第3讲　量子力学有什么用

第3讲　量子力学有什么用

咱们前面已经说过，量子力学和相对论是20世纪最重要的两大科学成就。可能有的小朋友会问：“你把量子力学说得这么厉害，那它和我们的生活有什么关系？”这一讲中我们就来聊一聊，量子力学到底有什么用。

量子力学的第一个应用是激光。平时我们常会看到一些激光祛斑脱毛的广告。拿激光器往脸上一照，色斑就消失了；往胳膊上一扫，体毛也脱落了。这是怎么回事？为了解释其中的道理，我在本书的最后部分给大家准备了一个小实验。吹一个白色的大气球，里面再套一个黑色的小气球。如果你用特定的激光朝这两个气球上面打，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。那为什么实验结果会这么奇怪？

我们在上一讲讲过，物质都是由原子组成的。原子中间有一个原子核，原子核外还有在固定轨道上运动的电子。现在我要给你们再补充一点知识，不同轨道上运动的电子具有不同的能量。这是什么意思呢？我们来举一个简单的例子。平时小朋友们都会背书包上学。如果你背着书包爬上5楼，就会觉得累。为什么呢？因为把书包带到高处要消耗你的能量。如果你背着书包爬上10楼，会觉得更累。因为把书包带到越高的地方，需要消耗的能量也越多。消耗的能量都跑哪儿去了？其实都转化成了书包的一种特殊能量，我们称之为重力势能。换句话说，10楼的书包本身就比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，就能把火箭送上离地球越远、本身能量也越大的轨道。

原子世界也遵循同样的规律。你要把电子送上更高的轨道，就需要给它更多的能量。换句话说，位于较高轨道上的电子，本身也具有较高的能量。知道了这一点，很多事就好理解了。比方说，同样是气球，为什么有的黑有的白呢？最根本的原因是，这两种气球里面的电子处于能量不同的轨道。

激光和其他任何光一样，都是由光子组成的，也就是我们在第一讲中讲过的构成光的微粒。小朋友们应该还记得，每个光子都有一定的能量。一般生活里常见的光，比如太阳光，就包含着许许多多的光子，而且这些光子的能量有大有小。但激光非常特别，它里面每个光子的能量都一样大。这就是激光与普通光最大的区别。

我们刚才已经说过，对于不同颜色的气球，其内部电子的能量是不一样的。与此同时，每种激光的光子又都有一个特定的能量。当激光打到气球上时，如果气球里电子的能量与激光光子的能量不匹配，那它就不会吸收这种激光。反之，它就会吸收这种激光。

聪明的小朋友应该已经想到了，黑气球里电子的能量恰好与我们实验用的激光光子能量匹配，所以会吸收激光而最终爆掉；而白气球里电子的能量与激光光子能量不匹配，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，所以会完好无损；而黑色斑块里的电子能量与激光光子能量匹配，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。

讲完了激光祛斑脱毛，让我们回到激光本身。小朋友们应该还记得，上一堂课我们讲到了泡利不相容原理。这个原理告诉我们，位于原子云朵中的电子，非常讨厌其他原子中的电子闯进自己所在云彩中的轨道。换句话说，电子不喜欢其他电子跟自己处在同一个状态。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。就像上页图中这些芭蕾舞女演员，都聚在一起，跳一模一样的舞蹈。

激光为什么具有这么奇妙的性质？它又是怎么产生的？第一个回答这个问题的人，就是20世纪最伟大的物理学家爱因斯坦。

众所周知，爱因斯坦最伟大的理论是广义相对论，这是他在1915年提出的。不过爱因斯坦在刚提出广义相对论的时候，并不像今天这么有名。因为那时的人都不喜欢广义相对论，而更愿意接受牛顿爵士的万有引力理论。直到1919年，爱因斯坦才真正名震天下。下面我来跟你们说说这期间发生的趣事。

和牛顿爵士的万有引力理论相比，广义相对论有好几个新预言。其中最早的一个是，当光线经过太阳这样大质量的物体时，会由于引力而发生弯曲。要想超越牛顿爵士，爱因斯坦必须等到有实验来支持他的预言。但是光线弯曲的程度非常小，一般情况下根本看不见，只有发生日全食的时候才有可能看到。

