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现在终于到了压轴——我们做好了准备，可以了解小小晶体管的完整潜能。图9.5再次利用与流水的类比，展示了晶体管的工作原理。“阀门关闭”的情形完全类似于没有电压施加在P型区域的情形。施加电压就相当于打开了阀门。在两根水管下方，也画出了通常用于表示晶体管的符号；只要稍加想象就能发现，它看起来甚至有点像阀门。
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图9.6：用水管和两个阀门（左）或者一对晶体管（右）制造的“与”门。要制造电脑，后者适合得多。
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用阀门和水管可以做什么呢？答案是，可以建造计算机。如果这些阀门和管道可以做得足够小，就能建造真正的计算机。图9.6示意地展示了如何用带有两个阀门的水管，来构造一种叫作“逻辑门”的东西。在图的左侧，水管的两个阀门都开启，水就可以从底部流出。在图的中间和右侧，水管都有一个阀门关闭；显然水不能从底部流出。笔者偷懒没有展示第四种可能，就是两个阀门都关闭。如果用数字“1”表示有水从底部流出，数字“0”表示没有；用数字“1”表示阀门开启，数字“0”表示阀门关闭，则可以将水管的四种结果（三种画出，一种没有）总结在方程“1与1=1”“1与0=0”“0与1=0”和“0与0=0”中。在这里，“与”是一种逻辑运算，这个词的用法是技术性的——刚才描述的水管和阀门系统叫作“与门”（AND gate）。与门接受两个输入（两个阀门的状态），得到输出“1”的唯一方法是输入一个“1”和另一个“1”。笔者希望在图中以电路表示、用两个串联的晶体管来建立与门的方法是清楚的。可以看出，只有当两个晶体管都开启（即在P型区域的电压Vb1和Vb2均为正）时，才可能通过电流，而这正是实现与门所需的。
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图9.7：用水管和两个阀门（左）或一对晶体管（右）制造的“或”门。
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图9.7展示了一种不同的逻辑门。这次，只要任意一阀门开启，水就能从底部流出；只有阀门都关闭时，水才不会流出。这就是所谓的“或门”。用跟前面相同的记号表达，“1或1=1”“1或0=1”“0或1=1”以及“0或0=0”。相应的晶体管电路也如图所示。现在除了两个晶体管都关闭的情况，电流都能流动。
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类似这样的逻辑门，是数字电子设备之所以强大的秘密。从这些简单的构件出发，人们可以通过组装逻辑门实现任意复杂的算法。可以想象，对某个逻辑电路指定一组输入（一串“0”和“1”），将这些输入通过某种复杂的晶体管构型处理而得到一列输出（也是一串“0”和“1”）。这样，就可以设计电路，进行复杂的数学计算；或者根据键盘上被按下的键做出决策，将这些信息反映给处理单元，并在屏幕上显示出相应的字符；或者在有入侵者破门而入时触发警报；或者将文本字符流通过光缆（编码为一串二进制数字）发送到世界的另一端……事实上，你能想到的任何东西都可以，因为我们拥有的每一个电子设备里几乎都挤满了晶体管。
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晶体管的潜力无限，而我们已经用它极大地改变了世界。说晶体管是过去一百年以来最重要的发明，毫不夸张。现代世界基于半导体技术，并由它塑造。在实用的层面上，这些技术拯救了数百万人的生命——笔者要特别指出计算设备在医院中的应用，快速、可靠和全球化的通信系统带来的好处，以及计算机在科研和控制复杂生产过程中的使用。
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威廉·布·肖克利（William B. Shockley）、约翰·巴丁[181]（John Bardeen）和沃尔特·豪·布拉顿[182]（Walter H. Brattain）在1956年因“他们对半导体的研究和发现晶体管效应”，被授予诺贝尔物理学奖。或许还没有过哪项被授予诺贝尔奖的研究工作能直接改变那么多人的生活。
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[177]本章所讲的晶体管全称双极性晶体管，俗称三极管；另一类晶体管名为场效应管。
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[178]虽然这个定义已经是约定俗成的，我们同样可以将导带电子的运动方向定义为电流方向。
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[179]state of equilibrium，指同时发生正向和反向的变化，而净效应为零的动态平衡。
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[180]如果考虑电势能等于电荷与电势的乘积，则电子受到电势能下降方向的力，方向就和山坡类比一致了。
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[181]约翰·巴丁，1908年生于美国威斯康辛州麦迪逊，1991年卒于华盛顿州斯波坎，美国物理学家。
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[182]沃尔特·豪·布拉顿，1902年生于中国福建省厦门，1987年卒于美国华盛顿州斯波坎，美国物理学家。
