你可能听说过量子力学，也许一想到它，脑中浮现的就是错综复杂的数学公式和那些深奥的物理定律。不禁想问，量子力学到底有什么用呢？能帮我们造个机器人还是飞上月球？其实，这个问题问得不太对，真正的问题应该是：量子力学究竟有什么不能做到的！因为，从我们呼吸的空气到手中的智能手机，量子力学无处不在。它不只是研究“微观世界的物理学”，而是现代科技和宇宙结构的基石。没有它，原子本身也会崩塌，世界可能压根不存在！

量子力学与世界的“稳定性”

我们每天使用的几乎所有技术，从电力传输到手机计算芯片，都依赖量子力学的理论支持。然而，量子力学带来的不仅是科技的进步，它甚至能解释世界本身的存在。怎么理解呢？

让我们回到原子的结构：原子由带正电的原子核和带负电的电子组成。按经典物理学的观点，电子在绕原子核运动时会不断释放能量，最终能量耗尽后应当坠入原子核，导致整个原子崩塌——这是必然的、不可避免的结局！然而现实显然不是这样。我们不仅好好地存在着，世界上的原子也没有任何崩塌的迹象，这种稳定性正是量子力学的神奇贡献。

量子力学的解释是，电子并非可以随意地拥有任何能量，而是“量子化”的。它们只能停留在一些特定的能量状态——也叫“能级”。在这些能级中，有一个最低的状态，电子只能待在这里，再也无法降至更低的能量。正是这种“量子台阶”式的能量分布拯救了原子，拯救了世界，使得我们得以存在。

导体、绝缘体和半导体的“谜团”

除了让世界得以存在，量子力学还彻底革新了我们对物质导电性的理解。我们都知道铜和铝是导体，而木头和塑料不导电。但“为什么”会这样呢？中小学教材里告诉我们，有些物质能导电是因为其中电子是“自由”的，而其他物质中电子“不自由”。可这个解释并未揭示出真正的原因。

量子力学为此带来了一个完整的理论解释——能带理论。简而言之，在能带理论中，物质的电子能量状态被划分为“能带”，是否导电取决于电子能否“跨过”这些能带。例如，导体的电子可以轻松跃迁，因此能够导电，而绝缘体的能带间距大，电子难以越过，自然无法导电。更奇妙的是，量子力学的这套理论还揭示了一类特殊材料——半导体，它可以在一定条件下导电或绝缘。这一特性使得半导体成为芯片、晶体管等基础电子器件的核心。没有量子力学，你手中的手机、电脑几乎就无法存在！

超导体：零电阻的“量子魔法”

量子力学的威力还不止于此。科学家们发现，物质在极低温度下会呈现一种完全不同的特性——电阻突然消失，成为“超导体”。例如，把水银冷却到接近绝对零度（零下268.95摄氏度），它的电阻会突然降为零。这种现象完全无法用经典物理解释，而是量子力学的独特产物。超导现象的应用潜力巨大，比如未来的高效能电力输送、无摩擦的磁悬浮列车等都可能因此成为现实。

量子力学的应用：从激光到核磁共振

量子力学不仅仅是实验室里的科学，它还直接推动了现代技术的发展。我们熟悉的激光器、二极管、核磁共振成像、电子显微镜等高科技设备，无一不依赖于量子原理。甚至连我们常用的互联网设备、智能手机、计算机芯片都需要依赖量子力学中的电子跃迁和能带理论。可以说，量子力学不是“未来的科学”，它已然深入我们生活的每一个细节。

如果你还在好奇量子力学能干什么，不妨换个视角：没有量子力学，世界也许根本不会存在，我们的生活将变得完全不可思议。从宏观到微观、从稳定的物质世界到最尖端的科技产品，量子力学是支撑一切的“隐形手”。这不仅仅是物理学的突破，更是人类对自然奥秘的深刻探索。

作者：《你也可以理解量子信息》风云际会

审核：罗会仟 中科院物理所研究员

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来源: 星空计划

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