難以想像的強大量子計算機，牢不可破的量子加密，超精密的量子傳感器，當我們想到量子技術時，我們想到的都是這些『黑科技』。但是，儘管我們正在學習以新的方式利用世界的量子特性，但更深層的事實是，世界一直是量子的。
即使是老式發明的標誌——燈泡——也是一種量子技術。事實上，參觀燈泡的歷史就像參觀科學史一樣，在科學史上，小的謎題可以帶來大的突破，而深奧的小觀察——只要有足夠的時間——可以照亮整個世界。
老式燈泡：量子世界的黎明
第一個燈泡是白熾的，這是物理學家的說法，它們發光是因為它們達到了一定的溫度。事實上，所有熱的東西都以同樣的方式發光。把一些東西——餘燼、玻璃、粘土、鋼鐵、燈泡裡的小絲，任何東西——加熱到800攝氏度，它就會發出紅光。加熱到1100°C，它會變成黃色。1300°C—白色。
為什麼在相同的溫度下，所有物體都會發出相同的顏色光？物理學家喜歡一個好的現象學問題，在19世紀末，這個問題風靡一時。
當時最好的科學模型說，光的能量應該均勻地『塗抹』在所有頻率上。這似乎是合理的，但結果卻是一個荒謬的預測。在頻譜的高端，如果每個頻率都得到等量的能量，那麼光譜的高端就會有更多的能量——一臺普通的烤麵包機就會產生致盲的紫外線和致命的x射線輻射。事實並非如此，對那些喜歡吐司的人來說，這是好消息，但對19世紀的物理學來說卻是壞消息。這個問題後來被稱為「紫外線災難」。
馬克斯·普朗克。與大多數重塑科學的人不同，普朗克並不是一個新潮的年輕思想家：他40多歲，在柏林大學擁有一個舒適的職位，還擁有普魯士科學院的會員資格。他是熱力學的領軍人物，熱力學是物理學的一個分支，定義了熱與其他能量形式之間的關係。紫外線災難應該是他的拿手好戲。但是，像其他人一樣，他不能做出一個有效的模型。
和其他所有人一樣，他為此奮鬥了多年。普朗克通過闡明熱力學第二定律的微妙之處建立了自己的事業，熱力學第二定律指出熵總是在增加。他認為第二定律在任何情況下都是絕對正確的，但當時並非所有人都這麼認為。
路德維希玻爾茲曼建立了一個氣體熱模型，將氣體切割成分子，然後利用統計數據考慮它們的平均位置和速度。他甚至寫了一個統計版的第二定律，其中熵平均增加，但可能由於瞬間的波動而暫時減少。他甚至不相信原子和分子的存在。
所以，普朗克一定是絕望地轉向玻爾茲曼的方法來處理紫外線災難。由於玻爾茲曼把氣體切成原子，普朗克把能量切成包，他用玻爾茲曼的統計方法來計算這些包有多小。事實上，它們確實有一個最小的尺寸。
這是——現在也是——紫外線災難的解決方案：能量不會均勻地塗抹在所有頻率上，因為能量不是你可以均勻塗抹的東西。在小尺度上，它是塊狀的，以比特的形式出現，普朗克稱之為「量子」。這是量子力學的開端。
每次你打開一個老式的白熾燈，你就在點亮19世紀和量子時代之間的橋梁。
螢光燈泡：新的光線
螢光燈泡體現了一個完全不同的量子原理：光譜線。當光線通過玻璃稜鏡時，它被分成我們大多數人所說的彩虹和科學家所說的光譜。19世紀初，一位名叫約瑟夫·馮·弗勞恩霍夫的年輕玻璃製造商在研究這種效應時，發現了一些東西，這些東西將在未來幾個世紀裡塑造科學的進程。
弗勞恩霍夫的發現背後的故事是如此的不可能，幾乎就像一個童話。約瑟夫是一家玻璃製造商最小的兒子，11歲時就成了孤兒。他的監護人把他賣給了一個很有聲望的學徒制，負責切割花瓶和裝飾性的鏡子。但是年輕的約瑟夫討厭它，因為它在科學上沒有什麼意思，他不能繼續他的研究，也不能讀他關於光學的書。如果不是因為這位玻璃大師的房子倒塌了，約瑟夫也在裡面，也許一切就都結束了——一個更有才華的人被貧窮和機遇奪去了生命。
故事是這樣的：約瑟夫的獲救得到了巴伐利亞王子馬克西米利安四世的幫助。在馬克西米利安王子的支持下，這個少年離開了學徒生涯，買了新的工具。弗勞恩霍夫成為了一名研究人員，望遠鏡鏡片的生產商，以及光折射方面的專家。
