当前位置： 放大机 >> 放大机优势 >> 量子力学,不仅仅适用于微观世界,还应用于
也许有人说，量子力学固然有趣，但它只适用于那么小的微观世界，看起来与我们的日常生活没有多大关系。这可就大错特错了，量子力学的理论早就已经成熟，并且用在许多现代技术设备中。从激光、电子显微镜、原子钟，到医院里已经广泛使用的磁共振医学图像显示技术，都运用了量子力学的原理和效应。量子理论不仅解释了量子世界奇特的现象，也带来了改变我们日常生活的强大应用。以下略举几例。
神秘的激光我们对激光毫不陌生，它的应用十分广泛，从激光笔、激光手术医疗、激光焊接、激光切割、激光测距，到照明和娱乐，甚至在军工制造业，都有激光的应用。各种激光器的开发还催生了现代电子学和光学通信，促成了信息革命，可以说从根本上改变了人类的生活。
激光和普通光不同，它是一种相干光。普通光是由物体的热辐射或受激发的混合荧光粉发出的，其中每个光子能量不完全一样，跑的方向不完全一致，跑的速度也不是完全相同，细看起来有些杂乱无章［见图3–1（a）］。而相干光中的所有光子像是一模一样的机器人，处于相同波长，并且其波峰和波谷完全同步，互相协作，井井有条［见图3–1（b）］。所以，激光具有高强度、单色等优良特性，从而得以在多方面发挥其特有的用途。
那么，怎样才令激光中的光子同步奔跑呢？这个问题的答案便是量子力学。
作为量子力学的开创者之一，爱因斯坦不仅解释了光电效应，也提出了产生激光的想法，这是量子力学的第一个重要应用。年，爱因斯坦在一篇文章中提出「光与物质相互作用」的理论，阐述了原子受激发而辐射的光可能被放大而发出强光的现象，也就是现在的激光。根据量子力学的原子理论，电子分布在不同的能级上，高能级上的电子受到某种光子的激发，会从高能级跃迁到低能级，这时将辐射出频率与激发光子相同的光，这些光反过来再激发其他电子，在一定的条件下，形成雪崩一般的效应，能使得弱光激发出强光，称为「光放大」。如果没有量子力学，科学家就无法精确计算受激辐射，也难以发明激光。
图3-1激光和普通光的区别
理论先行，实验却不那么容易。年，美国物理学家汤斯及其同事成功得到了「受激辐射的微波放大」，但他们这次实验产生的是微波，还不是激光。后来，汤斯与他的学生亚瑟·肖洛合作，再接再厉提出了可见光波段的激光器的设计。汤斯和肖洛后来分别获得了年和年的诺贝尔物理学奖。
年，美国物理学家梅曼宣布制成了世界上第一台激光器［见图3–2（a）］。他将红宝石晶体制成圆柱体，在红宝石圆筒周围放了一个发出白光的高强度石英闪光灯。石英闪光灯发出的白光中的绿色和蓝色波长成分将红宝石中铬原子的电子激发到更高的能级。被激发的电子重新发射原始光子以及一颗与之同步运行的相同光子。也就是说，一个光子打入原子，会跑出两个光子，如图3–2（b）所示，然后，这两个光子再打入两个新原子，就跑出四个光子，这样不断进行下去，就能产生出大量的光子，形成激光。在此过程中，红宝石棒两端的反射镜使光子来回反弹，激发出更多的光子。当足够多的光子步调一致时，就产生了完美的相干光，形成一条相当集中的纤细红色光柱，从右边的半反射镜射出。
图3-2红宝石激光器示意图
量子握在你手中人们经常忽略量子力学的用处，是因为它研究的原子、分子、电子看起来离我们的日常生活很远。但实际上，在现代技术中，量子力学无处不在。
例如，你时时握在手中的智能手机，可以说也是量子力学应用的产物。因为量子力学是固体物理理论的基础，而固体物理理论是半导体物理的基础，半导体物理又是集成电路的基础，集成电路是计算机的基础……如果没有集成电路的发明和研发，人类是不可能造出功能如此强大、体积又如此小的「手持计算机」的。所以，虽然你无法直观地看见量子力学中的电子这个主角，但你每一天都在把量子力学的应用成果装进口袋，捧在手中，甚至连睡觉时也会把它放在枕边。
