没想到‘灯泡’是量子设备,它是如何一步步打

没想到‘灯泡’是量子设备,它是如何一步步打

时间:2020-01-09 07:23 作者:admin 点击:
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难以想象的强大量子计算机,牢不可破的量子加密,超精密的量子传感器,当我们想到量子技术时,我们想到的都是这些‘黑科技’。但是,尽管我们正在学习以新的方式利用世界的量子特性,但更深层的事实是,世界一直是量子的。

即使是老式发明的标志——灯泡——也是一种量子技术。事实上,参观灯泡的历史就像参观科学史一样,在科学史上,小的谜题可以带来大的突破,而深奥的小观察——只要有足够的时间——可以照亮整个世界。

老式灯泡:量子世界的黎明

第一个灯泡是白炽的,这是物理学家的说法,它们发光是因为它们达到了一定的温度。事实上,所有热的东西都以同样的方式发光。把一些东西——余烬、玻璃、粘土、钢铁、灯泡里的小丝,任何东西——加热到800摄氏度,它就会发出红光。加热到1100°C,它会变成黄色。1300°C—白色。

为什么在相同的温度下,所有物体都会发出相同的颜色光?物理学家喜欢一个好的现象学问题,在19世纪末,这个问题风靡一时。

当时最好的科学模型说,光的能量应该均匀地‘涂抹’在所有频率上。这似乎是合理的,但结果却是一个荒谬的预测。在频谱的高端,如果每个频率都得到等量的能量,那么光谱的高端就会有更多的能量——一台普通的烤面包机就会产生致盲的紫外线和致命的x射线辐射。事实并非如此,对那些喜欢吐司的人来说,这是好消息,但对19世纪的物理学来说却是坏消息。这个问题后来被称为“紫外线灾难”。

马克斯·普朗克。与大多数重塑科学的人不同,普朗克并不是一个新潮的年轻思想家:他40多岁,在柏林大学拥有一个舒适的职位,还拥有普鲁士科学院的会员资格。他是热力学的领军人物,热力学是物理学的一个分支,定义了热与其他能量形式之间的关系。紫外线灾难应该是他的拿手好戏。但是,像其他人一样,他不能做出一个有效的模型。

和其他所有人一样,他为此奋斗了多年。普朗克通过阐明热力学第二定律的微妙之处建立了自己的事业,热力学第二定律指出熵总是在增加。他认为第二定律在任何情况下都是绝对正确的,但当时并非所有人都这么认为。

路德维希玻尔兹曼建立了一个气体热模型,将气体切割成分子,然后利用统计数据考虑它们的平均位置和速度。他甚至写了一个统计版的第二定律,其中熵平均增加,但可能由于瞬间的波动而暂时减少。他甚至不相信原子和分子的存在。

所以,普朗克一定是绝望地转向玻尔兹曼的方法来处理紫外线灾难。由于玻尔兹曼把气体切成原子,普朗克把能量切成包,他用玻尔兹曼的统计方法来计算这些包有多小。事实上,它们确实有一个最小的尺寸。

这是——现在也是——紫外线灾难的解决方案:能量不会均匀地涂抹在所有频率上,因为能量不是你可以均匀涂抹的东西。在小尺度上,它是块状的,以比特的形式出现,普朗克称之为“量子”。这是量子力学的开端。

每次你打开一个老式的白炽灯,你就在点亮19世纪和量子时代之间的桥梁。

荧光灯泡:新的光线

荧光灯泡体现了一个完全不同的量子原理:光谱线。当光线通过玻璃棱镜时,它被分成我们大多数人所说的彩虹和科学家所说的光谱。19世纪初,一位名叫约瑟夫·冯·弗劳恩霍夫的年轻玻璃制造商在研究这种效应时,发现了一些东西,这些东西将在未来几个世纪里塑造科学的进程。

弗劳恩霍夫的发现背后的故事是如此的不可能,几乎就像一个童话。约瑟夫是一家玻璃制造商最小的儿子,11岁时就成了孤儿。他的监护人把他卖给了一个很有声望的学徒制,负责切割花瓶和装饰性的镜子。但是年轻的约瑟夫讨厌它,因为它在科学上没有什么意思,他不能继续他的研究,也不能读他关于光学的书。如果不是因为这位玻璃大师的房子倒塌了,约瑟夫也在里面,也许一切就都结束了——一个更有才华的人被贫穷和机遇夺去了生命。

故事是这样的:约瑟夫的获救得到了巴伐利亚王子马克西米利安四世的帮助。在马克西米利安王子的支持下,这个少年离开了学徒生涯,买了新的工具。弗劳恩霍夫成为了一名研究人员,望远镜镜片的生产商,以及光折射方面的专家。

