01　不确定的世界，从电灯泡到半导体

1879年12月底，一场大雪降临在美国纽约。厚厚的雪花覆盖了中央火车站的穹顶，中央公园的草坪变成了洁白的世界，四周的摩天大楼矗立在雪花之中，构成了这座新兴大都会独特的风景。

市中心曼哈顿纵横交错的街道上，匆匆走过的男士戴着高高的礼帽，女士围着厚厚的围巾，嬉戏的孩童扔着雪球互相追逐，大声尖叫，乐不知返。

就在几天前，发明家爱迪生向纽约市政官员和新闻记者发出了一封邀请函，请他们到位于新泽西州的实验室，以一种特殊的方式迎接新年。

新年前夜，当衣冠楚楚的嘉宾们乘坐专列抵达后，夜幕已经降临，晶莹的白雪映照着柔和的月光。来宾们全都期待着爱迪生会带来什么样的新年惊喜。这时，爱迪生出现了，只见他走到一个开关前并轻轻按下它，290盏白炽灯同时亮了起来，四周瞬间变得灯火通明。尖叫声和掌声顿时此起彼伏。人们第一次见到如同白昼的夜晚，纷纷为这种新发明欢呼雀跃、激动不已。

在过去的几年里，爱迪生为了寻找最合适的灯丝，试验了几千种材料，最后在亚洲找到了一种竹子，将其碳化后制成碳纤维并作为灯丝。灯丝在通上电流后开始发热，温度升到数千摄氏度时，炽热的灯丝就能发出明亮而持久的光芒。从此，浓稠的黑暗之夜被光明刺破了一个小点。

不过，爱迪生还有两个烦恼……

变黑的灯泡，真空管的发明

让我们先回到灯泡诞生的19世纪。

回首19世纪，我们理应为当时人们取得的成就感到自豪。冒着蒸汽的邮轮从伦敦港出发，在世界各大洋劈波斩浪；银光闪闪的铁轨连接了莫斯科和西伯利亚，从美国东海岸延伸到西海岸；跨越大西洋海底的有线电报将“嘀嗒”作响的消息送至世界各地；高高架起的电话线传递着远方的声音……

当时世界上拥有殖民地最多的国家是大英帝国，全球到处飘扬着米字旗。俄国也在迅速壮大，疆域从波罗的海延伸到了太平洋。法国在全球范围内占领了广泛分布的岛屿和非洲大陆部分地区。统一后的德国成了后起之秀。日本历经革新，成了东亚的新兴势力。与此同时，土耳其帝国则面临土崩瓦解的危机。

美国这块新大陆正迅速崛起，其高等学府声名鹊起，工业产品门类齐全，钢铁产量领跑世界。19世纪后半期，留声机、电话机、交流电、石油精炼技术和轻巧的金属铝都诞生在这块新大陆。在这里，还诞生了一项不同寻常的发明——电灯泡，它彻底改变了这颗星球夜晚的面貌。

爱迪生发明了电灯泡不久，就碰到了他的第一个烦恼：灯泡使用过一段时间后，内表面会变黑，导致灯光暗淡。

灯泡之所以会变黑，是因为在高温下的碳纤维灯丝会释放出一些碳微粒，附着在灯泡玻璃内表面，时间久了灯泡会被熏黑。 ¹

爱迪生和助手想到了一个方法，将一枚铜片放置在灯丝和玻璃泡之间，以阻挡碳微粒飞向玻璃（见图1-1），但这个方法并没有奏效。接下来，他们又在铜片上施加了一定的电压，期望能改变碳微粒的分布，可问题依然没有解决。

最后，他们改变了铜片上的电压，这时匪夷所思的事情发生了，竟然有电流从铜片流向了灯丝，而且，只在一个方向上有电流。可是，灯丝和铜片并没有任何接触，两者之间是真空的！

爱迪生邀请科学家们来到他的实验室参观这一奇特的单向电流现象。爱迪生站在旁边，微笑地看着他们一次又一次地观察到同样的现象并表露出费解的神情。人们把这种现象叫作“爱迪生效应”。在写给友人的信中，爱迪生将它称作一种“美学”现象。

爱迪生总是发明不断，忙碌不停。就在这段时间，他还发明了留声机和电话机里的碳粒式麦克风（也称纽扣式麦克风或碳粒式传声器）。专注于新发明和实际应用的爱迪生无暇顾及电灯泡里的这个“美学”现象，他习惯性地申请了一个专利，就将其忘在脑后了。 ²

