日常生活中的量子物理學實例

2020-12-14 量子認知

量子力學是一門公認的與其它任何科學不一樣、相當奇特的科學,它描寫微觀世界的事物。在許多人看來,抽象和違反直覺的的量子物理是可望而不可及。實際上許多量子物理學的實例就在你身邊!下面僅舉幾個日常生活中的量子物理學實例,其中有的往往並沒有被意識到是量子力學的事例。

燒烤

很多人喜歡吃燒烤,熊熊的燒烤炭火燃燒,加熱發著紅光而烤熟東西。熾熱的物體會發光是一種人們司空見慣的現象:加熱物體時會先發出紅色,溫度再高時變成黃色,然後溫度再高時變成白色。具體的顏色不取決於是什麼物質,只要是足夠地熱就夠了,也不取決於如何加熱,僅取決於溫度。將一塊玻璃和一塊鐵放在相同的高溫下,儘管它們的物理性質非常不同,但它們發出完全相同的光譜。

幾百年來科學家們一直想認知這是為什麼。直到1900年,量子力學的奠基人之一普朗克正確地解釋了這一現象。他指出,光只能以離散的能量塊,即以一個小小的常數乘以頻率的整數倍地發射,從而提出了「量子「的假設,量子力學因此得名,這個小小的常數被稱為普朗克常數,揭開了量子力學的序幕。有人可能會感到驚訝,在燒烤裡竟還隱含著量子力學的起源。

螢光燈

無論是夜晚還是白天,你到處都可以看到省電的螢光燈;你現在計算機或手機屏幕上看信息,所使用的光是螢光的;你打開平板電視,所使用的是被稱為發光二極體的LED螢光的背光顯示器。

老式的白熾燈泡通過使一根電線發熱到足以發出明亮的白光的方式來發光,就如上面燒烤發光一樣,所以白熾燈泡會很熱。但螢光燈比白熾燈更高效,因為能量主要直接參與發光,而不是加熱燈絲。因此,螢光燈的熱量更低、能源效率更高且使用壽命更長。

螢光燈正是基於量子物理原理。早在1800年代初期,物理學家注意到元素周期表中的每個元素都有一個獨特的光譜:如果原子被加熱後成蒸氣發散,它們會以少量離散頻率發光,每種元素的模式都不同。這些「光譜線」被迅速用來識別未知物質的成分,甚至發現先前未知元素的存在,例如,氦首先被檢測為來自太陽光的先前未知光譜線。

1913年玻爾基於普朗克的量子假設以及愛因斯坦1905年提出的量子概念,提出了一個原子的量子模型。玻爾認為,在某些特殊狀態下,電子可以快樂地繞原子核運動,並且原子僅在它們在這些狀態之間移動時才吸收和發光。吸收或發射的光的頻率取決於普朗克所引入的方式的狀態之間的能量差,從而為任何特定原子提供了一組離散頻率。

這個大膽想法很好地解釋了氫發出的光譜,以及各種元素髮出的X射線,從而開啟了量子物理學的初期理論。儘管現代的原子圖景與玻爾的初始模型有很大不同,但其核心思想是相同的:電子從一個軌道躍遷至另一個軌道會伴隨著離散能量吸收和發射特定頻率的光。螢光燈正是基於玻爾原子模型的這樣一個量子原理。

如果你能在一百多年前問玻爾:「您所提出的原子模型可以做出螢光燈來給人類帶來光明嗎?」玻爾可能會瞪著他那雙明亮的大眼睛感到驚奇。

雷射和通訊

雷射是「通過受激輻射產生的光放大」(英語:Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,縮寫LASER),指通過刺激原子導致電子躍遷釋放輻射能量而產生的具有同調性的增強光子束。

雷射的工作原理是基於愛因斯坦在1916年首先提出的輻射量子理論。量子力學最基本的原理之一是,存在與所有物質運動相關的波,其中包括原子中的電子。薛丁格提出了一個方程式,說:「你告訴我作用在電子上的力,我可以告訴你它的波在任何時間和空間做什麼。」波恩說,通過操作薛丁格開發的波函數,可以說出在空間和時間的任何點找到電子的可能性。

因此,電子在原子內部只能具有某些離散的能量。如果將許多原子聚集在一起,所有這些能量都會擴展為可能的能量帶。光可以具有完全相同的顏色、同時進行,使其相位一致,則可以產生非常高強度的單色光束而形成雷射。

你日常生活中所使用的光碟、DVD播放機等採用了雷射,商店的條碼掃描儀使用的是雷射,雷射印表機、雷射治療手術等使用的是雷射。由於有基於量子物理的雷射設備,光纖通信才有可能。實際上,幾乎每種信息技術硬體,從臺式機和伺服器中的微處理器,到網際網路長距離通信中使用的光電調製器和雷射二極體,都應歸功於我們對量子物理學的認知。

電晶體、電腦與手機

電晶體是微處理器中的基本硬體,它由稱為半導體的材料製成,其中僅允許攜帶電荷的電子佔據某些離散的能級,這基於量子物理學。隨著更多電子的加入,它們會以規定的方式形成允許的「能帶」。所產生的能量「能帶結構」可以通過向連接到設備的導線施加電壓來修改,從而產生了構建成基本的電器元件的開關行為。

因為有開與關兩個不同的電流狀態,可以將其導電方式表示信息位,接通 = 1,斷開 = 0。可以將它們巧妙地組合起來,以對1和0進行邏輯運算,可以編碼信息,可以用1和0來開發計算機語言以進行電腦或手機的操作。離開量子力學,將不能認知半導體,無法對電晶體進行工程設計,因此就沒有微處理器,也沒有現在的電腦與手機。

你的電腦與手機還包含帶有稱為電荷耦合器件傳感器的數位相機。這個傳感器基於光電效應,愛因斯坦通過引入光量子即光子對此效應做了解釋,這使他獲得了諾貝爾物理學獎。基於通過量子力學的電化學的認知,你的電腦與手機的電池質量越來越好。

你的手機或汽車導航使用的定位系統是藉助於量子物理。手機或導航中的定位系統接收器負責從多個時鐘中拾取信號。當前位置與目的地之間的距離和時間通過計算來自不同衛星的不同到達時間來計算。每顆衛星都配備有原子鐘,該原子鐘僅依賴於量子物理學。在網際網路上,網絡時間由原子鐘保持,原子鐘使用原子的量子描述和光與物質的相互作用來產生極其穩定且可重複的分秒「滴答聲」。

這些只是量子物理學在你日常生活中的一些事例。實際上量子物理學的應用四處皆是。比方說,一個現代大型醫院裡的設施中所包含的電晶體的數量,比銀河系的星球的總數還要多。量子力學看起來是怪異,但是有了它,我們很受用,它幾乎定義了我們的現代生活。

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