为了帮助他的研究,弗劳恩霍夫发明了一种光栅,它比棱镜更可靠地分离颜色。他的目标是可靠地产生相同的特定颜色,这样他就可以研究它在不同种类和形状的玻璃中弯曲的方式。但在他绘制的阳光颜色图谱中,他发现了一些全新的东西:一系列深色的线条,横跨光谱,就像印在彩虹上的条形码。它们后来被称为弗劳恩霍夫线。

和大多数玻璃制造商一样,弗劳恩霍夫很年轻就去世了,死于工艺中的重金属毒素。但弗劳恩霍夫家族并没有随着他而消亡。1860年,古斯塔夫·基尔霍夫和罗伯特·本森终于揭开了他们的秘密。他们发现,当光通过一种含有铁的气体时,这种气体吸收了特定的蓝光和绿光,在光谱中形成了黑色的线条。如果燃烧相同的气体,就会产生这些特定颜色的线条。每个元素都有一个独特的条形码——一组独特的光谱线。

突然间,光谱线可以用来分辨物体是由什么构成的。突然,我们可以研究太阳的组成了!但要弄清楚为什么不同的元素有不同的光谱条形码,又花了50年的时间和一场科学革命。

1913年,也就是弗劳恩霍夫绘制出他的线条将近100年后,尼尔斯·玻尔提出了原子的第一个量子模型。在这个过程中,电子从一个能级“跃迁”到另一个能级,以特定波长(或颜色)发射或吸收光。这几个不同的能级和它们之间的跃迁给每个元素一组独特的谱线。

条形码原来是量子的。这让我们回到荧光灯照明。在荧光灯灯泡里有一个发出紫外线辐射的光源。在灯泡内部的涂层是荧光粉,它可以吸收那些紫外线,将它们的电子向上推进几步,达到非常高的能级。当电子回落时,它们会发出一系列不同颜色的光,这些光加在一起恰好看起来是白色的条形码。

所以当你打开一个荧光灯泡,你就掌握了另一项技术,它的根源可以追溯到一位年轻而细心的研究员注意到一些奇怪的事情。

量子起源和量子分支

1900年,普朗克提出光以量子的形式存在。1905年,爱因斯坦定义了电子如何通过光电效应吸收或发射这些光。1916年,玻尔将这两种观点结合在一起,创造了原子的第一个量子模型。这三项发现合在一起被称为“旧量子力学”。

随着物理学的发展,西方世界也发生了翻天覆地的变化。第一次世界大战爆发于1914年至1918年。那场战争中的一名士兵是来自一个贵族家庭的法国学生。他的名字叫路易·维克多·皮埃尔·雷蒙德·德布罗意,他最终成为第七个德布罗意公爵和王国的王子。但当战争爆发时,他加入了法国军队,成为了一名无线电操作员,驻扎在埃菲尔铁塔——那时,他既是一名无线电报发射机,也是一个地标。

对年轻的路易斯来说,远离战壕的恐怖是一次幸运的突破,也许对物理学也是如此。他开始深入了解无线电波及其技术问题。他有时间和人脉去阅读现代物理学,并了解到光既可以是粒子,也可以是波。

德布罗意从战争中幸存下来,转而研究物理学。在一篇开创性的博士论文中,他断言,就像光可以具有物质的粒子性质一样,物质——尤其是电子——也可以具有光的波状性质。

物质如波浪:这是惊人的,但它是真实的。新的量子力学诞生了。在那之后,事情发生得很快。狄拉克和他的波动方程出现了,海森堡和薛定谔及其波动力学公式,然后布洛赫用他对固体的量子理解。布洛赫的理解为我们现在所说的半导体材料奇特的导电和绝缘特性的模型提供了肖特基基础。

工程师们(以及更多的物理学家)从那里来到了这里,他们利用半导体的量子特性制造设备,掀起了持续数十年的创新浪潮。其中一种设备是发光二极管(LED)。

LED灯泡——正如人们可能猜到的那样,是由LED点亮的——站在一棵技术创新大树的一个枝头,所有这些都植根于理论物理学。它的根也会向外延伸并深入——人们可以通过一些著名的名字和不知名的名字,通过灯泡的瞬间和一些奇怪的小观察来追根溯源。灯泡也不是独一无二的上个世纪的几乎每一项技术都植根于基础研究——没有明显或直接效益的研究。当我们打开一盏灯的时候,想想我们指尖上的科学史是很有趣的。