Канонический повседневный пример технологии, которая не могла бы работать без освоения людьми QM по аналогии с применением GR в GPS?

GPS — очень удобный пример, объясняющий широкой аудитории, почему человечеству полезно знать законы общей теории относительности. Это прекрасно соединяет абстрактную теорию с технологиями повседневной жизни! Я хотел бы знать аналогичный пример технологии, которую не могли бы разработать инженеры, не понимающие законов квантовой механики. (Думаю, мне следует сказать квантовая механика , потому что спрашивать о приложении для физики элементарных частиц может быть слишком рано.)

Чтобы связать вопрос:

  • Никаких будущих приложений (например, телепортация).
  • Никаких необычных (у кого дома есть квантовый компьютер?).
  • Приведите , пожалуйста, менее часто упоминаемый пример, чем лазер.
  • Если возможно, для простоты допустим, что квантовая теория предстает в виде небольшой поправки к классической (точно так же, как не нужен полный аппарат общей теории относительности, чтобы вывести гравитационное красное смещение).
Я думаю, вы бы не были довольны "Вселенной", - без фермионов и их PEP жизнь была бы немного скучной... :-) А если серьезно, я думаю, вы могли бы столкнуться с "вопросами списка". обескуражены» проблема
Возможный дубликат: physics.stackexchange.com/q/22618/2451 в том смысле, что потенциальные ответы будут более или менее применимы к обоим вопросам.
Как линч-булавка, вы бы не задавали этот вопрос здесь. Сеть, все интернет-технологии и все электронные технологии, от электронно-лучевых трубок до транзисторов и т. д., зависят от нашего исследования и использования квантовой физики.
Я считаю уместным задать этот вопрос, потому что, возможно, в наши дни лес настолько густой, что мы больше не можем узнавать деревья. Кто-то может придумать способ дать общий набор вопросов, которые можно задать устройству, и если на все ответы будут даны положительно, это будет связано с квантовой механикой.
это довольно деликатный вопрос: глядя на временную шкалу солнечной батареи , можно сделать вывод, что первая солнечная батарея была построена в 1883 году, а Эйнштейн постулировал квантовую природу фотоэлектрического эффекта только позже, в 1905 году. Так что могло быть так, что без квантовой механики мы могли бы создавать определенные устройства, не понимая, почему они работают.
Могу ли я получить некоторые разъяснения здесь: вы имеете в виду «Если бы КМ не было особенностью мира» или вы имеете в виду «Если бы мы не понимали КМ»?
@medivh: Предположительно последнее, потому что твистор59 правильно отмечает, что принцип Паули очень похож на КМ и необходим для электронных орбит. Нет PEP, нет молекул.
физика.stackexchange.com /q/26466 и физика.stackexchange.com/q/ 65397
@dmckee Я думаю, что этот вопрос полностью отличается от связанного вопроса. Он говорит о технологиях, но эти вопросы говорят о повседневных явлениях.
@Mostafa Мм... да. Моя вина.
@medivh в качестве первоначального названия, теперь измененного, предполагал: «Что, если бы человечество не открыло квантовую теорию?»

Ответы (6)

Как насчет методов диагностики в современной медицине?

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) - без квантовой механики о нем даже говорить не имеет смысла, потому что он зависит от квантово-механической концепции спина

Позитронно-эмиссионная томография — эй, название говорит само за себя, вы не только применяете квантовую механику, но и имеете прямое применение антивещества.

Рентгеновское сканирование , сцинтиграфия и многое-многое другое... ядерная медицина полна прямых применений ядерной физики, физики элементарных частиц и квантовой физики... Часто даже в онкологических отделениях можно найти ускорители частиц для лечения рака! И какое приложение может быть лучше упомянуто простым обывателем, чем «лечение рака»?

Я уверен, вы найдете множество примеров из медицины в Интернете :)

Судя по тому, как поставлен вопрос, я считаю, что ОП скорее запрашивает повседневные коробки, которые мы носим с собой (например, GPS-навигаторы) и которые используют квантовую механику.
Применение общей теории относительности в технологии GPS в основном связано со спутниками, и я не совсем уверен, насколько удобно носить их с собой :) Несмотря на это, я все еще думаю, что для непрофессионалов это довольно интересный пример того, как квантовая механика помогает нам оставаться в живых. , не объясняя слишком много, почему это важно, очевидно, что медицина помогает вам остаться в живых ^^
Я бы не стал считать рентген, потому что он использовался задолго до QM, но в ЯМР классический подход дает сбой относительно рано, и для многих травм требуется МРТ, поэтому +1.
вы правы, я думал о том, как вам нужна квантовая механика, чтобы иметь полное описание тормозного излучения в рентгеновских трубках, но эй, глупый я... вам нужна квантовая механика, чтобы иметь полное описание почти всего xD

Первым распространенным приложением, которое приходит мне на ум, определенно будет светодиод. С этого момента все, что имеет хоть какое-то отношение к полупроводникам. Кроме того, в наши дни вся химическая реактивность понимается с точки зрения квантовой механики.