*　*　*

19世纪80年代，爱迪生在英国伦敦分公司聘请了大学教授约翰·弗莱明（John Fleming）作为技术顾问。弗莱明也用这种特制灯泡做了这个有趣的实验，他在铜片和灯丝之间施加了可改变正负方向的交流电，同样观察到了在灯丝和铜片之间的单向电流。不过，弗莱明也无法解释，为什么在真空中有单向流动的电流。

距离伦敦不远的剑桥大学，剑河缓缓地穿流而过，河床上青绿的水草随着流动的柔波轻轻地摇摆。距离剑河一箭之地的实验室里，物理学家约瑟夫·约翰·汤姆逊（Joseph John Thomson）正为实验桌上的一支真空玻璃管忙碌着。1897年，他在玻璃管的两端分别安装了金属电极，通电后一些带电微粒从一端的阴极电极飞向了另一端的阳极。就这样，汤姆逊第一次劈开了阴极金属中的原子，剥离出带负电荷的电子，使它们飞出阴极，形成了一条真空中的“电子之河”（见图1-2）。 ³

汤姆逊的这一发现，使弗莱明恍然大悟：原来灯丝通电受热后，灯丝原子中的电子逃逸出去，飞向了铜片，从而产生了单向电流！正如河水总是从高处流向低处，电子也是从能量高的地方沿着“能量斜坡”流向能量低的地方。只是电子的流动或飞行不需要河床或者导体，它在真空中就能完成这一过程。

汤姆逊这一“劈”，劈开了人们曾经认为“不能再分”的原子，劈出了一片新天地：人类不仅首次发现了电子 ，还为之后真空管的发明打开了大门。

1900年，弗莱明在“无线电先驱”伽利尔摩·马可尼（Guglielmo Marconi）的公司找到了一个新的顾问职位。

1899年，在一艘英国军舰上，25岁的马可尼向另外一艘船只发送了一封无线电报，展示了无线电通信在海上通信领域的优点。1905年对马海战期间，俄国调集太平洋第二舰队，抄近道穿越日本西南方的对马海峡。日本巡洋舰“信浓丸”号在5月26日夜晚侦察到了俄国舰队，舰上装备了从马可尼公司（Marconi）进口的无线电设备，相关人员立刻发送了一封无线电报给附近的日方指挥船。随后，89艘日本军舰及时赶到，击沉了21艘俄方军舰。 ⁴

马可尼的下一步计划是研发跨越大西洋的无线电通信。当时的科学家并不看好这一计划，他们认为地球弯曲的球面会阻碍无线电波跨越大洋。但马可尼坚持在大西洋两岸设置了数十米高的接收和发射天线。发射端通过放电打出声震如雷的火花，当电波传送到大洋彼岸时已经变得十分微弱，这就要求接收端的电路对无线电波非常灵敏，而这正是整个装置中最薄弱的环节，也是弗莱明致力于解决的难题。

在中国，梁启超主办的《时务报》上也对无线电做了介绍：“凭空发递，激而成浪，颤动甚疾，每秒跳二万五千次（即频率25 000Hz）。” ⁵ 在接收到这种上下快速舞动的无线电波后，要先去掉负半部分，只保留正半部分，这叫作整流，之后才能将信号中的信息提取出来（见图1-3）。而整流需要一种单向导电的器件，它就像站在单行道上的交警，只允许车辆在一个方向上通行。早期整流使用的是金属屑检波器，它的开合速度很慢。

那么，如何找到一个快速的单向导电器件呢？1904年的一天，弗莱明从20多年前的“爱迪生效应”以及它那奇特的单向电流中获得灵感，他立刻从柜子里翻出了当年的灯泡，给它加上有正有负的交流电。不出所料，铜片和灯丝之间出现了单向电流，这正好能用于无线电接收器中的整流！由于真空二极管没有机械部分，电流纯粹靠电子的流动，因此开合速度比金属屑检波器更快。

弗莱明很快仿照这种灯泡设计了一种带有圆柱形玻璃罩的真空器件，它以灯丝为阴极，以铜为阳极，所以叫作真空二极管（见图1-4）。开机后，灯丝发热，带负电荷的电子从阴极逃逸出来，随即被阳极吸引过去。同样，这里也有一个能量斜坡——从阴极到阳极，造成了电子的单向流动。

