袁嵐峰：量子力學如何拯救世界和……你小區里的基站

拯救世界的量子力學

之前的專欄文章中我們曾介紹過，有一個基礎物理學理論叫作量子力學，它跟相對論共同構成了現代物理學的兩大支柱。

問：量子力學能用來干什么？

答：不如問它不能用來干什么

因為量子力學能干的實在是太多了，我們現在絕大多數的技術都離不開量子力學，甚至世界的存在都離不開量子力學。

什么叫作世界的存在？這其實是在談原子的穩定性。所有學過物理的人都知道，物質是由分子構成的，分子是由原子構成的，而原子是由帶正電的原子核與電子構成的。類似這樣的原子模型（下圖），經常被作為科學的標志圖案。

問：我還有個問題！帶負電的電子為什么不會落到帶正電的原子核上去？

有人可能會說：地球也受到太陽的吸引，但地球并沒落到太陽上去啊，地球也只是繞著太陽運動嘛；所以電子繞著原子核運動，有什么不可以呢？

事實上，這里有個本質的區別：電子是帶電荷的。根據經典物理學，帶電粒子做非勻速運動會放出電磁波。所以電子繞著原子核運動會放出電磁波，它的能量就會越來越低，最終必然會落到原子核上——這不是可能，而是必然！這就意味著，根據經典物理學，原子是不可能穩定存在的；甚至可以算出，原子會崩塌得非常快。

但這跟我們的日常經驗直接矛盾：人不就是由原子組成的嗎？我們怎么沒有崩塌呢？而且不只是人，草木山川、日月星辰不都是由原子組成的嗎？這樣的世界是怎么存在到現在的？

這其實就啟示我們：經典物理學是無法描述原子內的現象的。直到有了量子力學之后，我們才能解釋原子的穩定性。

怎么解釋呢？前面專欄文章說過，原子內電子的能量是量子化（quantized）的。也就是說，它并不能取任意的值，而只能取某些特定的值，這些特定值叫作能級。在這些能級中，有一個是最低的。電子最低只能待在這兒，不能再低了。而假如電子落到原子核上，能量就會變成負無窮，比最低能級還低，而這是不可能的。這就是為什么，原子可以穩定存在。

因此歸根結底，是電子能量的量子化拯救了原子，拯救了世界。如果沒有量子力學，我們的世界就不會存在。

愛因斯坦的光量子理論

現在手機攝像頭的基本原理大都是光電效應，通過它把光信號轉換成電信號。光電效應最初是由德國物理學家海因里?！ず掌潱℉einrich Rudolf Hertz，1857～1894）在1887年發現的，指的是光打到金屬上時，會有電子發射出來。

這個現象的奇妙之處在于，能不能打出電子取決于光的頻率，而不是光的強度。對于一種金屬，如果光的頻率高于某個閾值，那么無論多弱的光，都會立刻打出電子。而如果光的頻率低于這個閾值，那么無論光的強度多高，等多長時間，都沒有電子出來。這是非常令人吃驚的，因為以常理而論，一束光的能量正比于它的強度，那為什么起決定作用的不是強度而是頻率呢？

1905年，愛因斯坦對光電效應提出了一個絕妙的解釋。他認為一束光是由一個個光量子（light quantum）組成的，光量子后來又在1926年被美國化學家吉爾伯特·路易斯（Gilbert Newton Lewis，1875～1946）命名為光子（photon）。一個光子的能量E等于普朗克常量（Planck constant）h乘以光的頻率ν，即

E = hν

普朗克常量，是由量子力學奠基人、德國物理學家普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck，1858～1947）發現的一個基本物理學常量，等于6.62607015×10-34 焦耳·秒。

根據愛因斯坦的這個假設，光電效應就可以得到自然的解釋。關鍵在于，能不能打出電子取決于單個光子的能量，而不是一束光整體的能量，因為一個原子一次只能吸收一個光子。

一個電子從金屬中跑出來，需要克服某個最小能量，這個最小能量稱為這種金屬的逸出功或功函數，常用φ來表示。如果一個光子的能量hν≥φ，它就可以打出電子；而如果hν＜φ，那么這樣的光子再多也不能打出電子。由此可見，能打出電子的光子頻率有個下限，它就是φ/h。

光量子理論與輻射

我們再來說一下光量子理論在當前的意義。它除了能夠解釋光電效應之外，也可以讓我們理解為什么有些輻射可怕、有些輻射不可怕。

真正的區別，在于有些輻射是電離輻射，有些則是非電離輻射。

電離輻射是那些頻率足夠高的輻射，單個光子的能量就可以打斷人體內的化學鍵，例如硬X射線，這種輻射不存在安全閾值，即使只有一個光子都可能是有害的；而非電離輻射是那些頻率不高的輻射，單個光子不足以打斷人體內的化學鍵，例如手機、基站、微波爐等的輻射。這就是為什么，這種輻射在強度低于某個安全閾值時就是無害的。

經常有人號稱基站有害，要求關閉小區里的基站。而運營商與科普作家一道，跟這類說法斗爭了很久。現在，你明白這些人錯在哪里了吧？