撰文
张天蓉
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宁茜
尽管创立量子力学的几位理论物理学家分成了两大派，不停地争论。但其余大多数的量子物理学家们也没有闲着，他们也许暂时没考虑如何解释波函数，到底是电荷分布，还是概率分布？但他们（也包括玻爱辩论双方的主力）却把新量子论应用到物理的各个方面，解决一个又一个问题，并且取得了可喜的成绩。因此，今天也来聊聊量子力学的应用方面。量子力学的应用
近几年“量子”这个名词突然在中国民众中热门起来，同时也造成了不少误解。人们只顾宣传量子现象之神奇，玻爱争论之长久，使得有些民众心里想：连爱因斯坦都认为不完备的理论还会有用吗？加上媒体对量子通信、量子计算机等不实的报道、宣传及争论，更使人云里雾里：以为这些尚未研究成型的玄乎技术，就是量子力学的应用。
量子力学的实际应用，一直伴随着其理论的发展，量子力学已经出现了多年，它的应用也早在上世纪20、30年代就开始了，并非这些年才有的新鲜玩意儿，已经不是尖端的技术了。那么，量子力学有没有非它不可的应用，也就是说，是否存在没有量子力学就不可能实现的技术？
答案是肯定的，并且这种应用还很多。举两个简单的例子：核磁共振和激光。它们的应用范围很广，不用多列举大家就能想出一大堆。核磁共振在医学诊断上不可或缺，激光更可以说是无处不在。就这两项应用的原理而言，核磁共振技术上的实现是基于“自旋”的概念，而激光的实现是基于“全同粒子”，玻色-爱因斯坦量子统计等性质。这些都是量子力学中的名词，没有量子力学，不可能有这两样基本发明以及之后发展出来的相关技术。
另一个更大更复杂的领域是半导体技术。最早发现半导体材料其特殊性质的人是法拉第（MichaelFaraday，-），那时候还没有量子力学。但是如果没有量子力学理论的指导，半导体技术不可能发展成现在这样越做越小的量产工程。
半导体材料是一种晶体，也就是说其中的原子呈某种周期排列。早在19世纪，法国物理学家奥古斯特·布拉菲（AugusteBravais，-）已经于年得出了三维晶体原子排列的7大晶系和所有14种可能存在的点阵结构，为固体物理学做出了奠基性的贡献。
半导体技术包括许多方面，最早用实验方法探索这14种晶体结构的，是曾经出席过两次索尔维会议的布拉格和他的父亲。布拉格父子
年诺贝尔物理学奖授予英国的亨利·布拉格（SirWilliamHenryBragg，-）和他的儿子劳伦斯?布拉格（SirWilliamLawrenceBragg，-），以表彰他们用X射线对晶体结构的分析所作的贡献。
图15-1：小布拉格（左）和老布拉格（右）晶体内部的结构如何？那时候，科学家们刚刚发现了可以穿透人体，显示出骨骼之类轮廓的“X-ray”（或称之为“伦琴射线”）但当时的物理学家对其本质却还摸不透。专家们需要用原子尺度的光栅来探索射线的本质，这也同时探索了晶体结构。
最早做这件事情的是德国物理学家马克思·冯·劳厄（MaxvonLaue，-），他因此获得了年的诺贝尔物理学奖。后来，便是布拉格父子兵在这个领域里共同上阵。年，布拉格父子分享了原来传说要颁给特斯拉的诺贝尔物理学奖。这是唯一一次父子一同登上诺贝尔领奖台，成为了一段佳话。并且，小布拉格当时只有25岁，是迄今为止最年轻的诺贝尔物理学奖得主。
布拉格父子所做的诺奖级贡献，看起来不难理解。如果说劳厄的工作证实了X射线是一种电磁波，布拉格父子则是用这种电磁波开创了X射线晶体结构分析学，这为后人用X射线（以及电子波、中子波等）研究晶体结构，建立了理论基础。图15-2是布拉格反射定律的示意图，由图可见，对某个入射角θ，如果从两个距离为d的平行晶面反射的两束波之间的光程差，正好等于波长λ的整数倍时，便符合两束波互相干涉而加强的条件：2dsinθ=nλ；另外一些角度，则可能符合两束波互相干涉而相消的条件。这样，我们就能在接受屏上观察到衍射图像。
图15-2：布拉格定律
因为是父子一起获奖，小布拉格时常会被怀疑有“靠爹得奖”的嫌疑。但事实上并非如此，在关于X射线的研究中，小布拉格做出了非常重要的贡献，得奖是实至名归的。劳厄在年发现用X光照射晶体时，会形成格子状点阵。此时的老布拉格已对X光研究多年，并且坚信X光是粒子束。当他得知了劳厄的研究结果后，立马开始设计实验，想要推翻劳厄的理论。知道父亲的想法后，小布拉格也开始研究X射线。经过几个月的反复探索，小布拉格发现，父亲的理论是错的，X光确实是一种电磁波。很快，小布拉格便完成了基于X光是波动在晶体的原子三维矩阵中产生衍射的理论，这个理论后来被称为“布拉格定律”（Braggslaw）。老布拉格在利兹大学建立了一流的X光研究实验室，他与小布拉格组成了“最佳父子拍档”，得出了一系列卓越的研究成果。布洛赫波
小布拉格曾经出席了两次索尔维会议。除了布拉格之外，还有一位两次在索尔维会议上露过面的物理学家——莱昂·布里渊（LéonBrillouin，-），他最重要的贡献是在晶体倒格子空间中表示的“布里渊区”。然而，真正将量子力学概念用于晶体研究中去求解晶体中薛定谔方程的，是获得了年诺贝尔物理学奖的美籍瑞士裔物理学家费利克斯·布洛赫（FelixBloch，-）。
FelixBloch，图源：bing.转载请注明：http://www.xiebinbinb.com/blcwewh/5884.html
