Page 115 - 信息的脉络

·第三部分·
更小级别尺寸的系统作出精确预测的理论。此外，我们周围存在的各种化学元素
都可以使用量子力学作出确切的解释。量子理论中的“电子自旋”和“泡利不相
容原理”是我们理解元素周期表的关键。理查德·费曼说过：“正因为电子不能
全聚在一起，才使得桌子和其他类似的东西能稳固。”泡利不相容原理适用于所

有的量子对象，如电子、质子、中子，但不适用于光子等辐射类对象，我们可以
把任意数量的光子放到统一量子态下。这导致激光和超导等令人惊叹的应用出现。
量子力学被认为是自然科学史上被实验证明最精确的理论之一，它是我们理
解原子、原子核、电磁性、半导体、超导以及天文学中观测到的白矮星、中子星

的结构等理论的基础。以其为基础所发展的量子电动力学，对于某些原子性质的
理论预测，被实验验证结果的准确性达到 10 的 8 次方分之一。

硅和半导体

在始生代信息技术时期，我们知道了基于真空管的计算机 ENIAC，这些早期
计算机采用了成千上万个真空管，事实上，它们运转得很好，也很可靠，这大大
超出了很多人的预期。1907 年，美国发明家德福雷斯特（De Forest Lee）在真空
二极管的灯丝和板极之间巧妙地加了一个栅板，从而发明了第一支真空三极管。

三极管具有优良的放大作用和开关功能，使得当时的半导体器件完全望尘莫及。
尽管如此，科学家们仍试图用介于导体和绝缘体之间的材料——半导体来寻
找新的技术方案，尝试用半导体来设计一种固态元件以取代真空管。我们知道，
当固体被施加电压时，电子就会流动，形成电流。导体必须有许多传导电子，这

些电子可以移动，对其施以电压时，他们会定向移动形成电流。与此相反，玻璃、
碳、木头等这类绝缘体所拥有的传导电子非常少，甚至没有。而半导体（如锗和硅）
的导电性能比导体差，比绝缘体要好。

固体的属性不仅取决于其组成元素，还取决于原子或分子的堆叠方式。许多
固体材料的原子排列很规则，人们把这种原子有规则排列的模式称为“晶体”，
将拥有这种结构的物质称为“晶状固体”，呈规则排列的原子对原子中的电子容
许能级有着巨大的影响。1952 年诺贝尔物理学奖得主、瑞士物理学家菲利克斯·布

洛赫（Felix Bloch，1905—1983 年）发现了理解晶体材料能级的方法。布洛赫对
固体物理的贡献是求解了晶格中电子运动的薛定谔方程，并以其为基础建立了电
子的能带理论，通过求解薛定谔方程，能得到确切的、独立的电子容许能级。布
洛赫发现，对于处于某个电势的电子，容许能级会并入几个容许能带，而独立能

级则不会。能带结构的发现为我们理解导体、半导体和绝缘体之间的差异奠定了
基础。

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