爱因斯坦苦苦等了四年，终于等到一次大型的日全食。1919年，广义相对论最忠实的信徒之一、英国著名天文学家爱丁顿出马，组织了两支科考队分赴非洲和南美洲去观测日全食。他们回到英国后宣布，光线经过太阳时的确发生了广义相对论所预言的弯曲。这个发现轰动了全世界，也让爱因斯坦一举登上了科学的神坛。

搞笑的是，作为相对论之父的爱因斯坦，居然也因为这次实验而被人调侃不懂广义相对论。在爱丁顿观测的当晚，爱因斯坦紧张到一夜没睡。后来爱因斯坦失眠的消息传到了爱丁顿的耳朵里。他对此评论道：“这说明爱因斯坦本人也不是很懂相对论，否则他会像我一样，睡得安安稳稳。他根本没必要担心，广义相对论肯定是对的，不然我会为仁慈的上帝感到遗憾。”

不可思议的是，就在广义相对论正式发表后的第100年，爱因斯坦的预言竟再次轰动全世界。广义相对论有好几个预言，其中最后、也是最难被证实的预言就是引力波。不过，这个预言还是被证实了。2016年春节期间，一个爆炸性的新闻迅速传遍了全世界：引力波被发现了！2015年9月14日和12月26日，LIGO（激光干涉引力波天文台）两次探测到了双黑洞并合产生的引力波，爱因斯坦的名字又一次传遍了全世界。具体细节这里就不讲了，只说一件事，LIGO探测引力波所用的最关键的技术之一，就是我们这一讲中提到的激光。而产生激光的原理，恰恰也是爱因斯坦本人提出来的。

产生激光的过程，其实很像一场雪崩。下面就是一张雪崩的图。雪崩是怎么产生的呢？我们知道，雪山山坡上总是堆着一层层厚厚的积雪。当外部诱因使某一层的一小块雪滑下来的时候，会引起下一层雪的共鸣，使下一层的雪也跟着滑下来，再到达更下一层，又引起更下一层雪的共鸣，使更下一层的雪也滑下来。这么一层层地往下滑，形成连锁反应，最终就演变成一场壮观的雪崩。

现在让我们看看原子的雪崩是怎么回事。我们已经讲过，你背着书包爬上5楼消耗的能量少，背着书包爬上10楼消耗的能量多。类似的，把电子送到低轨道消耗的能量少，把电子送到高轨道消耗的能量多。换句话说，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。那变少的能量跑哪儿去了呢？会变成一个个光子跑出来。在物理学上，我们把这种发出光子的过程称为辐射。

1917年，爱因斯坦发现，这个辐射过程其实是可以诱导的。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。这个过程叫受激辐射。有受激辐射就厉害了。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。而且所有光子都携带着相同的能量，就像我们前面看到的芭蕾舞女演员都在做相同的动作一样。这样产生出来的就是激光。

爱因斯坦在1917年就建立了激光的理论。但一直等到30多年后，也就是20世纪50年代初，才有一个叫汤斯的人把激光发明出来。汤斯这个人很有意思。他年轻时喜欢研究理论，所以就考到加州理工学院物理系读研究生。他视力不好，就去医院看医生。医生说你视力不好，看数学公式会比较困难，干脆不要做理论研究了。你连公式都看不清楚，还做什么理论研究呢？你不如去做实验。汤斯听从了医生的劝告，不做理论，改行做实验了。因为做实验，他发明了激光，最后获得了诺贝尔物理学奖。

汤斯

量子力学的第二个应用是半导体。小朋友的妈妈、爸爸们应该都知道半导体收音机。他们当年参加高考，或者大学参加英语四六级考试，听英语听力时用的就是它。半导体现在已经广泛地应用于我们的生活。我们手里拿的手机，家里看的电视，还有平时用的电脑，里面最核心的元件都是用半导体做的。

下面，我给你们讲讲什么是半导体。大家已经知道，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。让我们把运动的电子想象成一辆小汽车，把电子跑过的材料想象成一条公路。现在大家应该很容易理解，电流大不大，或者说小汽车跑得快不快，取决于公路的路况。

