日常生活中的量子物理学实例

量子力学是一门公认的科学，不同于任何其他科学，而且相当奇怪。它描述微观世界中的事物。对许多人来说，抽象和违反直觉的量子物理是遥不可及的。事实上，你身边有许多量子物理的例子！以下只是日常生活中量子物理学的几个例子，其中一些通常不被认为是量子力学的例子。

烧烤

许多人喜欢吃烧烤。燃烧的炭火燃烧并加热发出红光并被烹饪的东西。热物体发光是一种常见的现象:当加热物体时，它们首先发出红光，然后在温度较高时变黄，然后在温度较高时变白。特定的颜色不取决于它是什么材料，只要它足够热，也不取决于它是如何加热的，而只取决于温度。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，但它们发射的光谱完全相同。

数百年来，科学家们一直试图理解其中的原因。直到1900年，量子力学的创始人之一普朗克正确地解释了这一现象。他指出，光只能在离散的能量块中发射，也就是说，通过将一个小常数乘以频率的整数倍，从而提出了“量子”的假设，由此产生了量子力学的名称。这个小常数叫做普朗克常数，它揭开了量子力学的序幕。有些人可能会惊讶于量子力学的起源隐藏在烤肉中。

荧光灯

无论在晚上还是在白天，你都能看到节能荧光灯。当你看电脑或手机屏幕上的信息时，所用的光是荧光的。当你打开平板电视时，你使用一种叫做发光二极管的发光二极管荧光背光显示器。

老式的白炽灯泡通过加热电线发出明亮的白光来发光，就像上面的烤肉一样，所以白炽灯泡非常热。然而，荧光灯比白炽灯更有效，因为能量主要直接参与照明而不是加热灯丝。因此，荧光灯具有更低的热量、更高的能效和更长的使用寿命。

荧光灯基于量子物理。早在19世纪初，物理学家就注意到元素周期表中的每一种元素都有一个独特的光谱:如果原子被加热形成蒸汽，它们会以少量的离散频率发光，而且每一种元素的图案都不同。这些“谱线”被迅速用来识别未知物质的成分，甚至发现以前未知元素的存在。例如，氦首先被检测为来自阳光的未知谱线。

1913年，玻尔基于普朗克的量子假说和1905年爱因斯坦的量子概念，提出了原子的量子模型。玻尔认为，在某些特殊状态下，电子可以快乐地围绕原子核运动，原子只有在这些状态之间运动时才会吸收和发射光。吸收或发射的光的频率取决于普朗克引入的模式状态之间的能量差，从而为任何特定的原子提供一组离散的频率。

这个大胆的想法很好地解释了氢发射的光谱和各种元素发射的X射线，从而开启了量子物理的最初理论。尽管现代原子图景与玻尔的初始模型大不相同，但其核心思想是相同的:电子从一个轨道到另一个轨道的跃迁将伴随着特定频率的光的离散能量吸收和发射。荧光灯正是基于玻尔原子模型的量子原理。

如果你能在一百多年前问玻尔，“你提出的原子模型能制造荧光灯给人类带来光明吗？”波尔可能会惊讶地盯着他明亮的大眼睛。

激光与通信

激光是“受激辐射的光放大”(英语:受激辐射，缩写为激光)，指的是通过激发原子产生的具有相干性的增强光子束，从而引起电子跃迁释放辐射能量。

激光的工作原理是基于1916年爱因斯坦首次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，包括原子中的电子。薛定谔提出了一个方程，他说，“你告诉我作用在电子上的力，我就能告诉你它的波在任何时间和空间里做什么。”波恩说，通过操作薛定谔发展的波函数，可以说明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有一些离散的能量。如果许多原子聚集在一起，所有这些能量将扩展成可能的能带。光可以具有完全相同的颜色，并且可以同时进行，以便其相位一致，然后可以产生非常高强度的单色光束以形成激光。

你在日常生活中使用的光盘和DVD播放器使用激光，商店中的条形码扫描仪使用激光，激光打印机和激光治疗手术使用激光。只有基于量子物理的激光设备才能实现光纤通信。事实上，几乎每一种信息技术硬件，从台式机和服务器中的微处理器到远程互联网通信中使用的光电调制器和激光二极管，都应该归功于我们的量子物理知识。

晶体管、计算机和手机

晶体管是微处理器的基本硬件，由被称为半导体的材料制成，在半导体中，只有带电的电子才被允许占据某些离散的能级，这是基于量子物理的。随着更多电子的加入，它们将以规定的方式形成允许的“能带”。所产生的能量“能带结构”可以通过向连接到该设备的导线施加电压来修改，从而产生被构造为基本电气元件的开关行为。

因为有两种不同的电流状态，on和off，传导模式可以表示信息位，on = 1和off = 0。它们可以被巧妙地组合起来，对1和0执行逻辑运算，对信息进行编码，并使用1和0来开发计算机语言，用于计算机或移动电话操作。没有量子力学，人们将无法识别半导体和工程晶体管，因此将没有微处理器、计算机和移动电话。

你的电脑和手机也包含带有电荷耦合器件传感器的数码相机。这种传感器是基于光电效应的。爱因斯坦通过引入光量子(即光子)来解释这种效应，这使他获得了诺贝尔物理学奖。基于量子力学的电化学知识，你的电脑和手机的电池质量越来越好。

你的手机或汽车导航使用一个依赖量子物理的定位系统。移动电话或导航中定位系统的接收器负责从多个时钟中拾取信号。当前位置和目的地之间的距离和时间是通过计算不同卫星的不同到达时间来计算的。每颗卫星都配有原子钟，而原子钟只依赖于量子物理学。在互联网上，网络时间是由原子钟来维持的，原子钟使用原子量子描述和光与物质的相互作用来产生极其稳定和可重复的分秒“滴答声”。

这些只是你日常生活中量子物理学的一些例子。事实上，量子物理学的应用无处不在。例如，一家大型现代医院的设施中包含的晶体管数量比银河系中的行星总数还要多。量子力学看起来很奇怪，但有了它，我们非常有用。它几乎定义了我们的现代生活。