探究量子力學(xué)在生活中的應(yīng)用

李曉雨

摘 要：量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)的重要的學(xué)科分支，它主要用于描述微觀事物，許多物理學(xué)理論和科學(xué)，如原子物理學(xué)、固體物理學(xué)、核物理學(xué)和粒子物理學(xué)以及其它相關(guān)的學(xué)科，都是以其為基礎(chǔ)。在許多現(xiàn)代技術(shù)裝備中，量子效應(yīng)起了重要的作用。本文將圍繞量子力學(xué)的應(yīng)用來(lái)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

關(guān)鍵詞：量子力學(xué) 量子效應(yīng) 實(shí)際應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2017）10-0-01

前言

量子力學(xué)是研究物質(zhì)世界微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的物理學(xué)分支，主要研究原子、分子、凝聚態(tài)物質(zhì)，以及原子核和基本粒子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的基礎(chǔ)理論，它與相對(duì)論一起構(gòu)成現(xiàn)代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)。量子力學(xué)不僅是現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)理論之一，而且在化學(xué)等學(xué)科和許多近代技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。[1]

在許多現(xiàn)代技術(shù)裝備中，量子物理學(xué)的效應(yīng)起了重要的作用。從激光、電子顯微鏡、原子鐘到核磁共振的醫(yī)學(xué)圖像顯示裝置，都極大地依靠了量子力學(xué)的原理和效應(yīng)。對(duì)半導(dǎo)體的研究導(dǎo)致了二極管和三極管的發(fā)明，最后為現(xiàn)代的電子工業(yè)鋪平了道路。在核武器的發(fā)明過(guò)程中，量子力學(xué)的概念也起了關(guān)鍵的作用。

一、量子力學(xué)在晶體管中的應(yīng)用

在日常生活中，人們所使用的大多數(shù)電子產(chǎn)品都會(huì)包含有二極管、三極管等半導(dǎo)體構(gòu)成的電子元器件，而這些半導(dǎo)體的器件所使用到的原理都是基于量子力學(xué)。

1.二極管的應(yīng)用

二極管是一種由半導(dǎo)體材料構(gòu)成的電子元器件，它的特性是單向?qū)ǎ簿褪请娏髦豢梢詮亩O管的一個(gè)方向流過(guò)。具體來(lái)講就是當(dāng)電流正向流過(guò)二極管時(shí)，它相當(dāng)于導(dǎo)線(xiàn)，電阻無(wú)限趨近于0；而當(dāng)電流反向時(shí)，電路相當(dāng)于斷路，其電阻無(wú)限大。由于它的這種特性，人們經(jīng)常將它用作開(kāi)關(guān)，通過(guò)電流方向來(lái)控制電路的通斷。舉個(gè)最為常見(jiàn)的例子，發(fā)光二極管是一種特殊的二極管，被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備的指示燈、各種儀表的指示器以及照明。發(fā)光二極管具有的特點(diǎn)主要有：安全、高效率、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)快、體積小、結(jié)構(gòu)牢固。因此，發(fā)光二極管是一種符合綠色照明要求的光源。

2.三極管的應(yīng)用

三極管從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于兩個(gè)二極管的組合體，所使用的原理也是基于量子力學(xué)的。三極管可以用作電路的開(kāi)關(guān)、電流信號(hào)的放大等，在現(xiàn)代電子技術(shù)中扮演著重要角色。具體來(lái)講，根據(jù)它的種種特性，人們可以將一個(gè)較小的電流信號(hào)，通過(guò)三極管的電路放大，得到一個(gè)較大的電流輸出，從而滿(mǎn)足人們?cè)谏a(chǎn)生活中的需求。另外，現(xiàn)今許多電子設(shè)備的動(dòng)力是由電機(jī)提供的，而三極管也在電機(jī)的控制領(lǐng)域扮演著重要的角色。

