量子力学中的死光：天使或魔鬼？

巴克·罗杰斯的漫画风靡一时，由该漫画改编的广播剧也大获成功。1934年，“飞侠哥顿”冒险主题漫画问世，与巴克·罗杰斯系列形成竞争之势。至20世纪30年代中期，以这两大漫画为灵感来源的玩具射线枪在市场上供不应求，戴茜制造公司（该公司拥有制造冲压金属版本的“巴克XZ-31型火箭手枪”的生产许可）为此将钢材和纸箱消耗殆尽。1960年，激光被发明出来，对此公众首先想到的是，这是否意味着科学家们最终掌握了备受期待的“死光”技术。考虑到在科幻世界里，射线枪在征服宇宙过程中发挥的重要作用，公众的这种反应不足为奇。

1958年，贝尔实验室的查尔斯·哈德·汤斯和亚瑟·莱纳德·肖洛为他们设计的一种能够发射出高密度可见光束的激光器提交了专利申请。1960年，加利福尼亚休斯研究实验室的西奥多·哈罗德·梅曼成功地建造了第一台激光发生器装置。在当年的新闻发布会上，多家媒体的记者轮番向梅曼提出他是否实际上发明了“死光”这一问题。贝尔实验室的科学家们则收到相关管理部门的指示，在公开场合禁止谈论任何关于用激光作为致命武器的问题，竭力避免说出任何可能引起误解或被错误引用的话。1961年，《底特律新闻报》（Detroit News）报道了贝尔实验室的一位科学家的演讲，内容涉及他们的激光项目。该报道重点指出，“死光”将是激光这项发明的第一项应用。1964年，也就是梅曼宣布发明激光的4年之后，在米高梅影业出品的007系列影片之《金手指》中，詹姆斯·邦德被绑在桌子上，忍受着缓慢痛苦的死亡威胁。1959年出版的007原版小说中的圆盘锯，在电影中被一束高能量的工业激光取代，它的射线沿着桌边缓慢移动，准备把邦德一分为二。

激光发生器与荧光体的物理学原理基本一致。根据化学成分和材料性质，激光不仅能发射绿光，也能发射红光、绿光、蓝光、紫外光和红外光。激光和荧光体之间的两大区别在于，在激光中，中间排座位几乎完全被电子占据，更重要的是，中间排的所有电子会同时回到基态。

如何保证位于激光中的所有电子同时回到基态，并放出光子呢？回想一下荧光体与礼堂的类比，如图14-2所示，我接下来采用的论证方法与上一章基本相同。乐池中的电子，可以在电流的作用下或通过吸收光的方式跃迁至包厢，从而在乐池内留下空位。电子从乐池到包厢的跃迁速率很高，它们回到乐池同样很容易，并发出光。在个别情况下，电子不会从包厢回到乐池，而是来到中间排座位。电子跃迁进入或离开中间排的速率很低，因此它们会较长时间地保持这个状态。如果电子跃迁至包厢，再从那里到达中间排，且这一过程比它们自发地从中间排回到乐池的速度快，我们就能使中间排的电子数目与乐池中的几乎一样多。

现在，我们已经为激光的生成做好了准备，如图15-1所示。电子从中间排回到乐池有两种途径：自发回去或者被推回去。在某些材料中，电子自发地从中间排回到乐池的跃迁速率是电子从包厢回到乐池的速率的亿分之一。这解释了为了填满中间排，我们需要先让电子跃迁至包厢的原因。什么可以将一个电子推回乐池？答案是：光。

图15-1　来自第14章的礼堂模型，只不过此图中中间排的上座率很高。一个光子可以把一个处于中间排的电子推回乐池，并在此过程中发出一个光子；这个光子又可以使另一个电子发生同样的跃迁。最终产生的净效果是，大量电子跃迁至较低能带，并辐射出相同能量的光子。这一过程就是激光的基本物理学机制

当电子从中间排回到乐池时，它的波函数可以表示成乐池和中间排的量子态的叠加。在这一过程中，电子的平均位置可以被看作它在每个态的对应值之间进行振荡。因为振荡的电荷会以其振荡频率发射电磁波，我们从量子力学角度对这一过程进行分析发现，此过程中释放的不连续的能量包（即一个光子）的能量，恰好是中间排和乐池能级之间的能量差。