Я думаю, что это относится к полупроводниковым устройствам в целом (включая интегральные схемы, такие как те, которые используются для ввода этого сообщения)
Я не решаюсь отредактировать хороший ответ @TMOTTM, поэтому на данный момент я добавляю эту ссылку в качестве комментария: physikdidaktik.uni-karlsruhe.de/publication/ajp/diode_ajp.pdf , в которой я нахожу отличное педагогическое объяснение полупроводникового диода как источник света или солнечный элемент, имеющий дело с простой химической аналогией: я бы назвал «электрофотонные реакции» (?) (я игнорирую, если этот термин обычно используется).
Полупроводники использовались в реальных практических устройствах задолго до того, как инженеры поняли квантовую механику. На самом деле, я думаю, что даже первый «светодиод» (излучение света при прохождении тока через полупроводник) наблюдался в 190x. Конечно, прогресс в области полупроводников замедлился бы (или остановился), если бы не существовало квантовой механики, обеспечивающей их хорошую модель, но я не уверен, что «технология, которая не могла бы существовать, если бы человечество не знало QM" относится к светодиодам/полупроводникам.
Полупроводники использовались до того, как большинство инженеров узнали квантовую механику. Но ребята, которые изобрели светодиод, лазерный диод и так далее, были не только инженерами, но и физиками и химиками. Парень, который изобрел первый «практически полезный видимый» (как говорится в Википедии) светодиод, учился, например, у Бардина.

Квантовая теория настолько интегрирована в повседневную жизнь, что, я думаю, большинству людей было бы очень трудно представить себе мир, в котором мы никогда не разрабатывали квантовую механику.

Во-первых, без квантовой физики мы, вероятно, не понимали бы поведение материалов настолько хорошо, чтобы изобрести современные полупроводники. Никакой современной электроники. Никаких компьютеров. Без интернета. Никаких видеоигр. Нет бума доткомов. Нет Фейсбука. Нет массовой видеосвязи. (У нас все еще были бы транзисторы, поэтому у нас все еще были бы радио и телевизоры качества 1960-х.)

Мы также не разработали бы ничего похожего на современную химию без квантовой механики. Мы бы не поняли, почему элементы ведут себя так, а не иначе. Нам бы не хватило основы для биохимии. Я думаю, вполне вероятно, что мы ничего не знаем о ДНК и не имеем ни малейшего представления о том, как работают белки. Нет надежды на рациональный дизайн лекарства. Не знаю, как работают болезни.

Наш мир формирует не только квантовая механика. Без квантовой теории поля мы не имели бы никакого представления о ядерной физике. Нет АЭС. (Это около 10% мирового бюджета на электроэнергию. Звучит немного, но я не думаю, что мы были бы счастливы, если бы она внезапно исчезла.) Кроме того, никакого ядерного оружия. Может быть, это и хорошо, но я думаю, что даже Гарри Горлице было бы трудно представить, какими были бы последние 70 лет истории без них.

Осмелюсь предположить, что проектирование атомных электростанций гораздо больше связано с инженерными деталями, чем с ядерно-физическими. Принципиальная идея предшествует даже КМ, не говоря уже о КТП.
@leftaroundabout Не могли бы вы подробнее рассказать об истории? мне были бы интересны подробности
На самом деле это было немного преувеличено. Первые эксперименты с радиоактивными веществами могли быть отчасти мотивированы возможностью их использования в качестве источников энергии, но точно никто не знал, как можно реализовать цепную реакцию. Это, используя недавно открытые нейтроны, было предложено Лео Сцилардом в 1933 году, намного позже КМ, но еще до того, как теории поля были утверждены.

Чтобы перечислить еще несколько приложений:

  • Сверхточные часы . Самый точный был построен в NIST в 2010 году на основе одного атома (иона) алюминия в ионной ловушке. Как сообщается здесь , часы не отставали и не отставали ни на одну секунду примерно через 3,7 миллиарда лет. Эти часы имеют множество применений, от фундаментальных физических исследований до GPS и навигационных систем.

  • Квантовые генераторы случайных чисел (см. здесь ), доступные сейчас, имеют множество применений. В криптографии вам нужен случайный источник чисел (например, для генерации ключа). Квантовые генераторы случайных чисел используются для получения этих случайных чисел, используя случайную природу квантового мира. (гораздо лучше, чем традиционные псевдослучайные числа ). Также качество стохастического моделирования зависит от качества (случайности) используемых случайных чисел. (Кстати, доступны онлайн-генераторы квантовых случайных битов, которые генерируют случайные числа в лаборатории, измеряя некоторую квантовую величину . Например, см. здесь и здесь . На этом (втором) сайте есть и другие *забавные вещи*!)

