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跟胖哥学物理量子和物理模型

(2018-09-23 10:36:32)
标签:

杂谈

分类: 生活中的物理
跟胖哥学物理量子和物理模型

        感谢悟空邀请,既然说得量子,大家知道量子力学是现在力学一种重要构成。既然要谈量子,我们看看这个概念形成历史过程。
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。
        量子是物理学中一种模型,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。
        所谓物理模型,是人们为了研究物理问题的方便和探讨物理事物的本身而对研究对象所作的一种简化描述,是以观察和实验为基础,采用理想化的办法所创造的,能再现事物本质和内在特性的一种简化模型。
        实际物体在某些特定条件下往往可抽象为理想的研究对象,即物理对象模型。物理中常见物理对象的理想模型有:质点、刚体、弹性体、理想流体、弹簧振子、单摆、点电荷、试验电荷、无限大平板、点磁荷、纯电阻(纯电容、纯电感)、光线、薄透镜、点光源、绝对黑体、汤姆逊模型、卢瑟福模型等。如研究竖直放置在光滑圆弧形轨道上的物体作小幅度运动时就可以把它等效为单摆模型处理,研究长距离火车的平均速度可以把火车看成一个没有长度的质点。
         物理学是一门自然学科基础学科,因为我们很多时间就是把物理现象构建成一种物理模型,这个从思维角度,就是一种物理建模。在中学物理中,我们把它叫做理想化方法。
         理想化方法是科学抽象的一种形式。指建立理想模型和设计理想实验。理想模型是为了便于研究而建立的一种高度抽象的理想客体,如“理想固体”、“理想流体”、“理想气体”等。理想模型,作为抽象思维的结果,是以客观存在为原型的,是对客观事物的一种反映。它突出地反映了客观事物的某一特性,完全地忽略了其他方面的特性。理想模型在科学研究中的意义在于可以使事物的规律具有比较简单的形式,从而便于人们去认识和掌握它们。理想实验亦称思想实验,是人们在思想中塑造的理想过程,是一种逻辑推理的思维过程。它在科学实验的基础上,进一步揭示客观对象和过程之间的内在的逻辑联系,并由此得出结论。
        我们来看看量子这种物理模型建立过程,你可以初步懂得理想化方法是如何帮助物理学界来形成物理概念的。
        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。因为按照牛顿物理学观点,能量是均匀分布的。但是这一理论在德国物理界研究黑体辐射问题的研究时遇到了挑战。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。
        因为,量子作为一个物理量如果有最小的单元而不可连续的分割,把这个物理量分割至不可分割,就可以把这个最小的单元称为量子。所以光子是量子一种形式。从目前来看,物理学量子力学中的基本粒子就是构成物质的最基本的单元。根据作用力的不同,粒子分为强子、轻子和传播子三大类。
       1、强子就是是所有参与强力作用的粒子的总称。它们由夸克组成,已发现的夸克有五种,它们是:上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克和底夸克.理论预言还有第六种夸克存在,已命名为顶夸克,但目前尚未发现。现有粒子中绝大部分是强子,质子、中子、π介子等都属于强子.轻子就是只参与弱力、电磁力和引力作用,而不参与强相互作用的粒子的总称;
        2、轻子共有六种,包括电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子.电子、μ子和τ子是带电的,所有的中微子都不带电;τ子是1975年发现的重要粒子,不参与强作用,属于轻子,但是它的质量很重,是电子的3600倍,质子的1.8倍,因此又叫重轻子;
        3、传播子也属于基本粒子.传递强作用的胶子共有8种,1979年在三喷注现象中被间接发现,它们可以组成胶子球,但至今尚未被直接观测到.传递弱作用的W+,W-和Z0.中间玻色子是1983年发现的,非常重,是质子的80一90倍。
        作为模型量子具有:微粒子特性和高频共振能量波特性:
        量子微粒子特性:科学上对量子的定义是一个物质所能分割到的最小单位,就拿人体来说,构成方式是人体--组织--器官--细胞--细胞核--DNA--分子--原子--......--量子。如果把人体比作地球,量子就是地球草叶上的一滴露水。
        量子高频共振特性:每个物质都具有自己独有的振动频率,量子作为物质最小的微粒子也不例外。在现代科学研究中发现,量子可以产生每秒钟高达上亿次的振动,这种高频共振可以形成能量波和能量场,对于现代医学研究很有促进意义;波的存在让我们的生活变得更加丰富,我们看不见手机信号它却可以为我们传递声音;看不见有线电视的信号它却可以为我们传递影像;看不见微波炉的波它却可以为我们加热食物。同样,量子也具备这样波的特性,通过自身的高频共振产生和传递能量。
        总之,量子是一个物理模型,不是单一指那种粒子。一个模型,一个物体或者物理过程满足一个模型条件,我们就可以抽象这种模型。同学要学会理想化方法,能把物理问题,抓住本质,抽象出物理模型来,这一个就是物理建模,这种能力,是科学素养一种最高追求,我们在学习中一定要重视它。
2018年9月23日于宜昌市尚书巷弄石斋

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