1912年4月，泰坦尼克号游轮从英国出发，驶向大西洋彼岸的美国，却不料在夜晚撞上了冰山。幸好船上安装了无线电发报装置，电报员立刻不停地发出求救信号，直到最后一刻。附近的一艘船只收到信号后及时赶来，挽救了700多人的生命。大西洋上的无线电波甚至被传到了美国东海岸，那时马可尼公司在纽约市沃纳梅克百货大楼顶上设置了一座电报站，一位名叫大卫·沙诺夫（David Sarnoff）的电报员坚守了三天三夜，不停地收发电报，统计遇难者的人数 。 ⁶

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马可尼的无线电技术来自海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）发现的无线电波，而后者又得益于詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）优雅的电磁方程组。基础科学与应用研究频繁互动，促成了一个发明和发现频出的时代：卡尔·费迪南德·布劳恩（Karl Ferdinand Braun）发明了阴极射线管，费森登（Fessenden）发明了无线电广播……而真空管的发明又为长途电话、收音机、电视机和计算机的发明奠定了基础。

当时美国最大的电话公司是美国电话电报公司（AT&T Inc.），前身是电话发明人之一的亚历山大·贝尔（Alexander Bell）的电话公司，总部位于纽约。进入20世纪，电话业务在美国迅速发展。1900年，美国只有60万户电话用户，到1910年却骤增到580万户。在此浪潮下，美国电话电报公司不断壮大，垄断了美国绝大部分的电话业务。

20世纪以来，美国电话电报公司开始面临美国国内反垄断调查。道格拉斯·费尔（Douglas Fair）于1907年执掌美国电话电报公司后，极力说服美国政府接受全美统一电话业务，由此维持了美国电话电报公司此后70多年的垄断地位，这也让美国电话电报公司能从丰厚的利润回报中拿出大笔资金用于长远技术的研究。 ⁷

1914年，世博会 计划将于旧金山举办，美国电话电报公司定下了一个目标，届时要让从东海岸的纽约到西海岸的旧金山的长途电话能够打通。当时，美国电话电报公司的长途电话线从纽约一直延伸至美国中部的丹佛，无法继续向西延伸，因为随着距离的延长，电话信号会逐渐衰减。

美国电话电报公司打算在中途设立一些中继站，从而将信号放大后继续向前传输。这需要一种能放大信号的器件，但真空二极管只能分拣信号，而无法将其放大。这时，一种能放大信号的电子器件引起了美国电话电报公司的注意，它就是李·德福雷斯特（Lee de Forest）发明的真空三极管。

德福雷斯特不擅长动手，他在学生时代做实验经常烧掉保险丝。尽管他一再被老师告诫要小心，但在一次重要的讲座上，他仍然将一只灯泡浸泡到水中，搞砸了实验。为此他被逐出了耶鲁大学谢菲尔德学院，但这并没有影响他对发明创造的痴迷，后来，他来到了纽约。

1906年，德福雷斯特对真空二极管的结构做了适当的改造。他在灯丝和金属片之间插入了一根形如木栅栏的铜丝（称为栅极），想看看会发生什么（见图1-5）。当他给铜丝栅极施加负电压时，阴极和阳极之间的电流减少了；反之，当他在铜丝栅极上施加一个正电压时，电流就增加了。接着，他在铜丝栅极上施加了一个微小的交替变化的电压，结果竟在阴极和阳极之间得到了一个变化幅度更大的交变电流：信号放大了！

靠着误打误撞插入一根铜丝做的栅极，德福雷斯特使真空管放大了信号，于是真空二极管变成了真空三极管，这个发明带来的荣誉伴随了他一生。不过德福雷斯特不擅长理论知识，他无法解释为什么信号会放大。 ⁸

离德福雷斯特的实验室不远的纽约州尼亚加拉瀑布上兴建了一座62米高的巨型水电站大坝。如果德福雷斯特去那里参观过，也许能得到一些启发。从北向南流动的尼亚加拉河水遇到了水坝，被拦住了去路，水流大小受到闸门的调控。只需轻按控制水闸的电钮，涓涓细流就会变成声震天地的滚滚洪流，这种调控是一种力量的放大。同样，在真空管单向电流通路中插入一个栅极，它也能像闸门一样调控电流的大小，这种调控则是一种信号的放大 。

