量子是現代物理學的重要概念。最早是由德國物理學家M·普朗克在1900年提出的。量子一詞來自拉丁語quantus,意爲“有多少”,代表“相當數量的某物質”。
量子是數學概念,用來描述光子、質子、中子、電子、介子等基本粒子的能量特性。量子是能表現出某物質或物理量特性的最小單元,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,並把最小單位稱爲量子。例如,“光的量子”(光子)是一定頻率的光的基本能量單位。
量子這個數學概念的意思究竟是什麽呢?就是“離散變化的最小單元”,量子不是物質,是能表示物質特性的物質最小單元的統稱。表示水特性的水分子可以是量子,表示氫特性的氫原子可以是量子,氧原子同樣也可以作爲量子。“離散變化”同樣是數學概念,與“離散變化”相對的叫做“連續變化”。用宏觀世界裏的例子來比喻,當你在一段平路上,你可以走到1米的位置,也可以走到1.1米的位置,也可以走到1.11米的位置,如此等等,中間任何一個距離都可以走到,這就是“連續變化”。但當你上台階時,只能上一個台階、兩個台階,而不能上半個台階、1/3 個台階,沒有中間過程,這就是“離散變化”。對于上台階來說,一個台階就是一個量子。如果某個東西只能離散變化,我們就說它是“量子化”的。
量子化現象主要表現在微觀物理世界。量子化指其物理量的數值是離散的,而不是連續地任意取值。而粒子是物質概念,我們都知道物質是由分子組成的,分子是由原子組成的,原子又是由原子核與電子組成的,原子核是由質子和中子組成的,等等。量子跟原子、電子根本不能比較大小。就像“5”是一個數字,“3個蘋果”是指實物,你問“5”和“3個蘋果”哪個大,這讓人怎麽回答?正確的回答只能是:它們不是同一範疇的概念,無法比較。
物理學的研究從宏觀發展到微觀,延伸出了量子力學、量子光學等成爲不同的專業研究領域。宏觀和微觀不同,物質性能表現不同,物質世界的宏觀是連續的,微觀是離散的。離散變化是微觀世界的一個本質特征。微觀世界中的離散變化包括兩類,一類是物質組成的離散變化,一類是物理量的離散變化。發現離散變化是微觀世界的一個本質特征後,科學家創立了描述微觀世界的物理學理論,稱作“量子力學”。量子力學出現後,人們把傳統的牛頓力學稱爲“經典力學”。