¿Cuáles son algunos de los efectos de la física cuántica que podemos observar en la vida cotidiana (por ejemplo, el transistor moderno)?

Todo excepto la gravedad.

En un sentido trivial, todo lo que ves a tu alrededor es un fenómeno cuántico porque está hecho de partículas elementales que se describen por la mecánica cuántica. Sucede que la mecánica cuántica reproduce la física clásica en los límites apropiados, pero todos son fundamentalmente cuánticos. Un rebote de baloncesto es un efecto cuántico porque está formado por moléculas que obedecen todas las reglas cuánticas, y todas esas moléculas se suman a una pelota de baloncesto. Sin embargo, eso probablemente no sea lo que querías escuchar.

En un sentido un poco más fuerte, la física clásica es inadecuada para describir gran parte de cualquier cosa en un nivel fundamental. Digamos que eres un físico clásico y quieres construir un puente. Podrá hacerlo porque puede usar la relación tensión-deformación de sus vigas de acero para modelar la deformación del puente bajo su carga, y puede resolverlo todo con un montón de modelos matemáticos y de computadora. Pero, ¿de dónde viene esta relación estrés-tensión? Un físico clásico no tiene idea. Si desea saber por qué su acero tiene las propiedades que tiene, necesita saber el cambio de energía a medida que cambia su forma, pero esa energía se almacena en electrones que orbitan núcleos, por lo que es mecánica cuántica. De hecho, puede estimar el módulo de acero de Young a partir de elementos fundamentales como la carga de electrones, etc., pero deberá incluir la constante de Planck en ese cálculo. Eso no es especial para las vigas de acero: no existe una teoría clásica de por qué la materia funciona como lo hace. Los átomos clásicos deberían decaer. Sin mecánica cuántica, no hay ningún problema.

Inna mencionó el ferromagnetismo, al que agregaré toda la magnetización. El teorema de Bohr-van Leeuwen muestra que no importa que se magnetice cuando se tienen en cuenta todas las condiciones de contorno. Un físico clásico puede simplemente asignar un material para que tenga una susceptibilidad magnética y comenzar a calcular con él, pero si hacen todos los cálculos, verán que no saben de dónde proviene esa magnetización.

Stephen mencionó la química, y estoy de acuerdo. Un físico clásico puede inventar reglas como las estructuras de Lewis y esas cosas, pero nuevamente no sabrán de dónde provienen estas reglas.

Un electricista clásico puede usar la ley de Ohm para calcular cómo funcionará un circuito, pero sin comprender las bandas de conducción no comprende la resistividad del cobre que necesita para poner en sus ecuaciones.

Ed mencionó la RMN (que puede extenderse a cualquier cosa que involucre giros) y los superconductores como lugares donde la influencia de la mecánica cuántica es obvia. Podríamos agregar a eso todos los procesos nucleares (incluyendo cosas cotidianas como el origen de la luz solar), radiación térmica, fluorescencia, la tercera ley de la termodinámica y todas sus consecuencias, y así sucesivamente. Si toma algún fenómeno y solo baja unas pocas capas, llega a la mecánica cuántica.

Eso no quiere decir que necesites mecánica cuántica para hacer física. Por ejemplo, es posible que desee estudiar la arena blanca y el azúcar de color que se separan entre sí cuando se vierte. No vas a necesitar mecánica cuántica para eso. Ni siquiera necesitarás necesariamente mucha física; simplemente podría construir un modelo matemático y esperar que capture suficientes propiedades relevantes del sistema para ayudarlo a comprender lo que está sucediendo. Pero solo puede hacerlo porque puede tratar la arena y los granos de azúcar con ciertas propiedades: una forma y densidad definidas, una probabilidad de deslizarse entre sí, etc. Y no hay forma de comprender esas propiedades sin la mecánica cuántica.

Finalmente, es posible que desee saber sobre cosas cotidianas a gran escala que muestran la cuantificación de los niveles de energía o interferencia. No creo que encuentres eso. La decoherencia se establece a escalas de tiempo muy rápidas en el tipo de entorno térmico donde viven los humanos, y la constante de Planck es demasiado pequeña para que los números cuánticos sean pequeños para, por ejemplo, un hámster. Al controlar cuidadosamente el entorno, podemos comenzar a ver algunos de estos efectos en lugares como los detectores de ondas gravitacionales, que deben ser extremadamente sensibles.

Los imanes de refrigerador son un ejemplo de un efecto cuántico cotidiano.

El ferromagnetismo (espines electrónicos alineados para producir un imán permanente neto) es un fenómeno que no puede explicarse mediante argumentos semiclásicos . En primer lugar, si finge que los giros de electrones son pequeños imanes de barra, los ‘imanes’ adyacentes tenderán a alinearse. En segundo lugar, si solo considera la interacción dipolo-dipolo magnético entre electrones, dada su separación típica en un material (~ 1 Å) y su momento magnético conocido (~ 1 Bohr magneton), obtendrá una temperatura de orden de 1K más o menos. ¡Pero el hierro y el cobalto tienen temperaturas de Curie (donde se convierten en ferromagnetos) por encima de 1000K!)

fuente de la imagen: Ferromagnetismo – Wikipedia en inglés simple, la enciclopedia libre

El ferromagnetismo requiere algún tipo de interacción de intercambio (de los cuales hay diferentes tipos), que es un fenómeno mecánico cuántico explícito relacionado con el principio de exclusión de Pauli.

