NOMBRES - Curiosités, théorie et usages

 

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Physique

 

Débutants

Général

Physique

QUANTIQUE

 

Glossaire

QUANTIQUE

 

 

INDEX

PHYSIQUE

 

Notion

Introduction

Hasard

Historique

Nombres

Schrödinger

Exclusion

 

Sommaire de cette page

>>> Approche

>>> Théorie des quanta

>>> Cas de l'électron

>>> Bizarre tout de même!

>>> Spin

>>> Postulats – Bilan

>>> Superposition et intrication

 

>>> Mécanique quantique – INDEX

 

 

 

 

 

Oui ma chère, j'étais en panne de voiture  sur la route. Je savais qu'il travaillait dans la mécanique. Alors, tu comprends, je l'ai appelé. Pas de chance, il s'agissait de la mécanique quantique …

Une chose doit être vraie ou fausse, sauf en mécanique quantique où le vrai et le faux coexiste. – Attends voir, ça veut dire que les politiciens sont des experts en mécanique quantique?

Voir Pensées & humour

 

 

 

 

PHYSIQUE QUANTIQUE

ou théorie quantique

ou mécanique quantique

ou mécanique ondulatoire

ou physique nucléaire

 

 

Principes et équations pour modéliser les phénomènes microscopiques, à l'échelle des atomes et des particules élémentaires.

Interrogation sur la lumière et les phénomènes électromagnétiques en général:

*  Particule          Non, pas vraiment,

*  Ondes              Non, pas vraiment,

*  Alors quoi?       Autre chose: un champ, des probabilités …

 

Anglais : Quantum theory, quantum mechanics,

QED: Quantum Electrodynamics

 

Visualiser l'échelle des infiniment petits >>>

 

 

APPROCHE de la physique quantique

Explications Classiques

*    Description du monde visible en se basant sur les lois de la mécanique générale. Lois accessibles à tous: il est possible d'apprécier, d'expliquer, de visualiser …

*    Description du monde lointain en se basant sur les lois de la relativité notamment pour tenir compte des grandes vitesses: l'interprétation de ces lois est déjà plus difficile, mais encore à portée de nos cerveaux.

 

*    Oui mais, ces lois ne rendent pas comptent du comportement des atomes. Exemple: comment les atomes peuvent-ils émettre de la lumière ?

Théorie Quantique

*    La théorie quantique s'applique à l'infiniment petit. C'est une modélisation qui rend compte des phénomènes de l'infiniment petit.
Modèle révolutionnaire et qui marche extraordinairement bien!
Mais ce ne sont que des équations.

*    De surcroit, des équations impliquant la notion de probabilités, nous privant, du coup, de toute possibilité de représentations concrètes.

*    Théorie difficile à comprendre. Ce qui explique qu'elle soit pratiquement inconnue du grand public.

Grosso modo

La théorie quantique, c'est:

*    Une description du comportement et des interactions

*    des particules dans les atomes,

*    des protéines dans les cellules.

*    etc.

*    De manière particulièrement précise, elle permet:

*    de comprendre la chimie,

*    la découverte du transistor,

*    la mise au point des lasers,

*    le développement de la physique nucléaire,

*    d'expliquer l'univers de façon cohérente,

*    etc.

*    Mais, elle échappe à l'entendement.

*    Elle est très difficile à comprendre.

*    Elle ne traite pas de notre univers quotidien.

*    Aucune image possible.

*    C'est une création de l'esprit humain:

*    Avec utilisation de mathématiques sophistiquées;

*    Sans relation directe avec la réalité;

*    Théorie faite de symboles; et

*    Utilisant une équation donnant des probabilités: l'équation de Schrödinger.

 

 

THÉORIE DES QUANTA

Quanta

 

 

Planck

1900

 

 

 

 

Einstein

1905

*    Théorie formulée par Planck en 1900 perçue comme subversive à cette époque.

*    Max Planck démontre que les échanges d'énergie entre la matière et le rayonnement s'effectuent

*    non de façon régulière,

*    mais par paquets, par quantités discontinues;

*    d'où le nom de quantum donné à chacun de ces paquets.

*    Albert Einstein démontre à son tour que la lumière, que l'on croyait fermement être une onde,

*    est formée de grains d'énergie

*    qu'on appellera plus tard des photons.

*    La physique quantique vient de naître.
 

