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。

汤斯
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。
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，，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。
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。

赤崎勇

天野浩

中村修二
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。