卢瑟福见到玻尔的时候，玻尔说其实他有五六个物理学的答案。卢瑟福就好奇了，说你能说出几个你的答案吗，玻尔说好。有一个物理学答案是这样的：把气压计拿到楼顶上，然后一松手让它自由落地，通过测量它落地的时间，就可以根据自由落体定律算出大楼的高度。玻尔还有好几个物理学的回答，都是这种虽然正确、但令人抓狂的答案。最后，玻尔说他还有一个最简单的答案：可以去找大楼的看门人，跟他说如果他能告知大楼的高度，就把气压计送给他。卢瑟福觉得这个年轻人很有才气，于是就给了他满分。
不过真实情况是，玻尔第一次见到卢瑟福的时候，他就已经在哥本哈根大学拿到了博士学位。玻尔后来又回到了哥本哈根大学，创建了著名的玻尔研究所。顺便说一下，我的博士学位就是在哥本哈根大学的玻尔研究所拿到的，那是1990年的事了。所以，上面讲的故事其实是玻尔的粉丝编出来的，来说明玻尔多有才气。下面我再讲一个真实的玻尔的故事。
一提起科学家，很多人脑海中立刻浮现出一副陈景润似的身单力薄、病歪歪的形象。但事实上，科学家中也有不少肌肉男，其中最典型的例子就是玻尔。玻尔年轻时是一个非常有名的足球运动员。他还有一个后来当了数学家的弟弟，比他更厉害，曾经代表丹麦国家足球队参加过奥运会，并且获得了奥运会的银牌。兄弟俩都曾效力于哥本哈根大学足球队。这是一支很强的球队，多次获得丹麦全国比赛的冠军。玻尔是这支球队的替补守门员。为什么是替补呢？我们刚才说过，玻尔所在的球队很强，一般都是他们去围攻别的球队的大门，很少会让别的球队威胁自己的球门。作为这支强队的守门员，玻尔在大多数时间里都是很闲的。为了打发时间，他养成了一个“坏”习惯，就是在空闲的时候会找几道物理题来算。有一次，他们和一支德国球队比赛，玻尔又习惯性地算上物理题了。结果德国球员发动反击，看到对方守门员不知道在发什么呆，就直接远射吊门。玻尔还沉浸在物理的世界里，根本没注意到发生了什么就被德国人攻破了球门。玻尔球队的教练勃然大怒，从此以后就把玻尔贬为替补守门员了。
基于卢瑟福的实验结果，玻尔提出了著名的氢原子模型。下面就是这个模型的示意图。氢原子中心有一个原子核，原子核外还有一个电子。最关键的是，电子只能在一些特定的轨道上运动。这就像学校运动会的100米赛跑，运动员只能在自己的跑道里完成比赛，而不能横穿操场直接跑向终点。电子也是如此，它只能待在特定的轨道里，无法在其他地方稳定存在。这样就像我们刚才所说的，如果士兵都可以在自己队伍里来回跑动，那么这两队士兵相互走过去的时候就有可能碰到一起了。
尽管这两队士兵都可以在自己队伍里跑，他们相互走过去碰到一起的可能性还是很小，毕竟相邻两个士兵之间隔了100公里。所以玻尔的氢原子模型只是解决物质稳定性问题的第一步。
第二个推动问题解决的人是德国物理学家海森堡。海森堡在大牌物理学家中是一个异类。为什么这么说呢？因为很少有大牌物理学家像他这样数学不好。海森堡读博士时研究的是湍流，就是我们平时看到的那种江河水很混乱地流动的现象。研究湍流需要解一个很复杂的方程。但是海森堡数学不好，解不出来，弄得差点都毕不了业了。不过海森堡有一个很大的优点，就是他的物理直觉特别好。也就是说，他虽然搞不懂中间过程，却善于跳过过程直接得到最终的结果。海森堡猜出了一个此方程的近似解，拿到了博士学位。结果这个为了毕业乱猜出来的解，最后居然被一些数学家证明是正确的。
海森堡
回到我们的主线。海森堡是怎么解释物质稳定性问题的呢？他说原子中的电子，其实并不在一个个独立的轨道上运动，而是像我们上节课讲的，像鬼影一样到处移动。换句话说，电子的位置是不确定的，任何时刻都会同时出现在很多地方。只有当我们去看的时候，才能知道电子具体出现在哪里；如果不去看，电子就会同时待在很多地方。听起来很奇妙，对吧？这就是量子力学的神奇之处。
海森堡是怎么产生这种奇妙的想法的呢？24岁那年，海森堡得了很严重的过敏性鼻炎，没法工作了。所以他跑到一个叫黑尔戈兰的小岛上去度假疗养。这个岛光秃秃的，岛上没有树，没有花，没有草。海森堡住在这个光秃秃的小岛上，过敏性鼻炎好了，因此他脑子也清醒了。他思考玻尔的模型，觉得如果抛弃轨道的概念，让电子可以到处乱转，并同时出现在很多地方，那原子结构就会变得稳定。你想啊，虽然两个士兵相距100公里，相当于从北京到天津，但这些士兵个个有超能力，在任何时刻都能出现在北京与天津之间的任意地方。那你说，这两排士兵是不是就很容易撞上了呢？