Suite en Historique

 

 

CAS DE L'ÉLECTRON

Une particule l'Électron

*    L'électron n'est plus une sorte de planète
qui tourne autour d'un astre, le noyau de l'atome.
Il ne parcourt pas un chemin précis, mais une série de trajectoires possibles.

*    Ce n'est plus un objet: c'est un nuage.
Il est invisible et insaisissable.

*    C'est une onde, un paquet d'onde.

*    C'est un champ qui peut exister même si la particule n'est pas là, même si elle n'est pas matérialisée.

*    C'est une sorte de chose qui influence le milieu, qui l'imprègne, qui lui donne une propriété intrinsèque globale.

*    Vous étiez prévenus: pas très facile à imaginer!

 

 

BIZARRE TOUT DE MÊME

Hasard

*    Le monde n'est plus ordonné, déterministe: il est incertain, soumis au hasard.
Le fait n'est plus la conséquence d'une cause précise: il est aléatoire (Dieu joue aux dés…).

*    La réalité nous échappe à jamais:

*    une particule peut apparaître, disparaître,

*    changer de direction sans raison …

*    Une mesure sur une particule influence une autre particule (accrochez-vous!)

*    immédiatement, sans délai;

*    à n'importe quelle distance.

Envahissant

*    La nouvelle théorie considère que:

*    tout point du système se trouve,

*    à tout instant,

*    dans tout l'espace qui est mis à sa disposition

Max Planck

Incertitude

*    On ne peut pas déterminer avec précision:

*    la position et

*    la vitesse d'une particule.
 

*    On ne peut même jamais les mesurer simultanément. Même avec les plus grands progrès des instruments de mesure.
Le monde de l'infiniment petit échappe à la mesure, et donc à la prédiction.
Il faut s'en remettre aux statistiques, aux probabilités.

*    Tout ce que l'on sait est que la particule a des chances de se trouver à un endroit donné, et c'est tout !

Paradoxe

*    Malgré cela, la théorie donne des certitudes.
C'est une sorte de déterminisme statistique.

*    Et, le modèle de la mécanique quantique se révèle être:

*    d'une très grande précision (10 décimales!),

*    et jamais à ce jour, mise en défaut.

Cachottier

*    Ce qui se passe dans le monde quantique dépend de la façon dont on l'observe.
On ne peut pas isoler le phénomène observé de l'appareil avec lequel on le mesure.

*    On dit parfois que
la réalité est créée par l'observateur.

*    Je laisse méditer votre esprit philosophe …
 

 

 

 

SPIN

 

Le spin est le moment cinétique (ou angulaire) intrinsèque des particules.
Sorte de caractérisation d'un mouvement de rotation sur elles-mêmes. Oui, mais, ce n'est pas un mouvement dans l'espace! La particule se comporterait en fait comme un minuscule aimant. On tourne autour d'une interprétation intuitive impossible.

Le spin est une qualité propre à la particule quantique qui se manifeste lorsque l'atome est soumis à un champ magnétique. Pauli à généralisé l'équation de Schrödinger (équation de Pauli) pour qu'elle prenne en compte cette interaction entre particules et champs magnétique.

L'introduction du spin se manifestant en plus et en moins permet d'interpréter l'apparition d'un dédoublement des raies (effet Zeeman).

 

La valeur du spin caractérise les familles de particules:

 

                 0          Champ scalaire qui confère la masse

                 0,5      FERMIONS: particules composantes de la matière

                             électrons, protons, neutrons

                 1          BOSONS: Champs vectoriels qui véhiculent les interactions

                 2          GRAVITON: Particule supposée vecteur de la gravitation

 

 

Voir SPIN, le titre d'un roman de science-fiction

 

 

Mécanique quantique non relativiste

Principaux postulats

 

Longueur d'onde de Louis De Broglie

 

À toute particule est associé un phénomène ondulatoire.

Sa longueur d'onde est:  .
Avec h constante de Planck et p impulsion de la particule (produit de la force par la durée d'application).

 

Fonction d'onde

 

La fonction d'onde  décrit l'état du système.
Elle est solution de l'équation de Schrödinger.

Le carré du module de la fonction d'onde représente la densité de probabilité de présence d'un système dans un volume élémentaire entourant le point de l'espace.

 

Symétrie

 

Les fermions, de spin demi-entier, sont des particules dont les fonctions d'onde sont complètement antisymétriques.

Les bosons, de spin entier, sont des particules dont les fonctions d'onde sont complètement symétriques.

