Mécanique quantique: une introduction

Vous avez probablement entendu dire que la physique quantique est étrange et étrange et n'obéit pas aux lois de la physique auxquelles vous êtes habitué. C'est certainement vrai dans une large mesure. Il y a une raison pour laquelle les physiciens ont dû développer une nouvelle théorie et ne pas se fier aux anciennes pour expliquer ce qui se passe dans le monde de l'extrêmement petit.

Dans cette introduction à la mécanique quantique, vous apprendrez comment les scientifiques abordent le comportement quantique et les phénomènes quantiques, ainsi que d'où viennent ces idées.

Il y a en effet beaucoup de bizarreries dans le monde quantique. La mécanique quantique est la branche de la physique qui tente d'expliquer cette étrangeté et de fournir un cadre permettant de prévoir et d'expliquer les phénomènes observés.

Les aspects fondamentaux de la mécanique quantique incluent la notion de quantification. C'est-à-dire qu'il existe une plus petite unité de quelque chose qui ne peut pas être décomposé davantage. L'énergie est quantifiée, ce qui signifie qu'elle se présente en unités discrètes.

La taille des unités quantifiées est généralement écrite en termes de constante de Planck, ​h​ = 6.62607004 × 10^-34 m²kg/s.

Un autre aspect de la mécanique quantique est la notion que toutes les particules ont en fait une dualité particule-onde, ce qui signifie qu'elles agissent parfois comme des particules et d'autres fois comme des ondes. En fait, ils sont décrits par une fonction dite d'onde.

L'étrangeté quantique inclut la notion selon laquelle le fait qu'une particule agisse ou non comme une onde dépend de la façon dont vous décidez de la regarder. De plus, certaines propriétés d'une particule – comme l'orientation de son spin – ne semblent pas avoir de valeur bien définie jusqu'à ce que vous les mesuriez.

C'est vrai, ce n'est pas seulement que vous ne savez pas avant la mesure, mais la valeur distincte réelle n'existe pas avant la mesure.

La mécanique quantique peut être mieux comprise en la comparant à la physique classique, qui est la physique des objets de tous les jours avec laquelle vous êtes probablement plus familier.

La première différence majeure réside dans les domaines auxquels chaque branche s'applique. La physique classique s'applique très bien aux objets de taille courante, comme une balle lancée. La mécanique quantique s'applique aux objets très petits, tels que les protons, les électrons, etc.

En physique classique, les particules et les objets ont une position et une quantité de mouvement distinctes à un moment donné, et les deux peuvent toujours être connus avec précision. En mécanique quantique, plus vous connaissez avec précision la position d'un objet, moins vous connaissez précisément sa quantité de mouvement. Les particules n'ont pas toujours une position et un élan bien définis. C'est ce qu'on appelle le principe d'incertitude de Heisenberg.

La physique classique suppose que les valeurs énergétiques que quelque chose peut avoir sont continues. En mécanique quantique, cependant, l'énergie existe en morceaux discrets. Les particules subatomiques telles que les électrons dans les atomes, par exemple, ne peuvent occuper que des niveaux d'énergie distincts et aucune valeur intermédiaire.

Le fonctionnement de la causalité est également différent. La physique classique est complètement causale, ce qui signifie que la connaissance des états initiaux vous permet de prédire exactement ce qui va se passer.

La mécanique quantique a une version différente de la causalité. Les particules sont décrites par une mécanique quantique fonction d'onde, qui donne des probabilités relatives de ce qu'il pourrait faire lorsqu'il est mesuré. Cette fonction d'onde suit certaines lois de la physique dans la façon dont elle « évolue » dans le temps et vous laisse des « nuages ​​de probabilité » prévisibles sur ce que la mesure pourrait donner.

De nombreux scientifiques célèbres ont contribué à la théorie quantique au fil des ans, et beaucoup ont remporté des prix Nobel pour leurs contributions. En effet, la découverte et le développement de la mécanique quantique ont été révolutionnaires. Les débuts de la théorie quantique remontent aux années 1800.

• Le physicien Max Planck a pu expliquer le phénomène du rayonnement du corps noir par la quantification de l'énergie.
• Plus tard, Albert Einstein a développé une explication de la effet photoélectrique en traitant la lumière comme une particule au lieu d'une onde et en lui donnant des valeurs énergétiques quantifiées.
• Neils Bohr est célèbre pour ses travaux sur l'atome d'hydrogène, où il a pu expliquer les raies spectrales en termes de principes de mécanique quantique.
• Louis de Broglie a présenté l'idée que les particules suffisamment petites – comme les électrons – présentent également une dualité particule-onde.
• Erwin Schrödinger a développé son célèbre Équation de Schrödinger, qui décrit comment les fonctions d'onde évoluent dans le temps.
• Werner Heisenberg a développé le principe incertain, ce qui prouve que ni la position ni la quantité de mouvement d'une particule quantique ne peuvent être connues avec certitude.
• Paul Dirac a prédit l'existence de l'antimatière et a fait des pas vers la réconciliation de la théorie de la relativité générale avec la théorie quantique.
• John Bell est connu pour le théorème de Bell, qui a prouvé qu'il n'y avait pas de variables cachées. (En d'autres termes, ce n'est pas seulement que vous ne connaissez pas la particule quantique tourner ou une autre propriété avant la mesure, mais elle n'a en fait pas de valeur bien définie avant la mesure.)
• Richard Feynman a développé la théorie de l'électrodynamique quantique.

Parce que la mécanique quantique est si étrange et si contre-intuitive, différents scientifiques en ont développé différentes interprétations. Les équations qui prédisent ce qui se passe sont une chose - nous savons qu'elles fonctionnent parce qu'elles sont cohérentes avec observations - mais comprendre ce qu'elles signifient vraiment est une question plus philosophique et a fait l'objet de beaucoup de débat.

