给孩子讲量子力学-第三讲-量子力学有什么用

量子力学的第一个应用是激光

来做个小实验：

吹一个白色的大气球，里面再套一个黑色的小气球。如果用特定的激光朝着这两个气球上面打，会发现外面的白色气球还是好好的，但里面的黑色气球却爆掉了。这与我们的直觉很不相符。根据我们的日常经验，里面的气球是受外面的气球保护的：只有外面的气球先被破坏，里面的气球才会爆掉。

那为什么实验结果这么奇怪？

如果我们背着书包爬上5楼，会觉得累，因为把书包带到高处要消耗能量，如果爬上10楼，那就更累，需要消耗的能量就越多。消耗的能量都转化成了书包的重力势能。10楼的书包比5楼的书包拥有更多的能量。

在地球上发射火箭也是如此，发射时消耗的燃料越多，就能把火钳送上离地球越远、本身能量也越大的轨道。

原子世界遵循同样的规律。位于较高轨道的电子，本身也具有较高的能量。黑白两种气球里面的电子处于能量不同的轨道上。

激光非常特别，它里面的每个光子的能量都一样大。这是激光与普通光的最大区别。

当激光打到气球上，如果气球里电子的能量与激光光子的能量不匹配，所以不会吸收激光，什么事都没有。激光祛斑的工作原理和这个实验完全一样。当激光照到脸上的时候，好皮肤里的电子能量与激光光子能量不匹配，所以完好无损，而黑色斑块里的电子能量与激光能量相匹配，所以会吸收激光并最终被激光所破坏。激光脱毛的工作原理也是如此。

前面讲过泡利不相容原理，这个原理告诉我们，电子不喜欢其他电子跟自己处于同一个状态。但激光中光子的情况却正好相反。激光中每个光子的能量都一样大，并且处于相同的状态。这又是为什么呢？

回答这个问题的人，是爱因斯坦。

产生激光的过程，很像一场雪崩。

高轨道上的电子比低轨道上的电子拥有更大的能量。很明显，当电子从高轨道跑到低轨道的时候，能量会变少。变少的能量去哪里了呢？会变成一个个光子跑出来。在物理学上，这种发出光子的过程叫做辐射。

爱因斯坦发现，这个辐射过程可以诱导。把一个光子打入原子，它可以诱导原子中的电子从高轨道跑到低轨道，同时发出一个跟第一个光子能量完全相同的新光子。这个过程叫做受激辐射。一个光子打入原子，就跑出两个一模一样的光子；这两个光子再打入两个新原子，就跑出四个完全一样的光子……这样不断进行下去，就会形成一种原子的雪崩效应，从而产生大量的光子，这样产生出来的就是激光。

量子的第二个应用是半导体

原子中有电子，在一定条件下，电子会摆脱原子核的束缚，在某种材料中自由运动，这就形成了电流。

有些材料，电子可以在上面跑得很快，这些材料是导体。而有些材料，电子根本跑不起来，这些是绝缘体。

但还有一些特殊材料，它们很奇怪。一般情况下，电子跑不起来，外部条件发生变化，比如温度升高，电子就能跑起来，这些就是半导体。

利用半导体的特性，可以做出很有用的电子元件。其中最重要的是二极管和晶体管。二极管有一个非常特殊的性质：在一个方向上给它施加电压，就会产生电流；而在相反的方向施加电压，却不会有电流产生，这样，它就可以在电路里扮演一个开关的角色。

二极管有两个接口，三极管有三个接口，它又叫晶体管，晶体管可以放大电流，同时又可以充当开关。

半导体遵循摩尔定律，每过两年，半导体芯片上所容纳的晶体管数目便会增加一倍，这意味着，芯片的计算能力每过两年就会翻一番，经过50多年的发展，与最早的集成电路相比，现在芯片的计算能力已经提升了两亿多倍。

目前最小的芯片尺寸已经做到只有10纳米，也就是1米的一亿分之一。照这个速度发展下去，到2030年，晶体管就会变得只有一个原子那么大，到那时候，不确定性原理就会起作用，直接干扰这些芯片的运行，换句话说，2030年，半导体或许就会停止发展了。

量子力学的第三个应用是量子传输

在宏观世界，或者说经典世界，不管什么东西，都可以拷贝，只要我们事先准备一堆原材料，然后把一个物体的信息全部复制到这堆材料里，就可以造出一模一样的东西。但在微观世界，或者说量子世界中，一切都不一样了。

1982年，三位物理学家发现了一个重要的定理，叫做量子不可克隆定理——在量子世界里，没有一个东西可以被完全地复制。换句话说，你没办法拷贝像一个电子、一个原子或一个分子那么小的东西。

虽然量子不可克隆原理禁止了微观世界中的拷贝，但它却没有禁止微观世界中的传输。

理论上来说，人类可以制造出一台量子传输机。当你走进机器，原来的你变成一堆垃圾；与此同时，在另一个星球上，有一台与之匹配的机器，里面有一堆物质会突然得到你的全部信息，然后变成你走了出来。

量子传输已经在真实世界实现了，但目前一次传输的光子数目只有128000个，最远的传输距离是340公里。而一个普通人的原子数量大约是7000亿亿亿个。

现在的传输能力，哪怕传输一个盒子，也是天方夜谭。

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为什么会有光子和原子？物理学家没有回答。我们只知道，我们的世界里有原子也有光子。有了光子，世界就有了颜色。光子是电磁波的最小组成部分。