Den kvantefysikken er den generelle betegnelse på et sett av teorier fysiske født XX th -tallet som beskriver oppførselen av de atomer og partiklene og tillater å belyse visse egenskaper til elektromagnetisk stråling .
Som relativitetsteorien markerer teorien kalt "quantum" et brudd med det som nå kalles klassisk fysikk , som inkluderer teorier og fysiske prinsipper kjent fra XIX - tallet - inkludert den newtonske mekanikken og den elektromagnetiske teorien om Maxwell -, og som tillot ikke å forklare visse fysiske egenskaper.
Kvantefysikk dekker alle fysikkfeltene der bruk av lovene til kvantemekanikk er en nødvendighet for å forstå fenomenene i spillet. Kvantemekanikk er den grunnleggende teorien om partiklene i materien som utgjør universets objekter og kraftfelt som animerer disse objektene .
I løpet av XIX - tallet prøver krystallografer og kjemikere å bevise atomer eksisterer, men det er bare begynnelsen på XX - tallet at de vil bli identifisert permanent gjennom røntgendiffraksjonen . For å modellere dem er kvantifisering av materie et nødvendig trinn, som føder kvantefysikk. I 1900 antok Max Planck at energiutveksling med materie utføres i små mengder: " quanta ".
Louis de Broglie startet deretter kvantemekanikk som tillot at atom ble modellert riktig. Kvantefysikk absorberte til slutt alle områder av klassisk fysikk i en enkelt disiplin. De partikkelakseleratorer så viser at atomene er sammensatt av flere elementærpartikler, så som proton eller nøytron , som selv består av kvark . Det er kvantefeltsteorien , bygget fra kvanteelektrodynamikk, som vil beskrive alle elementære partikler .
Kvantefysikk førte til en konseptuell revolusjon med konsekvenser selv i filosofi (spørsmålstegn ved determinisme ) og i litteratur ( science fiction ). Det har muliggjort en rekke teknologiske anvendelser: kjernekraft , medisinsk bildebehandling med kjernemagnetisk resonans , diode , transistor , integrert krets , elektronmikroskop og laser . Et århundre etter unnfangelsen, brukes den mye i forskning innen kjemiteoretisk ( kvantekjemi ), fysikk ( kvantemekanikk , kvantefeltteori , kondensert materiefysikk , kjernefysikk , partikkelfysikk , statistisk fysikkkvante, astrofysikk , kvantegravitasjon ) i matematikk (formalisering av feltteori) og nylig innen informatikk ( kvantedatamaskiner , kvantekryptografi ). Det regnes med generell relativitets av Einstein som en av to store teorier om XX th århundre .
Kvantefysikk er kjent for å være kontraintuitiv (sjokk "sunn fornuft") og krever vanskelig matematisk formalisme. Feynman , en av de ledende spesialister teoretikere av kvantefysikken i andre halvdel av XX th tallet og skrev:
“Jeg tror jeg trygt kan si at ingen virkelig forstår kvantefysikk. "
Hovedårsaken til disse vanskelighetene er at kvanteverdenen (begrenset til det uendelig små , men potensielt har konsekvenser i større skala) oppfører seg veldig annerledes enn det makroskopiske miljøet vi er vant til. Noen grunnleggende forskjeller som skiller disse to verdenene er for eksempel:
Er det fenomener som adlyder disse reglene til det uendelig små i den levende verden? De siste årene har studier innen ulike felt av biologi indikert at dette er tilfelle. Disse resultatene strider mot den allment aksepterte ideen om at den makroskopiske verdenen er for kaotisk til å tillate kvanteavkoherenseffekter . Levende ting ville være i stand til å dra nytte av denne urolige agitasjonen av partiklene, i det minste med hensyn til fotosyntese. De lukten reseptorene synes å avhenge av tunnelen effekt , for å lede elektroner inne i samme odorantmolekyler, som gjør det mulig å skille de andre strukturelt lignende molekyler. Noen bakterielle proteinstrukturer oppfører seg som primitive kvantecomputere , og "beregner" den beste elektrontransportkanalen av alle mulige baner.
Nylig arbeid med fotosyntese har avslørt at kvanteforviklingen av fotoner spiller en viktig rolle i denne grunnleggende driften av planteriket, et fenomen som vi for øyeblikket prøver å imitere for å optimalisere produksjonen av solenergi .