 

Exclusion de Pauli – Inégalités d'Heisenberg

 

Plusieurs fermions dans un système ne peuvent pas occuper simultanément le même état quantique. >>>

 

Les inégalités d'Heisenberg précisent qu'il existe un antagonisme entre la précision d'une mesure effectuée à un instant donné sur la position d'une particule et celle d'une mesure de son impulsion (produit force par durée de son action).

 

 

 

D'après le livre cité en référence ci-dessous

 

Deux phénomènes quantiques bien étranges!

 

Superposition quantique

 

Habituellement, une bille rouge mise dans une boite restera une bille rouge dans cette boite.

 

Dans le monde quantique, une bille est recouverte de toutes les couleurs en même temps (imaginons!). Elle est placée dans une boite. Là, la couleur est une notion curieuse. Les couleurs sont toutes là en superposition quantique. Lorsque la boite est ouverte, une couleur se révèle. La superposition quantique disparait.

C'est la mesure qui fait disparaître la superposition quantique.

 

 

Ce panneau routier fantaisiste indique que vous devez prendre les deux routes à la fois à ce carrefour quantique.

 

 

 

 

 Les propriétés des atomes, ions, … sont le spin, la polarisation, l'énergie …

Ces propriétés n'existent pas tant que la mesure n'est pas faite. Avant la mesure, les atomes sont dans plusieurs états quantiques en même temps.

 

Voir Le chat de Schrödinger

 

La superposition quantique est à la base de la conception des ordinateurs quantiques.

 

 

Intrication quantique

 

Habituellement, deux billes l'une rouge et l'autre verte sont placées dans deux boites que l'on éloigne. Les billes conservent leur couleur, leurs propriétés propres. En sachant laquelle est ici, on en déduit quelle est l'autre là-bas.

 

Dans le monde quantique, deux billes quantiques sont placées dans une boite. Sans regarder, on tire une bille et on la place dans une autre boite, puis on éloigne les boites. Maintenant, on observe la bille ici. Elle prend un certain état quantique. Alors, l'autre bille, là-bas, prend instantanément un état complémentaire.

C'est la mesure qui a révélé un état quantique à une bille et son complémentaire à l'autre, et cela quelle que soit la distance.

 

 

Deux photons, par exemple, forment parfois un seul système et, alors, leurs états physiques sont corrélés.

La corrélation subsiste quelle que soit la distance séparant les deux photons et, cela, plus rapidement que la vitesse de la lumière.

 

Un des propriétés les plus importantes de l'équation de Schrödinger en mécanique quantique est de conduire au phénomène d'intrication quantique (ou non-localité).

 

En fin 2015, un groupe de physiciens a montré que l'intrication quantique pouvait être obtenue avec des électrons distants de presque deux kilomètres.

 

Ce phénomène ne permet pas la communication à vitesse instantanée. Elle permet la téléportation quantique.

 

 

 

 

 

Suite

*    Hasard

*    Nombres quantiques

*    Autres pages sur la physique quantique

 

Index

QUANTIQUE

*    Calculateur quantique

*    Chromodynamique Quantique

*    Complexité

*    Constante de Planck

*    Constante de structure fine

*    Constantes de la physique

*    Effet tunnel

*    Einstein et mécanique quantique

*    EPR

*    Heisenberg et Indétermination

*    Infini et mécanique quantique

*    Longueur d'onde de Compton

*    Majorana Ettore

*    Masse des particules

*    Mécanique quantiqueGlossaire

*    Modèle standard

*    Notions de la physique moderne

*    Nombres quantiques (Pauling)

*    Physique amusante

*    Particule de Planck

*    Principe d'exclusion de Pauli

*    qubit

*    Révolutions lumineuses

*    Vérification & supercalculateurs

*    Vide quantique

 

Voir

*    Mécanique classique

*    Mécanique relativiste

Livre

*    Pour comprendre simplement les origines et l'évolution de la Physique quantique – Jean Hladik – ellipses – 2008 – 320 pages
Très complet. Reprend bien les bases historiques. De même que toutes les notions indispensables pour comprendre cette discipline. Abordable dès le niveau de terminale pour une compréhension générale. Nécessite un niveau supérieur pour apprécier pleinement.

*    L'étrange subtilité quantique – Quintessence de poussières – Amaury Mouchet – Dunod – 2010 – Pour bien comprendre les propriétés quantiques