一旦有光子发出，其电磁波就会使中间排的一个电子发生振荡，从而回到乐池，并发出光子。第二个光子又会使另一个电子发生跃迁，并产生能量相当于中间排和乐池这两个能带的能量差的光子。在这种情况下，大量的电子会回到乐池，每个电子都被一个光子的振荡电场所驱动。因此，一个光子将会引发数万亿个光子的发射，它们都具有相同的能量，并在同一时间发出。光子的运动速度很快，以至于在第一个电子从中间排回到乐池，与数万亿个电子从中间排回到乐池之间，没有明显的时间差。这种通过受激辐射产生放大的光的装置，被简称为“激光器”。

当然，如果想多次发射激光，就必须反复让电子跃迁至包厢，继而回到中间排，最后回到乐池，并发出光子。因此，多次发射激光需要耗费大量的能量。每秒钟内想要发出的光子越多，需要耗费的能量就越多。演讲使用的激光指示器的激光密度相对较小，所以可以用两节AA或AAA电池提供能量；而切割用的工业激光则需要1000瓦特的能量。

激光器发射的光是相干光。受激辐射产生光子的工作物质通常被封装在谐振腔内，谐振腔的两端各有一面反射镜，而且只有一端有一个小孔，可以让光线射出。这就好比礼堂的所有墙壁都能反射光子，但只有那些沿着完全正确的方向，朝着唯一的出口移动的光子，才能离开。那些留在礼堂内的光子会来回反射，产生更多的从中间排到乐池的跃迁。由此形成了一个紧密聚焦的激光光束，如果光子处于相同相位时，它们在离开谐振腔时就会表现出最小散射。因此，除非你直视射出激光的小孔，否则你是看不到激光的，这与灯光均匀地向所有方向扩散的白炽灯不同。无论从哪个角度，我们都能看到白炽灯的光，但在某种意义上，这些光子的能量被浪费了，因为光射在了我们并不需要看到的物体上。只有当激光束在物体表面发生反射时，它才能被看到。如果空气中没有灰尘或微粒使激光束发生散射，看到它的唯一可能方式就是移动至它传播路径上的某处。经测量，从地球上某个实验室发出的一个致密狭窄的激光束，在行进了386242千米抵达月球之后，其宽度仅增至约3.2千米。

当电子在光子的激发下从中间排回到能量较低的乐池时，它们都会发出能量相同的光。因此，激光只有单一的颜色，被称为“单色性”。将氦和氖两种气体混合，是一种产生红色激光的高效机制。这两种元素的外层量子能级完全被占据［如图12-3（b）所示］，因此表现出化学惰性，即它们不会通过形成任何形式的化学键来降低它们的能量。当一束电子通过这种气体混合物并与氦原子发生碰撞时，电子的动能发生了转移。氦原子中的一个电子受激从基态跃迁至激发态。由于氦、氖原子的量子能级之间的间隔，当一个电子处于更高能级的氦原子与一个氖原子发生碰撞时，电子会在氖原子中持续地处于激发态。当所需频率的光激发了氖原子时，它们就会回到基态并发出红色的光子。

用带电荷（即离子化）的氩气代替氦—氖混合物，可以产生绿色激光。使用半导体二极管，人们就可以摆脱气体工作材料的限制，制造出能够产生红光、绿光、蓝光的固体材料激光器。相比较蓝光光子2.6电子伏特的能量和475纳米的波长，红光具有更低的能量（1.9电子伏特）和更长的波长（约为650纳米）。二者的波长看似相差无几，但用在DVD中，效果会有很大的不同。

凡是仔细观察过由一系列黑白点组成的老报纸图片的人都会明白，图像中所包含的信息可以表示为一系列像素点。DVD和CD（可擦写光盘）通过视频或音频播放系统的一组指令来编码图像和声音像素是二进制的，它们只有两种状态：开或关，亮或暗。所有数字信息几乎都可以表示成由0和1组成的字符串。(www.chuimin.cn)