这是正常的答案。但我想真实的故事应该是这样的：海森堡在光秃秃的小岛上觉得无聊，四处散步，然后黄昏时看到了低垂于海面上的云彩。他突然来了灵感，觉得电子要是没有确定的位置，而是像云彩一样飘散在各处，两个原子就有可能会撞到一起。
但我们知道，云彩是软绵绵的。两朵云相撞的时候会融为一体，而不是像水杯和桌子那样泾渭分明。换句话说，虽然海森堡的理论让相距甚远的原子可以撞到一起，但无法保证它们相撞后能互相弹开。所以，物质稳定性问题依然没有得到解决。
泡利
第三个解决问题的人出现了，他就是海森堡的师兄，奥地利物理学家泡利。
泡利是历史上赫赫有名的天才。天才到什么程度呢？我给你们举个例子。我们都知道，20世纪最伟大的物理学家是爱因斯坦，而爱因斯坦最著名的理论是广义相对论。这个理论特别艰深，以至于在它被提出后的十年间，全世界都没有几个人能搞懂它。但在广义相对论被提出后的第五年，年仅21岁的泡利就写了一本书来系统地介绍它。你想想看，一个21岁的年轻人，仅凭一己之力就弄懂了全世界没几个人懂的理论，还把它深入浅出地写成了一本书，这是一件多么不可思议的事啊！就连爱因斯坦本人都发出惊呼：“任何该领域的专家都不会相信，此书竟出自一个年仅21岁的青年之手。”
现在我们来讲讲泡利是怎么解决这个问题的。泡利这个人很喜欢跳舞。一个有名的故事说，他曾为了参加一个大型舞会而拒绝出席某届索尔维会议。索尔维会议是历史上最有名的物理学会议，每次都会邀请几十位世界上最著名的物理学家。能参加这个会议，对物理学家而言是一件很荣耀的事情。但泡利放着这个最著名的物理学会议不参加，反而去参加了一个舞会。
泡利在舞会上发现了一种现象：一个男生和一个女生跳舞，通常都是一对一对跳的；而如果一个女生跟一个男生跳舞，她会很讨厌另外一个女生也加进来跟这个男生跳舞。
可能会有小朋友说了，这算哪门子发现啊？这不是谁都知道的事吗？但恰恰是受这个平淡无奇的现象启发，泡利发现了著名的泡利不相容原理。这个原理其实很简单，就是说在一个氢原子核周围只能有一个电子，另外一个电子根本就进不去。正如一个男生只能和一个女生跳舞，不能同时跟两个女生跳一样，“一朵云彩”里面也只能有一个电子，不允许第二个电子的存在。你看，泡利不相容原理一引进来，原来软绵绵的云彩立刻就变得很坚硬了吧？换句话说，原子是由一对对“舞伴”组成的，他们不喜欢其他的“舞伴”随便靠近。正是由于这个原因，两个原子势必要保持一定的距离，而不会碰撞到一起。这就解释了我们上面说过的由一排排原子组成的物体不会突然缩小，以及水杯放在桌子上不会突然掉下去的问题。
对泡利不相容原理做出进一步贡献的人叫费米，是一位意大利的物理学家。第二次世界大战的时候，费米逃到了美国，去帮美国人造原子弹。原子弹造好以后，大家都想知道这种新武器到底有多大威力，可又不敢真的跑过去测量，因为离得太近就没命了。这时费米想了个办法，在很远的地方就把原子弹的爆炸威力给测出来了。你猜费米是怎么做到的？他随手抓了一把纸屑，在原子弹爆炸的时候往空中一抛。爆炸掀起的大风让这些纸屑往后飘了一定的距离。费米就用这段往后飘的距离，估算出了原子弹爆炸的威力。
费米认为在原子的世界里，所有女生其实都是一模一样的。换句话说，所有的电子都长得一模一样。两个一模一样的女生可以在两朵不同的云彩里和两个男生跳舞，但是不允许这两个女生在同一朵云彩里和一个男生跳舞。
费米
聪明的小朋友可能会问，我们能不能把原子核放在一堆，把电子放在另一堆，然后让一大堆原子核和一大堆电子互相绕转？如果发生这种情况的话，物质还会不会塌陷或爆炸？这是一个很好的问题。解决这个问题的人是英国物理学家戴森。
戴森是英国人，却长期住在美国。他发现英国人总是很悲观，而美国人总是很乐观；英国人总是勇于承认失败，而美国人总是要当胜利者。戴森觉得这两种性格都太极端，不好。最好还是把两者结合在一起。受此启发，戴森用泡利不相容原理证明了原子核一定会与电子配成一对，从而形成原子。这也符合我们日常生活的经验。在舞会上，不可能是男生挤成一堆，女生也挤成一堆，然后一堆男生和一堆女生围在一起跳舞。舞会总是由很多对舞伴组成，每对舞伴都包括一个男生和一个女生，男生和女生会自动在舞会上结成舞伴，这就彻底解决了物质为什么不会塌陷的问题。
戴森
