晶體管、激光和量子力學

量子力學在我們身邊無處不在。沒有量子力學，大量熟悉的物體，如電視、激光、計算機和無線電將不復存在。例如，薛定諤波動方程解釋了許多以前已知的但令人困惑的事實，如導電性。這個結果最終導致了晶體管的發明。如沒有晶體管技術，現代電子和計算機技術將不復存在，晶體管是純量子力學現象的結果。

例如，在金屬中，原子以有序的方式排列在格子里。薛定諤方程預測金屬原子中的外層的電子與原子核是松散結合的，事實上，可以在整個晶格中自由漫游。甚至，最小的電場也能推動這些電子圍繞晶格運動——產生電流，這也是金屬導電的原因。然而，對于橡膠和塑料，外部電子的束縛更緊密，沒有這種自由漫游的電子以產生電流。

量子力學還解釋了半導體材料的存在，有時能像導體那樣工作，有時又像絕緣體。因此，半導體可以用作控制電流的放大器。如同水龍頭是通過簡單的扭轉腕關節控制水流一樣，晶體管控制電流。今天，晶體管控制我們個人電腦、收音機、電視等電器中電的流動。對晶體管的發明，三位量子物理學家分享了1956年的諾貝爾獎，他們是約翰·巴丁（John Bardeen）、威廉·肖克利（William Shockley）和沃爾特·布拉頓（Walter Brattain）。

量子力學催生了另一項發明——激光，它正在改變我們的經營工業和商業方式。

量子力學首次解釋了氖和熒光燈工作的原理。在霓虹燈中，電流通過氣體管，激勵氣體原子，將它們的電子踢到更高的軌道，或者更高能級?，F在，氣體原子中的電子處于“興奮”狀態，想衰變回它們原來的能量較低的狀態。當電子最終衰變回較低的軌道時，釋放能量并發光。

在燈泡中，被激發的原子隨機衰減。事實上，我們周圍所有的光，包括太陽光，都是隨機的或者是不相干的，以不同頻率和不同相位輻射振動的瘋狂的大雜燴。物理學家，如20世紀80年代加州大學伯克利分校的查爾斯·湯斯（Charles Townes）利用量子力學預測在某些情況下，被激發的原子可立即衰減成精確同步狀態。這種新型輻射被稱為“相干輻射”，在自然界中從未見過。1954年，湯斯和他的同事成功地產生了相干輻射脈沖，那是有史以來最純粹的輻射形式。

盡管湯斯的開創性工作是微波輻射（他因此獲得了1964年的諾貝爾獎），但科學家們很快就認識到他的理論還適用于光。雖然巴克·羅杰斯（Buck Rogers）式的射線槍以及能射進核導彈的光束遠超出了我們目前的能力，但商業激光已可用于切割金屬、傳輸通信、外科手術，每天都有新的應用被發現。例如，醫生們正使用細玻璃絲傳送光能燒掉心臟病人人體靜脈中的脂肪沉積。激光唱片改變了立體聲錄音機的制造方式，許多超市的結賬柜臺都開始使用激光瞬間讀取產品包裝上的黑線條形碼。

也許，激光最壯觀的商業應用將會是三維電視的制造。今天，發布的簽證卡上已有鳥的三維立體“全息圖”圖像?？梢韵胂?，將來，我們的電視屏幕是非平面的三維球體，我們可以看到三維人在四處走動。我們的兒孫可能在他們的起居室里看到三維電視，贊美量子力學。

除了晶體管和激光器之外，還有其他數百個重要發現應歸功于量子力學。僅舉幾個例子：

◆電子顯微鏡。電子顯微鏡利用電子像波一樣的性質可以看到病毒大小的物體。數百萬人已直接受益于這個應用到醫學上的量子力學發明。

◆解開DNA分子的密碼。X射線衍射和其他探針用來確定這些復雜有機物的分子結構。最終，從這些分子的量子力學研究中可能會發現生命本身的秘密。

◆核聚變機。這些機器將利用太陽的核反應在地球上創造巨大的能量。盡管核聚變機還有許多實際未解決的問題，但最終它們或許能提供一種幾乎無限的能源。

毫無疑問，量子力學的成功已改變了醫學、工業和商業的基礎。具有諷刺意味的是，量子力學的實際應用如此明確，但它本身卻代表非常大的不確定性。簡而言之，量子力學在物理世界投下了一顆炸彈，結果是令人震驚的?！叭魏挝幢涣孔永碚撜痼@的人，”尼爾斯·玻爾聲稱，“只是對它缺乏理解?！?/p>