1912年，美国电话电报公司出价5万美元买下了真空三极管的专利，应用于长途电话系统。德福雷斯特不知道，他的这一小小改动即将引发一场巨大的变革。

1915年，世博会延期了一年举行，而这一年美国电话电报公司的长途线路终于从东海岸延伸到了西海岸。举行开通仪式那天，公司邀请了亚历山大·贝尔和托马斯·华生（Thomas Watson）两位元老，他们一位在纽约，一位在旧金山，两人在通话时致敬了电话刚被发明时的经典对话。贝尔拿起话机说：“华生先生，请到我这儿来，我需要你！”远在大陆另一头的华生回答道：“可是贝尔先生，坐火车到你那儿要花费整整5天时间！” ⁹

第一次世界大战爆发后，无线电的研究大大加速。美国发明家埃德温·霍华德·阿姆斯特朗（Edwin Howard Armstrong）在第一次世界大战期间于军中服役，他用真空三极管做出了超外差式接收机，后来还发明了调频广播（FM）。 1940年，时任英国首相丘吉尔在广播里大声鼓舞轰炸中的民众“无论代价和痛楚有多大，我们都要作战并赢得胜利”时，人们记住了英国的这位坚强领袖；同年，法国戴高乐将军在英国广播公司（简称BBC）的广播上向法国官兵发出抵抗德国军队的号召时，人们记住了这位勇敢的将军，但他们并不知道是谁让声音在无线电波里传递出去的。

1946年，美国宾夕法尼亚州立大学用真空管研制出第一台电子数字积分式计算机（简称ENIAC），它使用了17 468多个真空管，占地170多平方米，每秒能做5 000次计算。 ¹⁰ 这里的真空管不是用来放大信号，而是作为一个开关。如果在铜丝栅极上施加一个很大的负电压，就能使电流中断。只需把开通和中断当作0和1两种状态，那么它就能表示二进制，从而帮助一台电子计算机进行计算。

这时真空管的应用可谓如日中天，从收音机、电视机、无线电报、音响再到电子计算机，都离不开真空管的身影，一代又一代的工程师仍在不断地提升其性能。

在美国电话电报公司下属的贝尔实验室，一位名叫默文·凯利（Mervin Kelly）的工程师负责十几种真空管的开发与生产，并积累了丰富的经验。但随着时间的推移，他越来越觉得真空管技术逼近了极限。

首先，真空管发热严重，导致故障频发。 ¹¹ ENIAC一旦启动运行，每小时将消耗150千瓦的电，必须使用专门的电力供应。每过15分钟就会有一个真空管因过热而爆掉，维修人员往往要花很长时间才能找到它并替换掉。只有美国国防部和大公司才用得起这个庞然大物。其次，真空管个头不小，无法继续“缩身”。如果将我们手机芯片里的晶体管都替换为真空管，会是什么情况呢？如果一部手机按2 000亿个晶体管来计算，而一个真空管有两块方糖那么大，那么这2 000亿个真空管能装满14万个集装箱，需要10艘长度为400米的超大货轮才能装得下。

人们急需一种新的电子开关：可靠、小巧和快速，而这需要科学家在基础物理上取得进一步的突破。

绝望的行动，量子之变

1900年，为了展望新世纪的物理学，76岁的英国物理学家开尔文勋爵（Lord Kelvin）做了一次演讲。他认为古典力学、热力学、电磁学的理论都已完备，于是自豪地宣称：“从今以后，物理学将不再有任何新进展，剩下的工作只不过是不断地改良测量的精准度，仅此而已。”

不过，开尔文勋爵话锋一转，提到了物理学界仅有的一点担忧，“但是天边还有两朵令人不安的乌云”，分别是以太漂移实验和黑体辐射问题。

“第一朵乌云”以太漂移实验关系到光速是否绝对不变、时间是否绝对公正的问题，在5年后被26岁的爱因斯坦用相对论干净利落地解决了，从此推翻了经典物理学中时间绝对标准的观念。

