量子力學在當代和近未來有什麼實際應用?

由於“量子”這個詞近年來很流行,所以許多人誤以為量子力學是個新理論,然後問它有什麼實際應用,彷彿量子力學跟黑洞、引力波似的,只有開腦洞的作用。

然而實際情況是,量子力學是一個很古老的理論:1900年就出現了,至今超過了一個世紀!量子力學的應用,早就擴充套件到了整個物理學、整個自然科學(全部的化學都可以理解為量子力學的應用,而生物學又可以理解為化學的應用,所以……)、全部的現代技術(如電視、手機、鐳射器、電子管、電晶體、積體電路)。

量子力學的重要性,從這一點就能看出來了:許多最最基本的問題,是量子力學出現後才能回答的。例如:

為什麼原子能保持穩定,例如氫原子中的電子不落到原子核上?(因為氫原子中電子的能量是“量子化”的,最低只能取-13。6 eV,如果落到原子核上就變成負無窮,低於這個值了。)

原子模型

為什麼原子能形成分子,例如兩個氫原子H聚成一個氫氣分子H2?(因為分子的能量也是量子化的,形成分子後,總的能量降低了。)

為什麼原子有不同的組合方式,例如碳原子能組合成石墨、金剛石、足球烯、碳奈米管、石墨烯?為什麼食鹽NaCl會形成離子晶體?

為什麼有些物質很穩定,而有些物質容易發生化學反應?

為什麼有些物質例如銅能導電,有些物質例如塑膠不導電?為什麼有些物質例如矽是半導體?為什麼有些物質例如水銀在低溫下變成超導體?。

為什麼會有相變,例如水在0攝氏度以下結冰,0-100攝氏度之間是液體,100攝氏度以上氣化?

為什麼改變鋼鐵的組成,能製造出各種特種鋼?

為什麼鐳射器和發光二極體能夠發光?

為什麼化學家能合成比大自然原有物質種類多得多的新物質?

為什麼透過觀察宇宙中的光譜線能知道遠處星球的元素組成?……

現代社會碩果累累的技術成就,幾乎全都與量子力學有關。你開啟一個電器,導電性是由量子力學解釋的,電源、晶片、儲存器、顯示器的工作原理是基於量子力學的。走進一個房間,鋼鐵、水泥、玻璃、塑膠、纖維、橡膠的性質是由量子力學決定的。登上飛機、輪船、汽車,燃料的燃燒過程是由量子力學決定的。研製新的化學工藝、新材料、新藥,都離不開量子力學。

所以,與其問量子力學能用來幹什麼,不如問它不能幹什麼!回答是:幾乎沒有與量子力學不相關的技術!