Применение квантовой физики в жизни – 13 примеров

Квантовая физика применение в жизни

Если задуматься о реальных примерах квантовой физики в жизни, то, вероятно, первой реакцией будет растерянность. На слуху только кот Шредингера и Эйнштейн. И тема эта столь сложна и узкоспециализированна, что в нее не хочется вникать. Но если вдруг вам показалось, что квантовая физика и ее применение бесконечно далеки от вас в вашей повседневной жизни, то смею заверить, вы глубоко заблуждаетесь. И, пожалуйста, не усмехайтесь. Она повсюду и сейчас вы научитесь ее видеть.

 

Содержание:

 

 

Сначала немного слов о теории, а затем сразу приступаем к рассмотрению устройств и технологий, чье функционирование напрямую зависит  от квантовой физики.

Распространено предубеждение, что квантовая механика описывает только микроскопические системы (различные субатомные частицы, атомы и молекулы). И что это некая узкая теория, не имеющая никакого отношения к окружающим нас объектам. Но это не так.

 

люминесцентные лампы - квантовая физика применение в жизни

Безусловно, без квантовой теории невозможно правильно описать поведение микрочастиц. Но при этом ее законы являются всеобщими.

И в нашем макромире они так же справедливы, как и в микромире. С той лишь разницей, что для описания макрообъектов законы квантовой теории упрощаются до классической модели.

Итак, давайте рассмотрим, как квантовая физика себя ощущает в макромире и в чем  ее практическое применение в жизни. Именно в  нашем, обычном мире, а не в микромире, где существуют элементарные частицы.

 

Квантовая физика в жизни

Квантовая физика и ее применение в повседневной жизни – 13 примеров

 

Вы удивитесь, но в современном мире очень многое находится под влиянием квантовой физики и существует только благодаря ей. Например:

  1. Тостер

     

    Тостер — что может быть привычнее и обыденнее? Но самое интересное в нем то, что хлебный тост, которым вы наслаждаетесь, может появиться только благодаря квантовой физике.

     

    Квантовая физика применение в жизни - тостер

     

    В тостере нагревательный элемент работает благодаря электропроводящим нагревающим спиралям, вырабатывающим инфракрасное излучение. Соответственно, спирали светятся красным, и происходит преобразование электричества в тепло. В результате, ломтики хлеба подрумяниваются и  подсушиваются.

 

  1. Люминесцентные лампы и полупроводниковые светодиоды

     

    Свет, излучаемый люминесцентными лампами «дневного света», тоже является результатом только квантовых эффектов. При люминесцентном освещении небольшое количество паров ртути возбуждается в плазме. А ртуть обладает способностью излучать свет в видимом диапазоне.

    Поэтому в следующий раз, включая свет в своей комнате, вы можете смело благодарить за это квантовую физику.

     

    примеры квантовой физики в повседневной жизни - газоразрядные трубки
    Применение квантовой физики в жизни — газоразрядные трубки

     

    Похожий пример — полупроводниковые светодиоды. Они используются для подсветки дисплеев и различных индикаторов. Уже одно их название намекает на связь с квантовой физикой.

    Вы можете встретить такие светодиоды практически в любом приборе. Например, в телефоне, в бытовой технике, в автомобиле или светильнике, да и в других различных местах.

    Их принцип работы основан на квантовой физике. При прохождении электрического тока через полупроводниковый элемент создается видимое глазу оптическое излучение.

     

    Применение квантовой физики в жизни

 

  1. Транзистор

     

    Квантовая механика дает удивительно точное описание поведения света и материи. Именно благодаря этому ученые и инженеры прошлого века смогли создать различные устройства, такие как лазер или транзисторы, являющиеся основами нынешнего электронного мира.

     

     

    примеры квантовой физики в повседневной жизни - транзисторы

     

    Транзисторы используются для усиления или переключения электрических сигналов и электрической мощности. И состоят из слоев кремния, технологически связанных с другими элементами.