Vedheft til overflatene av gecko setae fungerer takket være van der Waals-krefter , interaksjoner av kvante natur som involverer virtuelle partikler uten klassisk molekylær interaksjon. Dette fenomenet studeres også for militære og sivile applikasjoner.
Amerikanske fysikere har klart å observere sporene fra Big Bangs første øyeblikk, og oppnådde et av de "viktigste målene i kosmologi i dag" med ordene til John Kovac, professor ved Harvard og leder for teamet ved begynnelsen av denne oppdagelsen. i Mars 2014. Forekomsten av Big Bang som markerte universets fødsel for 13,8 milliarder år siden, ble ledsaget av utslipp av primitære gravitasjonsbølger "skapt av svingninger i kvantevakuumet" og teoriene forutsier at deres tilstedeværelse "ville polarisere visse fotoner på en bestemt måte, analogt med en "vortex" " . Observasjonen av avtrykket som disse bølgene etterlot seg den fossile strålingen ble utført via Bicep2-teleskopet. For Alan Guth (MIT), "Dette er helt nytt kosmologisk bevis og uavhengig av inflasjonssynet" , og dette arbeidet "er" definitivt "verdt en Nobelpris" . Men denne kunngjøringen ble nektet av målingene som ble gjort av Planck-satellitten, sistnevnte kunne differensiere effekten av støv i Galaxy.
Det opprinnelige eksperimentet til Thomas Young hadde identifisert lysets bølgefunksjon som viser at to lysstråler kan komme i forstyrrelse. Youngs spalteeksperiment , utført med en enkelt partikkel (å sørge for at utslippskilden bare avgir ett kvante om gangen ), vil vise at en enkelt elektron "forstyrrer seg selv" og produserer interferensfrynser ved utgangen av de to spaltene, som hvis det var to strømmer av partikler som forstyrrer hverandre.
I klassisk mekanikk kan ikke banen til en ladet partikkel påvirkes av tilstedeværelsen av et magnetfelt hvis den er utenfor dette feltet. Den Aharonov-Bohm-effekten er et kvantesprang fenomen beskrevet i 1949 av Ehrenberg og Siday og gjenoppdaget i 1959 av David Bohm og Yakir Aharonov . Han beskriver følgende paradoks :
“Et magnetfelt (den blå sirkelen B , motsatt) kan påvirke et område i rommet på avstand, mens vektorpotensialet ikke har forsvunnet på den annen side. "
Aharonov-Bohm-effekten demonstrerer derfor at det er elektromagnetiske potensialer, og ikke elektriske og magnetiske felt, som er grunnlaget for kvantemekanikken. I kvantefysikk kan en nyttig matematisk enhet, det magnetiske vektorpotensialet, ha reelle effekter.
Den Stern og Gerlach eksperimentet var en av de første til å demonstrere den rent kvante natur mikroskopiske verden og spesielt av spinn . Bygget i 1921-1922 for å teste hypotesen om romlig kvantifisering, kunne den ikke oppnå en tilfredsstillende teoretisk beskrivelse før fem år senere takket være utviklingen av kvantemekanikk.
Den Aspect forsøket er historisk, det første eksperimentet som tilfredsstillende måte har tilbakevist Bells ulikheter i kvantefysikk, og dermed validere fenomenet kvantesammenfiltring , og gir en eksperimentell svar på EPR-paradokset .
Konkret består den i å produsere to fotoner i en sammenfiltret tilstand og deretter å skille dem for til slutt å utføre målingen av polarisasjonen. Målingen av den første fotonet har da en 50% sjanse for å gi og like mye for å gi mens den andre foton umiddelbart projiseres i samme tilstand. Paradokset kommer av det faktum at de to fotonene ser ut til å utveksle denne informasjonen med en hastighet som er større enn lysets. Dette punktet er imidlertid ikke relevant fordi ingen informasjon kan overføres på denne måten.
Kvanteforvikling gjør det imidlertid mulig å utveksle en krypteringsnøkkel på en sikker måte, som utnyttes av kvantekryptografi .
Det forsinkede valg av kvantegummieksperiment er en utvidelse av Alain Aspects og Youngs spalteeksperiment , men introduserer det som ser ut til å være en implisitt tilbakemelding i tid : en effekt av nåtiden på fortiden.
