任何直線加速或減速或勻速運動的電子均不可能產生單一頻率的電磁輻射，只會產生連續頻率譜的輻射。
四、認清量子本質的物理意義
只有認清量子（化）的本質，才能正確看待微觀世界的運動規律性：
1、量子化現象只是因為物質的組成方式為一個一個的原子，以及每個原子都是由一定數量的電子圍繞原子核高速運動導致的；
2、所謂的疊加態只是多質子元素的原子核存在複合圓周運動，以及不同的原子核存在不同的複合圓周運動而導致的。並不存在兩個或兩個以上的原子核相互疊加形成新的個體；
3、所謂的糾纏態只是在相同電磁環境下原子核具有相同的運動與變化狀態而已，當兩者所處的電磁環境發生變化時，各自會隨所處空間位置上的電磁環境改變而改變。並不存在所謂的超距作用可能性；
4、客觀規律是真實存在的，不會因人的意志而改變。因為人可以有很多，客觀規律只有一個，它不可能滿足所有人的心願！
綜上所述，量子只是原子中電子圍繞原子核的運動狀態不是隨機的、連續變化的，而是有一定規律的軌道分佈導致的。並不存在所謂的量子、光子、能量子。更不存在所謂的能量是一份一份的，因為能量本來就不是獨立於有質量的物質單獨存在的客觀實體。也就是說：客觀上並沒有純粹的、獨立存在的能量。光本身更沒有能量與動量，它只是電磁力的傳遞與交換。