二、量子力學(xué)在激光技術(shù)中的應(yīng)用

激光是20世紀(jì)以來(lái)，繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類(lèi)的又一重大發(fā)明，被稱(chēng)為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光” [2]。與量子力學(xué)的經(jīng)歷相似，激光在早期曾經(jīng)也被認(rèn)為是“理論上的巨人，實(shí)際應(yīng)用上的侏儒”。但今天，無(wú)論是家用CD播放器，還是“導(dǎo)彈防御系統(tǒng)”，激光已經(jīng)在當(dāng)代人類(lèi)的社會(huì)生活中，占據(jù)了核心地位。不過(guò)，如果不是量子力學(xué)，我們與激光的故事，很可能是以“擦身而過(guò)”收?qǐng)觥?/p>

激光器的原理，是先沖擊圍繞原子旋轉(zhuǎn)的電子，令其在重回低能量級(jí)別時(shí)迸發(fā)出光子。這些光子隨后又會(huì)引發(fā)周?chē)脑影l(fā)生同樣的變化，即發(fā)射出光子。最終，在激光器的引導(dǎo)下，這些光子形成穩(wěn)定的集中束流，即我們所看到的激光。當(dāng)然，人們能夠知曉這些，離不開(kāi)理論物理學(xué)家馬克斯·普朗克及其發(fā)現(xiàn)的量子力學(xué)原理。普朗克指出，原子的能量級(jí)別不是連續(xù)的，而是分散、不連貫的。當(dāng)原子發(fā)射出能量時(shí)，是以在離散值上被稱(chēng)作量子的最小基本單位進(jìn)行的。激光器工作的原理，實(shí)際上就是激發(fā)一個(gè)特定量子散發(fā)能量。

激光應(yīng)用很廣泛，主要有激光打標(biāo)、激光焊接、激光切割、光纖通信、激光光譜、激光測(cè)距、激光雷達(dá)、激光武器、激光唱片、激光指示器、激光矯視、激光美容、激光掃描、激光滅蚊器等等。

三、量子力學(xué)在量子計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用

量子計(jì)算機(jī)（quantum computer）是一類(lèi)遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。當(dāng)某個(gè)裝置處理和計(jì)算的是量子信息，運(yùn)行的是量子算法時(shí)，它就是量子計(jì)算機(jī)[3]。相比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)具有無(wú)可比擬的巨大優(yōu)勢(shì)：并行處理。借助并行處理的能力，量子計(jì)算機(jī)能夠同時(shí)處理多重任務(wù)，而不是像傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)那樣還要分出輕重緩急。量子計(jì)算機(jī)的這一特性，注定它在未來(lái)將以指數(shù)級(jí)的速度超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。不過(guò)，在量子計(jì)算成為現(xiàn)實(shí)之前，科學(xué)家們還需要克服一些艱難挑戰(zhàn)。比如，量子計(jì)算機(jī)使用的是比傳統(tǒng)比特存儲(chǔ)能力高出許多的量子比特，但是不幸的是，量子比特非常難以創(chuàng)造出來(lái)，因?yàn)檫@需要多種粒子共同組成網(wǎng)絡(luò)。直到現(xiàn)在，科學(xué)家只能夠一次性將12種粒子纏連起來(lái)。而量子計(jì)算機(jī)若要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，至少需要將這個(gè)數(shù)字增加數(shù)十倍甚至上百倍。

以上的幾個(gè)例子僅僅是人們?cè)诹孔恿W(xué)理論的基礎(chǔ)上應(yīng)用的鳳毛麟角，它的實(shí)際應(yīng)用更待后人去探索。

總而言之，大千世界，蕓蕓眾生，量子力學(xué)這一重要的知識(shí)領(lǐng)域?yàn)槿祟?lèi)探索這個(gè)神奇的世界提供了一把鑰匙，利用量子力學(xué)的各種理論做基礎(chǔ)，人們可以去探索這個(gè)世界的神奇奧妙，可以更合理的利用這個(gè)世界所提供的資源，可以便利人們的生產(chǎn)生活，促進(jìn)人類(lèi)科技的不斷發(fā)展，使地球的文明越走越遠(yuǎn)。量子力學(xué)只是這世界本源的冰山一角，人們只有不斷探索才會(huì)取得更大的進(jìn)步發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]李豐 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M] 第4版 江蘇省徐州市：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社 2007年： 1-20

[2]激光 百度百科 引用日期2017.07.18

[3]森堡 量子計(jì)算機(jī)時(shí)代即將來(lái)臨？[N] 《青年參考》 2012.07.04（39）endprint