这是物理学家李淼在“一刻talks”上的演讲。长期从事科普的李淼认为,做科普要向好莱坞看齐,只有把故事讲好了,才会让人对科学产生兴趣。
今天我要与大家分享的是关于量子力学的科普知识。我是一个物理学家,严格来讲是一个理论物理学家,如果再细分的话是一个宇宙学家,就是研究宇宙的。
但是在近20年特别是近5年里,我把很多时间用于科普。我为什么做科普呢?1999年我从美国回到国内,由于互联网的兴起,给了我一个科普的机会,我常常在网络上给大家写科普小文。再后来,我开始在专栏杂志上写科普短文,写着写着就停不下来了。如今,毫不夸张地说,我把自己的一半精力贡献给了科普。
按照重要性来划分,科普一般来说有三个特点:第一,要精确,要严谨。第二,要通俗,深入浅出。第三,要有趣,有故事性。但是在5年前,我彻底颠覆了这个观念,在我看来,第三点和第一点应该对换一下,有趣才是科普最重要的特点。
为什么这样说呢?科普其实是一种服务,就像2007年智能手机发明之前,我们根本不知道有智能手机,也不需要这种服务;但是智能手机出现以后,现在我们大家都离不开智能手机了。
科普也是这样。在日常生活中,我们可能觉得有些科学知识并不需要。比如,我们只要会开车就行了,为什么还要知道汽车发动机的原理呢?我们每个人都会用手机,为什么非要知道手机里芯片的复杂运算原理呢?但事实上,科普做的事情,就是把你以为不需要的东西变成你需要的东西,所以它是一种服务。
那么,怎样把你以为不需要的东西变成你需要的东西呢?就是通过有趣形象的描述,让你感到好玩,进而对这个东西产生好奇心,就像孩子看故事书是因为好玩一样。做科普要向好莱坞看齐,只有把故事讲好了,才会让人对科学产生兴趣。我的科普观就是把科学传播看成科学销售,或者干脆变成好莱坞的一种方式推销给你。
我曾经写过一本书叫作《给孩子讲量子力学》,有人问我,这本书是给谁写的,我说其实这本书的读者年龄可以从7岁到80岁。为什么要给大家讲量子力学呢?因为量子力学在我们日常生活里非常普遍,我们的手机离不开量子力学,照明也离不开量子力学,很多方面都离不开量子力学。
先来给大家说一说光电效应,爱因斯坦正是因为对光电效应定律的发现而获得了诺贝尔物理学奖。有这样一个实验:放置一张金属板,把光打在上面,你会发现,对于大部分金属板,比如锌板,光照在上面什么也没发生。但如果在金属板附近放一个电位计,当我把光慢慢改变成紫外光的时候,突然电位计的一个指针动了。这个指针动了表明什么呢?表明金属板在光的照射下产生了某种东西,导致指针的电位变化。后来我们知道,那是产生了电子,即光生电。光电现象很早就有人发现,但是爱因斯坦对光电效应做出了正确的解释,因此获得诺贝尔物理学奖。很多人不了解理论物理,不了解爱因斯坦,都以为爱因斯坦是因为相对论而得的奖。
光电效应的应用非常广泛,比如,制造光电倍增管、利用光控制电器、太阳能等,都用到光电效应。
再来说说量子力学的应用。大家每天用的手机里,就有量子力学的应用,其中之一就是我们现在经常讨论的芯片。
量子力学在芯片上的应用,涉及两个方面。首先,当我们用光刻机在一个纯净的硅片上刻线路的时候,光刻机本身用的是激光,而激光要非常精准,因为现在的芯片最小的单元已经到了10个纳米左右,所以要求激光的光束比10个纳米还要窄。要做到这一点,普通的光不行,只能用激光。
激光是怎么发明出来呢?早在1916年,激光的原理已被爱因斯坦发现。激光是什么?是所有的光子就像在操场上跑步一样,“一二一,一二一”,全部步调一致。这个步调一致有两个好处:一个好处是,它是单色的,每个光子的能量是一模一样的;第二个好处是,因为步调一致,所以它的定向性非常好。激光正是根据量子力学原理产生的明亮光束。
量子力学在芯片里的另一个应用,是三极管和二极管,也就是所谓的晶体管。晶体管是芯片里真正的基础单元,一个晶体管就是一个开关,相当于一扇门,这个门可以开着,也可以关起来。晶体管的开关和放大信号的作用,正是利用了量子力学的原理。
我们总认为量子力学离我们很远,但实际上量子力学的应用无处不在。
为什么说你也可以弄懂量子力学呢?这就要回到我的科普观。美国有一位儿童教育学家说:没有任何一个学科的任何知识,是不能讲给任何人听的。也就是说,任何一个对象,都可以把它变成一个直观的形象或者故事传递给大家。这就是科普的魅力。