量子论是二十世纪最重要的发现之一,那如何理解量子论与手机、电视、电脑的发明息息相关?

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这个问题很好理解。量子力学是一个普适性理论,可以适用于单个粒子,也可以用于多个粒子。我们根据多粒子的量子力学理论,就可以研究一些很有实用价值的物质性质。比如说,半导体的导电性为什么和普通的金属电阻导电性差距这么大。这个问题就需要我们通过使用量子力学在多粒子下的理论模型来解释。而半导体器件是小型电脑、笔记本电脑、手机的核心器件。如果我们对半导体的导电性能无法做到精确的控制,那么制作出来的电脑、手机或许就和废铜烂铁没有什么区别!

简单举几个例子,第一个例子是磁盘、磁卡的存储功能。

电脑磁盘、手机存储卡以及磁卡的储存功能是和磁性材料有关的。而磁性的理论依据以实际应用,其实和量子力学有分不开的关系。首先是磁性的产生主要是电子的自旋产生磁矩所导致的。自旋是一个(相对论性)量子力学概念,经典物理没有任何对应(即便如此,很多科普书籍还是要用经典物理里的转动去类比,原因在于转动的对称群和自旋的对称群是存在一些有趣的关系的)!具有存储性能的物质无法避免一个叫做超顺磁的磁学性质。超顺磁性指的是颗粒小于临界尺寸时具有单畴结构的铁磁(一种强磁性)物质。一般来说磁盘、磁带上面的磁性物质都具有超顺磁性。超顺磁性具有零磁滞性、磁化性质类似于顺磁性等性质。我们知道现在的电脑、手机都离不开有存储功能的磁盘、磁卡,然而为什么磁盘、磁卡会在一定时间以后失去存储功能?原因和超顺磁的相变有关。而解释这一相变是需要量子理论的。磁盘害怕高温、撞击、强电磁场,这和磁畴的动力学性质有关——也就是和自旋间的强耦合有关。但是,我们记录数据却又离不开磁性、离不开自旋的强耦合。如果自旋的强耦合消失了,那么我们也就无法记录信息了。

第二个例子是电路中的二极管、三极管。这些东西和一个叫半导体物理学的物理分支有关。然而,整个半导体物理的理论基础就是量子力学!没有量子力学作为基础,是根本不能理解为什么这个行业不去研究金属的性能而是去研究半导体。化学早就告诉我们了,半导体元素在元素周期表的位置其实十分靠近非金属元素。按理说这些元素的导电性肯定差于金属,但是偏偏现在的电子行业用到的元素会和非金属有关。这是因为半导体具有很多金属没有的性质。比如说温度越高,半导体的导电性能越好。这件事情只能用量子力学去解释。现在的热敏电阻里就有这样一类器件是用半导体做成的。另外,半导体有外光电效应和内光电效应,而金属则只有外光电效应。所谓外光电效应指的是被光照射的金属、半导体会产生自由电子,而内光电效应指的是被光照射的半导体会改变电阻。光敏电阻指的就是这类半导体器件。而最最重要的二极管就是靠通过掺杂来实现其功能的。将不同的半导体元素掺杂起来,以改变其电学性质。如果没有量子力学去指导,我们只能瞎做。虽然能获得很多第一手资料,但是效率却低得多。在行业竞争中,效率就是生命!谁的效率高,谁的产品生产快,谁的市场认可度就高!【说几句题外话,行业竞争中,一个公司一旦垮了,其实很多时候意味着某些技术就消失了。我们要想实现技术跨越式发展,有时候就得支持自己国家的公司,哪怕它的第一代、第二代产品很垃圾!!】

第三个例子就是芯片。所谓的芯片其实一种大规模集成电路乃至超大规模集成电路。问题在于,这么小的芯片上要按这么多电学器件,每个器件的尺度小得可怕!可是量子力学告诉我们,当一个物体被限制在很小的尺度上,那么它的量子效应就会十分明显,以致于本来应该彼此绝缘的器件却因量子效应而导通了——这会导致芯片直接报废。换句话说,芯片不可能无限制集成,量子力学必定要限制芯片加工技术!想想看,我们的电脑功能越来越大,但是芯片技术却越来越趋于停滞,这将会导致这个产业出现困难。这时候谁能解决这个问题,谁就是时代的先锋。量子力学既然限制了芯片的集成化,那么它一定能给出芯片发展的新思路、新方法!虽然我们还在探索中。

因此,可以说当代是量子力学的时代,只有掌握量子力学才能在新技术领域有所作为!


科学联盟

你可以说世间一切实物都是由分子、原子、电子、基本粒子构成的,也就是由量子构成的,所以你炒个鸡蛋,都和量子论息息相关,更扩张一点是,人往小里分割下去,也是量子,所以和量子论也息息相关。这样说法,不觉得抬杠吗?手机、电视、电脑当然都跟电子有关,电子当然是量子,所以没有量子力学就没有手机、电视、电脑,这个说法就跟没有量子理论就没有炒鸡蛋一个逻辑。说最近的,比如手机,乔布斯懂得量子力学吗?没有听说过吧(他的传记大把,谁都可以看),但是这影响他带领他的团队研发智能手机吗?而且进一步可以肯定,他的手机研发团队里面并没有什么量子物理学家。做饭炒菜当然都是化学反应,盐、糖、醋也都是化学物质,但是炒菜师傅难道都要大学化学系的本科毕业生不成?反过来,大学化学系的那些毕业生,一多半大概都不会做饭,当然他们可以向大师傅们解释盐为什么是咸的,分析醋为什么是酸的,问题是这管炒菜师傅什么事儿?知道盐是咸的,醋是酸的就可以了,至于为什么,跟炒菜有关系吗?这就是量子理论和手机、电视、电脑的关系


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