日常生活中哪些设备运用了量子技术

发布时间:2022-06-21 08:57:38 来源:爱游戏app官方下载 作者:爱游戏娱乐官网

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  量子力学是一门公认的与其它任何科学不一样、相当奇特的科学,它描写微观世界的事物。在许多人看来,抽象和违反直觉的的量子物理是可望而不可及。实际上许多量子物理学的实例就在你身边!下面仅举几个日常生活中的量子物理学实例,其中有的往往并没有被意识到是量子力学的事例。

  很多人喜欢吃烧烤,熊熊的烧烤炭火燃烧,加热发着红光而烤熟东西。炽热的物体会发光是一种人们司空见惯的现象:加热物体时会先发出红色,温度再高时变成黄色,然后温度再高时变成白色。具体的颜色不取决于是什么物质,只要是足够地热就够了,也不取决于如何加热,仅取决于温度。将一块玻璃和一块铁放在相同的高温下,尽管它们的物理性质非常不同,但它们发出完全相同的光谱。

  几百年来科学家们一直想认知这是为什么。直到1900年,量子力学的奠基人之一普朗克正确地解释了这一现象。他指出,光只能以离散的能量块,即以一个小小的常数乘以频率的整数倍地发射,从而提出了“量子“的假设,量子力学因此得名,这个小小的常数被称为普朗克常数,揭开了量子力学的序幕。有人可能会感到惊讶,在烧烤里竟还隐含着量子力学的起源。

  无论是夜晚还是白天,你到处都可以看到省电的荧光灯;你现在计算机或手机屏幕上看信息,所使用的光是荧光的;你打开平板电视,所使用的是被称为发光二极管的LED荧光的背光显示器。

  老式的白炽灯泡通过使一根电线发热到足以发出明亮的白光的方式来发光,就如上面烧烤发光一样,所以白炽灯泡会很热。但荧光灯比白炽灯更高效,因为能量主要直接参与发光,而不是加热灯丝。因此,荧光灯的热量更低、能源效率更高且使用寿命更长。

  1913年玻尔基于普朗克的量子假设以及爱因斯坦1905年提出的量子概念,提出了一个原子的量子模型。玻尔认为,在某些特殊状态下,电子可以快乐地绕原子核运动,并且原子仅在它们在这些状态之间移动时才吸收和发光。吸收或发射的光的频率取决于普朗克所引入的方式的状态之间的能量差,从而为任何特定原子提供了一组离散频率。

  这个大胆想法很好地解释了氢发出的光谱,以及各种元素发出的X射线,从而开启了量子物理学的初期理论。尽管现代的原子图景与玻尔的初始模型有很大不同,但其核心思想是相同的:电子从一个轨道跃迁至另一个轨道会伴随着离散能量吸收和发射特定频率的光。荧光灯正是基于玻尔原子模型的这样一个量子原理。

  如果你能在一百多年前问玻尔:“您所提出的原子模型可以做出荧光灯来给人类带来光明吗?”玻尔可能会瞪着他那双明亮的大眼睛感到惊奇。

  激光是“通过受激辐射产生的光放大”(英语:Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,缩写LASER),指通过刺激原子导致电子跃迁释放辐射能量而产生的具有同调性的增强光子束。

  激光的工作原理是基于爱因斯坦在1916年首先提出的辐射量子理论。量子力学最基本的原理之一是,存在与所有物质运动相关的波,其中包括原子中的电子。薛定谔提出了一个方程式,说:“你告诉我作用在电子上的力,我可以告诉你它的波在任何时间和空间做什么。”波恩说,通过操作薛定谔开发的波函数,可以说出在空间和时间的任何点找到电子的可能性。

  因此,电子在原子内部只能具有某些离散的能量。如果将许多原子聚集在一起,所有这些能量都会扩展为可能的能量带。光可以具有完全相同的颜色、同时进行,使其相位一致,则可以产生非常高强度的单色光束而形成激光。

  你日常生活中所使用的光盘、DVD播放机等采用了激光,商店的条码扫描仪使用的是激光,激光打印机、激光治疗手术等使用的是激光。由于有基于量子物理的激光设备,光纤通信才有可能。实际上,几乎每种信息技术硬件,从台式机和服务器中的微处理器,到互联网长距离通信中使用的光电调制器和激光二极管,都应归功于我们对量子物理学的认知。

  晶体管是微处理器中的基本硬件,它由称为半导体的材料制成,其中仅允许携带电荷的电子占据某些离散的能级,这基于量子物理学。随着更多电子的加入,它们会以规定的方式形成允许的“能带”。所产生的能量“能带结构”可以通过向连接到设备的导线施加电压来修改,从而产生了构建成基本的电器元件的开关行为。

  因为有开与关两个不同的电流状态,可以将其导电方式表示信息位,接通 = 1,断开 = 0。可以将它们巧妙地组合起来,以对1和0进行逻辑运算,可以编码信息,可以用1和0来开发计算机语言以进行电脑或手机的操作。离开量子力学,将不能认知半导体,无法对晶体管进行工程设计,因此就没有微处理器,也没有现在的电脑与手机。

  你的电脑与手机还包含带有称为电荷耦合器件传感器的数码相机。这个传感器基于光电效应,爱因斯坦通过引入光量子即光子对此效应做了解释,这使他获得了诺贝尔物理学奖。基于通过量子力学的电化学的认知,你的电脑与手机的电池质量越来越好。

  你的手机或汽车导航使用的定位系统是借助于量子物理。手机或导航中的定位系统接收器负责从多个时钟中拾取信号。当前位置与目的地之间的距离和时间通过计算来自不同卫星的不同到达时间来计算。每颗卫星都配备有原子钟,该原子钟仅依赖于量子物理学。在互联网上,网络时间由原子钟保持,原子钟使用原子的量子描述和光与物质的相互作用来产生极其稳定且可重复的分秒“滴答声”。

  这些只是量子物理学在你日常生活中的一些事例。实际上量子物理学的应用四处皆是。比方说,一个现代大型医院里的设施中所包含的晶体管的数量,比银河系的星球的总数还要多。量子力学看起来是怪异,但是有了它,我们很受用,它几乎定义了我们的现代生活。返回搜狐,查看更多

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