我们知道，像银、铜、铁这样的导体可以导电，而塑料、橡胶这样的绝缘体则不导电。还有一部分材料导电性介于导体和绝缘体之间，且易受光照、温度等因素的影响，我们称之为半导体。虽然人类早就和半导体打过交道，认识到它不同于金属和绝缘体的特性，但真正明白半导体材料中电子的运动规律，并使其能用于实际工程中，要归功于建立于量子理论的基础上的能带理论。
能带是什么呢？我们介绍过玻尔的原子模型。在玻尔模型中，电子的轨道不是连续的，而是一级一级的，这些分立的轨道对应着原子中不同的能量值，称为「能级」。
图3–3（a）是单原子能级的示意图。在大多数纯净固体材料中，多个原子有规律地周期性排列在一起，形成晶体。多个原子相互靠近时，每个能级会分裂成密集的多个能级，当大量原子周期性地排列在一起时，能级密集到一个程度就形成了能带［如图3–3（b）所示］。
图3-3从能级到能带示意图
用固体中的能带理论，科学家们成功地解释了导体、绝缘体和半导体导电性质的差别，并发明了二极管和三极管。也正是在能带理论的指导下，科学家们才有了系统的方法寻找各种新型的半导体材料，将集成电路中的半导体器件越做越小并实现量产，从而才有了如此发达、造福人类的半导体工业。
从能带理论，到半导体工业，到集成电路，到你的手机，中间还有漫长的路程。我们不再详述其中的细节，但到此为止，你可能已经感到了量子力学对当代文明社会的重要性。
自旋的应用前文提到，自旋完全是量子世界的概念，在经典物理中没有对应。所以，利用自旋性质发展出的技术，可以说是最能体现量子力学特点的技术。随着量子力学应用研究的深入，自旋也逐渐登上了应用的舞台。
核磁共振如今在化学、生物、医学上大量应用的磁共振技术，其基本原理便是利用了原子核的自旋共振现象。核磁共振是磁共振的一种，它的主角不是电子，而是原子核。原子核也有自旋，不同的自旋取向在强磁场下会有不同的能量，可以吸收某些特定频率的电磁辐射，从而反映出物体的结构信息。例如，核磁共振成像技术是利用水分子中氢原子核的自旋共振来达到目的的。
将样本置于外磁场中，在入射的电磁波的激励下，氢原子核产生自旋共振，这个信息体现在从右端出射的电磁波中，最后由识别系统分离出来而形成图像。
因为人体内含有丰富的水，不同组织结构中的水含量不同，因此水中氢原子核产生的自旋共振之强度也不同，这些不同的强度信息经过分析便可得到人体组织结构中水分的分布情况，也就相应地向我们提供了关于人体内部结构的知识。
巨磁阻效应和自旋电子学计算机技术的发展有目共睹。回顾计算机体积的变化过程是一件颇有趣味的事。看看年诞生的第一台通用电子数字计算机「埃尼阿克」（ENIAC）：重30吨，占地面积平方米，看起来像一栋大房子。仅仅70多年之后，性能远超ENIAC的计算机器已经小到能装进我们的口袋。这不仅归功于数字电路集成度的增加，也归功于电池、硬盘等组件体积的缩小。
拿硬盘来说吧，世界上第一个磁性硬盘是IBM（美国国际商业机器公司）于年发明的。它的重量超过1吨，体积有大约两个冰箱那么大，容量只有不到5MB（5兆字节）。如今一块硬币大小的硬盘，存储量可达6GB（6吉字节）。这种惊人的变化，其中也有自旋的功劳，主要在于「巨磁阻效应」的发现和应用。
巨磁阻效应指磁性材料的电阻率在外加磁场后会产生很大变化的现象，它来自电子的自旋，在年由德国的彼得·格林贝格和法国的艾尔伯·费尔分别独立发现，他们因此一同被授予了年诺贝尔物理学奖。年，IBM根据巨磁阻效应研制的新型读出磁头，将磁盘记录密度一下子提高了17倍，而这很快成为行业技术标准。今天，几乎所有最新的磁头读出技术都是基于巨磁阻效应研制出来的。
