量子論是二十世紀最重要的發現之一,那如何理解量子論與手機、電視、電腦的發明息息相關?

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這個問題很好理解。量子力學是一個普適性理論,可以適用於單個粒子,也可以用於多個粒子。我們根據多粒子的量子力學理論,就可以研究一些很有實用價值的物質性質。比如說,半導體的導電性為什麼和普通的金屬電阻導電性差距這麼大。這個問題就需要我們通過使用量子力學在多粒子下的理論模型來解釋。而半導體器件是小型電腦、筆記本電腦、手機的核心器件。如果我們對半導體的導電性能無法做到精確的控制,那麼製作出來的電腦、手機或許就和廢銅爛鐵沒有什麼區別!

簡單舉幾個例子,第一個例子是磁盤、磁卡的存儲功能。

電腦磁盤、手機存儲卡以及磁卡的儲存功能是和磁性材料有關的。而磁性的理論依據以實際應用,其實和量子力學有分不開的關係。首先是磁性的產生主要是電子的自旋產生磁矩所導致的。自旋是一個(相對論性)量子力學概念,經典物理沒有任何對應(即便如此,很多科普書籍還是要用經典物理裡的轉動去類比,原因在於轉動的對稱群和自旋的對稱群是存在一些有趣的關係的)!具有存儲性能的物質無法避免一個叫做超順磁的磁學性質。超順磁性指的是顆粒小於臨界尺寸時具有單疇結構的鐵磁(一種強磁性)物質。一般來說磁盤、磁帶上面的磁性物質都具有超順磁性。超順磁性具有零磁滯性、磁化性質類似於順磁性等性質。我們知道現在的電腦、手機都離不開有存儲功能的磁盤、磁卡,然而為什麼磁盤、磁卡會在一定時間以後失去存儲功能?原因和超順磁的相變有關。而解釋這一相變是需要量子理論的。磁盤害怕高溫、撞擊、強電磁場,這和磁疇的動力學性質有關——也就是和自旋間的強耦合有關。但是,我們記錄數據卻又離不開磁性、離不開自旋的強耦合。如果自旋的強耦合消失了,那麼我們也就無法記錄信息了。

第二個例子是電路中的二極管、三極管。這些東西和一個叫半導體物理學的物理分支有關。然而,整個半導體物理的理論基礎就是量子力學!沒有量子力學作為基礎,是根本不能理解為什麼這個行業不去研究金屬的性能而是去研究半導體。化學早就告訴我們了,半導體元素在元素週期表的位置其實十分靠近非金屬元素。按理說這些元素的導電性肯定差於金屬,但是偏偏現在的電子行業用到的元素會和非金屬有關。這是因為半導體具有很多金屬沒有的性質。比如說溫度越高,半導體的導電性能越好。這件事情只能用量子力學去解釋。現在的熱敏電阻裡就有這樣一類器件是用半導體做成的。另外,半導體有外光電效應和內光電效應,而金屬則只有外光電效應。所謂外光電效應指的是被光照射的金屬、半導體會產生自由電子,而內光電效應指的是被光照射的半導體會改變電阻。光敏電阻指的就是這類半導體器件。而最最重要的二極管就是靠通過摻雜來實現其功能的。將不同的半導體元素摻雜起來,以改變其電學性質。如果沒有量子力學去指導,我們只能瞎做。雖然能獲得很多第一手資料,但是效率卻低得多。在行業競爭中,效率就是生命!誰的效率高,誰的產品生產快,誰的市場認可度就高!【說幾句題外話,行業競爭中,一個公司一旦垮了,其實很多時候意味著某些技術就消失了。我們要想實現技術跨越式發展,有時候就得支持自己國家的公司,哪怕它的第一代、第二代產品很垃圾!!】

第三個例子就是芯片。所謂的芯片其實一種大規模集成電路乃至超大規模集成電路。問題在於,這麼小的芯片上要按這麼多電學器件,每個器件的尺度小得可怕!可是量子力學告訴我們,當一個物體被限制在很小的尺度上,那麼它的量子效應就會十分明顯,以致於本來應該彼此絕緣的器件卻因量子效應而導通了——這會導致芯片直接報廢。換句話說,芯片不可能無限制集成,量子力學必定要限制芯片加工技術!想想看,我們的電腦功能越來越大,但是芯片技術卻越來越趨於停滯,這將會導致這個產業出現困難。這時候誰能解決這個問題,誰就是時代的先鋒。量子力學既然限制了芯片的集成化,那麼它一定能給出芯片發展的新思路、新方法!雖然我們還在探索中。

因此,可以說當代是量子力學的時代,只有掌握量子力學才能在新技術領域有所作為!


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你可以說世間一切實物都是由分子、原子、電子、基本粒子構成的,也就是由量子構成的,所以你炒個雞蛋,都和量子論息息相關,更擴張一點是,人往小裡分割下去,也是量子,所以和量子論也息息相關。這樣說法,不覺得抬槓嗎?手機、電視、電腦當然都跟電子有關,電子當然是量子,所以沒有量子力學就沒有手機、電視、電腦,這個說法就跟沒有量子理論就沒有炒雞蛋一個邏輯。說最近的,比如手機,喬布斯懂得量子力學嗎?沒有聽說過吧(他的傳記大把,誰都可以看),但是這影響他帶領他的團隊研發智能手機嗎?而且進一步可以肯定,他的手機研發團隊裡面並沒有什麼量子物理學家。做飯炒菜當然都是化學反應,鹽、糖、醋也都是化學物質,但是炒菜師傅難道都要大學化學系的本科畢業生不成?反過來,大學化學系的那些畢業生,一多半大概都不會做飯,當然他們可以向大師傅們解釋鹽為什麼是鹹的,分析醋為什麼是酸的,問題是這管炒菜師傅什麼事兒?知道鹽是鹹的,醋是酸的就可以了,至於為什麼,跟炒菜有關係嗎?這就是量子理論和手機、電視、電腦的關係


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