估计有同学要问了，你只说了为什么物质不会向内塌陷，并没有说为什么物质不会向外爆炸啊？答案其实很简单。我们已经说过，原子核会与电子配对，从而形成原子。这就像男生和女生会结成舞伴，然后在舞会上跳舞一样。常常会有这种情况：一对舞伴中的男生也想跟其他女生跳舞，而一对舞伴中的女生也想和其他男生跳舞。因此，不同的舞伴之间可以相互交换成员。类似的，不同的原子之间也可以互相分享电子和原子核。这种情况下，不同的原子间会产生一种吸引力，这就是所谓的化学键。
给大家看一张图。这就是两个氢原子形成一个氢分子的示意图。氢原子是由一个氢原子核和一个电子所组成的一对舞伴。当两个氢原子足够接近的时候，两个氢原子中的电子就可以越界跑到对方的区域。这就像两对舞伴，其中的两个女生都可以去跟另外的男生跳舞。这样，两个氢原子由于化学键的吸引力紧紧地结合在一起，从而形成了一个氢分子。正是由于化学键的吸引力，物质才不会四处飞散，更不会突然爆炸了。
让我们来总结一下本节课的内容。在舞会上，一群男生和一群女生会自动结成一对对舞伴。每对舞伴中的女生都不希望别的女生来抢自己的男伴，从而产生了一种向外的排斥力。这就是物质不会突然向内塌陷的原因。与此同时，每对舞伴中的女生其实还想跟其他男生跳舞，而每对舞伴中的男生其实也想跟其他女生跳舞，这又会产生一种向内的吸引力。这就是物质不会突然向外爆炸的原因。既不会塌陷，也不会爆炸，所以物质就能一直保持稳定了。
最后给大家一个彩蛋，讲讲著名的戴森球。这是由刚才说到的物理学家戴森最早提出来的。什么是戴森球呢？其实就是一个巨大的太阳能发电站，大到足以把整个太阳都包起来。这样太阳发出的所有能量，都可以被转化成电能。当然，这东西太先进了，我们人类在很长一段时间内是造不出来的。假如有外星智慧生命，它们的文明就有可能发达到足以造出戴森球。一旦它们造出了这个东西，被戴森球包住的那颗恒星的亮度就会显著降低。这样，我们人类就可以通过观测恒星亮度的变化，来寻找这些外星文明了。
延伸阅读
1 原子中的电子是一个基本粒子，它是点状的，没有大小，所以不会爆炸；所有基本粒子在物理学中都是数学上纯粹的点，没有大小也没有长宽，因此不会爆炸。
2 火药为什么会爆炸？这是一个很好的问题。如果我们不点燃火药，它不会爆炸。火药爆炸的原因是它发生了化学反应，就是火药里的不同成分发生了反应。这些化学反应有时会产生斥力，这时候就会发生爆炸。
3 经典物理当然有用，当很多原子和分子组合在一起，这团物质被看成一整个对象的时候，它就满足经典物理学，但是经典物理学没法解释物质为什么会保持稳定。
4 泥土会塌陷是因为当泥土重到一定程度的时候，泥土中原子的斥力不足以抵抗压力，所以会塌陷。当泥土密度大到一定程度之后，也就是当你将泥土夯实到一定程度的时候，它的分子和原子之间的斥力可以排斥压力，就不会塌陷了。
5 所有物理学规律都是用实验来验证的。当一个原子掠过另一个原子时，它有可能把那个原子里的电子带走，这个带走的可能性是可以计算的，就像两对舞伴互相路过的时候有可能交换舞伴，交换的可能性也可以计算——假如我们知道这些跳舞人的心思。
6火是一个概念，当我们看到火的时候，其实是一团物质在发光。加热物质之后，它里面原子中的电子会被激发出来，电子从原子中掉出来就会辐射光。所以火本身不是物质，火只是物质发光的一种现象。
我们通常把火向上烧的那个发光的部分看成火，其实它大部分是气体。铁也发光，我们会说铁烧红了而不说那是火，这是习惯说法。铁发光的时候跟空气发光是一模一样的。
7 每个质子和电子都有确定的重量。如果能称重量，每两个电子的重量是完全相同的，这就是费米发现的事实：所有电子都长得一模一样，没有办法区分。每两个质子的重量也是完全相同的，当然，不同元素的重量不同。氧元素与碳元素的重量是不同的，金原子与银原子的重量也不同，总之，每个不同元素的原子都有不同的重量。
8 我们可以造出一些不稳定的重原子核，特别重的元素通常是人造出来的。有时候一个很重的元素刚造出来就被毁掉了。
9 电子永远不会碰到原子核，因为电子就是围绕着原子核的一团雾。当两个原子靠近的时候，它们的电子会互相干扰对方，但不会碰到原子核。
10 电子能量高的时候可以叫成高能粒子，中微子高能的时候也是高能粒子。不同的粒子之间会发生不同的反应。电子最小（最轻），电子是基本粒子。原子核不是基本的，原子核里面有质子和中子。质子和中子也不是基本的，质子和中子是由夸克组成的。
11 现在可以确定中微子不是暗物质，暗物质一定是我们不知道的一种粒子，或者某几种粒子。