¡Apunte a cualquier máquina que pueda ver en su sala de estar!
¿Ves las pequeñas luces en tu árbol de Navidad? Esos son LED (diodos emisores de luz) que producen luz al pasar electrones a través de un material semiconductor que tiene algunos ingredientes adicionales mezclados. A medida que los electrones se mueven de un lado del semiconductor al otro, caen a un nivel de energía más bajo y escupen un fotón de luz. El color de la luz corresponde a la cantidad de energía que pierden los electrones.
“Entonces, ¿cómo sabes de qué color será la luz?” De eso se trata la mecánica cuántica: los electrones pueden ganar y perder energía solo en cantidades específicas,’quanta ‘, por lo que la luz no puede tomar cualquier color viejo . Siempre tiene el color que corresponde a la brecha entre esos niveles de energía.

“OK, hmm”, así que señalas tu impresora ahora.
Sí, eso también tiene tecnología cuántica. La pantalla de control del dispositivo está retroiluminada, al igual que las pantallas de las computadoras portátiles y los teléfonos inteligentes, mediante una lámpara de cátodo frío, una delgada bombilla fluorescente. Los electrones de alto voltaje bombardean el gas de mercurio dentro del tubo, que luego libera fotones de luz ultravioleta. Pero eso no es muy útil para la iluminación, porque los ojos humanos no pueden percibir los colores ultravioleta. Por lo tanto, el tubo está recubierto con una mezcla de fósforos hechos de elementos alcalinos y de tierras raras, como el estroncio, el itrio y el europio. Gracias a las interacciones mecánicas cuánticas entre las moléculas de estos fósforos, los electrones cambian los niveles de energía y emiten fotones visibles cuando son estimulados por la luz ultravioleta. Entonces, cuando la impresora se enciende, cobra vida con un brillo amigable en su pantalla táctil.

¿Qué pasa con el laberinto de mármol magnético en la sala de juegos de su hijo? Bueno, mira el cable que conduce a su caja de control. Al igual que nuestra tostadora, nuestro horno, nuestro termostato y casi cualquier otra cosa electrónica que poseamos, ese juguete contiene microchips sin los cuales no puede funcionar. Cada microchip, a su vez, contiene miles o incluso millones de transistores y diodos que controlan el flujo de electrones explotando las reglas de la física cuántica que crean espacios entre bandas de niveles de energía que los electrones pueden tomar cuando están dentro de semiconductores.

Entonces, si todas las máquinas de mecánica cuántica decidieran tomarse el día libre, no podría ir a trabajar, el garaje no se abriría y el automóvil no arrancaría. Relojes, teléfonos móviles, electrodomésticos de todo tipo se apagarían. Las computadoras obtendrían un doble golpe: sus procesadores se paralizarían y sus unidades de disco duro se volverían ilegibles, ya que las computadoras dependen de un fenómeno cuántico llamado magnetorresistencia gigante para registrar los campos magnéticos débiles que almacenan datos en nuestros dispositivos cada vez más pequeños.

Casi podría decir … apunte a cualquier dispositivo electrónico fabricado después de la década de 1930, ¡y tendrá un dedo del pie sumergido en la física cuántica!

Los reproductores de CD usan efectos cuánticos. Más precisamente, usan láseres. Los fotones emitidos por un láser tienen la misma energía, y esto es una consecuencia de la cuantificación de la energía. Este es un efecto cuántico.
Para obtener ejemplos numerosos y detallados, le sugiero que consulte esta página: P: ¿Hay ejemplos de mecánica cuántica que se pueden ver en la vida cotidiana, o solo aparecen en el laboratorio?

La mayor parte de la química es consecuencia de la física cuántica. Por ejemplo, los electrones están en niveles de energía cuantificados, por lo que deben ir a orbitales fijos y solo puede tener como máximo dos electrones en cada orbital de espines diferentes. Esto a su vez determina la estructura de la tabla periódica, y da lugar a las características químicas únicas de cada elemento, y a las preferencias de combinaciones químicas entre elementos. Yendo más allá, la forma de los orbitales atómicos y de los orbitales moleculares determina las reglas para la química orgánica y la forma complicada en que un puñado de elementos y carbono se combinan para formar moléculas de vida en la tierra arbitrariamente complejas. Entonces sí, la vida es un efecto de la física cuántica.

Picos de difracción que se manifiestan a simple vista al mirar los faros de los automóviles. Los picos son muchas líneas finas que irradian simétricamente desde la luz. Esto puede explicarse por el comportamiento ondulatorio de los fotones, ya que estas ondas difractan alrededor de las anomolias en el cristalino del ojo. Obviamente, la luz que ves está compuesta de fotones que no fueron absorbidos por la lente. Dualidad onda-partícula

Reflejo parcial de una ventana o lámina de vidrio. Incluso Newton sabía que esto no puede explicarse con la física clásica. Feynman escribió un gran análisis en “QED: The Strange Theory of Light and Matter”.