“第二朵乌云”黑体辐射问题笼罩在可怜的德国物理学家马克斯·普朗克（Max Planck）头顶上长达6年之久。

“这朵乌云”与爱迪生的第二个烦恼有关：白炽灯的发光效率低下，致使大量电能变成热量白白地消耗掉了。

热量来自白炽灯发出的看不见的红外光，它占据了电灯泡发出的光的大部分 ，只有很小一部分能量转化为用于照明的可见光（见图1-6）。

爱迪生电灯公司在想方设法提高电灯的发光效率，德国最大的灯泡公司西门子也迫切希望解决这一问题。

工业界的急迫需求传到了学术界，引起了科学家的关注。事实上，普朗克十分了解西门子公司的需求。他知道，电灯发出的光是一种电磁波辐射，当白炽灯丝升高到2 000 K以上时就开始向外辐射电磁波，到3 000 K时发出黄光，到6 000 K时发出明亮的白光。温度越高，可见光的比例越大，效率越高。为了彻底解决这一问题，普朗克开始研究背后的辐射机制。

但是，这位柏林大学的教授在计算从黑体小孔中发射出的电磁波的能量时，碰到了一个棘手的难题，他得出紫外频谱附近的能量值等于无穷大，这个结论显然很荒谬。

普朗克尝试用当时经典物理学中的共识来解释“紫外灾变”，其中重要的一条是经典物理学认为能量是连续的，就像小提琴的声音或宫廷舞的舞步，其变化也是连续的。

但经过6年的探索之后，普朗克仍然一无所获。他像一头笼中困兽，写下了这样的断言：“我非常清楚，经典物理学是不能为这一难题提供答案的。”这一年普朗克已经42岁了，而他一生中最重要的发现尚未眷顾他。

不得已，普朗克于1900年的秋天采取了一次“绝望的行动”。在推导数学公式时，他不再将辐射当作连续的，而是分成一份一份的“量子”。这样一来，理论公式奇迹般地与实验相符了。普朗克虽然没有解决电灯泡的发光效率的问题，但无意中带来了量子物理学的萌芽 。

这一年，德国末代君主威廉二世仍住在坚如磐石的皇宫里，但经典物理学的大厦已经出现了一道裂纹。普朗克内心是多么希望经典物理学能延续下去，而他却在无意中为埋葬经典物理学铲起了第一锹土。为此，他陷入了深深的痛苦之中。

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普朗克这次小心翼翼的尝试打开了潘多拉魔盒的一条缝，掀开了一系列“量子化”运动的序幕，而他的研究鼓励了一位更大胆的叛逆者——26岁的爱因斯坦。1905年，爱因斯坦还只是瑞士伯尔尼专利局的一名普通职员，每天下班后跟好友米歇尔·贝索（Michele Besso）一起步行回家，边走边讨论自己的新点子。

伯尔尼小城被远处高山上白雪的反光持续映照着，而在爱因斯坦的眼里，这些光线并不是连续的，而是一个一个独立的光子，它的能量包裹在一个个单独的小包里。这一次，量子化的观念很好地解释了光电效应实验。

此前，麦克斯韦和赫兹证明了光是一种电磁波，这已得到了科学界的广泛承认，而现在这个年轻人却把光当成了一种离散的粒子。这就好像悠扬的小提琴声变成了暴躁的打击乐，而华贵流畅的宫廷舞变成了令人眼花缭乱的太空霹雳舞！

接过爱因斯坦的接力棒的是年轻的丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）。他在1911年获得博士学位后就来到了英国剑桥大学追随汤姆逊，随后又去了曼彻斯特大学深造。就在这一年，曼联足球队赢得了英格兰足球甲级联赛冠军。不过玻尔更感兴趣的是原子内部世界的秘密，他在曼彻斯特大学跟随欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）研究原子模型。

那时，卢瑟福通过实验发现，原子的绝大部分质量都集中在其中一个非常小的点上，而不是像他的导师汤姆逊认为的有如“葡萄干布丁”模型那样均匀分布。由此，卢瑟福的研究重新定义了原子的内部图景：电子环绕着中心的原子核公转，就像行星稳定地绕着太阳旋转。尽管这个模型看起来美妙而优雅，但人们很快发现它存在一个致命缺陷：旋转的电子会不断地损失能量，坠落到原子核上。这就像把一粒豆子放到碗边，一旦你松手，它就会顺着碗内壁的弧线滚落到碗底。

1912年，27岁的玻尔开始思考：为什么真实的电子不会轻易地被吸进原子核？他猜想，也许是因为电子的轨道就像一级一级的台阶，不能连续变化。这就像是环形马戏团剧场的观众席，坐在台阶上的观众不会像豆子那样顺着滑落下来。玻尔心里很清楚，这一猜想和经典物理学水火不容。他在给兄弟的信中写道：“也许我已经发现了一些有关原子结构的真相，但请不要向任何人说起这件事。”