有些材料，它们的路况就很好，汽车在上面可以跑得很快，不会受到明显的阻碍。这种材料就叫作导体。绝大多数金属，比如铜、铝、铁，都是导体。而有些材料，它们的路况很糟糕，障碍重重，汽车一上路就被堵得水泄不通，根本跑不起来。这种材料就叫作绝缘体。我们常见的陶瓷、橡胶、玻璃，都是绝缘体。

但有一些特殊的材料，它们的路况很诡异。路上有不少障碍，一般汽车开上去就会被堵死。但要是外部条件发生变化，比如温度升高，那汽车就又能在路上开了。这些特殊的材料就是半导体。

为什么会发生这么奇怪的事情？还是由于量子力学。我们在上一讲中讲过，量子力学让士兵拥有了超能力，可以在任意时刻出现在北京和天津之间的任何地点，这就是为什么他能和另一队的士兵撞上。同样的，量子力学也让汽车拥有了超能力，在遇到障碍的时候可以像蝙蝠侠的车那样飞过去，这就是为什么它能在原本堵得死死的路上畅行无阻。需要注意的是，只有满足一定条件的半导体路上的汽车才会获得超能力。绝缘体路上的汽车是不会拥有超能力的。

利用半导体的特性，可以做出一些很有用的电子元件。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：在一个方向上给它加上电压，就会产生电流；而在相反方向上给它加上电压，却不会有电流产生。这就像是城市里的单行道：你可以沿一个方向开车，但是沿另一个方向开车就不行了。二极管有什么用呢？它可以在电路里扮演一个开关的角色。

大家应该都听说过LED（发光二极管的简称）。LED的发明者——三个日本人2014年刚获得诺贝尔物理学奖。LED灯就是用发光二极管做出来的。这是一种特殊的、能够发光的二极管。使用发光二极管有什么好处呢？第一，它的发光效率非常高，比过去的白炽灯要高很多，这使它变得非常节能。所以现在很多商店，比如宜家，卖的灯泡都是用发光二极管做的。第二，它的使用寿命很长，比白炽灯的寿命要长十倍以上。这些优点让人们普遍相信，LED将成为未来最主流的光源。

赤崎勇

天野浩

中村修二

有一种电子元件跟前面的二极管不同。二极管有两个接口，而这种元件有三个接口。所以人们就把这种电子元件称为三极管，也叫晶体管。晶体管可以放大电流，同时也可以充当开关。它是由贝尔实验室的三位物理学家在1947年发明的。他们也因此获得了诺贝尔物理学奖。

肖克利

巴丁

布拉顿

下面是这三位科学家的照片。从左到右分别是肖克利、巴丁和布拉顿。这三个人里，肖克利的经历最传奇。下面我就给大家讲讲他的故事。我们刚才说过，肖克利在贝尔实验室工作的时候发明了晶体管，这让他名声大振。1955年，想当百万富翁的肖克利辞掉了贝尔实验室的工作，跑到加利福尼亚创业去了。他去的地方，就是今天的硅谷。大家都知道，硅谷现在已经是举世闻名的高科技中心了。美国最有名的科技公司几乎全都把总部设在了那里。像比尔·盖茨和乔布斯这样的超级巨星，也都是在硅谷成长起来的。但那时，硅谷还只是一个没名气的小地方，基本没什么了不起的公司。为什么短短几十年的时间里，硅谷就能从一个默默无闻的小地方，摇身一变，成为全世界最著名的高科技中心？一个非常重要的原因就是，肖克利去了那里。

肖克利不仅是位了不起的物理学家，同时也是位非常有进取心的创业者。1955年，他在硅谷创立了肖克利股份有限公司，来推动晶体管的商业化。由于晶体管是20世纪最重要的技术突破之一，也有非常广阔的商业前景，所以很多年轻的物理学家和技术人员都慕名来到硅谷，想跟肖克利一起干一番大事业。很快肖克利身边就聚集了一批美国电子领域中最优秀的人才。在这些优秀人才里，出现了八位特别有才华的年轻人。然而恰恰是这八个人，后来背叛了肖克利。