电子自旋产生的巨磁阻效应的发现及应用让电子工程师们认识了自旋，看到了电子学——研究电子的科学的另一种发展方向。尽管电子学的发展和应用已有一百多年的历史，但电路和电子器件中所利用和研究的基本上只是电流，即电荷的流动，与自旋完全无关。前年我们充分利用了电荷流动的特性，现在该是启用「自旋」的时候了。因此，近年来出现了自旋电子学（spintronics）这一新的领域，有了大量的理论创新及实验研究。利用电子自旋来制造速度快、耗能少、体积小、记忆长的电子器件，这是自旋电子学的目标。实际上，目前已有不少自旋半导体器件问世，如自旋滤波器、自旋场效应管、自旋激光器等。自旋电子学究竟前景如何，已有不少科研工作者投入研究，让我们拭目以待吧。
琳琅满目的化学世界除了物理学之外，受量子力学影响最大的领域是化学。
尽管大多数化学家并不熟悉量子力学，但化学所涉及的原子、分子层次的基本规律，是需要量子力学才能导出的，因而量子力学为解释原子结构、分子构成等问题奠定了基础。
物质由分子构成，分子由原子组成。原子为什么能形成稳定的分子（或晶体）呢？这其中的理论也要通过量子力学来解释。
首先，将薛定谔方程用于氢原子,可以得到精确的电子轨道,对于多电子原子,量子力学也能近似计算出各个电子的轨道，通过原子内电子轨道的排布，就能成功地解释元素周期表。
量子力学不仅成功解释了单个原子的电子分布，还解释了原子与原子是如何结合形成分子的。科学家发现，化学反应的本质就是电子的相互作用。在这个意义上可以说，是量子力学把化学真正地置于科学的基础上。
要正确地解释分子的各类光谱、能量转换，预测分子性质,模拟分子间相互作用等等,也都必须在量子力学水平上计算。在分子模拟计算技术的推动下，近年来化学产品日新月异、琳琅满目,改善了我们的生活质量，这其中量子力学的功劳不可忽视。
以量子理论为基础的固体物理学及凝聚态物理学[1],大大促进了材料科学的发展。纵观人类社会的发展,新型材料的发现和使用是非常关键和重要的一环。技术推进社会,材料改变时代，这是毋庸置疑的。而且，材料的性能还关系到人类社会中各种尖端技术和交通工具的安全。如今,各种新材料多到令人眼花缭乱、目不暇接。量子力学不仅仅帮助人们解释和理解每种材料的独特性能,也帮助我们在原子结构的层面上设计、构造和制备出新型的物质材料，近年来热度颇高的纳米材料研究即为一例。
纳米技术指的是研究结构尺寸在0.1~纳米范围内的材料的性质和应用的技术。实际上,它的目标是直接操作和使用单个原子、分子来构造物质结构,从而实现特定功能的量子相关技术。
近几年我们常听到的「石墨烯」,就是一种神奇的新纳米材料。尽管它的小规模「碎片」原本就天然存在于非常普通的石墨中,而且它被发现的过程颇富戏剧性（它是被曼彻斯特大学的两位教授用再普通不过的胶带从石墨中粘出来的），但对它的深入研究和应用却离不开纳米技术和量子理论,石墨烯材料的发现也大大地促进了纳米材料合成技术的发展。
石墨烯是一种由碳原子构成的二维完美晶体结构，之所以被称为二维结构，是因为它只由一层原子构成。在这种情况下，电子运动的量子效应十分明显，解释它不仅要用到量子理论,还需要相对论和拓扑学知识。图3–4中显示了石墨烯材料的晶体结构，同时还有另外两种碳纳米材料：富勒烯和碳纳米管。
图3-4碳原子组成的新材料
图片来源：RiceUniversity/CCBY4.0。
材料科学必将在未来科技中大有作为，而这也将是量子理论大展身手的领域。例如超导效应,特别是常温超导效应,是科学家一直在不断探索和挖掘的领域。超导研究与石墨烯研究相通，也与凝聚态物理学研究密切相关。从微观角度上说，凝聚态物理学中的现象，只有通过量子理论，才能正确地被解释。
此外,最精确的时钟——原子钟的出现和研制,也有量子力学的功劳。尽管量子力学的不确定性原理告诉我们,在一定的条件下，时间是无法精准确定的，但同样根据量子力学,人类造出了准确到百万分之一秒的原子钟！没有这些精确计时钟的研发，人类不可能实现如今的GPS（全球定位系统）技术。
[1]凝聚态物理学研究凝聚态物质（包括固体和液体）的结构与性质，是如今物理学的主要子领域之一。——编者注