几个月后，玻尔偶然注意到，氢原子的光谱总共有4根亮线，只出现在特定频率位置。 ¹² 这让玻尔豁然开朗：这是量子化的迹象，电子的轨道不是连续变化的 （见图1-7）！

这样一来，经典物理学大厦的裂缝变得更长了，而这还只是开始。

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后来，有人提出了这样的猜想：粒子也是一种波。做出这个惊人论断的是29岁的路易·德布罗意（Louis de Broglie）。1924年，他在浪漫之都法国巴黎攻读物理学博士学位。幽幽的塞纳河水从巴黎大学旁边绕过，就在河水下游不远处的吉维尼花园里，莫奈用画笔描绘了夏日波光粼粼的池塘。德布罗意猜想，既然光波能表现出粒子属性，那么根据美的对称法则，电子这样的粒子为什么不能表现出波的特性呢？他甚至用普朗克常量推导出了电子的波长公式。

电子是一种波？德布罗意的博士论文导师保罗·朗之万（Paul Langevin） 有点拿不准，他把德布罗意的论文寄给了爱因斯坦征求意见，爱因斯坦回信说：“我深信这一猜想是物理学游戏处于最糟糕的时候投下的第一缕微光。” ¹³

然而，要验证德布罗意的猜想非常困难，因为电子的波长远小于原子的尺度。巧的是，位于大西洋彼岸纽约市繁华的西大街上的贝尔实验室里，物理学家C. J.戴维森（C. J. Davisson）在1925年做了一个关键实验，他发现电子散射后形成了干涉条纹：电子的确是一种波！

这表明，构成世界大厦的粒子不仅是不连续的，还成了“如梦幻泡影”的波。经典物理学的大厦开始倾斜。

物质是一种波？这需要一个解释。

那时玻尔已经回到了丹麦，在哥本哈根筹建了理论物理研究所，盖起了一座三层砖楼，并担任研究所主任。玻尔学术一流，在1922年获得了诺贝尔物理学奖，他心胸开阔、待人温和，这让他的理论物理研究所吸引了全世界最优秀的人才。

以玻尔为首的哥本哈根学派提出一个说法：物质波是粒子在空间中出现可能的概率波。换句话说，粒子什么也不是，只是一个概率 ¹³ 。这一说法是对经典物理学彻底的背叛，就连提出物质波的德布罗意也无法认同！

这就是量子物理学的诡异之处：后来者永远会颠覆前人，即使这位前人在几年前还是一位“叛逆先锋”。而接下来被颠覆的将是量子力学的先锋——爱因斯坦。

科学家使电子一个一个地通过狭缝，每一次的落点都不同，随机地分布在狭缝后面的屏幕上，看起来就像在玩掷骰子游戏。

爱因斯坦在1926年写给德国物理学家马克斯·玻恩（Max Born）的信中说：“我无论如何都确信，上帝不会掷骰子。”他坚定地认为，这些不确定背后一定有个确定的东西在起作用。可是，电子才不在乎爱因斯坦怎么想呢，它们只管狂热地随机舞蹈。

哥本哈根学派的人对爱因斯坦的言论颇感错愕，他们不明白为什么爱因斯坦这位量子物理学的拥护者反而对它抱有怀疑，玻尔针锋相对地回应爱因斯坦：“不要告诉上帝怎么做。”

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接下来，就连玻尔本人也未能幸免，他提出的原子模型也成了被颠覆的对象。

1927年2月，26岁的德国物理学家沃纳·海森堡（Werner Heisenberg）来到了海边坐落着“小美人鱼”铜像的哥本哈根，他此行无意欣赏五颜六色的童话房子和蜿蜒的运河，而是直接来到了玻尔的理论物理研究所，与时年42岁的玻尔讨论问题。但两人争论了起来，谁也无法说服对方。玻尔转身去了滑雪场，海森堡则独自在研究所后面的公园里散步。

突然间，一个想法“袭击”了海森堡，他立刻返回研究所，并给好朋友沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）写了一封信：“我们总能发现所有的思想实验都有这么一个性质：当我们能确定粒子的位置时，却不能确定它的速度；反之，当我们能确定粒子的速度时，却不能确定其位置。”这就是“不确定性原理”。 ¹⁴ 多年后，人们为此编了一个故事：海森堡因为开车超速被交警拦了下来，交警问：“你知道你的速度有多快吗？”海森堡回答：“不知道，但我确切地知道我在什么地方！”