    В дальнейшем, миллиарды транзисторов, размещенных на кристалле интегральной схемы, объединяют в микропроцессоры, являющиеся основой всех современных технологических устройств.

    Вся современная полупроводниковая электроника основана на феномене зонной структуры, в основе своей являющимся квантовым механизмом.

     

    примеры квантовой физики в жизни - транзистор

    Но если бы квантовая физика не вступила в игру, то эти чипы не были бы созданы. А персональные компьютеры, планшеты, ноутбуки, смартфоны и другие гаджеты не появились бы в нашей жизни.

 

  1. Лазер

     

    Принцип, на котором работает лазер, также основан на квантовой физике. Он включает в себя использование эффекта вынужденного излучения фотонов, тепловое излучение и флуоресценцию.

    Если по-простому, то в веществе под воздействием излучения определенной длины волны большая часть электронов переходит в возбужденное состояние и «прыгают» на более высокие энергетические уровни.

     

     

    Однако долго они там не задерживаются и возвращаются в свое стабильное, низкоэнергетическое состояние. Но при этом происходит излучение фотонов света. То есть появляется свет. Но не «обычный» свет, а строго упорядоченный по фазе и с одинаковой длиной волны. Другими словами, появляется узконаправленный поток излучения — лазер.

    Далее перечислены несколько примеров устройств, в которых квантовая физика дала лазеру применение в жизни:

    • Сканер штрихкода в магазинах
    • Проигрыватели компакт-дисков, DVD-диски
    • Бескровные скальпели для проведения медицинских операций
    • Разнообразное использование в косметологии (лазерная эпиляция, лазерный пилинг и т.д.)
    • Лазерные принтеры
    • Лазерные указки

 

  1. Магнитно-резонансная томография

     

    Магнитно-резонансная томография (МРТ) напрямую зависит от спинов электронов в ядрах водорода. Спин в квантовой физике  – это одно из самых странных для понимания свойств частицы. Но именно благодаря ему стало возможным получать изображения внутренних органов и тканей тела. Как это работает?

     

    квантовая физика применение в повседневной жизни - как работает МРТ

    Человек в основном состоит из воды. А значит, в нем имеются миллиарды атомов водорода, вращающихся естественным образом.

    Сначала под воздействием сильного магнитного поля внутри аппарата МРТ атомы меняют оси вращения и выравниваются с полем. А затем, при устранении магнитного поля они возвращаются к своему естественному состоянию.

    То есть под влиянием импульсов радиочастотных волн, проходящих через тело, изменяются спины атомов. В результате, из-за того, что разные ткани выделяют разное количество энергии, ее можно собрать и использовать для создания изображения.

     

     

    Следовательно, квантовая физика сделала возможным диагностирование и лечение некоторых опасных для жизни заболеваний.

    Но при этом, как оказалось, спин квантовой частицы влияет на здоровье.

    Излучение от каких устройств опаснее всего
    Нажмите на картинку — ответ на вопрос внутри

 

  1. Квантовая физика применение в жизни — микроскопия

     

    Электронная микроскопия позволяет заглянуть в структуру объектов на макромолекулярном и субклеточном уровнях с помощью потока электронов. Для этого используются высокоэнергетические электронные пучки.

    Например, в сканирующих туннельных микроскопах для формирования изображения используется эффект квантового туннелирования.

     

    применение квантовой физики в жизни электронная микроскопия _

     

    А в дифференциальной интерференционной контрастной микроскопии картина интерференции создается пучком фотонов, который затем анализируется.

    Следовательно, использование квантовой физики позволяет улучшать изображение биологических образцов с помощью электронной микроскопии.

 

  1. Компьютер и мобильный телефон

     

    Безусловно, одним из самых значимых примеров использования квантовой физики в жизни можно считать компьютеры, мобильные телефоны и различные гаджеты. В сущности, весь компьютерный мир основан на квантовой физике.