物理学家一般认为夸克本身是基本粒子，没有大小，像电子一样。原子没有办法被切成若干份，是因为原子由原子核和电子组成，你只能把电子从原子中拿掉，然后剩下一个原子核，你没有办法把原子核切成若干份。夸克是基本粒子，像电子一样不可再分。
12 我们现在通常用的加速器都是用来加速电子或质子的，因为它们都带电，不带电的粒子是没有办法被加速的。
13 中微子之间几乎没有吸引力，因此不可以用中微子组成任何物质，原子之间是有吸引力的，所以原子可以用来组成物质。
14 夸克是基本粒子，电子也是基本粒子，中微子和光子也都是基本粒子，当我们说大小的时候，指的是它们的质量，而不是尺寸，因为基本粒子都没有尺寸。
15 电子不能组成物质，因为电子都带同样的电荷，它们之间是互相排斥的，必须要将原子核和电子放在一起才能组成物质。
16 目前在加速器上可以通过碰撞的办法制造出反物质，但不能大批地生产。
17 物质积聚大到一定程度的时候，可能会塌缩成黑洞。黑洞形成之后，我们不能说出它由什么物质组成，因为只要黑洞的质量一样大，它们就长得一模一样。
18 亚原子是一个概念，我们通常将比原子小的东西叫作亚原子。原子核是亚原子，电子、中微子、基本粒子都是亚原子。
19 如果不经过剧烈的过程，通常自然界中只有比太阳大很多的物质才会塌缩成黑洞，比如，天体里面的黑洞质量都超过了10个太阳的质量。前段时间引力波发现了两个黑洞，一个是36个太阳质量，一个是29个太阳质量。
20 虫洞是一个假想的东西，也许它并不存在，只是一个物理学家想象的东西，虫洞只是一种时空形态，而不是任何物质。
21 基本粒子没有大小，这一点是很难理解的，因为它有质量，所以也就是说，它的密度是无限大的。的确，物理学家用量子力学和相对论来解释基本粒子，就得假设它没有大小，在逻辑上是这样的。
22 不确定性原理是海森堡发现的，电子在原子中的位置是不确定的。当你试图确定电子在原子中的位置时，往往这个电子已经被你打出原子，不在原子里面了。
23 普通电流，比如电线里面的电流，由运动的电子构成。这些运动的电子是怎么来的？当电子变成自由状态时，在电压的作用下，会从一个原子核跳到另外一个原子核，它们就成为运动的电子了。但半导体里面也可以由其他方式产生电流，就是少了一个电子的原子运动起来产生了电流。
第3讲 量子力学有什么用
咱们前面已经说过，量子力学和相对论是20世纪最重要的两大科学成就。可能有的小朋友会问：“你把量子力学说得这么厉害，那它和我们的生活有什么关系？”这一讲中我们就来聊一聊，量子力学到底有什么用。
量子力学的第一个应用是激光。平时我们常会看到一些激光祛斑脱毛的广告。拿激光器往脸上一照，色斑就消失了；往胳膊上一扫，体毛也脱落了。这是怎么回事？为了解释其中的道理，我在本书的最后部分给大家准备了一个小实验。吹一个白色的大气球，里面再套一个黑色的小气球。如果你用特定的激光朝这两个气球上面打，会发现外面的白色气球还是好好的，但里面的黑色气球却爆掉了。这与我们的直觉很不相符。根据我们的日常经验，里面的气球是受外面的气球保护的：只有外面的气球先被破坏，里面的气球才会爆掉。那为什么实验结果会这么奇怪？
我们在上一讲讲过，物质都是由原子组成的。原子中间有一个原子核，原子核外还有在固定轨道上运动的电子。现在我要给你们再补充一点知识，不同轨道上运动的电子具有不同的能量。这是什么意思呢？我们来举一个简单的例子。平时小朋友们都会背书包上学。如果你背着书包爬上5楼，就会觉得累。为什么呢？因为把书包带到高处要消耗你的能量。如果你背着书包爬上10楼，会觉得更累。因为把书包带到越高的地方，需要消耗的能量也越多。消耗的能量都跑哪儿去了？其实都转化成了书包的一种特殊能量，我们称之为重力势能。换句话说，10楼的书包本身就比5楼的书包拥有更多的能量。在地球上发射火箭也是如此。发射时消耗的燃料越多，就能把火箭送上离地球越远、本身能量也越大的轨道。
原子世界也遵循同样的规律。你要把电子送上更高的轨道，就需要给它更多的能量。换句话说，位于较高轨道上的电子，本身也具有较高的能量。知道了这一点，很多事就好理解了。比方说，同样是气球，为什么有的黑有的白呢？最根本的原因是，这两种气球里面的电子处于能量不同的轨道。
激光和其他任何光一样，都是由光子组成的，也就是我们在第一讲中讲过的构成光的微粒。小朋友们应该还记得，每个光子都有一定的能量。一般生活里常见的光，比如太阳光，就包含着许许多多的光子，而且这些光子的能量有大有小。但激光非常特别，它里面每个光子的能量都一样大。这就是激光与普通光最大的区别。
