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你每天都在使用量子物理学的3种方式

从您的智能手机到普通的时钟,量子物理学可能很奇怪,但它也很实用。

Avery Hurt
作者:Avery Hurt
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来源:TippaPatt/Shutterstock

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量子物理学以其怪异的特性而闻名,例如纠缠——爱因斯坦曾称之为“鬼魅般的超距作用”——以及叠加,原子粒子同时出现在多个地方的奇异能力。

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对这门现代物理学分支的探索,常常会引发关于现实本质的美妙(或令人不安,取决于您的观点)的猜想。但就像我们其他人一样,量子物理学也需要起床、穿鞋,然后去工作。以下是量子物理学在您的日常生活中出现的几个地方。

您的智能手机

尽管我们还没有完全投入使用的量子计算机,但如果没有量子力学,我们根本不会拥有任何电子计算机。叠加——量子物理学中让薛定谔的猫同时处于生死状态的怪异特性——使得您正在阅读本文所用的计算机成为可能。

得益于量子物理学,科学家们对电子的二象性有了深刻的理解;也就是说,它们既具有粒子的性质,也具有波的性质。或者正如意大利物理学家卡洛·罗韦利在他的著作《现实并非如你所见》中所说,一个电子“弥散在所有地方的概率云中。”

这意味着一个电子可以同时属于多个原子。事实上,一个电子可以被许多原子共享。(这就是化学键的形成方式。)

理解这种行为使得操纵半导体(如硅)的性质成为可能。将硅与其他各种元素结合,以利用它们不同的性质,是制造计算机、手机和其他电子设备中微小晶体管的基础。换句话说,现代世界的大部分成就都离不开它。

您智能手机的摄像头

您的手机摄像头也依赖于半导体背后的量子物理学。摄像头中的光电探测器或光电二极管以电子流的形式对光作出响应。同样,正是我们对电子行为的理解,使我们能够利用半导体的性质——而我们对这些性质的理解越深入,就能越好地优化我们的相机。

因此,如果您对您手机照片的质量惊叹不已(并注意到它们随着每一次手机升级而变得更好),您应该感谢量子粒子的怪异行为。

您的时钟

当夏令时更改为标准时间时,您可能多睡了一个小时,但您可能不必记得重设手机和电脑上的时钟。这是因为我们电子设备上的时钟是从原子钟那里获取准确时间的,而原子钟则利用了量子世界的一个特性。

就像老式落地钟的钟摆一样,铯-133原子在两个能级之间跃迁的频率来回摆动。由于这些振荡极其规律,它们提供了一种非常精确的计时方法。利用这一自然事实需要对量子物理学有深入的理解。

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GPS也利用这种超精确的计时:卫星拥有非常精确的时钟,它们会不断广播其时间,而您的GPS设备可以通过记录卫星信号到达所需的时间来确定其在地球上的位置。

所以,是的,量子物理学很奇怪。但如果没有它,我们该怎么办呢?

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  • Avery Hurt

    Avery Hurt

    Avery Hurt 是一位自由科学记者,经常为 Discover Magazine 撰稿,报道神经科学、昆虫和微生物等主题的科学研究。

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