Fizică cuantică

Fizica cuantică este desemnarea generală a unui set de teorii fizice nascut XX - lea  secol care descriu comportamentul atomilor și a particulelor și permit de a elucida anumite proprietăți ale radiației electromagnetice .

Deoarece teoria relativității , teoria numită „cuantică“ marchează o pauză cu ceea ce se numește acum fizica clasică , care include teorii și principii fizice cunoscute XIX - lea  secol - inclusiv mecanica newtoniană și teoria electromagnetică a Maxwell  - și care nu a permis să explice anumite proprietăți fizice.

Fizica cuantică acoperă toate domeniile fizicii în care utilizarea legilor mecanicii cuantice este o necesitate pentru a înțelege fenomenele în joc. Mecanica cuantică este teoria fundamentală a particulelor de materie care constituie obiectele universului și câmpurile de forță care animă aceste obiecte. .

Istorie

In timpul XIX - lea  crystallographers și chimiști din secolul încercat să demonstreze existența atomilor, dar acesta este doar începutul XX - lea  secol ele vor fi identificate în mod permanent prin difracție cu raze X . Pentru a le modela, cuantificarea materiei este un pas necesar, care dă naștere fizicii cuantice. În 1900, Max Planck a emis ipoteza că schimburile de energie cu materia se realizează în cantități mici: „  cuantele  ”.

Louis de Broglie a inițiat apoi mecanica cuantică care a permis modelarea corectă a atomului. Fizica cuantică a absorbit în cele din urmă toate domeniile fizicii clasice într-o singură disciplină. Cele acceleratoare de particule arată apoi că atomii sunt compuse din mai multe particule elementare, cum ar fi proton sau neutron , ele însele compuse din cuarci . Este teoria câmpului cuantic , construită din electrodinamica cuantică, care va descrie toate particulele elementare .

Privire de ansamblu

Fizica cuantică a adus o revoluție conceptuală cu repercusiuni chiar și în filozofie (chestionarea determinismului ) și în literatură ( science fiction ). A permis o serie de aplicații tehnologice: energia nucleară , imagistica medicală prin rezonanță magnetică nucleară , diodă , tranzistor , circuit integrat , microscop electronic și laser . La un secol după concepția sa, este utilizat pe scară largă în cercetarea în chimia teoretică ( cuantică chimie ), fizica ( mecanica cuantică , teoria câmpului cuantic , fizica materiei condensate , fizica nucleara , fizica particulelor , fizica statistică cuantică, astrofizică , cuantică gravitație ) în matematică (formalizarea teoriei câmpurilor) și recent în informatică ( calculatoare cuantice , criptografie cuantică ). Acesta este privit cu teoria relativității generale a lui Einstein ca fiind una dintre cele două teorii majore ale XX - lea  secol .

Se știe că fizica cuantică este contraintuitivă (șocul „bun simț”) și necesită un formalism matematic dificil. Feynman , unul dintre cei mai importanți specialiști teoreticieni ai fizicii cuantice , în a doua jumătate a XX - lea  secol și a scris:

„Cred că pot spune în siguranță că nimeni nu înțelege cu adevărat fizica cuantică. "

Motivul principal al acestor dificultăți este că lumea cuantică (limitată la infinit de mică , dar care are potențial repercusiuni la scară mai mare) se comportă foarte diferit de mediul macroscopic cu care suntem obișnuiți. Unele diferențe fundamentale care separă aceste două lumi sunt, de exemplu:

Cuanticul și cel viu

În lumea vie, există fenomene care se supun acestor reguli ale infinit de mici? În ultimii ani, studiile din diverse domenii ale biologiei indică faptul că acesta este cazul. Aceste rezultate merg împotriva ideii general acceptate conform cărora lumea macroscopică este prea haotică pentru a permite efectele decoerenței cuantice . Ființele vii ar putea profita de această agitație dezordonată a particulelor, cel puțin în ceea ce privește fotosinteza. De receptorii miros par să depindă de efectul de tunel , pentru a transporta electroni în interiorul molecule odorant aceeași, ceea ce permite să se distingă de alte molecule similare structural. Unele structuri proteice bacteriene se comportă ca niște calculatoare cuantice primitive, „calculând” cel mai bun canal de transport al electronilor din toate căile posibile.