1956年，肖克利又获得了诺贝尔物理学奖，这让他的个人声望达到了顶峰。他看上去一帆风顺、前程似锦，但在这看似春风得意的生活背后，却隐藏着巨大的危机。肖克利虽然是一个科研领域的天才，但却非常不懂人情世故，也就是我们今天说的情商低。大家可能都看过美剧《生活大爆炸》。《生活大爆炸》里的谢尔顿·库珀，是一个高智商低情商的典型例子。肖克利就是生活中的谢尔顿·库珀。更糟糕的是，他完全不了解企业的运作。按一位硅谷经理的话说，“他在管理企业方面是一个十足的废物”。

但是肖克利完全认识不到自己的缺点，还特别专横跋扈、唯我独尊。有一次，肖克利跟女秘书在实验室里被图钉划破了手。他就怀疑公司里有人想搞阴谋来害他，于是请了私家侦探进行调查。所有员工都被迫接受了测谎。这听起来是不是很搞笑？

还有一次，肖克利与一个非常重要的投资者贝克曼开会，谈到如何控制公司的研发成本。肖克利突然大发脾气，对贝克曼说：“我的公司必须我说了算。你要是不喜欢我的管理方式，那就分手。”结果人家立刻就和肖克利分了手。

更要命的是，肖克利的公司本身也经营不善。肖克利这人野心很大，想要发明一种里程碑式的晶体管产品，使每个晶体管的生产成本只有5分钱。可惜，他的想法太超前了。这种晶体管，将近30年后才有人做出来。所以肖克利公司一直造不出像样的产品。一些优秀的员工向肖克利提议，为了控制成本，可以做一些小晶体管，然后再把几个小晶体管集成在一起，这就是今天大家熟知的集成电路。但是，肖克利很自以为是，总觉得只有自己聪明，根本不把别人的建议当回事。肖克利的态度让这些追随他的青年才俊都寒了心。

1957年，发生了一个著名的事件：肖克利公司的八个主要员工集体跳槽，这就是硅谷历史上著名的“叛逆八人帮”。他们在一个摄影器材公司老板的资助下，开了一家新公司，叫作仙童半导体公司。仙童公司只用了短短两年时间就研发出了集成电路，从而彻底改变了整个电子行业，甚至整个世界的面貌。更重要的是，仙童公司为硅谷培养了成千上万的技术人才和管理人才，是当之无愧的硅谷“西点军校”。

这八个人离开以后，肖克利的公司就一蹶不振了。1960年，肖克利被迫卖掉了自己的公司，然后去斯坦福大学当了教授。肖克利到晚年的时候情商依然很低。他写了一篇论文，宣称黑人的智商平均要比白人低20%。这番言论立刻在全美国掀起了轩然大波。愤怒的黑人学生在校园里焚烧了肖克利的画像。再没有第二位诺贝尔物理学奖得主能拉仇恨拉到这种地步。

仙童半导体公司也没有风光太久。由于和母公司老板之间的矛盾，“叛逆八人帮”又陆续离开了仙童公司，去创办新的企业。苹果公司的精神领袖乔布斯曾经做过一个形象的比喻：“仙童公司就像一朵成熟的蒲公英，只要轻轻一吹，创业的种子就会随风四处飘扬。”

“叛逆八人帮”里出了一个特别有名的人，叫摩尔。摩尔离开仙童公司后，创办了一个专门生产半导体芯片的公司，这就是大名鼎鼎的英特尔公司。今天绝大多数手机和电脑里的芯片都是英特尔公司生产的。

摩尔不仅是英特尔公司的创始人之一，同时也是摩尔定律的提出者。摩尔定律是说，当价格不变时，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，一个芯片的计算能力每过两年就会翻一番。也就是说，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。这就是为什么今天区区一个iPhone手机的计算能力，就已经超过上世纪60年代美国人登陆月球所用的全部计算资源。没有摩尔定律，就不会有Windows、iPhone、Youtube、QQ和微信，也不会有今天信息时代日新月异的生活。

