点开此文前，你早就用过量子力学了！不信来看

发布时间：2025-08-24 06:38:33 来源：芦苇轻舞水墨丹青 作者：焦点

　　来源：蝌蚪五线谱

　　也许，点开你和我们很多人一样，此文是前早一个普通的城市上班族，淹没在汹涌的用过车流与拥挤的人潮里，努力工作支撑起自己与他人的量力生活；也许，你也曾有过仰望星空的学不信梦想——像科学家一样理解这个世界，却困于日复一日的点开忙碌中，没有时间再抬头看一看。此文如“量子力学”这样的前早词汇，虽已存在了百年，用过也许对你来说，量力却显得依旧遥远而陌生。学不信

　　但是点开，量子力学，此文这个潜藏在世界任何地方的前早精灵，并不需要刻意的寻找，它就站在普通日常生活中的每一个转角，在你读到这句话时，你早已与它不期而遇了很多次。不信？让我们从你的早晨开始说起。

　　7：00 AM | 掌中的宇宙：手机与半导体

　　早上7点，你的手机闹钟像往常一样将你从睡梦中唤醒，你不情愿地起床，看了几条社交软件中错过的消息。手机中的芯片开始工作，组成它的是许多微小的半导体元件。

　　半导体芯片 来源：ETCIO

　　在经典物理的世界里，一个物体要么导电，要么不导电，几乎不存在“既是又不是”的模糊状态。但是，在经典理论之外，量子力学的能带理论，却催生了半导体这颗现代工业的明珠。

　　绝缘体、半导体和导体的能带示意图。绝缘体的带隙最大，电子不能通过；导体没有带隙，电子可以自由通过；半导体的带隙介于它们之间，因此兼有两者的性质。 来源：learnelectronicswithme.com

　　介于导电与不导电之间的特殊性质，使半导体材料能够被制成一个个微型开关，控制电流在导通与不导通之间正确地切换，组合成轻便而强大的集成电路，为你处理着大量的数据，再变成可读的信息，呈现在你的眼前。

　　8：00 AM | 天空的指引：导航系统与原子钟

　　你穿好衣服走出家门，由于不熟悉新的工作地点，你打开手机的地图软件开始导航。

　　此时，地球周围不同位置分布着的定位卫星正在向你发送信号。通过收集发送与接收信号的时间差，再乘以光速换算成距离，手机的导航系统最终准确地认出你所在的位置，并为你提供合适的路线。

　　卫星定位基本原理 来源：北斗卫星导航系统

　　因为光速极快，哪怕仅仅百万分之一秒的计时误差，乘以光速后都会导致数百米的位置偏差。所以，精确的位置判断依赖于精确的计时，而这都归功于卫星上搭载的原子钟。

　　由于原子核外电子的能量量子化，每个原子释放的电磁波都有着极为精确的能量——在量子力学中，这意味着极为精确的频率，也就是极为精确的时间间隔。这是大自然为人类提供的最精准的“节拍器”，以此为基准造出的原子钟，其准确度已经可以达到每亿年间只产生一秒的误差。

　　北斗导航卫星所配置的氢原子钟 来源：维基百科

　　如果没有量子力学的加持，你的导航可能只会把你带到目的地所在的街区，却不能到达精准的门口。

　　10：00 AM | 穿墙的“幽灵”：U盘与量子隧穿

　　到达公司，你打开电脑开始办公。为了将文件转移给同事的电脑，你将它们拷贝到你的U盘。

　　此时，U盘中的一个个浮栅晶体管开始工作。这是一些由薄薄的氧化物绝缘层封锁住的小隔间——这些氧化物在经典力学中必不导电，当电子撞上它，就好像一个球被扔向一堵坚实的水泥墙。于是，外面的电子进不来，里面的也出不去。

　　量子隧穿 来源：因斯布鲁克大学

　　但是，多亏了量子力学中的隧穿效应，一旦电子受到了更高能量的激励，它们就变成了奇诡的幽灵，能够穿过本来拦住它们的绝缘层“墙壁”，出去或者进来，让小隔间内的电子存储情况发生变化。