Lucrările recente privind fotosinteza au arătat că încurcarea cuantică a fotonilor joacă un rol esențial în această operațiune fundamentală a regnului plantelor, fenomen pe care încercăm să-l imităm în prezent pentru a optimiza producția de energie solară .

Aderența la suprafețele seturilor de gecko funcționează datorită forțelor van der Waals , interacțiuni de natură cuantică care implică particule virtuale fără nicio interacțiune moleculară clasică. Acest fenomen este, de asemenea, studiat pentru aplicații militare și civile.

Lista experiențelor

Fizicienii americani au reușit să observe urma primelor momente ale Big Bang-ului, realizând unul dintre „cele mai importante obiective din cosmologie de astăzi” în cuvintele lui John Kovac, profesor la Harvard și șef al echipei la originea acestei descoperiri în Martie 2014. Apariția Big Bang-ului care a marcat nașterea Universului în urmă cu 13,8 miliarde de ani a fost însoțită de emisia de unde gravitaționale primordiale „create de fluctuațiile vidului cuantic” și teoriile prezic că prezența lor „ar polariza anumiți fotoni într-un mod particular, analog unui „vortex” ” . Observarea amprentei lăsate de aceste unde pe radiația fosilă a fost efectuată prin intermediul telescopului Bicep2. Pentru Alan Guth (MIT), „Aceasta este o dovadă cosmologică complet nouă și independentă de viziunea inflaționistă” , iar această lucrare „merită„ cu siguranță „un Premiu Nobel” . Dar acest anunț a fost respins de măsurătorile făcute de satelitul Planck, acesta din urmă putând diferenția efectele prafului din Galaxy.

Fantele lui Young

Experimentul inițial al lui Thomas Young a identificat comportamentul val de lumină care arată că cele două fascicule de lumină ar putea intra în interferență. Experimentul fantei Young , efectuat cu o singură particulă (asigurându-se că sursa de emisie emite o singură cuantă la un moment dat ), va arăta că un singur electron „interferează cu el însuși” și produce franjuri de interferență la ieșirea celor două fante, ca dacă ar fi două fluxuri de particule care interferează între ele.

Efect Aharonov-Bohm (Ehrenberg și Siday)

În mecanica clasică, traiectoria unei particule încărcate nu poate fi afectată de prezența unui câmp magnetic dacă se află în afara acestui câmp. Efectul Aharonov-Bohm este un fenomen cuantic descris în 1949 de Ehrenberg și Siday și redescoperit în 1959 de David Bohm și Yakir Aharonov . El descrie următorul paradox :

„Un câmp magnetic (cercul albastru B , opus) poate afecta o regiune a spațiului la distanță, potențialul vectorial nefiind dispărut pe de altă parte. "

Efectul Aharonov-Bohm demonstrează, prin urmare, că potențialele electromagnetice și nu câmpurile electrice și magnetice sunt baza mecanicii cuantice. În fizica cuantică, o entitate matematică utilă, potențialul magnetic magnetic, poate avea efecte reale.

Experimentul Stern și Gerlach

Stern și Gerlach experiment a fost unul dintre primii pentru a demonstra natura pur cuantică a lumii microscopice și mai particular de centrifugare . Construit în 1921-1922 pentru a testa ipoteza cuantificării spațiale, nu a putut obține o descriere teoretică satisfăcătoare decât cinci ani mai târziu datorită dezvoltării mecanicii cuantice.

Experiență Aspect

Experimentul Aspect este, istoric, primul experiment care a respins în mod satisfăcător inegalitățile lui Bell în fizica cuantică, validând astfel fenomenul de entanglement cuantic , și oferind un răspuns experimental la paradoxul EPR .

Concret, constă în producerea a doi fotoni într-o stare încurcată, apoi în separarea lor pentru a efectua în cele din urmă măsurarea polarizării lor. Măsurarea primului foton are apoi 50% șanse de a da și la fel de mult de a da în timp ce al doilea foton este proiectat imediat în aceeași stare. Paradoxul vine din faptul că cei doi fotoni par să schimbe aceste informații la o viteză mai mare decât cea a luminii. Cu toate acestea, acest punct nu este relevant, deoarece nu se pot transmite informații prin acest mijloc.

Totuși, încurcarea cuantică face posibilă schimbul unei chei de criptare într-un mod sigur, care este exploatat de criptografia cuantică .

Experiment Lager Choice Quantum Eraser

Întârziată Experimentul alegere cuantică radieră este o extensie a lui Alain Aspect lui și Young fante de experiment , dar introduce ceea ce pare a fi un feedback - ul implicit în timp  : un efect al prezentului asupra trecutului.

Interpretări

Paradoxurile legate de măsurare conduc la întrebarea: descrie fizica cuantică realitatea?

Arborele soluției problemei de măsurare
  Teoria cuantica
 
 
                             
Nu este menit să reprezinte realitatea     Nu reprezintă pe deplin realitatea     Reprezintă total realitatea
       
                                 
         
Pozitivism Legi cuantice modificate Influența conștiinței Adăugarea unei variabile suplimentare: poziția Decoerența cuantică Universuri multiple
                 
Stephen Hawking
Niels Bohr
Roger penrose Eugene Wigner Teoria lui De Broglie-Bohm Roland Omnès
Murray Gell-Mann
James Hartle
Hugh Everett
David Deutsch
       
Giancarlo Ghirardi
Alberto Rimini
Wilhelm Eduard Weber
John von Neumann
Fritz London și Edmond Bauer
John Bell Hans-Dieter Zeh
Wojciech Zurek
 
Bernard d'Espagnat
Olivier Costa de Beauregard

Teorii „cu variabile ascunse  ”

Geneza fizicii cuantice

Corp negru și catastrofă ultravioletă

Conform teoriilor clasice ale fizicii, se crede că un corp negru în echilibru termodinamic radiază un flux infinit. Mai precis, energia radiată de banda de lungime de undă trebuie să tindă spre infinit atunci când lungimea de undă tinde spre zero, în ultraviolet pentru fizicienii vremii, deoarece nici razele X și nici razele gamma nu erau cunoscute în acel moment. Este dezastrul ultraviolet .

Introducerea cuantelor în fizică

Acesta datează de la lucrările efectuate în 1900 de Max Planck asupra radiației corpului negru la echilibru termic. O cavitate încălzită emite radiații electromagnetice (lumină) imediat absorbite de pereți. Cont pentru spectrul luminii prin calculul teoretic al schimbului de energie de emisie și de absorbție ( ), Planck a trebuit să se presupună că aceste schimburi sunt discontinue și proporțional cu frecvența ( ) a radiației de lumină: .

Cuantificarea radiațiilor și a atomilor

În 1905 , în urma unui raționament termodinamic în care a dat probabilităților un sens fizic (cel al frecvențelor stărilor pentru un sistem), Einstein a fost condus să considere că nu doar schimburile de energie sunt discontinue, ci și energia radiația luminii în sine.

El a arătat că această energie este proporțională cu frecvența undei de lumină: .

Acest lucru a dat imediat explicația efectului fotoelectric observat cu 20 de ani mai devreme de Hertz.

Efect fotoelectric

Energia adusă de cuantul de lumină electronului legat într-un atom permite eliberarea acestuia dacă această energie este mai mare sau egală cu energia de legare a electronului, numită și muncă de ieșire , în virtutea relației:

unde este energia cinetică dobândită de acesta din urmă. Acest efect prag a fost inexplicabil în concepția continuă a energiei luminii în teoria electromagnetică clasică.

Limitări ale teoriei electromagnetice clasice

Einstein a realizat atunci că această proprietate a radiației se afla în opoziție ireductibilă cu teoria electromagnetică clasică (dezvoltată de Maxwell).

Încă din 1906 , el a anunțat că această teorie ar trebui modificată în câmpul atomic.

Nu a fost clar cum ar trebui obținută această modificare, deoarece fizica teoretică s-a bazat pe utilizarea ecuațiilor diferențiale, numite ecuațiile lui Maxwell , care corespund unor cantități care variază continuu.

Ipoteza cuantică

În ciuda puterii teoriei cuantice , puțini fizicieni au fost înclinați să-și imagineze că teoria electromagnetică clasică ar putea fi invalidată. Einstein s-a străduit apoi să evidențieze alte aspecte ale fenomenelor atomice și ale radiațiilor care s-au rupt de descrierea clasică. El a extins astfel ipoteza cuantică, dincolo de proprietățile radiației, la energia atomilor, prin lucrarea sa asupra căldurilor specifice la temperaturi scăzute. El a constatat anularea căldurilor specifice corpurilor la zero absolut, fenomen observat dar inexplicabil de teoria clasică.

Alți fizicieni (P. Ehrenfest, W. Nernst, H.-A. Lorentz, H. Poincaré) i s-au alăturat treptat pentru a concluziona că ipoteza cuantică era inevitabilă, pe care Planck însuși a ezitat să o admită.

Cu toate acestea, a fost încă acceptat în general doar pentru schimburile de energie.

În cultură

RomanComic

Note și referințe

  1. Hladik 2008 , p.  3.
  2. Hladik 2008 , p.  4.
  3. Richard Feynman, în Caracterul dreptului fizic (1965).
  4. Pentru știința nr .  407, septembrie 2011, p. 22 și urm., „Trăind într-o lume cuantică”, de Viatko Vedral.
  5. Ball P. Fizica vieții: zorii biologiei cuantice . Natură. 2011 15 iunie; 474 (7351): 272-4.
  6. (în) Mark Anderson , „  Discovermagazine.com  ” , Discovermagazine.com,13 ianuarie 2009(accesat la 23 octombrie 2010 )
  7. (în) „  Mecanica cuantică stimulează fotosinteza  ” , physicsworld.com (accesat la 23 octombrie 2010 )
  8. (în) „  Evidence for van der Waals adhesion in gecko setae  ” (lansare din 14 aprilie 2012 pe Internet Archive ) , lucrare științifică despre proprietățile setelor [PDF]
  9. David Larousserie, „  Din Polul Sud, ecouri ale Big Bang-ului  ” , pe lemonde.fr ,17 martie 2014(accesat la 27 februarie 2020 ) .
  10. (în) „  O nouă analiză invalidează detectarea undelor gravitaționale  ” , în Institutul de perimetru al fizicii teoretice ,3 februarie 2015(accesat la 15 octombrie 2015 ) .
  11. O ștergere cuantică cu întârziere

Vezi și tu

Bibliografie

Cărți de popularizare

Munci recente

Lucrări mai vechi

Manuale universitare Dezvoltarea istorică a conceptelor
  • Jagdish Mehra & Helmut Rechenberg, The Historical Development of Quantum Theory , Springer-Verlag (1982-2002), ( ISBN  0-387-95262-4 ) . Cutie cu 6 volume, 9 cărți, 5889 pagini (!) Cărți disponibile separat:
    • Zbor. 1: Teoria cuantică a lui Planck, Einstein, Bohr și Sommerfeld: Fundamentele sale și creșterea dificultăților sale (1900-1925) , Partea 1: ( ISBN  978-0-387-95174-4 ) .
    • Zbor. 1: Teoria cuantică a lui Planck, Einstein, Bohr și Sommerfeld: Fundamentele sale și creșterea dificultăților sale (1900-1925) , partea 2: ( ISBN  0-387-95175-X ) .
    • Zbor. 2: Descoperirea mecanicii cuantice, 1925 , ( ISBN  0-387-95176-8 ) .
    • Zbor. 3: Formularea mecanicii matricei și modificările sale. 1925-1926 , ( ISBN  0-387-95177-6 ) .
    • Zbor. 4, Partea 1: Ecuațiile fundamentale ale mecanicii cuantice (1925-1926) și Partea 2: Recepția noii mecanici cuantice , ( ISBN  0-387-95178-4 ) .
    • Zbor. 5: Erwin Schrödinger și ascensiunea mecanicii undelor , Partea 1: Schrödinger la Viena și Zurich (1887-1925)
    • Zbor. 5: Erwin Schrödinger & Rise of Wave Mechanics , Part 2: The Creation of Wave Mechanics: Early Responses & Applications (1925-1926) , ( ISBN  0-387-95180-6 ) .
    • Zbor. 6: Finalizarea mecanicii cuantice (1926-1941) , Partea 1: Interpretarea probabilităților și teoria transformării statistice, interpretarea fizică și fundamentele empirice și matematice ale mecanicii cuantice (1926-1932) , ( ISBN  0-387-95181 -4 )
    • Zbor. 6: Completarea mecanicii cuantice (1926-1941) , Partea 2: Conceptuel Completion & the Extensions of Quantum Mechanics (1932-1941) - Epilogue: Aspects of the Future Development of Quantum Theory (1942-1999) , ( ISBN  0 -387-95182-2 ) .
  • John von Neumann Bazele matematica mecanicii cuantice " Bazele matematice ale mecanicii cuantice", ed. Jacques Gabay, 1992, ( ISBN  978-2-87647-047-7 )
Comparații ale diferitelor abordări teoretice ale fizicii cuantice
  • Daniel F. Styer, Miranda S. Balkin, Kathryn M. Becker, Matthew R. Burns, Christopher E. Dudley, Scott T. Forth, Jeremy S. Gaumer, Mark A. Kramer, David C. Oertel, Leonard H. Park, Marie T. Rinkoski, Clait T. Smith și Timothy D. Wotherspoon, Nouă formulări ale mecanicii cuantice . American Journal of Physics . 70 (3),Martie 2002, 288-297.
Alte lucrări
  • Thierry Lombry, Un secol de fizică: 1 - Fizică cuantică , Aegeus, 2005
  • Carlos Calle și colab. , Superstrings și alte corzi: Călătorie către inima fizicii , Dunod, 2004
  • Gordon Kane, Supersimetrie , Le Pommier, 2003
  • Robert Gilmore, Alice în pământ cuantic , Le Pommier-Fayard, 2000
  • Brian Greene, Universul elegant (Superstrings and Theory M) , Robert Laffont, 2000
  • Maurice Duquesne, Matière et antimatière , PUF, col. Ce știu?, 767, 2000
  • Martin Gardner, Universul ambidextru , Seuil, 1995
  • Murray Gell-Mann, Quark și Jaguar. Călătorie către inima simplului și complexului , Albin Michel Sciences, 1995
  • Forumul OECD Megascience, Fizica particulelor , OECD, 1995
  • Bernard d'Espagnat, Realul voalat, Analiza conceptelor cuantice , Fayard, 1994
  • Sven Ortoli și J.-M. Pelhate, Quantum Adventure , Belin, 1993
  • Paul Davies, The New Physics , Flammarion Sciences, 1993
  • Jean-Pierre Pharabod și B. Pire, Visul fizicienilor , Odile Jacob, 1993
  • Bernard d'Espagnat și Etienne Klein, Regards sur la matter , Fayard, 1993
  • Robert Forward și Joel Davis, Misterele antimateriei , Ed. Du Rocher, 1991
  • J. Briggs și D. Peat, O oglindă turbulentă , InterEditions, 1990
  • Émile Meyerson , Realitate și determinism în fizica cuantică , 1933
  • Françoise Balibar, Alain Laverne, Jean-Marc Lévy-Lebond, Dominique Mouhanna, Quantum: elements , CEL,2007( citește online )
Pe Wikibooks

Articole similare

linkuri externe