我们刚才已经说过，对于不同颜色的气球，其内部电子的能量是不一样的。与此同时，每种激光的光子又都有一个特定的能量。当激光打到气球上时，如果气球里电子的能量与激光光子的能量不匹配，那它就不会吸收这种激光。反之，它就会吸收这种激光。
聪明的小朋友应该已经想到了，黑气球里电子的能量恰好与我们实验用的激光光子能量匹配，所以会吸收激光而最终爆掉；而白气球里电子的能量与激光光子能量不匹配，所以不会吸收激光，什么事都没有。激光祛斑的工作原理和这个实验完全一样。当激光照到脸上的时候，好皮肤里的电子能量与激光光子能量不匹配，所以会完好无损；而黑色斑块里的电子能量与激光光子能量匹配，所以会吸收激光并最终被激光所破坏。激光脱毛的工作原理也是如此。
讲完了激光祛斑脱毛，让我们回到激光本身。小朋友们应该还记得，上一堂课我们讲到了泡利不相容原理。这个原理告诉我们，位于原子云朵中的电子，非常讨厌其他原子中的电子闯进自己所在云彩中的轨道。换句话说，电子不喜欢其他电子跟自己处在同一个状态。但激光中光子的情况却正好相反。激光中每个光子的能量都一样大，并且处于相同的状态。就像上页图中这些芭蕾舞女演员，都聚在一起，跳一模一样的舞蹈。
激光为什么具有这么奇妙的性质？它又是怎么产生的？第一个回答这个问题的人，就是20世纪最伟大的物理学家爱因斯坦。
众所周知，爱因斯坦最伟大的理论是广义相对论，这是他在1915年提出的。不过爱因斯坦在刚提出广义相对论的时候，并不像今天这么有名。因为那时的人都不喜欢广义相对论，而更愿意接受牛顿爵士的万有引力理论。直到1919年，爱因斯坦才真正名震天下。下面我来跟你们说说这期间发生的趣事。
和牛顿爵士的万有引力理论相比，广义相对论有好几个新预言。其中最早的一个是，当光线经过太阳这样大质量的物体时，会由于引力而发生弯曲。要想超越牛顿爵士，爱因斯坦必须等到有实验来支持他的预言。但是光线弯曲的程度非常小，一般情况下根本看不见，只有发生日全食的时候才有可能看到。
爱因斯坦苦苦等了四年，终于等到一次大型的日全食。1919年，广义相对论最忠实的信徒之一、英国著名天文学家爱丁顿出马，组织了两支科考队分赴非洲和南美洲去观测日全食。他们回到英国后宣布，光线经过太阳时的确发生了广义相对论所预言的弯曲。这个发现轰动了全世界，也让爱因斯坦一举登上了科学的神坛。
搞笑的是，作为相对论之父的爱因斯坦，居然也因为这次实验而被人调侃不懂广义相对论。在爱丁顿观测的当晚，爱因斯坦紧张到一夜没睡。后来爱因斯坦失眠的消息传到了爱丁顿的耳朵里。他对此评论道：“这说明爱因斯坦本人也不是很懂相对论，否则他会像我一样，睡得安安稳稳。他根本没必要担心，广义相对论肯定是对的，不然我会为仁慈的上帝感到遗憾。”
不可思议的是，就在广义相对论正式发表后的第100年，爱因斯坦的预言竟再次轰动全世界。广义相对论有好几个预言，其中最后、也是最难被证实的预言就是引力波。不过，这个预言还是被证实了。2016年春节期间，一个爆炸性的新闻迅速传遍了全世界：引力波被发现了！2015年9月14日和12月26日，LIGO（激光干涉引力波天文台）两次探测到了双黑洞并合产生的引力波，爱因斯坦的名字又一次传遍了全世界。具体细节这里就不讲了，只说一件事，LIGO探测引力波所用的最关键的技术之一，就是我们这一讲中提到的激光。而产生激光的原理，恰恰也是爱因斯坦本人提出来的。
产生激光的过程，其实很像一场雪崩。下面就是一张雪崩的图。雪崩是怎么产生的呢？我们知道，雪山山坡上总是堆着一层层厚厚的积雪。当外部诱因使某一层的一小块雪滑下来的时候，会引起下一层雪的共鸣，使下一层的雪也跟着滑下来，再到达更下一层，又引起更下一层雪的共鸣，使更下一层的雪也滑下来。这么一层层地往下滑，形成连锁反应，最终就演变成一场壮观的雪崩。
现在让我们看看原子的雪崩是怎么回事。我们已经讲过，你背着书包爬上5楼消耗的能量少，背着书包爬上10楼消耗的能量多。类似的，把电子送到低轨道消耗的能量少，把电子送到高轨道消耗的能量多。换句话说，高轨道上的电子比低轨道上的电子拥有更大的能量。很明显，当电子从高轨道跑到低轨道的时候，能量会变少。那变少的能量跑哪儿去了呢？会变成一个个光子跑出来。在物理学上，我们把这种发出光子的过程称为辐射。