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。到那个时候，我们在第一讲中讲过的不确定性原理就会起作用，直接干扰到这些晶体管的运行。也就是说，2030年以后，或许半导体芯片就会停止发展了。

我们已经讲了两个量子力学的应用：激光和半导体。它们都已经在现实世界里出现很多很多年了。下面我再给大家讲一个比较科幻、还没有出现在现实世界中的应用，叫量子传输。

大家都用过普通的复印机。小朋友们应该都知道，如果有一张照片，或者一张写满字的纸，用复印机都可以复制出一模一样的东西。事实上，在宏观世界，或者说在经典世界中，不管什么东西都可以拷贝。无论是房子、汽车、飞机还是人体器官，利用3D打印技术都可以分毫不差地把它们复制出来。换句话说，在经典世界中，我们只需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原材料里，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，叫作量子不可克隆定理。它说的是，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。

虽然量子不可克隆定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。也就是说，在量子世界中，你还是可以把一个微小物体的信息全部复制到一堆原材料里，从而造出一个一模一样的东西。但与经典世界不同的是，原来的物体一定会被破坏掉。最终的效果是，一个物体会突然从自己原来的位置消失；与此同时，另一个地方会突然出现一个一模一样的东西。

所以从理论上来说，人类可以制造出一台量子传输机。当你走到机器里面，机器开动起来时，原来的你会变成一堆垃圾；与此同时，在另外一个星球上，有一台与之配套的机器，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。如果能掌握这种瞬时的量子传输技术，人类就可以实现科幻电影里常见的空间旅行了。

著名科幻电影《星际迷航》中有一个场景：柯克船长和他的手下走进一个房间，一束光打下来，然后他们就消失不见了，最后又出现在另外一个地方。这个过程就是典型的量子传输。通过一台量子传输机，瞬间把他们传输到其他地方。

历史上票房最高的科幻电影《阿凡达》里传输的就不是一个人的身体了，而是他的灵魂。利用一台棺材似的量子传输机，男主角的灵魂被传输到阿凡达的身体里，让他得以脱离双腿瘫痪的身体，在潘多拉星球上自由奔跑。潘多拉星球的土著后来也利用他们自己的方法，帮助男主角把灵魂永远留在了阿凡达的体内。

其实量子传输已经在真实世界里实现了。1993年，六位物理学家想出了一个用量子纠缠来实现量子传输的办法。这个办法非常深奥，我们这里就不讲了。利用这个办法，一群奥地利的物理学家在1997年首次实现了量子传输。不过，他们传输的东西非常简单，只有一个光子；而且传输的距离也很短，只有一个普通实验室的长度。经过近20年的发展，今天人类创造的量子传输最远距离纪录已达到340公里，相当于从武汉到长沙的距离。也就是说，你把光子放进一台位于武汉的量子传输机里，它就可以穿越时空，瞬间出现在340公里之外的长沙。

当然，我们不能高兴得太早。目前人类能一次传输的光子数目最多只有128000个。这离传输一个人有多远呢？下面我来简单地估算一下，看人体内大概包含多少个原子。

我们知道，人体的主要成分是水：小孩的身体里大概七成都是水，而大人的身体里大概六成都是水。为了简单起见，我们假设人体内100%都是水。这样算出来的结果，在量级上肯定是正确的。水是由水分子组成的，一个水分子里又包括两个氢原子和一个氧原子，也就是三个原子。通过这样的估算，我们发现一个70公斤的普通人体内大概有7000亿亿亿个原子。这个数字是什么概念？我来简单地说明一下。小朋友们应该都知道银河系。银河系非常大，就连速度最快的光，从它的一头跑到另一头都要花上10万年。但如果我们找7000亿亿亿个1米高的小朋友，让他们头对头脚对脚地躺成一排，那他们连起来就可以绕银河系200多万圈！

目前人类一次能传输的光子数目最多只有128000个。但一个普通人体内却有7000亿亿亿个原子。所以就我们目前的科技而言，不要说瞬间传送一个人，就算瞬间传送一个盒子都是天方夜谭。如果你们再听说谁做了量子传输，传输了一个盒子之类的，那一定是假的。

第3讲 量子力学有什么用

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