晶体管、激光和量子力学

量子力学在我们身边无处不在。没有量子力学，大量熟悉的物体，如电视、激光、计算机和无线电将不复存在。例如，薛定谔波动方程解释了许多以前已知的但令人困惑的事实，如导电性。这个结果最终导致了晶体管的发明。如没有晶体管技术，现代电子和计算机技术将不复存在，晶体管是纯量子力学现象的结果。

例如，在金属中，原子以有序的方式排列在格子里。薛定谔方程预测金属原子中的外层的电子与原子核是松散结合的，事实上，可以在整个晶格中自由漫游。甚至，最小的电场也能推动这些电子围绕晶格运动——产生电流，这也是金属导电的原因。然而，对于橡胶和塑料，外部电子的束缚更紧密，没有这种自由漫游的电子以产生电流。

量子力学还解释了半导体材料的存在，有时能像导体那样工作，有时又像绝缘体。因此，半导体可以用作控制电流的放大器。如同水龙头是通过简单的扭转腕关节控制水流一样，晶体管控制电流。今天，晶体管控制我们个人电脑、收音机、电视等电器中电的流动。对晶体管的发明，三位量子物理学家分享了1956年的诺贝尔奖，他们是约翰·巴丁（John Bardeen）、威廉·肖克利（William Shockley）和沃尔特·布拉顿（Walter Brattain）。

量子力学催生了另一项发明——激光，它正在改变我们的经营工业和商业方式。

量子力学首次解释了氖和荧光灯工作的原理。在霓虹灯中，电流通过气体管，激励气体原子，将它们的电子踢到更高的轨道，或者更高能级。现在，气体原子中的电子处于“兴奋”状态，想衰变回它们原来的能量较低的状态。当电子最终衰变回较低的轨道时，释放能量并发光。

在灯泡中，被激发的原子随机衰减。事实上，我们周围所有的光，包括太阳光，都是随机的或者是不相干的，以不同频率和不同相位辐射振动的疯狂的大杂烩。物理学家，如20世纪80年代加州大学伯克利分校的查尔斯·汤斯（Charles Townes）利用量子力学预测在某些情况下，被激发的原子可立即衰减成精确同步状态。这种新型辐射被称为“相干辐射”，在自然界中从未见过。1954年，汤斯和他的同事成功地产生了相干辐射脉冲，那是有史以来最纯粹的辐射形式。

尽管汤斯的开创性工作是微波辐射（他因此获得了1964年的诺贝尔奖），但科学家们很快就认识到他的理论还适用于光。虽然巴克·罗杰斯（Buck Rogers）式的射线枪以及能射进核导弹的光束远超出了我们目前的能力，但商业激光已可用于切割金属、传输通信、外科手术，每天都有新的应用被发现。例如，医生们正使用细玻璃丝传送光能烧掉心脏病人人体静脉中的脂肪沉积。激光唱片改变了立体声录音机的制造方式，许多超市的结账柜台都开始使用激光瞬间读取产品包装上的黑线条形码。

也许，激光最壮观的商业应用将会是三维电视的制造。今天，发布的签证卡上已有鸟的三维立体“全息图”图像。可以想象，将来，我们的电视屏幕是非平面的三维球体，我们可以看到三维人在四处走动。我们的儿孙可能在他们的起居室里看到三维电视，赞美量子力学。

除了晶体管和激光器之外，还有其他数百个重要发现应归功于量子力学。仅举几个例子：

◆电子显微镜。电子显微镜利用电子像波一样的性质可以看到病毒大小的物体。数百万人已直接受益于这个应用到医学上的量子力学发明。

◆解开DNA分子的密码。X射线衍射和其他探针用来确定这些复杂有机物的分子结构。最终，从这些分子的量子力学研究中可能会发现生命本身的秘密。

◆核聚变机。这些机器将利用太阳的核反应在地球上创造巨大的能量。尽管核聚变机还有许多实际未解决的问题，但最终它们或许能提供一种几乎无限的能源。

毫无疑问，量子力学的成功已改变了医学、工业和商业的基础。具有讽刺意味的是，量子力学的实际应用如此明确，但它本身却代表非常大的不确定性。简而言之，量子力学在物理世界投下了一颗炸弹，结果是令人震惊的。“任何未被量子理论震惊的人，”尼尔斯·玻尔声称，“只是对它缺乏理解。”