  • Квантовые коммуникации . Уже имеет приложения ближнего радиуса действия . (например, в Австралии )

Квантовый генератор случайных чисел не очень полезен для стохастического моделирования. Но они могут быть действительно полезны для криптографии. Они, а также квантовая криптография не подходят, потому что OP специально исключает необычные приложения. Тем не менее, ваш пример с точными часами является хорошим и полезен в GPS, что является тем самым примером, который нравится OP.
@Mostafa: Можете ли вы объяснить, что вы имеете в виду под последним пунктом? Я знаю только группу А. Цайлингера, работающую над квантовой криптографией, и это в Австрии, а не в Австралии.. ;-)
@Noldig Смотрите здесь .
@Noldig Я имею в виду создание такой сети, а не только исследования.
@FrédéricGrosshans Я добавил важное приложение в криптографии (спасибо!). Почему вы говорите, что они бесполезны для стохастического моделирования? увидеть это .
Аппаратные ГСЧ являются примером того, как квантовые эффекты могут использоваться в качестве источников энтропии при генерации случайных чисел. Однако те, которые используют квантовые эффекты (обычно об этом скорее свидетельствует высокая пропускная способность), к сожалению, довольно дороги.
@Mostafa Они бесполезны для стохастического моделирования, потому что генератор псевдослучайных чисел имеет гораздо более высокую скорость и намного дешевле, особенно когда нам не нужна криптографическая защита.

Квантово-механический полупроводниковый транзистор является технологической основой всех современных компьютеров. Таким образом, интернет убегает от квантовой механики.

Это поправка в том смысле, что вам не нужны принципы квантовой механики для создания компьютеров или даже транзисторов, но полупроводниковая технология делает компьютеры достаточно маленькими, чтобы быть такими же вездесущими, какими они стали.

С технической точки зрения, я думаю, вам нужно QM для создания полупроводниковых транзисторов . Это правда, что вам не нужно QM для создания транзисторов в целом, но неполупроводниковые транзисторы имеют экономическую ценность, может быть, несколько миллионов долларов, тогда как полупроводниковые транзисторы, вероятно, имеют влияние на десятки триллионов долларов, и мы не видели конец еще.
Транзисторы используют QM. То, что мы должны были выполнять ту же работу до того, как транзисторы стали называть вентилями.
@DJClayworth Или вакуумные лампы для нас, американцев. en.wikipedia.org/wiki/Вакуумная_трубка

Я думаю, что квантовая инженерия магнетизма может быть подходящим ответом на этот вопрос.

Действительно, микроскопическое происхождение магнитного поля, создаваемого, например, железом, можно объяснить благодаря старой микроскопической модели Ампера, основанной на классической макроскопической электродинамической аналогии. Но эта модель, конечно, не полностью согласуется с классической физикой. Это требует квантового объяснения. Я обычно говорю своим ученикам в старшей школе, что естественный магнетизм — хороший пример квантового явления (слабый диамагнетизм), в то время как сверхпроводимость, например, является квантовой (сильный диамагнетизм)!

Чтобы быть более определенным в квантовой инженерии, я в основном думаю о высоких технологиях, позволяющих выбирать, организовывать, проектировать материалы на наноуровне, что подразумевает квантовые эффекты.

В качестве хорошего примера квантовой инженерии магнетизма я бы упомянул: гигантское магнитосопротивление , открытие которого было награждено Нобелевской премией Альберта Ферта и Петера Грюнберга в 2007 году!. Эта полностью технология стала стандартной для считывающих головок жестких дисков и имела решающее значение для ускоряющейся тенденции миниатюризации жестких дисков.

Вам не нужно осваивать QM, чтобы использовать магниты. Точно так же вы можете работать со стабильной материей независимо от того, насколько хорошо вы освоили QM.
Уважаемый @DanPiponi, вы абсолютно правы, для использования магнитов не нужно овладевать КМ, а нужно формировать магнитные свойства соединений, нано- или метаматериалов, делая их диа, (супер) пара, (анти) ферро, твердыми, мягкий ... овладение QM определенно очень помогает !
Чтобы помочь читателю понять соответствующий момент Дэна Пипони, я добавляю следующую ссылку, которая была удалена из моего ответа после некоторого редактирования: «...квантовая механика гарантирует стабильность материи от атомов до звезд ( projecteuclid.org/… ) .. ."
Канонический повседневный пример технологии, которая не могла бы работать без освоения людьми QM по аналогии с применением GR в GPS?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v