量子(quantum)是现代物理的重要概念。最早是由德国物理学家M·普朗克在1900年提出的。他假设黑体辐射中的辐射能量是不连续的,只能取能量基本单位的整数倍,从而很好地解释了黑体辐射的实验现象。

后来的研究表明,不但能量表现出这种不连续的分离化性质,其他物理量诸如角动量、自旋、电荷等也都表现出这种不连续的量子化现象。这同以牛顿力学为代表的经典物理有根本的区别。量子化现象主要表现在微观物理世界。描写微观物理世界的物理理论是量子力学。

量子一词来自拉丁语quantus,意为“有多少”,代表“相当数量的某物质”。自从普朗克提出量子这一概念以来,经爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森伯、薛定谔、狄拉克、玻恩等人的完善,在20世纪的前半期,初步建立了完整的量子力学理论。绝大多数物理学家将量子力学视为理解和描述自然的基本理论。

一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位,则这个物理量是量子化的,并把最小单位称为量子。量子英文名称量子一词来自拉丁语quantus,意为“有多少”,代表“相当数量的某物质”。在物理学中常用到量子的概念,指一个不可分割的基本个体。例如,“光的量子”(光子)是一定频率的光的基本能量单位。而延伸出的量子力学、量子光学等成为不同的专业研究领域。其基本概念为所有的有形性质是“可量子化的”。“量子化”指其物理量的数值是离散的,而不是连续地任意取值。例如,在原子中,电子的能量是可量子化的。这决定了原子的稳定性和发射光谱等一般问题。绝大多数物理学家将量子力学视为了解和描述自然的的基本理论。

通俗地说,量子是能表现出某物质或物理量特性的最小单元。


在经典物理学中,根据能量均分定理:能量是连续变化的,可以取任意值。19世纪后期,科学家们发现很多物理现象无法用经典理论解释。当时德国物理界聚焦于黑体辐射问题的研究。1900年左右,M·普朗克试图解决黑体辐射问题,他大胆提出量子假设,并得出了普朗克辐射定律,沿用至今。普朗克提出:像原子作为一切物质的构成单位一样,“能量子”(量子)是能量的最小单位。物体吸收或发射电磁辐射,只能以能量量子的方式进行。普朗克在1900年12月14日的德国物理学学会会议中第一次发表能量量子化数值、一个分子摩尔(mol)的数值及基本电荷等。其数值比以前更准确,提出的理论也成功解决了黑体辐射的问题,标志着量子力学的诞生。

1905年,德国物理学家爱因斯坦把量子概念引进光的传播过程,提出“光量子”(光子)的概念,并提出光同时具有波动和粒子的性质,即光的“波粒二象性”。

20世纪20年代,法国物理学家德布罗意提出“物质波”概念,即一切物质粒子均具备波粒二象性;德国物理学家海森伯等人建立了量子矩阵力学;奥地利物理学家薛定谔建立了量子波动力学。量子理论的发展进入了量子力学阶段。

1928年,英国物理学家狄拉克完成了矩阵力学和波动力学之间的数学等价证明,对量子力学理论进行了系统的总结,并将两大理论体系——相对论和量子力学成功地结合起来,揭开了量子场论的序幕。量子理论是现代物理学的两大基石之一,从微观层面理解宏观现象提供了理论基础。

量子假设的提出有力地冲击了经典物理学,促进物理学进入微观层面,奠基现代物理学。但直到现在,物理学家关于量子力学的一些假设仍然不能被充分地证明,仍有很多需要研究的地方。