探究量子力學在生活中的應用

李曉雨

摘 要：量子力學是現代物理學的重要的學科分支，它主要用于描述微觀事物，許多物理學理論和科學，如原子物理學、固體物理學、核物理學和粒子物理學以及其它相關的學科，都是以其為基礎。在許多現代技術裝備中，量子效應起了重要的作用。本文將圍繞量子力學的應用來進行詳細闡述。

關鍵詞：量子力學 量子效應 實際應用

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2017）10-0-01

前言

量子力學是研究物質世界微觀粒子運動規律的物理學分支，主要研究原子、分子、凝聚態物質，以及原子核和基本粒子的結構、性質的基礎理論，它與相對論一起構成現代物理學的理論基礎。量子力學不僅是現代物理學的基礎理論之一，而且在化學等學科和許多近代技術中得到廣泛應用。[1]

在許多現代技術裝備中，量子物理學的效應起了重要的作用。從激光、電子顯微鏡、原子鐘到核磁共振的醫學圖像顯示裝置，都極大地依靠了量子力學的原理和效應。對半導體的研究導致了二極管和三極管的發明，最后為現代的電子工業鋪平了道路。在核武器的發明過程中，量子力學的概念也起了關鍵的作用。

一、量子力學在晶體管中的應用

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

1.二極管的應用

二極管是一種由半導體材料構成的電子元器件，它的特性是單向導通，也就是電流只可以從二極管的一個方向流過。具體來講就是當電流正向流過二極管時，它相當于導線，電阻無限趨近于0；而當電流反向時，電路相當于斷路，其電阻無限大。由于它的這種特性，人們經常將它用作開關，通過電流方向來控制電路的通斷。舉個最為常見的例子，發光二極管是一種特殊的二極管，被廣泛應用于各種電子設備的指示燈、各種儀表的指示器以及照明。發光二極管具有的特點主要有：安全、高效率、環保、壽命長、響應快、體積小、結構牢固。因此，發光二極管是一種符合綠色照明要求的光源。

2.三極管的應用

三極管從結構上來說，相當于兩個二極管的組合體，所使用的原理也是基于量子力學的。三極管可以用作電路的開關、電流信號的放大等，在現代電子技術中扮演著重要角色。具體來講，根據它的種種特性，人們可以將一個較小的電流信號，通過三極管的電路放大，得到一個較大的電流輸出，從而滿足人們在生產生活中的需求。另外，現今許多電子設備的動力是由電機提供的，而三極管也在電機的控制領域扮演著重要的角色。

二、量子力學在激光技術中的應用

激光是20世紀以來，繼原子能、計算機、半導體之后，人類的又一重大發明，被稱為“最快的刀”、“最準的尺”、“最亮的光” [2]。與量子力學的經歷相似，激光在早期曾經也被認為是“理論上的巨人，實際應用上的侏儒”。但今天，無論是家用CD播放器，還是“導彈防御系統”，激光已經在當代人類的社會生活中，占據了核心地位。不過，如果不是量子力學，我們與激光的故事，很可能是以“擦身而過”收場。

激光器的原理，是先沖擊圍繞原子旋轉的電子，令其在重回低能量級別時迸發出光子。這些光子隨后又會引發周圍的原子發生同樣的變化，即發射出光子。最終，在激光器的引導下，這些光子形成穩定的集中束流，即我們所看到的激光。當然，人們能夠知曉這些，離不開理論物理學家馬克斯·普朗克及其發現的量子力學原理。普朗克指出，原子的能量級別不是連續的，而是分散、不連貫的。當原子發射出能量時，是以在離散值上被稱作量子的最小基本單位進行的。激光器工作的原理，實際上就是激發一個特定量子散發能量。

激光應用很廣泛，主要有激光打標、激光焊接、激光切割、光纖通信、激光光譜、激光測距、激光雷達、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、量子力學在量子計算機中的應用

量子計算機（quantum computer）是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機[3]。相比傳統計算機，量子計算機具有無可比擬的巨大優勢：并行處理。借助并行處理的能力，量子計算機能夠同時處理多重任務，而不是像傳統計算機那樣還要分出輕重緩急。量子計算機的這一特性，注定它在未來將以指數級的速度超越傳統計算機。不過，在量子計算成為現實之前，科學家們還需要克服一些艱難挑戰。比如，量子計算機使用的是比傳統比特存儲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造出來，因為這需要多種粒子共同組成網絡。直到現在，科學家只能夠一次性將12種粒子纏連起來。而量子計算機若要實現商業化應用，至少需要將這個數字增加數十倍甚至上百倍。

以上的幾個例子僅僅是人們在量子力學理論的基礎上應用的鳳毛麟角，它的實際應用更待后人去探索。

總而言之，大千世界，蕓蕓眾生，量子力學這一重要的知識領域為人類探索這個神奇的世界提供了一把鑰匙，利用量子力學的各種理論做基礎，人們可以去探索這個世界的神奇奧妙，可以更合理的利用這個世界所提供的資源，可以便利人們的生產生活，促進人類科技的不斷發展，使地球的文明越走越遠。量子力學只是這世界本源的冰山一角，人們只有不斷探索才會取得更大的進步發展。

參考文獻

[1]李豐 模擬電子技術基礎[M] 第4版 江蘇省徐州市：中國礦業大學出版社 2007年： 1-20

[2]激光 百度百科 引用日期2017.07.18

[3]森堡 量子計算機時代即將來臨？[N] 《青年參考》 2012.07.04（39）endprint