為了幫助他的研究，弗勞恩霍夫發明了一種光柵，它比稜鏡更可靠地分離顏色。他的目標是可靠地產生相同的特定顏色，這樣他就可以研究它在不同種類和形狀的玻璃中彎曲的方式。但在他繪製的陽光顏色圖譜中，他發現了一些全新的東西：一系列深色的線條，橫跨光譜，就像印在彩虹上的條形碼。它們後來被稱為弗勞恩霍夫線。
和大多數玻璃製造商一樣，弗勞恩霍夫很年輕就去世了，死於工藝中的重金屬毒素。但弗勞恩霍夫家族並沒有隨著他而消亡。1860年，古斯塔夫·基爾霍夫和羅伯特·本森終於揭開了他們的秘密。他們發現，當光通過一種含有鐵的氣體時，這種氣體吸收了特定的藍光和綠光，在光譜中形成了黑色的線條。如果燃燒相同的氣體，就會產生這些特定顏色的線條。每個元素都有一個獨特的條形碼——一組獨特的光譜線。
突然間，光譜線可以用來分辨物體是由什麼構成的。突然，我們可以研究太陽的組成了!但要弄清楚為什麼不同的元素有不同的光譜條形碼，又花了50年的時間和一場科學革命。
1913年，也就是弗勞恩霍夫繪製出他的線條將近100年後，尼爾斯·玻爾提出了原子的第一個量子模型。在這個過程中，電子從一個能級「躍遷」到另一個能級，以特定波長(或顏色)發射或吸收光。這幾個不同的能級和它們之間的躍遷給每個元素一組獨特的譜線。
條形碼原來是量子的。這讓我們回到螢光燈照明。在螢光燈燈泡裡有一個發出紫外線輻射的光源。在燈泡內部的塗層是螢光粉，它可以吸收那些紫外線，將它們的電子向上推進幾步，達到非常高的能級。當電子回落時，它們會發出一系列不同顏色的光，這些光加在一起恰好看起來是白色的條形碼。
所以當你打開一個螢光燈泡，你就掌握了另一項技術，它的根源可以追溯到一位年輕而細心的研究員注意到一些奇怪的事情。
量子起源和量子分支
1900年，普朗克提出光以量子的形式存在。1905年，愛因斯坦定義了電子如何通過光電效應吸收或發射這些光。1916年，玻爾將這兩種觀點結合在一起，創造了原子的第一個量子模型。這三項發現合在一起被稱為「舊量子力學」。
隨著物理學的發展，西方世界也發生了翻天覆地的變化。第一次世界大戰爆發於1914年至1918年。那場戰爭中的一名士兵是來自一個貴族家庭的法國學生。他的名字叫路易·維克多·皮埃爾·雷蒙德·德布羅意，他最終成為第七個德布羅意公爵和王國的王子。但當戰爭爆發時，他加入了法國軍隊，成為了一名無線電操作員，駐紮在艾菲爾鐵塔——那時，他既是一名無線電報發射機，也是一個地標。
對年輕的路易斯來說，遠離戰壕的恐怖是一次幸運的突破，也許對物理學也是如此。他開始深入了解無線電波及其技術問題。他有時間和人脈去閱讀現代物理學，並了解到光既可以是粒子，也可以是波。
德布羅意從戰爭中倖存下來，轉而研究物理學。在一篇開創性的博士論文中，他斷言，就像光可以具有物質的粒子性質一樣，物質——尤其是電子——也可以具有光的波狀性質。
物質如波浪：這是驚人的，但它是真實的。新的量子力學誕生了。在那之後，事情發生得很快。狄拉克和他的波動方程出現了，海森堡和薛丁格及其波動力學公式，然後布洛赫用他對固體的量子理解。布洛赫的理解為我們現在所說的半導體材料奇特的導電和絕緣特性的模型提供了肖特基基礎。
工程師們(以及更多的物理學家)從那裡來到了這裡，他們利用半導體的量子特性製造設備，掀起了持續數十年的創新浪潮。其中一種設備是發光二極體(LED)。
LED燈泡——正如人們可能猜到的那樣，是由LED點亮的——站在一棵技術創新大樹的一個枝頭，所有這些都植根於理論物理學。它的根也會向外延伸並深入——人們可以通過一些著名的名字和不知名的名字，通過燈泡的瞬間和一些奇怪的小觀察來追根溯源。燈泡也不是獨一無二的上個世紀的幾乎每一項技術都植根於基礎研究——沒有明顯或直接效益的研究。當我們打開一盞燈的時候，想想我們指尖上的科學史是很有趣的。