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量子宇宙 [:1700921911]
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量子宇宙 第十章 相互作用
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在开头几章中，我们建立了理论框架，解释微小粒子是如何四处运动的。它们跳来跳去，毫无偏好地探索广袤的空间，形象地说，在运动中还不忘带着它们的小钟。考虑粒子到达空间中特定位置的可能性，将不同到达方式的小钟加在一起，就会得到一块确定的钟，其大小会告诉我们在“那儿”找到粒子的机会大小。从量子跳跃这种狂野而无序的展示中衍生出了那些日常物体中更为人熟知的性质。从某种意义来说，你体内的每个电子、每个质子和每个中子都在不断地、自由地探索宇宙，只有当计算出所有这些探索的总和后，我们才会得到这样一个世界，幸好你体内的原子能以合理、稳定的排列，保持至少一个世纪。我们还没有完全解决的是粒子之间相互作用的本性。我们还没有具体讨论粒子之间如何交流，尽管已经设法取得了很多进展，特别是利用势的观念后。但什么是势呢？如果世界单单由粒子组成，我们当然可以替换掉“粒子的运动是在其他粒子形成的势中进行的”这样模糊的概念，转而讨论粒子是如何运动和相互作用的。
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基础物理学的现代方法称之为量子场论，它为解释粒子到处跳来跳去，补充了一套粒子如何相互作用的新规则。事实证明，这些规则并不比此前见过的规则更复杂；并且，尽管自然世界繁芜庞杂，但现代科学的奇迹之一就是：规则并不太多。“世界永恒的不可理解之处就在于它的可理解性，”阿尔伯特·爱因斯坦写道[183]，“它是可理解的，这本身就是一个奇迹。”
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我们先来阐述一下最早被发现的量子场论——量子电动力学，简称QED——的规则。该理论的起源可追溯至1920年代；当时，以狄拉克为代表的物理学家对麦克斯韦电磁场的量子化工作取得了最初的突破。在本书中，你已经多次见到电磁场的量子——光子；但在整个1920和1930年代，这一新理论仍有很多悬而未决的问题。例如，当电子在原子能级间移动时，它究竟是如何发射出光子的？以及，当光子被电子吸收，使电子能跳至更高能级时，光子到底怎么样了？显然，在原子内的过程中，光子是可以被产生和消灭的；而这种事情的机制，本书的“旧”量子理论中至此还没有涉及。
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科学史上曾有过屈指可数的几次华山论剑，这些会议看似确实改变了科学的发展方向。如果考虑到与会者通常已经对其课题进行了多年的研究，这些会议也许并没有改变发展方向；但和它们中的大部分比起来，1947年6月在纽约长岛一角举行的谢尔特岛会议更有资格被认为促成了一些特别的事情。光是与会名单就值得列举，因为它虽然短，却是20世纪美国物理学巨擘们的大点兵。按姓名字母顺序：汉斯·贝特[184]（Hans Bethe）、戴维·玻姆[185]（David Bohm）、格雷戈里·布莱特[186]（Gregory Breit）、卡尔·达罗[187]（Karl Darrow）、赫尔曼·费什巴赫[188]（Herman Feshbach）、理查德·费曼、亨德里克·克喇末[189]（Hendrik Kramers）、威利斯·兰姆[190]（Willis Lamb）、邓肯·麦金尼斯[191]（Duncan MacInnes）、罗伯特·马沙克[192]（Robert Marshak）、约翰·冯·诺伊曼[193]（John von Neumann）、阿诺德·诺德西克[194]（Arnold Nordsieck）、朱·罗伯特·奥本海默[195]（J. Robert Oppenheimer）、亚伯拉罕·派斯[196]（Abraham Pais）、莱纳斯·鲍林[197]（Linus Pauling）、伊西多·拉比[198]（Isidor Rabi）、布鲁诺·罗西[199]（Bruno Rossi）、朱利安·施温格[200]（Julian Schwinger）、罗伯特·瑟伯尔[201]（Robert Serber）、爱德华·特勒[202]（Edward Teller）、乔治·乌伦贝克、约翰·哈斯布鲁克·范扶累克[203]（John Hasbrouck van Vleck）、维克托·魏斯科普夫[204]（Victor Weisskopf）以及约翰·阿齐博尔德·惠勒[205]（John Archibald Wheeler）。你已经在本书中见过其中几个名字，而任何一个物理系学生都可能听说过他们中的绝大多数。美国作家戴夫·巴里[206]（Dave Barry）曾经写道：“如果非要用一个词来概括是什么原因导致人类还没有并且永远不可能发挥全部潜能，这个词就是开会。”这无疑是真的，但谢尔特岛会议是个例外。这次会议一开始就报告了后世闻名的“兰姆位移”。威利斯·兰姆利用二战期间发展出的高精度微波技术，发现氢原子光谱实际上不能被旧量子力学完美描述。在观察到的能级中有一个微小的位移，不能用我们本书已出现的理论来解释。这效应极其微小，但对这群聚在一起的理论学者们来说它是一个奇妙的挑战。
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我们将在兰姆的报告后淡定地离开谢尔特岛，转而研究在随后数月和数年中出现的理论。过程中会揭示兰姆位移的起源，但是卖个关子，这里先给出加密版的答案：氢原子中并不只是有质子和电子。