    Если вам интересно понять основы этой таинственной науки, то рекомендую посмотреть видео ниже. Хотя оно на английском языке, но можно включить русские субтитры.

     

     

    Итак, квантовая физика говорит о волновой природе квантовых частиц. И это составляет основу зонной теории проводимости твердых тел, на которой построена вся полупроводниковая электроника. А в основе ее технологий, как очевидно из названия, лежат полупроводники. Такие, например, как кремний.

    И именно из-за того, что мы знаем волновую природу электронов, мы способны манипулировать электрическими свойствами кремния. В результате, как только изменяется толщина инверсного слоя, изменяется и проводимость.

    Как это можно сделать? Конечно же, квантовая физика знает ответ!

 

  1. Атомные часы

     

    Еще одним достижением квантовой физики стала возможность создавать невероятно точные инструменты. Например, такие как атомные часы – самые точные часы в мире. На сегодняшний день они настолько точны, что если бы они могли работать 60 миллионов лет, то отстали бы не более чем на 1 секунду.

    Атомные часы измеряют время благодаря очень точной периодичности энергетических переходов в атомах. Счетчик регистрирует микроволновый сигнал, который испускают электроны в атомах при изменении их уровня энергии.

    Значение, равное 1 секунде, принимается, когда ионы атомов щелочных и щелочноземельных металлов вибрируют определенное количество раз.

    Уже созданы и проходят измерения переносного варианта оптических часов — одной из самых точных разновидностей атомного хронометра.

     

    Квантовая физика применение в жизни -портативные атомные часы

 

  1. Система глобального позиционирования GPS и ГЛОНАСС

     

    Определение своего местоположения практически в любой точке мира стало доступным тоже благодаря квантовой физике.

    В мобильном телефоне есть GPS-приемник, с помощью которого рассчитывается время и расстояние между вашим текущим местоположением и пунктом назначения.

    Маршрут и время прибытия рассчитываются с помощью обработки данных различных времен прибытия с разных спутников.

     

    Квантовая физика применение в жизни - GPS

     

    Более того, даже расстояние от вашего текущего местоположения до каждого спутника также вычисляется. При этом каждый спутник оснащен атомными часами, которые полагаются только на квантовую физику.

 

  1. Биологический Компас

     

    Если вы думаете, что только человечеству посчастливилось использовать квантовую физику, вы глубоко ошибаетесь! Согласно теориям ученых, птицы используют квантовую физику для миграции.

    Светочувствительный белок под названием криптохром содержит электроны. Фотоны, попав в глаза птицы, поражают криптохром, и радикалы высвобождаются. Эти радикалы позволяют птице «видеть» магнитную карту.

     

    примеры квантовой физики в повседневной жизни -биологический компас

    Другая теория предполагает, что клювы птиц содержат магнитные минералы. Кстати, пчелы содержат в своем теле гранулы магнетита. К тому же и ракообразные, и ящерицы, и насекомые и даже некоторые млекопитающие используют такой тип магнитного компаса.

    Но недавние исследования пчел показывают, как под воздействием излучений мобильной связи, особенно 5G, пчелы во всем мире начинают терять эту способность.

     

    5g и пчелы

 

  1. Телекоммуникации

     

    Общение между людьми стало чрезвычайно легким благодаря использованию волоконно-оптической телекоммуникации. В этом примере квантовая физика также является основой технологии. Применение в жизни волоконно-оптической телекоммуникации позволило создать быструю двустороннюю связь.

    Волоконно-оптическая связь — это метод передачи информации из одного места в другое с помощью передачи импульсов инфракрасного света через оптическое волокно.

     

    Волоконно-оптическая связь - пример квантовой физики в жизни

    Источниками света, которые используются для передачи сообщений по волоконно-оптическим кабелям, являются лазеры, являющиеся квантовыми устройствами. Источник.

 

 

  1. Квантовая технология в телевидении

     

    Безусловно, с каждым годом расширяется перечень отраслей, в которых квантовая физика находит свое применение в жизни. Еще одни пример — это телевизионные экраны с технологией квантовых точек QLED.