1917年，爱因斯坦发现，这个辐射过程其实是可以诱导的。把一个光子打入原子，它可以诱导原子中的电子从高轨道跑到低轨道，同时发出一个跟第一个光子能量完全相同的新光子。这个过程叫受激辐射。有受激辐射就厉害了。一个光子打入原子，就跑出两个一模一样的光子；这两个光子再打入两个新原子，就跑出四个完全一样的光子。这样不断进行下去，就会形成一种原子的雪崩效应，从而产生大量的光子。而且所有光子都携带着相同的能量，就像我们前面看到的芭蕾舞女演员都在做相同的动作一样。这样产生出来的就是激光。
爱因斯坦在1917年就建立了激光的理论。但一直等到30多年后，也就是20世纪50年代初，才有一个叫汤斯的人把激光发明出来。汤斯这个人很有意思。他年轻时喜欢研究理论，所以就考到加州理工学院物理系读研究生。他视力不好，就去医院看医生。医生说你视力不好，看数学公式会比较困难，干脆不要做理论研究了。你连公式都看不清楚，还做什么理论研究呢？你不如去做实验。汤斯听从了医生的劝告，不做理论，改行做实验了。因为做实验，他发明了激光，最后获得了诺贝尔物理学奖。
汤斯
量子力学的第二个应用是半导体。小朋友的妈妈、爸爸们应该都知道半导体收音机。他们当年参加高考，或者大学参加英语四六级考试，听英语听力时用的就是它。半导体现在已经广泛地应用于我们的生活。我们手里拿的手机，家里看的电视，还有平时用的电脑，里面最核心的元件都是用半导体做的。
下面，我给你们讲讲什么是半导体。大家已经知道，原子中有电子，在一定条件下，电子会摆脱原子核的束缚，在某种材料中自由运动，这就形成了电流。让我们把运动的电子想象成一辆小汽车，把电子跑过的材料想象成一条公路。现在大家应该很容易理解，电流大不大，或者说小汽车跑得快不快，取决于公路的路况。
有些材料，它们的路况就很好，汽车在上面可以跑得很快，不会受到明显的阻碍。这种材料就叫作导体。绝大多数金属，比如铜、铝、铁，都是导体。而有些材料，它们的路况很糟糕，障碍重重，汽车一上路就被堵得水泄不通，根本跑不起来。这种材料就叫作绝缘体。我们常见的陶瓷、橡胶、玻璃，都是绝缘体。
但有一些特殊的材料，它们的路况很诡异。路上有不少障碍，一般汽车开上去就会被堵死。但要是外部条件发生变化，比如温度升高，那汽车就又能在路上开了。这些特殊的材料就是半导体。
为什么会发生这么奇怪的事情？还是由于量子力学。我们在上一讲中讲过，量子力学让士兵拥有了超能力，可以在任意时刻出现在北京和天津之间的任何地点，这就是为什么他能和另一队的士兵撞上。同样的，量子力学也让汽车拥有了超能力，在遇到障碍的时候可以像蝙蝠侠的车那样飞过去，这就是为什么它能在原本堵得死死的路上畅行无阻。需要注意的是，只有满足一定条件的半导体路上的汽车才会获得超能力。绝缘体路上的汽车是不会拥有超能力的。
利用半导体的特性，可以做出一些很有用的电子元件。其中最重要的是二极管和晶体管。二极管有一个非常特殊的性质：在一个方向上给它加上电压，就会产生电流；而在相反方向上给它加上电压，却不会有电流产生。这就像是城市里的单行道：你可以沿一个方向开车，但是沿另一个方向开车就不行了。二极管有什么用呢？它可以在电路里扮演一个开关的角色。
大家应该都听说过LED（发光二极管的简称）。LED的发明者——三个日本人2014年刚获得诺贝尔物理学奖。LED灯就是用发光二极管做出来的。这是一种特殊的、能够发光的二极管。使用发光二极管有什么好处呢？第一，它的发光效率非常高，比过去的白炽灯要高很多，这使它变得非常节能。所以现在很多商店，比如宜家，卖的灯泡都是用发光二极管做的。第二，它的使用寿命很长，比白炽灯的寿命要长十倍以上。这些优点让人们普遍相信，LED将成为未来最主流的光源。
赤崎勇
天野浩
中村修二
有一种电子元件跟前面的二极管不同。二极管有两个接口，而这种元件有三个接口。所以人们就把这种电子元件称为三极管，也叫晶体管。晶体管可以放大电流，同时也可以充当开关。它是由贝尔实验室的三位物理学家在1947年发明的。他们也因此获得了诺贝尔物理学奖。
肖克利
巴丁
布拉顿