可海森堡提出的“不确定性原理”又与玻尔的原子模型发生了冲突。如果电子像玻尔认为的那样在圆周轨道上匀速运行，根据“不确定性原理”，电子的位置将变得缥缈不定，不会老老实实地待在规定好的轨道上运行，而是像一只躁动的蜜蜂在玻璃罐里疯狂地乱撞，留下一团模糊的轨迹。 ¹⁵

这下，经典物理学最重要的根基之一——确定性，也被推翻了。如果说经典物理学就像一幅古典派画作，每一根睫毛、每一片树叶都画得精细而逼真，那么，现代物理学则像一幅印象派画作，日出、帆船和睡莲都蒙上了一层模糊的“滤镜”。

经典物理学的连续性、确定性相继被颠覆，只剩下一团不确定的波动。电子这种小小的粒子让科学家们大伤脑筋。它们乖戾而不可捉摸，在不同的原子间相互争斗、对抗又产生交集，形成了不同的化学活性或者不同的导电性。

尽管这些奇想都与实验的结论相符，但为什么会如此呢？迷茫的科学家们需要一个清晰合理的解释。

为此，奥地利物理学家埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）在1926年提出了一组波动方程。他那时正受结核病折磨，在瑞士东部的一座小城阿罗萨疗养。在此期间，薛定谔大胆地将粒子当作一个波的包络，而不是一个实体。有了薛定谔方程，人们就能计算出诸如粒子的能量态、电子在各层轨道出现的概率等。

薛定谔方程像一面魔镜，照出了迷雾背后的真相。有了薛定谔方程，科学家们恍然大悟，原来每种元素出现在元素周期表上的特定位置都是由这个方程决定的。薛定谔方程能将一切物理和化学属性都解释得清清楚楚，包括物质的导电性。

1929年，在全球经济大萧条开始之前，量子物理学的“大厦”基本竣工。而在全球经济大萧条开始之后，量子物理学将揭开半导体内部导电的秘密。

惊险的一跃，半导体的奇迹

1931年初，位于德国东部的莱比锡城的雪还没有融化，莱比锡大学的理论物理研究所来了一位25岁的英国小伙艾伦·赫里斯·威尔逊（Alan Herries Wilson），他跟随海森堡学习固体物理学，研究半导体的性质。

半导体最大的特性就是它的导电能力，远远小于导体（如铜线），又远远大于绝缘体（如橡胶）。这种特殊的性质引起了科学家的好奇。此外，很多半导体都是晶体，内部有着规则的原子点阵。但麻烦的是，原子的间距很小，无法直接用显微镜观察到晶体内部的原子点阵结构。

在威尔逊到来之前，这里的一位博士生布洛赫（Bloch）正在对晶体展开研究。得益于德国物理学家马克斯·劳厄（Max Laue）和英国物理学家布拉格父子 发明的用X射线衍射研究晶体的方法，布洛赫间接窥视到晶体里漂亮规整的结构，并将其带入薛定谔方程，从而初步揭开了半导体晶体的性质（见图1-8）。

那么，半导体内部是如何导电的呢？以前人们尝试用经典物理学来解释，但都失败了 。进入20世纪30年代初，威尔逊等人以量子物理学为工具，对半导体的导电机制展开了一番新的研究。

一般人可能会认为，电子越多，越容易导电，电流也越大。但真的如此吗？威尔逊心里打了个问号。

如果把半导体中的电流比作公路上的车流，车少时车流量很小，那么车越多，车流量就越大吗？恰恰相反，车流量会因为车多拥堵而下降到零。

威尔逊发现，半导体里的电子都堵在了一条叫作“价带”的路上，无法自由移动并形成电流。他领悟到了关键的结论：并不是电子越多就越容易导电，而是要有足够多的空位，才便于电子移动和导电。

只有一种情况能让半导体导电，那就是让堵在价带中的电子跃迁上叫作“导带”的高架桥，因为那里畅通无阻。可是，这比让平底锅里的爆米花蹦到10层楼高还要困难。

不过，在量子物理学起作用的微观世界里，这却是可能的。电子的不确定性又一次发挥了作用。尽管电子跃迁上导带的概率非常低，但仍有可能性，而且电子的总体数目非常庞大，总是有一些电子可以成功跃迁上“导带”这座高架桥，从而使半导体内产生电流 ！

于是，人们就利用量子力学的这点小伎俩，充当起“交警”和“建筑师”：在适当的位置截断车流，使其堵塞；在适当的位置将高架桥放低，让电子轻松跃迁，保持车流畅通。海森堡听了威尔逊的理论后兴奋不已，马上叫来布洛赫一起讨论。但布洛赫却连连摇头，说“大错特错”。但经过一个多星期的思考，布洛赫还是理解并接受了威尔逊的理论。 ¹⁶

有了威尔逊提出的“能带理论”，人们就能理解为什么半导体最适合做开关。因为绝缘体的“高架桥”太高了，使得电子跃上去的概率大大减小，所以无法导电；而金属里的“高架桥”又太低，电子很容易就能跃迁上去，轻松导电，但无法让电子停下来，所以很难阻断；只有半导体的“高架桥”不高不低，当外部电压发生变化，半导体内部轻盈的电荷就会跟着发生变化，电荷瞬间重新分布，半导体就能迅速地切换到关断状态（变成绝缘体）或者开通状态（变成导体），如图1-9所示。

跟其他开关比起来，半导体的开关速度极快。如果用手按下墙上的开关，每秒最多按3～4次。而继电器每秒可以切换100次，真空管可以达到每秒数百万次，半导体器件更是可以达到每秒数千亿次。因此，半导体适合做高速开关，实现芯片中的0和1的逻辑运算。

威尔逊提出“能带理论”之时，欧洲正受到经济大萧条的影响，物价飞涨。柏林和汉堡之间的公路两旁挤满了无家可归的人。经济大萧条对德国的冲击尤其大，也为第二次世界大战埋下了隐患。

1933年，德国纳粹上台。在德国国会纵火案之后，爱因斯坦等一众科学家不得不“跃迁”到大西洋彼岸。这种单向的人才流动给美国这个新兴国家带来了宝贵的智力资源，也使欧洲的半导体研究此后长时间停滞不前。

在20世纪20年代，美国物理学家约翰·斯莱特（John Slater）访问欧洲的剑桥大学和哥本哈根，跟玻尔、海森堡和泡利等人一起工作。之后，斯莱特回到美国的麻省理工学院，这也意味着他将量子物理学的研究火种带到了美国。斯莱特于1932年在麻省理工学院招到了一位年轻的博士生威廉·肖克利（William Shockley）。

接下来，半导体研究会朝哪个方向发展？肖克利又会将半导体的研究带往何方？

本章核心要点

要想发明芯片和晶体管，先要有半导体技术；要想有半导体技术，先要有量子物理学。基础学科是技术突破的深厚土壤。

要想了解量子物理学，先要从一只电灯泡开始讲起。

1882年，爱迪生观察到灯泡内壁被熏黑，从而偶然发现了真空灯泡中存在着单向电流。直到1897年，汤姆逊发现了原子中的粒子“电子”后，人们才理解了这种真空中的单向电流。在此基础上，1904年，弗莱明利用真空灯泡中的单向电流效应发明了真空二极管。1906年，德福雷斯特在二极管的阴极和阳极之间插入了栅极，发明了真空三极管，它既能放大信号，又能做开关，在收音机、长途电话乃至电子计算机上得到了广泛应用。

但是真空管具有速度慢、发热严重、故障率高、体积大等弊端，无法适应信息时代的要求，而解决这些难题需要一种全新的物质——半导体。

对半导体导电特性的理解离不开对微观粒子基本规律的认识，尤其是对原子中电子的特性的认识，而经典物理学无法解释一些现象，其中包括困扰爱迪生的灯泡发光效率低下的问题。由此，普朗克研究了背后的黑体辐射问题，并于1900年提出将辐射能量当作一份一份的“量子”，从而催生了量子物理学。

此后，爱因斯坦、玻尔等进一步丰富了量子概念，直到海森堡提出了“不确定性原理”和薛定谔提出了“波动方程”，人们才对原子和电子有了深入的认识。在此基础上，威尔逊于1931年提出了“能带理论”，解释了半导体中电子的不确定性，以及由此产生的电流，从而为半导体二极管和晶体管的发明奠定了基础。 +ZajOEzflza7rn2p8bQzLYxHA52j4dTTPVCFG9JZ41Vttl519PwhJJZYTSx3jcSf