    Понятно, что уже само по себе производство телевизоров основано на квантовых технологиях. Но в этом случае используется дополнительный квантовый эффект. И здесь квантовая точка – это крошечный полупроводник, кристалл, электрические характеристики которого зависят от его размера и формы.

    Преобразовывая коротковолновый свет (обычно синий) в практически любой цвет в видимом спектре, квантовые точки позволяют максимально регулировать цветовые значения на экране.

     

    квантовая физика применение в жизни - телевизоры

    Так что, готовясь к просмотру любимого сериала на телевизоре, вы можете поблагодарить ученых и квантовую физику.

 

  1. Солнечные батареи

     

    Еще одна технология неизбежно отсылает нас к квантовой физике. Благодаря фотоэлементам, преобразующим энергию фотонов (световых лучей)  в электрическую энергию, солнечные батареи можно использовать для питания разнообразных бытовых и промышленных устройств.

    При чем исследования фотоэффекта, на котором основан принцип работы солнечной батареи, были одними из самых первых исследований в квантовой физике.

     

    Солнечные батареи - применение квантовой физики в жизни

Будущее развитие квантовых технологий

 

Подводя итог можно сказать, что благодаря открытию квантовой физики в начале XX века, сейчас мы имеем множество технологий, которые  можно использовать в практических целях. И они совершенно не ограничены 13 приведенными примерами.

  • Это и лазеры
  • И вся полупроводниковая электроника в целом — от транзисторов и светодиодов до компьютеров
  • Конечно же, мобильная связь и интернет
  • МРТ
  • Кроме того, создано ядерное оружие
  • И ускорители частиц.

 

В основе всех этих технологий и устройств лежит использование свойств большого количества квантовых частиц. Другими словами, использование массивов частиц.

Но в последние годы ученые учатся использовать более тонкие квантовые эффекты на уровне отдельных квантовых частиц. То есть манипулировать отдельными атомами и даже элементарными частицами, например фотонами. На основе этого планируются новые квантовые технологии.

 

  • Квантовые коммуникации

    Квантовая телепортация или квантовая связь. Так называют передачу информации, закодированной в квантовых состояниях элементарных частиц. Преимущество такой связи — в ее абсолютной защищенности.

    прогноз развития квантовых коммуникаций

  • Квантовые вычисления

    Цель – создание и развитие квантового компьютера, который использует квантовую суперпозицию и квантовую запутанность для работы с информацией.

     

    будущие квантовые технологии - квантовый компьютер

  • Квантовая криптография

    Появление квантовой криптографии основано на передаче информации отдельными фотонами. То есть буквально, создаются алгоритмы квантового шифрования, скорость которых в десятки раз превышает скорость распределения ключей в современной криптографии.

     

    прогноз развития квантовых вычислений

  • Квантовая метрология и сенсорика

    Высокочувствительные сенсоры и детекторы, работающие на принципах квантовых явлений, необходимы не только для развития квантовой коммуникации, но и для улучшения многих «классических» типов связи.

     

    прогноз развития квантовых сенсоров

Квантовая физика и ее применение в жизни — резюме

Надеюсь, что благодаря этим примерам, квантовая физика и ее применение в жизни стали вам более понятны.

Новое видение мира, понимание его на уровне квантовой информации способно преобразить любую нашу технологию. А также нас самих, если знать, как связана квантовая физика и сознание человека.

И благодаря этому, а также умению «разговаривать» с атомами и элементарными частицами, мы найдем свое место в квантовом мире.

Здоровья и Добра!

Комментарии 3

  • С удовольствием почитал статью, отмечу удивительно глубокий подход автора и подбор картинок, подходящих к её содержимому.

  • Удивительный охват материала и очень простой язык его доведения до читателей без злоупотребления специальными терминами.

  • Очень интересная информация, спасибо автору.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *