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Physique quantique

La physique quantique effraie un étudiant non préparé dès le début d'une connaissance. C'est étrange et illogique, même pour les physiciens qui en traitent tous les jours. Mais elle n'est pas incompréhensible. Si vous êtes intéressé par la physique quantique, vous devez garder à l’esprit six concepts clés. Non, ils ont peu à voir avec les phénomènes quantiques. Et ce ne sont pas des expériences de pensée. Enroulez-les autour de votre moustache, et la physique quantique sera beaucoup plus facile à comprendre.

Contenu

La physique quantique combine plusieurs branches de la physique, dans lesquelles les phénomènes de mécanique quantique et de théorie quantique des champs, qui se manifestent au niveau du micro-monde, mais ont des conséquences au niveau du macro-monde, jouent un rôle fondamental. Ceux-ci comprennent les sous-sections suivantes:

Les systèmes réels ou modèles qui obéissent aux lois de la physique quantique sont appelés systèmes quantiques. La description des systèmes quantiques complexes est souvent basée sur le langage des quasi-particules, en particulier en physique de la matière condensée. Les systèmes quantiques comprennent, par exemple, un électron dans un atome d'hydrogène, des électrons libres ou d'autres particules élémentaires, des électrons dans un cristal (quasiparticules - électrons et trous), des atomes vibrants dans un cristal (quasi-particules phonons), des spins en interaction dans un modèle de réseau (magnétosynthèse de quasi-particules).

Qu'est-ce que la physique quantique étudie avec des mots simples?

Oui, en effet, la physique quantique est très difficile à comprendre car elle étudie les lois du micro-monde. C’est-à-dire le monde sur ses couches les plus profondes, à de très petites distances, où il est très difficile pour une personne de regarder.

Et il se trouve que le monde se comporte là-bas de manière très étrange, mystérieuse et incompréhensible, pas comme nous en avons l'habitude.

D'où toute la complexité et l'incompréhension de la physique quantique.

Mais après avoir lu cet article, vous allez élargir les horizons de vos connaissances et regarder le monde d’une manière complètement différente.

En bref sur l'histoire de la physique quantique

Tout a commencé au début du XXe siècle, lorsque la physique newtonienne ne pouvait expliquer beaucoup de choses et que les scientifiques étaient paralysés. Puis Max Planck a introduit le concept de quantum. Albert Einstein a repris cette idée et prouvé que la lumière ne se propage pas de façon continue, mais par portions - quanta (photons). Jusque-là, on croyait que la lumière avait une nature ondulatoire.

Mais comme il s’est avéré plus tard, toute particule élémentaire n’est pas seulement un quantum, c’est-à-dire une particule solide, mais aussi une onde. C’est ainsi que la dualité onde-particule est apparue dans la physique quantique, premier paradoxe et début des découvertes des mystérieux phénomènes du micro-monde.

Les paradoxes les plus intéressants ont commencé lorsque la fameuse expérience avec deux machines à sous a été réalisée, après quoi il y avait beaucoup plus de devinettes. Nous pouvons dire que la physique quantique a commencé avec elle. Jetons un coup d'oeil.

Expérience à deux fentes en physique quantique

Imaginez une plaque à deux fentes en forme de bandes verticales. Nous allons mettre un écran derrière cette assiette. Si nous dirigeons la lumière vers la plaque, nous verrons une image d'interférence sur l'écran. C'est-à-dire en alternant des rayures verticales sombres et lumineuses. Les interférences sont le résultat du comportement des ondes de quelque chose, dans notre cas, la lumière.

Si vous faites passer une vague d'eau par deux trous situés à proximité, vous comprendrez ce qu'est une interférence. C'est-à-dire que la lumière s'avère être de nature ondulatoire. Mais comme la physique l'a prouvé, ou plutôt Einstein, il se propage par des particules de photons. Déjà un paradoxe. Mais d'accord, le dualisme onde-particule ne nous surprend plus. La physique quantique nous dit que la lumière se comporte comme une onde, mais consiste en photons. Mais les miracles ne font que commencer.

Mettons un pistolet devant une plaque avec deux fentes, qui n'émettront pas de lumière, mais des électrons. Commençons à tirer des électrons. Que verrons-nous sur l'écran derrière la plaque?

Après tout, les électrons sont des particules, ce qui signifie que le flux d’électrons traversant deux fentes ne doit laisser que deux bandes sur l’écran, deux pistes en face des fentes. Imaginez des galets volant à travers deux fentes et frappant l'écran?

Mais que voyons-nous vraiment? Tous la même image d'interférence. Quelle est la conclusion: les électrons se propagent dans les ondes. Donc, les électrons sont des ondes. Mais c'est une particule élémentaire. Encore une fois, la dualité onde-particule en physique.

Mais on peut supposer qu'à un niveau plus profond, l'électron est une particule et que lorsque ces particules se rassemblent, elles commencent à se comporter comme des ondes. Par exemple, une onde marine est une onde, mais après tout, elle consiste en des gouttes d’eau et à un niveau plus fin de molécules, puis d’atomes. Eh bien, la logique est solide.

Tirons alors du canon, pas avec un flux d'électrons, mais libérons les électrons individuellement, après un certain temps. Comme si nous traversions les fissures, ce n’est pas une vague de mer, mais nous cracherions séparément au pistolet à eau pour enfants.

Il est logique que, dans ce cas, différentes gouttes d'eau tombent dans différentes fissures. Sur l'écran derrière la plaque, il serait possible de ne pas voir le motif d'interférence de la vague, mais deux bandes distinctes de l'impact opposé à chaque fente. Nous verrons la même chose si nous lançons de petites pierres: celles-ci, volant à travers deux fissures, laisseraient une marque, comme une ombre de deux trous. Tirons maintenant sur des électrons individuels pour voir ces deux bandes à l’écran des impacts d’électrons. Ils en ont libéré un, attendu, le second, attendu, etc. Les scientifiques de la physique quantique ont pu faire une telle expérience.

Mais l'horreur. Au lieu de ces deux bandes, on obtient les mêmes alternances d'interférence de plusieurs bandes. Comment Cela peut arriver si un électron volait simultanément à travers deux fentes et derrière une plaque, car une onde entrerait en collision avec elle-même et interférerait. Mais cela ne peut pas être, car une particule ne peut pas être à deux endroits en même temps. Elle survole soit le premier, soit le second.

C'est ici que commencent les choses vraiment fantastiques de la physique quantique.

Superposition en physique quantique

Grâce à une analyse plus approfondie, les scientifiques découvrent que toute particule quantique élémentaire ou la même lumière (photon) peut effectivement se trouver à plusieurs endroits à la fois. Et ce ne sont pas des miracles, mais les faits réels du micro-monde. C'est ce que dit la physique quantique. C'est pourquoi, en tirant une particule séparée d'un canon, nous voyons le résultat d'interférences. Derrière la plaque, l'électron se heurte à lui-même et crée un motif d'interférence.

Les objets de macrocosme habituels sont toujours au même endroit, ont un seul état. Par exemple, vous êtes maintenant assis sur une chaise, pesez, par exemple, 50 kg, avez une fréquence cardiaque de 60 battements par minute. Bien sûr, ces lectures vont changer, mais elles changeront après un certain temps. Après tout, vous ne pouvez pas être à la maison et au travail en même temps, peser 50 et 100 kg. Tout cela est compréhensible, c'est du bon sens.

Dans la physique du micromonde, tout est différent.

La mécanique quantique prétend, et cela a déjà été confirmé expérimentalement, que toute particule élémentaire peut être localisée simultanément non seulement à plusieurs points de l'espace, mais peut aussi avoir plusieurs états en même temps, par exemple un spin.

Tout cela ne rentre pas dans la tête, cela sape l’idée habituelle du monde, les anciennes lois de la physique, renverse l’esprit, vous pouvez sans crainte affirmer que c’est fou.

Nous en venons donc à comprendre le terme "superposition" en mécanique quantique.

La superposition signifie que l'objet du micro-monde peut se trouver simultanément à différents points de l'espace et avoir plusieurs états en même temps. Et ceci est normal pour les particules élémentaires. Telle est la loi du micro-monde, aussi étrange et fantastique que cela puisse paraître.

Vous êtes surpris, mais ce ne sont que des fleurs, les miracles, énigmes et paradoxes les plus inexplicables de la physique quantique sont encore à venir.

L'effondrement de la fonction d'onde en physique en mots simples

Ensuite, les scientifiques ont décidé de déterminer plus précisément si l'électron passait réellement dans les deux fentes. Soudainement, il passe par un emplacement, puis se divise et crée un motif d'interférence qu'il traverse. Eh bien, on ne sait jamais. Autrement dit, vous devez placer un dispositif près de l’intervalle, qui enregistrerait avec précision le passage d’un électron à travers celui-ci. Aussitôt dit, aussitôt fait. Bien sûr, cela est difficile à réaliser, vous n'avez pas besoin d'un dispositif, mais de quelque chose d'autre pour voir le passage d'un électron. Mais les scientifiques l'ont fait.

Mais à la fin, le résultat a stupéfié tout le monde.

Dès que nous commençons à regarder à travers quel espace un électron passe, il commence alors à se comporter non pas comme une onde, ni comme une substance étrange se trouvant simultanément à différents points de l’espace, mais comme une particule ordinaire. C'est-à-dire qu'il commence à montrer les propriétés spécifiques d'un quantum: il ne se trouve qu'à un seul endroit, passe par un seul créneau, a une valeur de spin. Pas un motif d'interférence n'apparaît à l'écran, mais une simple trace en face de l'espace.

Mais comment est-ce possible? Comme si l'électron plaisantait en jouant avec nous. Au début, il se comporte comme une onde, puis, une fois que nous avons décidé de voir son passage à travers l’intervalle, il présente les propriétés d’une particule solide et ne traverse qu’un seul intervalle. Mais c'est comme ça dans le micro-monde. Ce sont les lois de la physique quantique.

Les scientifiques ont découvert une autre propriété mystérieuse des particules élémentaires. C'est ainsi que les concepts d'incertitude et d'effondrement de la fonction d'onde sont apparus en physique quantique.

Lorsqu'un électron vole vers un intervalle, il se trouve dans un état indéfini ou, comme nous l'avons dit précédemment, en superposition. C'est-à-dire qu'elle se comporte comme une onde, est simultanément à différents points de l'espace, a deux valeurs de spin à la fois (le spin n'a que deux valeurs). Si nous ne l’avions pas touché, sans essayer de le regarder, sans savoir exactement où il était, sans mesurer la valeur de son dos, il aurait volé comme une vague à travers deux fentes en même temps, et aurait donc créé une image parasite. La physique quantique décrit sa trajectoire et ses paramètres à l'aide de la fonction d'onde.

Après avoir effectué une mesure (et qu'il est possible de mesurer une particule du micro-monde uniquement en interagissant avec elle, par exemple, pour entrer en collision avec une autre particule), la fonction d'onde s'effondre.

C'est-à-dire que l'électron est maintenant situé exactement au même endroit dans l'espace et a une valeur de spin.

On peut dire qu'une particule élémentaire est comme un fantôme, c'est comme s'il y en avait une, mais en même temps, elle ne se trouve pas au même endroit et peut, avec une certaine probabilité, se trouver n'importe où dans la description de la fonction d'onde. Mais dès que nous commençons à la contacter, elle passe d'un objet fantomatique à une substance réelle et tangible, qui se comporte comme des objets ordinaires qui nous sont familiers du monde classique.

"C'est fantastique", dites-vous. Bien sûr, mais les merveilles de la physique quantique ne font que commencer. Le plus incroyable est à venir. Mais prenons une pause dans l'abondance d'informations et revenons aux aventures quantiques une autre fois, dans un autre article. En attendant, réfléchissez à ce que vous avez appris aujourd'hui. À quoi de tels miracles peuvent-ils aboutir? Après tout, ils nous entourent, c’est une propriété de notre monde, mais à un niveau plus profond. Pensons-nous encore que nous vivons dans un monde ennuyeux? Mais nous tirerons des conclusions plus tard.

J'ai essayé de parler brièvement et clairement des bases de la physique quantique.

Mais si vous ne comprenez pas quelque chose, alors regardez cette caricature sur la physique quantique, sur l’expérience avec deux fentes, tout y est également raconté dans un langage simple et compréhensible.

Dessin animé sur la physique quantique:

Ou vous pouvez regarder cette vidéo ici, tout va se mettre en place, la physique quantique est très intéressante.

Vidéo sur la physique quantique:

Et comme vous ne le saviez pas auparavant.

Les découvertes modernes en physique quantique changent notre monde matériel familier.

Tout se compose d'ondes - et de particules aussi

Vous pouvez entamer cette discussion à de nombreux endroits, et c’est aussi bon que les autres: tout dans notre univers a la nature de particules et d’ondes. Si l’on pouvait dire de la magie comme ceci: «Toutes ces ondes sont des ondes et il n’ya que des ondes», ce serait une description poétique merveilleuse de la physique quantique. En fait, tout dans cet univers a une nature ondulatoire.

Bien entendu, tout dans l’Univers a également la nature de particules. Cela semble étrange, mais c'est un fait expérimental.

Décrire des objets réels à la fois comme des particules et des ondes sera quelque peu inexact. En réalité, les objets décrits par la physique quantique ne sont pas des particules et des ondes, mais appartiennent à la troisième catégorie, qui hérite des propriétés des ondes (fréquence et longueur d'onde, ainsi que de la propagation dans l'espace) et de certaines propriétés des particules (elles peuvent être recalculées et localisées avec un certain degré ) Cela suscite un débat animé au sein de la communauté physique sur le point de savoir s'il serait généralement correct de parler de la lumière en tant que particule, non pas parce qu'il existe une contradiction dans le fait de savoir si la lumière a la nature de particules, mais parce que les photons sont appelés des "Excitations d'un champ quantique" signifie tromper les étudiants. Cependant, cela s'applique également à la question de savoir si les électrons peuvent être appelés particules, mais de tels différends resteront dans les cercles purement académiques.

Cette «troisième» nature des objets quantiques se reflète dans le langage parfois déroutant des physiciens qui discutent des phénomènes quantiques. Le boson de Higgs a été découvert au Large Collisionneur de Hadrons sous forme de particule, mais vous avez probablement entendu l'expression «Higgs Field», une telle chose délocalisée qui remplit tout l'espace. Cela est dû au fait que, dans certaines conditions, telles que des expériences avec des collisions de particules, il est plus approprié de discuter des excitations de Higgs que de déterminer les caractéristiques des particules. domaine de proportions universelles. Ce ne sont que des langages différents qui décrivent les mêmes objets mathématiques.

La physique quantique est discrète

Tout au nom de la physique - le mot «quantique» vient du latin «combien» et reflète le fait que les modèles quantiques incluent toujours quelque chose qui vient en quantités discrètes. L'énergie contenue dans un champ quantique vient en quantités multiples d'une certaine énergie fondamentale. Pour la lumière, ceci est associé à la fréquence et à la longueur d'onde de la lumière - la lumière haute fréquence avec une onde courte a une énergie caractéristique énorme, tandis que la lumière basse fréquence avec une onde longue a une énergie caractéristique petite.

Dans les deux cas, l’énergie totale incluse dans un champ lumineux séparé est un multiple entier de cette énergie - 1, 2, 14, 137 fois - et on ne rencontre pas d’actions étranges comme un et demi, "pi" ou la racine carrée de deux. Cette propriété est également observée dans les niveaux d'énergie discrets des atomes, et les zones d'énergie sont spécifiques - certaines énergies sont autorisées, d'autres non. Les horloges atomiques fonctionnent du fait de la nature discrète de la physique quantique, en utilisant la fréquence de la lumière associée à la transition entre deux états autorisés au césium, ce qui vous permet de gagner du temps au niveau nécessaire à la mise en oeuvre du "deuxième saut".

La spectroscopie de haute précision peut également être utilisée pour rechercher des éléments tels que la matière noire et reste une des motivations du travail de l'Institut de physique fondamentale de faible énergie.

Cela n’est pas toujours évident: même certaines choses qui sont en principe quantiques, telles que le rayonnement du corps noir, sont associées à des distributions continues. Mais à y regarder de plus près et lorsqu'un appareil mathématique profond est connecté, la théorie quantique devient encore plus étrange.

La physique quantique est probabiliste

L'un des aspects les plus étonnants et (au moins historiquement, au moins) les plus contradictoires de la physique quantique est qu'il est impossible de prédire avec certitude le résultat d'une expérience avec un système quantique. Lorsque les physiciens prédisent le résultat d'une expérience particulière, celle-ci prend la forme de la probabilité de trouver chacun des résultats possibles spécifiques, et les comparaisons entre théorie et expérience incluent toujours la déduction de la distribution de probabilité à partir de nombreuses expériences répétées.

La description mathématique d'un système quantique prend généralement la forme d'une «fonction d'onde» représentée dans les équations du hêtre grec psi:. Il y a beaucoup de discussions sur ce qu'est exactement la fonction d'onde, et ils ont divisé les physiciens en deux camps: ceux qui voient la vraie chose physique dans la fonction d'onde (théoriciens ontiques) et ceux qui croient que la fonction d'onde est exclusivement une expression de nos connaissances. (ou son absence) quel que soit l'état sous-jacent d'un objet quantique individuel (théoriciens de l'épistémie).

Dans chaque classe du modèle fondamental, la probabilité de trouver le résultat est déterminée non par la fonction d'onde directement, mais par le carré de la fonction d'onde (grosso modo, la fonction d'onde est un objet mathématique complexe (et inclut donc des nombres imaginaires comme la racine carrée ou sa variante négative), et l'obtention de la probabilité est un peu plus compliquée, mais la «fonction d'onde carrée» suffit à comprendre l'essentiel de l'idée). Ceci est généralement connu sous le nom de Bourne en l'honneur du physicien allemand Max Bourne, qui l'avait calculé pour la première fois (dans une note de bas de page d'un ouvrage de 1926) et avait surpris beaucoup de monde par son incarnation laide. Ведутся активные работы в попытках вывести правило Борна из более фундаментального принципа, но пока ни одна из них не была успешной, хотя и породила много интересного для науки.

Этот аспект теории также приводит нас к частицам, пребывающим в множестве состояний одновременно. Tout ce que nous pouvons prédire est la probabilité, et avant de mesurer avec un résultat spécifique, le système mesuré est dans un état intermédiaire - un état de superposition qui inclut toutes les probabilités possibles. Mais si un système réside vraiment dans plusieurs états ou dans une inconnue dépend de votre préférence pour un modèle ontique ou épistémique. Les deux nous amènent au point suivant.

La physique quantique est non locale

La dernière grande contribution d’Einstein à la physique n’a pas été largement reconnue comme telle, principalement parce qu’il s’est trompé. Dans un article de 1935, aux côtés de ses jeunes collègues, Boris Podolky et Nathan Rosen (un EPR), Einstein énonçait de façon claire et mathématique quelque chose qui le tracassait depuis un certain temps, ce que nous appelons un "enchevêtrement".

L'EPR affirmait que la physique quantique reconnaissait l'existence de systèmes dans lesquels les mesures prises dans des lieux très éloignés pouvaient être corrélées de manière à ce que le résultat de l'un détermine l'autre. Ils ont fait valoir que cela signifiait que les résultats des mesures devaient être déterminés à l'avance par un facteur commun, sans quoi le transfert du résultat d'une mesure à la place de l'autre aurait été requis à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière. En conséquence, la physique quantique devrait être incomplète, une approximation d'une théorie plus profonde (la théorie de la «variable locale cachée», dans laquelle les résultats des mesures individuelles sont indépendants de quelque chose qui est plus éloigné du lieu de la mesure que ne peut couvrir le signal parcourant (localement), mais est plutôt déterminé par un certain facteur commun aux deux systèmes dans une paire complexe (variable cachée).

Tout cela était considéré comme une note de bas de page incompréhensible pendant plus de 30 ans, car il semblait n'y avoir aucun moyen de le vérifier, mais au milieu des années 60, le physicien irlandais John Bell expliqua plus en détail les conséquences de l'EPR. Bell a montré que la mécanique quantique prédit des corrélations entre les mesures à distance plus fortes que toutes les théories possibles comme celles proposées par E, P et R. Experimentellement, John Clauser et Allen Aspect ont testé cela au début des années 70. x - ils ont montré que ces systèmes complexes ne pouvaient être potentiellement expliqués par aucune théorie de la variable cachée locale.

L’approche la plus courante pour comprendre ce résultat est l’hypothèse que la mécanique quantique n’est pas locale: les résultats des mesures effectuées à un emplacement donné peuvent dépendre des propriétés d’un objet distant, de sorte que cela ne peut pas être expliqué par des signaux se déplaçant à la vitesse de la lumière. Cela ne permet toutefois pas de transmettre des informations à une vitesse superluminale, bien que de nombreuses tentatives aient été faites pour contourner cette limitation en utilisant la non-localisation quantique.

La physique quantique (presque toujours) est associée à un très petit

La physique quantique a la réputation d'être étrange, car ses prédictions sont fondamentalement différentes de nos expériences quotidiennes. Cela se produit parce que ses effets sont moins manifestes, plus l'objet est grand - vous pouvez à peine voir le comportement des particules sur la vague et comment la longueur d'onde diminue avec le moment. La longueur d'onde d'un objet macroscopique comme un chien qui marche est tellement ridiculement petite que si vous augmentez chaque atome de la pièce à la taille du système solaire, la longueur d'onde du chien sera la taille d'un atome dans un tel système solaire.

Cela signifie que les phénomènes quantiques sont pour la plupart limités par les échelles d'atomes et de particules fondamentales, dont les masses et les accélérations sont suffisamment petites pour que la longueur d'onde reste si petite qu'elle ne puisse pas être observée directement. Cependant, beaucoup d'efforts sont déployés pour augmenter la taille du système produisant des effets quantiques.

La physique quantique n'est pas magique


Le paragraphe précédent nous conduit naturellement à ceci: si étrange que puisse paraître la physique quantique, ceci n’est clairement pas magique. Les postulats qu’il postule sont étranges au regard des normes de la physique courante, mais ils sont strictement limités à des règles et principes mathématiques bien compris.

Par conséquent, si quelqu'un vient à vous avec une idée "quantique" qui semble impossible - une énergie infinie, un pouvoir de guérison magique, des moteurs spatiaux impossibles - c'est presque certainement impossible. Cela ne signifie pas que nous ne pouvons pas utiliser la physique quantique pour faire des choses incroyables: nous écrivons constamment au sujet de percées incroyables utilisant des phénomènes quantiques, et ils ont déjà surpris l’humanité en ordre, cela signifie seulement que nous ne dépasserons pas les limites des lois de la thermodynamique et du sens commun. .

Si les points ci-dessus ne vous suffisent pas, considérez cela comme un point de départ utile pour une discussion plus approfondie.

Regarde la vidéo: La lévitation quantique - Julien Bobroff, à l'USI (Décembre 2019).