探究量子力学在生活中的应用

李晓雨

摘 要：量子力学是现代物理学的重要的学科分支，它主要用于描述微观事物，许多物理学理论和科学，如原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学以及其它相关的学科，都是以其为基础。在许多现代技术装备中，量子效应起了重要的作用。本文将围绕量子力学的应用来进行详细阐述。

关键词：量子力学 量子效应 实际应用

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2017）10-0-01

前言

量子力学是研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支，主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论，它与相对论一起构成现代物理学的理论基础。量子力学不仅是现代物理学的基础理论之一，而且在化学等学科和许多近代技术中得到广泛应用。[1]

在许多现代技术装备中，量子物理学的效应起了重要的作用。从激光、电子显微镜、原子钟到核磁共振的医学图像显示装置，都极大地依靠了量子力学的原理和效应。对半导体的研究导致了二极管和三极管的发明，最后为现代的电子工业铺平了道路。在核武器的发明过程中，量子力学的概念也起了关键的作用。

一、量子力学在晶体管中的应用

在日常生活中，人们所使用的大多数电子产品都会包含有二极管、三极管等半导体构成的电子元器件，而这些半导体的器件所使用到的原理都是基于量子力学。

1.二极管的应用

二极管是一种由半导体材料构成的电子元器件，它的特性是单向导通，也就是电流只可以从二极管的一个方向流过。具体来讲就是当电流正向流过二极管时，它相当于导线，电阻无限趋近于0；而当电流反向时，电路相当于断路，其电阻无限大。由于它的这种特性，人们经常将它用作开关，通过电流方向来控制电路的通断。举个最为常见的例子，发光二极管是一种特殊的二极管，被广泛应用于各种电子设备的指示灯、各种仪表的指示器以及照明。发光二极管具有的特点主要有：安全、高效率、环保、寿命长、响应快、体积小、结构牢固。因此，发光二极管是一种符合绿色照明要求的光源。

2.三极管的应用

三极管从结构上来说，相当于两个二极管的组合体，所使用的原理也是基于量子力学的。三极管可以用作电路的开关、电流信号的放大等，在现代电子技术中扮演着重要角色。具体来讲，根据它的种种特性，人们可以将一个较小的电流信号，通过三极管的电路放大，得到一个较大的电流输出，从而满足人们在生产生活中的需求。另外，现今许多电子设备的动力是由电机提供的，而三极管也在电机的控制领域扮演着重要的角色。

二、量子力学在激光技术中的应用

激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光” [2]。与量子力学的经历相似，激光在早期曾经也被认为是“理论上的巨人，实际应用上的侏儒”。但今天，无论是家用CD播放器，还是“导弹防御系统”，激光已经在当代人类的社会生活中，占据了核心地位。不过，如果不是量子力学，我们与激光的故事，很可能是以“擦身而过”收场。

激光器的原理，是先冲击围绕原子旋转的电子，令其在重回低能量级别时迸发出光子。这些光子随后又会引发周围的原子发生同样的变化，即发射出光子。最终，在激光器的引导下，这些光子形成稳定的集中束流，即我们所看到的激光。当然，人们能够知晓这些，离不开理论物理学家马克斯·普朗克及其发现的量子力学原理。普朗克指出，原子的能量级别不是连续的，而是分散、不连贯的。当原子发射出能量时，是以在离散值上被称作量子的最小基本单位进行的。激光器工作的原理，实际上就是激发一个特定量子散发能量。

激光应用很广泛，主要有激光打标、激光焊接、激光切割、光纤通信、激光光谱、激光测距、激光雷达、激光武器、激光唱片、激光指示器、激光矫视、激光美容、激光扫描、激光灭蚊器等等。

三、量子力学在量子计算机中的应用

量子计算机（quantum computer）是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机[3]。相比传统计算机，量子计算机具有无可比拟的巨大优势：并行处理。借助并行处理的能力，量子计算机能够同时处理多重任务，而不是像传统计算机那样还要分出轻重缓急。量子计算机的这一特性，注定它在未来将以指数级的速度超越传统计算机。不过，在量子计算成为现实之前，科学家们还需要克服一些艰难挑战。比如，量子计算机使用的是比传统比特存储能力高出许多的量子比特，但是不幸的是，量子比特非常难以创造出来，因为这需要多种粒子共同组成网络。直到现在，科学家只能够一次性将12种粒子缠连起来。而量子计算机若要实现商业化应用，至少需要将这个数字增加数十倍甚至上百倍。

以上的几个例子仅仅是人们在量子力学理论的基础上应用的凤毛麟角，它的实际应用更待后人去探索。

总而言之，大千世界，芸芸众生，量子力学这一重要的知识领域为人类探索这个神奇的世界提供了一把钥匙，利用量子力学的各种理论做基础，人们可以去探索这个世界的神奇奥妙，可以更合理的利用这个世界所提供的资源，可以便利人们的生产生活，促进人类科技的不断发展，使地球的文明越走越远。量子力学只是这世界本源的冰山一角，人们只有不断探索才会取得更大的进步发展。

参考文献

[1]李丰 模拟电子技术基础[M] 第4版 江苏省徐州市：中国矿业大学出版社 2007年： 1-20

[2]激光 百度百科 引用日期2017.07.18

[3]森堡 量子計算机时代即将来临？[N] 《青年参考》 2012.07.04（39）endprint