下面是这三位科学家的照片。从左到右分别是肖克利、巴丁和布拉顿。这三个人里，肖克利的经历最传奇。下面我就给大家讲讲他的故事。我们刚才说过，肖克利在贝尔实验室工作的时候发明了晶体管，这让他名声大振。1955年，想当百万富翁的肖克利辞掉了贝尔实验室的工作，跑到加利福尼亚创业去了。他去的地方，就是今天的硅谷。大家都知道，硅谷现在已经是举世闻名的高科技中心了。美国最有名的科技公司几乎全都把总部设在了那里。像比尔·盖茨和乔布斯这样的超级巨星，也都是在硅谷成长起来的。但那时，硅谷还只是一个没名气的小地方，基本没什么了不起的公司。为什么短短几十年的时间里，硅谷就能从一个默默无闻的小地方，摇身一变，成为全世界最著名的高科技中心？一个非常重要的原因就是，肖克利去了那里。
肖克利不仅是位了不起的物理学家，同时也是位非常有进取心的创业者。1955年，他在硅谷创立了肖克利股份有限公司，来推动晶体管的商业化。由于晶体管是20世纪最重要的技术突破之一，也有非常广阔的商业前景，所以很多年轻的物理学家和技术人员都慕名来到硅谷，想跟肖克利一起干一番大事业。很快肖克利身边就聚集了一批美国电子领域中最优秀的人才。在这些优秀人才里，出现了八位特别有才华的年轻人。然而恰恰是这八个人，后来背叛了肖克利。
1956年，肖克利又获得了诺贝尔物理学奖，这让他的个人声望达到了顶峰。他看上去一帆风顺、前程似锦，但在这看似春风得意的生活背后，却隐藏着巨大的危机。肖克利虽然是一个科研领域的天才，但却非常不懂人情世故，也就是我们今天说的情商低。大家可能都看过美剧《生活大爆炸》。《生活大爆炸》里的谢尔顿·库珀，是一个高智商低情商的典型例子。肖克利就是生活中的谢尔顿·库珀。更糟糕的是，他完全不了解企业的运作。按一位硅谷经理的话说，“他在管理企业方面是一个十足的废物”。
但是肖克利完全认识不到自己的缺点，还特别专横跋扈、唯我独尊。有一次，肖克利跟女秘书在实验室里被图钉划破了手。他就怀疑公司里有人想搞阴谋来害他，于是请了私家侦探进行调查。所有员工都被迫接受了测谎。这听起来是不是很搞笑？
还有一次，肖克利与一个非常重要的投资者贝克曼开会，谈到如何控制公司的研发成本。肖克利突然大发脾气，对贝克曼说：“我的公司必须我说了算。你要是不喜欢我的管理方式，那就分手。”结果人家立刻就和肖克利分了手。
更要命的是，肖克利的公司本身也经营不善。肖克利这人野心很大，想要发明一种里程碑式的晶体管产品，使每个晶体管的生产成本只有5分钱。可惜，他的想法太超前了。这种晶体管，将近30年后才有人做出来。所以肖克利公司一直造不出像样的产品。一些优秀的员工向肖克利提议，为了控制成本，可以做一些小晶体管，然后再把几个小晶体管集成在一起，这就是今天大家熟知的集成电路。但是，肖克利很自以为是，总觉得只有自己聪明，根本不把别人的建议当回事。肖克利的态度让这些追随他的青年才俊都寒了心。
1957年，发生了一个著名的事件：肖克利公司的八个主要员工集体跳槽，这就是硅谷历史上著名的“叛逆八人帮”。他们在一个摄影器材公司老板的资助下，开了一家新公司，叫作仙童半导体公司。仙童公司只用了短短两年时间就研发出了集成电路，从而彻底改变了整个电子行业，甚至整个世界的面貌。更重要的是，仙童公司为硅谷培养了成千上万的技术人才和管理人才，是当之无愧的硅谷“西点军校”。
这八个人离开以后，肖克利的公司就一蹶不振了。1960年，肖克利被迫卖掉了自己的公司，然后去斯坦福大学当了教授。肖克利到晚年的时候情商依然很低。他写了一篇论文，宣称黑人的智商平均要比白人低20%。这番言论立刻在全美国掀起了轩然大波。愤怒的黑人学生在校园里焚烧了肖克利的画像。再没有第二位诺贝尔物理学奖得主能拉仇恨拉到这种地步。
仙童半导体公司也没有风光太久。由于和母公司老板之间的矛盾，“叛逆八人帮”又陆续离开了仙童公司，去创办新的企业。苹果公司的精神领袖乔布斯曾经做过一个形象的比喻：“仙童公司就像一朵成熟的蒲公英，只要轻轻一吹，创业的种子就会随风四处飘扬。”
“叛逆八人帮”里出了一个特别有名的人，叫摩尔。摩尔离开仙童公司后，创办了一个专门生产半导体芯片的公司，这就是大名鼎鼎的英特尔公司。今天绝大多数手机和电脑里的芯片都是英特尔公司生产的。
摩尔不仅是英特尔公司的创始人之一，同时也是摩尔定律的提出者。摩尔定律是说，当价格不变时，每过两年，半导体芯片上所容纳的晶体管数目便会增加一倍。这意味着，一个芯片的计算能力每过两年就会翻一番。也就是说，经过50多年的发展，与最早的集成电路相比，现在芯片的计算能力已经提升了两亿多倍。这就是为什么今天区区一个iPhone手机的计算能力，就已经超过上世纪60年代美国人登陆月球所用的全部计算资源。没有摩尔定律，就不会有Windows、iPhone、Youtube、QQ和微信，也不会有今天信息时代日新月异的生活。
