量子的提出是因为普朗克的黑体辐射公式。19世纪末,经典力学处于全盛时期,当时的科学家非常自信,认为科学留给后人的工作只是一些修修补补。
但是,英国科学家开尔文提出,还有两个问题需要解决。他把这两个问题比作经典力学空晴天里飘来的两朵白云。其中之一是,如果能量是连续的,能量会集中在高能紫外线辐射上。这就是著名的紫外线灾难。
为了解决这个问题,普朗克在他的新黑体辐射公式中引入了一个常数H。这样一来,能量就不再是连续的,只能一个一个的产生。
那么,普朗克常数h的物理意义是什么呢?为什么能量不连续有这个常数?
这就需要探讨能量的本质是什么。能量给人最直接的印象就是能做功。例如,运动的物体具有动能。如果这个运动物体是无限可分的,能量就变成连续的,单位能量就可以无限小。
但是,如果物体被分割到一定程度,就不能再分割了,也就是说,如果存在不能再分割的最小粒子,那么能量就是不连续的,这样就可以消除紫外线的灾变。
另外,普朗克常数h的物理量纲是粒子的角动量,它是不变的。说明我们的宇宙中存在不可分割的最小粒子。能量是粒子运动能力的量度。有不可分割的最小粒子,所以能量是不连续的,由最小粒子的运动组成。
为了突出最小粒子的不可分性,我们称之为量子。类似于一个砝码,这个粒子具有称量能量的功能。
能量的不连续性在物理学中具有重要意义。比如微观粒子的状态只能是量子能量的整数倍。就像我们买东西的时候,最小的货币单位是一分钱。然后不管买什么微小的商品,都只能买一分钱的整数倍。否则,生意无法成交。
比如原子中一个电子的能量状态只能是h的整数倍,如果给电子的能量是非整数倍,要么变成弹性碰撞,导致原子整体运动,要么破坏原子这个封闭系统,把电子从原子上敲走。
另外,因为宇宙是一个有机整体,所以包含了作为物理对象的物质和作为物理背景的空室。既然存在最小的不可分粒子——量子,那么宇宙的背景空一定是由量子组成的,也就是说存在量子空。
因此,宇宙中所有的物理现象都可以归结为空之间的量子不对称碰撞,即量子空之间的对称性破缺。比如微观粒子的半径小于空之间的量子间距,就会受到量子的不对称冲击,从而具有挥发性。
一句话,能量的不连续性要求最小的粒子存在,不能分离;而且,最小粒子的存在也可以解释宇宙中其他不连续的现象。因此,我们有理由相信,宇宙中确实存在不可分的最小粒子。这种粒子叫做量子,它是我们宇宙的基石。