　　这种存储技术叫做“闪存”技术。设计者将有电子的小隔间当作“0”，没有电子的小隔间当作“1”，你的文件数据就这样被写入了小小的U盘，方便地在不同设备间传输。

　　除U盘之外，SD卡和固态硬盘也是闪存技术常见的应用场景

　　12：00 PM | 秩序之光：扫码枪与激光

　　中午，你来到楼下的便利店，购买了一盒冷柜中的便当。店员姐姐拿出扫码枪，红色的激光扫描出商品的条形码，商品的名称和价格立刻显示出来，再扫描你手机上的付款码，你用十几秒的时间就获得了今天的午餐。

　　激光扫描二维码 来源：维基百科

　　而这激光的产生，同样也依赖于原子核外电子的能量量子化。

　　我们刚才提到，原子释放的电磁波，也就是光，有着极为精确的能量。当原子被这样具有它的“专属能量”的光攻击时，它的潜能就会被激发，自己也发出相同的光。

　　激光器工作原理示意图 来源：劳伦斯利弗莫尔国家实验室

　　这些光在激光器的反射腔里一传十，十传百，每一次激发产生的光都与入射光一模一样，不仅仅是能量（颜色）相同，连步调（相位）都完全一致，像一支训练有素、齐步走的士兵队伍。不像普通灯泡的光，如广场上熙熙攘攘的人群一般，方向各异。

　　最终，它们汇聚成一束纯净而集中的光束，得以清晰准确地识别条形码上黑白相间的图案。

　　8：00 PM | 发光的魔法：显示屏与量子点

　　夜晚，你终于结束了一天的工作，回到家中。你长舒一口气，决定看一集最新更新的电视剧，给自己的精神世界来一点放松和犒赏。

　　追求视觉效果的你，特意给家中配备了一台宽色域的显示器。这台显示器使用了量子点材料，这是一些很小的半导体粒子，每一颗的尺寸都只有几纳米。它们附着在LED背光板上，在背光源的激发下发出不同颜色的光。

　　一种量子点显示器 来源：维基百科

　　在几纳米的尺度下，量子点发光的颜色受到量子力学的牢牢掌控，每一种大小的粒子都对应着一种单独的颜色，这是一种奇特的“量子尺寸效应”：在宏观世界，材料的颜色由其化学成分决定；但在纳米尺度，物理尺寸本身就能改变其光学性质。用这个方法调控的颜色十分纯净，使得屏幕有了非凡的色彩表现力。

　　不同颜色的量子点材料：粒子尺寸越大，发光颜色越红；粒子尺寸越小，发光颜色越蓝 来源：巴黎理工学院

　　11：00 PM | 不眠的城市与不息的能量

　　足够的放松之后，你再一次进入了梦乡。而此时，你所在的城市却并未沉睡。

　　在这不眠的现代都市里，时刻不停的电力供应，是这座城市运作的关键命脉，而其中核能（其能量源于原子核的裂变与聚变）与太阳能（其核心是光电效应，正是爱因斯坦获得诺贝尔奖的量子理论贡献）所产生的电力，同样与量子力学的开拓密不可分。

　　也许这里的很多人从未学习过量子力学的原理，但我们也都在无意间，一直使用着它，又享受着它给我们带来的一切。回望百年，量子力学已从科学家的黑板走进你我的口袋；展望未来，量子计算、量子通信等新一代技术正在孕育之中。这个曾经高深莫测的“精灵”，必将为人类文明带来更加深刻的变革。

　　原来，那些看起来高端的科学，其实并不遥远，而我们看似按部就班的生活，其实也充满奇迹。（张一凡）

　　参考资料：

　　1、Yu， Peter （2010）。 Fundamentals of Semiconductors。 Berlin： Springer-Verlag。 ISBN 978-3-642-00709-5。

　　2、http://www.beidou.gov.cn/zy/kpyd/201710/t20171011_4559.html

　　3、https：//computer.howstuffworks.com/flash-memory.htm

　　4、https：//lasers.llnl.gov/education/nifs-guide-how-lasers-work

1. https：//www.chemistryworld.com/features/the-quantum-dot-story/4018219.article

　　策划：刘颖 张超 李培元 杨柳

　　审核：中科院物理研究所研究员 魏红祥

责任编辑：石秀珍 SF183

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