Paradoksene knyttet til måling fører til spørsmålet: beskriver kvantefysikk virkeligheten?
Løsningstreet til måleproblemet | |||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Kvanteteori | |||||||||||||||||
Er ikke ment å representere virkeligheten | Representerer ikke fullt ut virkeligheten | Fullstendig representerer virkeligheten | |||||||||||||||
Positivisme | Modifiserte kvantelover | Innflytelse av bevissthet | Tillegg av en ekstra variabel: posisjonen | Kvantadekoherens | Flere universer | ||||||||||||
Stephen Hawking Niels Bohr |
Roger penrose | Eugene Wigner | De Broglie-Bohm teori |
Roland Omnès Murray Gell-Mann James Hartle |
Hugh Everett David Deutsch |
||||||||||||
Giancarlo Ghirardi Alberto Rimini Wilhelm Eduard Weber |
John von Neumann Fritz London og Edmond Bauer |
John bell |
Hans-Dieter Zeh Wojciech Zurek |
||||||||||||||
Bernard d'Espagnat Olivier Costa de Beauregard |
Teorier "med skjulte variabler "
I følge klassiske fysikkteorier antas en svart kropp i termodynamisk likevekt å utstråle en uendelig flux. Mer presist må energien som utstråles av bølgelengdebåndet ha en tendens til uendelig når bølgelengden har en tendens mot null, i ultrafiolett for datidens fysikere, siden verken røntgenstrålene eller strålene gamma ikke var kjent på den tiden. Det er den ultrafiolette katastrofen .
Den dateres tilbake til arbeidet som ble utført i 1900 av Max Planck med stråling av den svarte kroppen ved termisk likevekt. Et oppvarmet hulrom avgir elektromagnetisk stråling (lys) som umiddelbart absorberes av veggene. For å gjøre rede for lysspekteret med den teoretiske beregning av emisjonsenergiutveksling og absorpsjon ( ), Planck måtte anta at disse utvekslinger er diskontinuerlige og proporsjonal med frekvensen ( ) av den lysstråling: .
I 1905 , etter en termodynamisk resonnement der han ga sannsynligheten en fysisk betydning (frekvenser av tilstander for et system), ble Einstein ledet til å anta at det ikke bare er utvekslingen av energi som er diskontinuerlig, men energien til selve lysstrålingen.
Han viste at denne energien er proporsjonal med frekvensen av lys bølge: .
Dette ga umiddelbart forklaringen på den fotoelektriske effekten som Hertz observerte 20 år tidligere.
Energien som kommer av lyskvantumet til elektronet bundet i et atom, tillater at den frigjøres hvis denne energien er større enn eller lik elektronens bindingsenergi, også kalt utgangsarbeid , i kraft av forholdet:
hvor er den kinetiske energien ervervet av sistnevnte. Denne terskeleffekten var uforklarlig i den kontinuerlige oppfatningen av lysenergi i klassisk elektromagnetisk teori.
Einstein innså da at denne egenskapen til stråling var i reduksjon i motsetning til klassisk elektromagnetisk teori (utviklet av Maxwell).
Allerede i 1906 kunngjorde han at denne teorien skulle modifiseres i atomfeltet.
Det var ikke klart hvordan denne modifikasjonen skulle oppnås, siden teoretisk fysikk var basert på bruk av differensialligninger, kalt Maxwells ligninger , som tilsvarer kontinuerlig varierende mengder.
Til tross for kvanteteoriens kraft , var det få fysikere som var tilbøyelige til å forestille seg at klassisk elektromagnetisk teori kunne bli ugyldiggjort. Einstein forsøkte deretter å markere andre aspekter av atomfenomener og stråling som brøt med den klassiske beskrivelsen. Han utvidet således kvantehypotesen, utover strålingens egenskaper, til atomenergien gjennom sitt arbeid med spesifikke varmer ved lave temperaturer. Han fant kanselleringen av kroppens spesifikke varmer ved absolutt null, et fenomen som ble observert, men uforklarlig av klassisk teori.
Andre fysikere (P. Ehrenfest, W. Nernst, H.-A. Lorentz, H. Poincaré) ble gradvis sammen med ham for å konkludere med at kvantehypotesen var uunngåelig som Planck selv nølte med å innrømme.
Imidlertid var det fortsatt generelt akseptert bare for energiutveksling.
Nyere arbeider
Eldre verk