Einstein a caractérisé les différentes interprétations sur la base de quatre propriétés :

• Le réalisme, qui se rapporte à l'existence réelle des propriétés avant la mesure.
• L'exhaustivité, qui détermine si la théorie quantique actuelle est complète ou non.
• Le réalisme local, une sous-catégorie de réalisme qui se rapporte à l'existence ou non du réalisme à un niveau local et immédiat.
• Le déterminisme, qui se rapporte à la façon dont la mécanique quantique est considérée comme déterministe.

L'interprétation standard de la mécanique quantique est appelée interprétation de Copenhague. Il a été formulé par Bohr et Heisenberg à Copenhague en 1927. En substance, cette interprétation affirme que tout ce qu'est une particule quantique et tout ce qu'on peut en savoir est décrit par la fonction d'onde. En d'autres termes, toute l'étrangeté de la mécanique quantique est vraiment si étrange et c'est ainsi que sont les choses.

Un autre point de vue est l'interprétation des mondes multiples, qui supprime les résultats probabilistes du quantum. observations en déclarant que tous les résultats possibles se produisent réellement, mais dans des mondes différents qui sont des branches de notre réalité.

Les théories des variables cachées affirment qu'il y a plus dans le monde quantique qui nous permettrait de faire des prédictions qui ne sont pas basées sur des probabilités, mais nous devons découvrir certaines variables cachées qui nous donneraient ces prédictions. En d'autres termes, la mécanique quantique n'est pas complète. Le théorème de Bell, cependant, a prouvé que les variables cachées n'existent pas au niveau local.

La théorie de De Broglie-Bohm, également connue sous le nom de théorie des ondes pilotes, aborde la notion de variables cachées avec une approche globale non contredite par le théorème de Bell.

Sans surprise, de nombreuses autres interprétations existent parce que les scientifiques ont eu plus d'un siècle pour essayer de comprendre la nature vraiment bizarre du monde quantique.

De nombreuses expériences célèbres ont été réalisées le long du chemin qui ont à la fois conduit et prouvé différents aspects de la théorie quantique.

Une expérience très célèbre est l'expérience EPR, du nom des scientifiques Einstein, Podolsky et Rosen. Cette expérience portait sur l'idée d'intrication dans un système quantique. Considérons deux électrons, qui ont tous deux une propriété appelée spin. Leur rotation, lorsqu'elle est mesurée, est soit en position haute, soit en position basse.

Lors de la mesure du spin d'un seul électron, il a 50 pour cent de chances d'être en haut et 50 pour cent de chances d'être en bas. Les résultats ne peuvent pas être prédits à l'avance par la mécanique quantique. Dans cette expérience, cependant, deux électrons sont intriqués de telle sorte que leur spin combiné est de 0. Cependant, selon la mécanique quantique, nous ne pouvons toujours pas savoir lequel est le spin up et lequel est le spin down, et en effet ni l'un ni l'autre n'est dans l'une ou l'autre position et est plutôt dit être dans une "superposition" États.

Ces deux électrons intriqués sont envoyés dans des directions opposées vers différents appareils qui mesureront leurs spins simultanément. Ils sont suffisamment éloignés l'un de l'autre pendant la mesure pour qu'aucun électron n'ait le temps d'envoyer un "signal" invisible à l'autre pour lui faire savoir comment son spin est mesuré. Et pourtant, lorsque la mesure a lieu, les deux sont mesurés pour avoir un spin opposé.

Le chat de Schrödinger est une célèbre expérience de pensée destinée à la fois à illustrer l'étrangeté du comportement quantique et à poser le question de ce que l'on entend vraiment par mesure et de savoir si de gros objets - comme un chat - peuvent afficher le quantum comportement.

Dans cette expérience, un chat est dit être dans une boîte afin qu'il ne puisse pas être vu par l'observateur. La vie du chat dépend d'un événement quantique - par exemple, peut-être l'orientation du spin d'un électron. S'il tourne, le chat meurt. S'il est tourné vers le bas, le chat vit.

Mais l'état de l'électron est caché à l'observateur tout comme le chat dans la boîte. Alors la question devient, jusqu'à ce que vous ouvriez la boîte, le chat est-il vivant, mort ou aussi dans une étrange superposition d'états comme l'électron jusqu'à la mesure ?

Rassurez-vous, cependant, personne n'a réalisé une telle expérience et aucun chat n'a été blessé dans la poursuite de la connaissance quantique !

Les années 1900 ont été une époque où la physique a vraiment décollé. La mécanique classique ne pouvait plus expliquer le monde du très petit, le monde du très grand ou le monde du très rapide. De nombreuses nouvelles branches de la physique sont nées. Parmi ceux-ci figurent :

• ​Théorie quantique des champs :Une théorie qui combine l'idée de champs avec la mécanique quantique et la relativité restreinte.
• ​La physique des particules:Un domaine de la physique qui décrit toutes les particules fondamentales et la manière dont elles peuvent interagir les unes avec les autres.
• ​L'informatique quantique:Un domaine qui essaie de créer des ordinateurs quantiques qui permettraient un traitement plus rapide et mieux cryptage en raison de la façon dont le fonctionnement d'un tel ordinateur serait basé sur la mécanique quantique des principes.
• ​Relativité restreinte :La théorie qui décrit le comportement des objets qui se déplacent près de la vitesse de la lumière et est basée sur la notion que rien ne peut voyager plus vite que la vitesse de la lumière.
• ​Relativité générale:La théorie qui décrit la gravité comme une courbure de l'espace-temps.