目前最小的芯片尺寸已经做到只有10纳米，也就是1米的一亿分之一。照这个速度发展下去，到2030年，晶体管就会变得只有一个原子那么大。到那个时候，我们在第一讲中讲过的不确定性原理就会起作用，直接干扰到这些晶体管的运行。也就是说，2030年以后，或许半导体芯片就会停止发展了。
我们已经讲了两个量子力学的应用：激光和半导体。它们都已经在现实世界里出现很多很多年了。下面我再给大家讲一个比较科幻、还没有出现在现实世界中的应用，叫量子传输。
大家都用过普通的复印机。小朋友们应该都知道，如果有一张照片，或者一张写满字的纸，用复印机都可以复制出一模一样的东西。事实上，在宏观世界，或者说在经典世界中，不管什么东西都可以拷贝。无论是房子、汽车、飞机还是人体器官，利用3D打印技术都可以分毫不差地把它们复制出来。换句话说，在经典世界中，我们只需事先准备一堆原材料，然后把一个物体的信息全部复制到这堆原材料里，就可以造出一模一样的东西。但在微观世界，或者说量子世界中，一切都不一样了。1982年，三位物理学家发现了一个重要的定理，叫作量子不可克隆定理。它说的是，在量子世界里，没有一个东西可以被完全地复制。换句话说，你没办法拷贝像一个电子、一个原子或一个分子那么小的东西。
虽然量子不可克隆定理禁止了微观世界中的拷贝，但它却没有禁止微观世界中的传输。也就是说，在量子世界中，你还是可以把一个微小物体的信息全部复制到一堆原材料里，从而造出一个一模一样的东西。但与经典世界不同的是，原来的物体一定会被破坏掉。最终的效果是，一个物体会突然从自己原来的位置消失；与此同时，另一个地方会突然出现一个一模一样的东西。
所以从理论上来说，人类可以制造出一台量子传输机。当你走到机器里面，机器开动起来时，原来的你会变成一堆垃圾；与此同时，在另外一个星球上，有一台与之配套的机器，里面有一堆物质会突然得到你的全部信息，然后变成你走了出来。如果能掌握这种瞬时的量子传输技术，人类就可以实现科幻电影里常见的空间旅行了。
著名科幻电影《星际迷航》中有一个场景：柯克船长和他的手下走进一个房间，一束光打下来，然后他们就消失不见了，最后又出现在另外一个地方。这个过程就是典型的量子传输。通过一台量子传输机，瞬间把他们传输到其他地方。
历史上票房最高的科幻电影《阿凡达》里传输的就不是一个人的身体了，而是他的灵魂。利用一台棺材似的量子传输机，男主角的灵魂被传输到阿凡达的身体里，让他得以脱离双腿瘫痪的身体，在潘多拉星球上自由奔跑。潘多拉星球的土著后来也利用他们自己的方法，帮助男主角把灵魂永远留在了阿凡达的体内。
其实量子传输已经在真实世界里实现了。1993年，六位物理学家想出了一个用量子纠缠来实现量子传输的办法。这个办法非常深奥，我们这里就不讲了。利用这个办法，一群奥地利的物理学家在1997年首次实现了量子传输。不过，他们传输的东西非常简单，只有一个光子；而且传输的距离也很短，只有一个普通实验室的长度。经过近20年的发展，今天人类创造的量子传输最远距离纪录已达到340公里，相当于从武汉到长沙的距离。也就是说，你把光子放进一台位于武汉的量子传输机里，它就可以穿越时空，瞬间出现在340公里之外的长沙。
当然，我们不能高兴得太早。目前人类能一次传输的光子数目最多只有128000个。这离传输一个人有多远呢？下面我来简单地估算一下，看人体内大概包含多少个原子。
我们知道，人体的主要成分是水：小孩的身体里大概七成都是水，而大人的身体里大概六成都是水。为了简单起见，我们假设人体内100%都是水。这样算出来的结果，在量级上肯定是正确的。水是由水分子组成的，一个水分子里又包括两个氢原子和一个氧原子，也就是三个原子。通过这样的估算，我们发现一个70公斤的普通人体内大概有7000亿亿亿个原子。这个数字是什么概念？我来简单地说明一下。小朋友们应该都知道银河系。银河系非常大，就连速度最快的光，从它的一头跑到另一头都要花上10万年。但如果我们找7000亿亿亿个1米高的小朋友，让他们头对头脚对脚地躺成一排，那他们连起来就可以绕银河系200多万圈！
目前人类一次能传输的光子数目最多只有128000个。但一个普通人体内却有7000亿亿亿个原子。所以就我们目前的科技而言，不要说瞬间传送一个人，就算瞬间传送一个盒子都是天方夜谭。如果你们再听说谁做了量子传输，传输了一个盒子之类的，那一定是假的。