价格低廉的小型固态激光器的发展，使人们能够读取存储在光盘上的那些“0”和“1”。从光盘的亮面反射出来的激光将被一个光学传感器探测到。如果光盘的表面是平滑的，那么沿直线传播的激光将被直接反射到光学传感器上，光盘的相应位置会被标记为一个亮点。如果激光射在光盘上的粗糙区域（比如，光盘上某个凹陷的小坑或者小凸起），那么光会沿着随机的方向散射，而不是被反射到光学传感器上。因此，传感器会把光盘的这一位置标记为一个暗点。把亮点表示为“1”，把暗点表示为“0”，我们就可以存储和传输数字化信息了。

激光沿着光盘移动，记录下平滑和粗糙区域的顺序，并将其表示成“1”和“0”，解码这些数字就可以播放出美妙的音乐。实际上，固定激光而移动光盘的做法更容易（通常是以每分钟几百次的速度转动光盘）。“1”和“0”的密度越大（即在一定长度内包含的信息量越大），视频和音频信号的分辨率越高。正是由于量子力学的发展，激光对娱乐活动产生了重要的影响。

如果你想粉刷一个5.08厘米高的兽人雕像（随便举个例子），你肯定不会选择粉刷房屋用的那种大刷子（假设你不打算只涂抹一种颜色）。为了在小雕像的细部涂上不同的颜色，你需要一把非常精致的小刷子，虽然它会令粉刷房屋的过程变得乏味漫长，但却非常适合涂抹雕像的细部。当光被用作探针时，波长就如同刷毛的精细程度，我们无法用波来探测尺寸小于波峰和波谷间距离的物质。

这就是为什么我们使用光学显微镜，看不到病毒或几纳米尺寸的物体。为了“看见”这样的小型结构，你要么使用波长为几纳米甚至更小数量级的光（比如高能X射线），要么使用高速电子。通过改变施加在电子束上的加速电压的大小，可以比较容易地控制电子的动量，从而调整电子的物质波波长。一组充电金属板可以聚焦电子束对从物体表面反射或穿过物体切片的电流进行探测，电子显微镜可以提供原子尺度分辨率的图像。这是量子力学的又一应用。

早期的光盘存储介质只有红外固态二极管激光器。因为红外光的波长相当长，因而比特的密度（单位区域的比特）比较小。光盘的尺寸是固定的，这意味着光盘上凹坑之间的间隔较大，一张标准光盘大约能存储6亿～8亿比特的信息。由于可用的“1”和“0”较少，早期光盘虽能够存储足够多的音乐信息，却无法满足存储高质量视频的需求。有了可见红光固态激光器后，光的波长缩短了，更小、更窄的凹坑（以及数据压缩技术的发展）使得光盘上的比特数目多达50亿。这些数字化光盘的用途非常广泛（因而得名DVD），它们可以同时对图像和音乐进行编码。随着近年来价格相对低廉的蓝光固态激光器的发明，比特的密度进一步增加。现在，我们可以用更高的分辨率来储存影片，高清蓝光DVD播放器让我们足不出户便可拥有影院般的观影体验。

光盘上的凹坑是怎样形成的？答案是：通过另一道激光。1966年的第16期《索拉尔——原子之人》在常规故事之后，还为读者们准备了一个专题，揭露了“原子谷的秘密”。其中一页讨论了“死光的诞生”，死光在该漫画中指由装在来复枪上的激光器发出的光。由激光器发出集中的光子束确实会造成很严重的伤害，具体取决于它照射的材料。激光携带能量，当材料吸收这些光时，必须设法分散由激光提供给每个原子的多余能量。“温度”是物理学中用来表示每个原子的平均能量的量度。如果某种材料不能释放出它吸收的能量，这些能量就必然会转变为原子的振动，材料的温度上升。如果激光的功率密度足够大（即每秒钟内单位面积吸收的光子数目），材料被激光加热的速度将会比多余热量被传递给固体的其余部分的速度快。在这种情形下，原子可能会振动得十分剧烈，导致化学键发生断裂，材料发生液化或气化。20世纪60年代，激光的能量大小是通过它们能够熔化的吉列剃须刀刃的数量来衡量的。在激光烧蚀技术中，被激光束气化的物质通常状态下是固态，烧蚀产生的物质蒸汽会凝结在基底材料表面，或者与另一种化合物发生反应。科研实验室用该技术合成新型半导体材料。

当在DVD和CD光盘上写入信息时，比如，在一些家用电脑的CD/DVD刻录机中，激光不必使光盘气化。确切地说，激光将使光盘涂层发生化学反应，使光盘表面变暗，不再反射光线，或者使材料熔化。迅速冷却后，被熔化的区域并不会变得平滑均匀，而是变得粗糙，形成凹坑，使CD或DVD播放器中的另一个激光束发生散射。在CD和DVD的商业化生产过程中，激光被用于刻录母盘，以及冲压包含编码信息的多张复制品。

将激光用作“死光”的麻烦在于，激光很难达到造成重大破坏所需的功率密度。为了在DVD光盘表面熔化一小块区域，必须在很短的时间内提供大量的能量，其速度要快于能量转移到材料其他部分的速度。因此，问题的关键在于能量的传递速率，在物理学中我们称为“功率”。人们可以制造出能在坦克装甲板上熔化出一个大洞的激光，但即便不把供能装置计算在内，激光器也会有桌面那么大。

图15-2　1966年的第16期《索拉尔——原子之人》中有教育意义一页，展示了正义与邪恶势力如何应用激光

图15-2《索拉尔——原子之人》中的“死光的诞生”那一页暗示了激光在治疗疾病和造成伤害两方面的潜力。这在其他漫画书中也有所提及。在“光和死亡”（A Matter of Light and Death）（1979年《动作漫画》第491期）中，超人用他的聚焦热视线消除了导致其同伴失明的重度白内障。超人先将两块煤挤压成两块钻石，这比你想象的难得多。正如超人在挤压煤炭时想的那样：“将碳从煤的状态转变成钻石，这对我来说也绝非易事！即使形成一块天然钻石，也要经历数百万年漫长的自然演变，耗费大量的地下压力……更何况是两块！”煤炭是植物经泥炭化后被深埋所形成的化石燃料，在超人挤压煤块的过程中，那些存在于煤块而不存在于钻石中的杂质（比如硫、氮和其他化学物质）的去向，在漫画中并没有交代。超人将这两块大钻石放在他朋友的眼前，然后使用了热视线。在进行这项操作时，“明日之人”暗自思忖：“这些钻石正在过滤我的热视线光束并将其聚焦成两个超级激光束，这让我可以做到人造激光无法做到的事——消除那些白内障，恢复他的视力。”（超级英雄总在头脑中思考自己的行为，这对读者来说是一件好事！）1987年，史蒂芬·托克尔获得了一项专利，他用曾应用于半导体表面的能发射紫外光（不同于超人的由红外光组成的热视线）的准分子激光器，实施了首例眼科手术。尽管激光手术不是治疗白内障的常见方法，但时至今日，用于重塑角膜以矫正近视等激光手术已经非常普遍了。

当萨维奇医生使用只有在紫外线照射下才能被看到的隐形书写方式进行交流时，他应用了与荧光材料相同的物理学原理，他对这些是否了解呢？也许他并不了解DVD播放器的全部工作细节，但萨维奇医生对基本量子力学理论的了解是毋庸置疑的。在1936年出版的萨维奇医生冒险故事之《恐怖的南极》中，他和他的探险队粉碎了由一群盗贼和杀人犯精心策划的在南极峡谷中开采铂的行动。这些恶徒能够融化大量的冰，并使用一种奇怪的热射线杀害企图阻止他们的证人。除了萨维奇医生以外，这种热射线让其他所有人都困惑不解。萨维奇医生在这个故事的结尾处解释道：“人们早就知道，环绕地球的大气层阻挡了许多来自太阳的射线，其中有些射线是无害的，而有些射线则可能对人造成严重伤害，甚至是致命的。举例来说，根据薛定谔的理论，空气中的粒子是由原子组成的，而这些原子是由振动的带电球体构成的。”

医生正确地推断出，他的对手有“一种装置，可以改变地球上空有限区域内的大气层的性质，允许宇宙射线通过毛毯般厚实的大气层”。早在曼哈顿计划实施的9年前，萨维奇医生便使用了薛定谔的理论，并与可以随心所欲地在南极上空造成臭氧层空洞的狂徒作战，这表明他不但精通量子物理学，也深谙惩奸除恶之道。