Les bases de la physique quantique en bref. La physique quantique pour les nuls ! Les meilleures expériences. Théorie quantique des champs

02.07.2020

Physique des sciences

La physique est l'une des choses principales dans le monde qui nous entoure, divers processus, changements, c'est-à-dire des phénomènes, se produisent constamment.

Par exemple, un morceau de glace dans un endroit chaud commencera à fondre. Et l'eau de la bouilloire bout sur le feu. Un courant électrique traversant le fil va le réchauffer et même le réchauffer. Chacun de ces processus est un phénomène. En physique, ce sont les changements mécaniques, magnétiques, électriques, sonores, thermiques et lumineux étudiés par la science. On les appelle aussi phénomènes physiques. En les examinant, les scientifiques en tirent des lois.

La tâche de la science est de découvrir ces lois et de les étudier. La nature est étudiée par des sciences telles que la biologie, la géographie, la chimie et l'astronomie. Ils appliquent tous des lois physiques.

Termes

En plus des mots habituels, la physique utilise également des mots spéciaux appelés termes. C'est « l'énergie » (en physique, il s'agit d'une mesure de différentes formes d'interaction et de mouvement de la matière, ainsi que la transition de l'une à l'autre), « force » (une mesure de l'intensité de l'influence d'autres corps et champs sur n'importe quel corps) et bien d'autres. Certains d’entre eux sont progressivement entrés dans un discours familier.

Par exemple, lorsque nous utilisons le mot « énergie » dans la vie quotidienne pour désigner une personne, nous pouvons évaluer les conséquences de ses actions, mais l'énergie en physique est une mesure étudiée de différentes manières.

En physique, tous les corps sont appelés physiques. Ils ont du volume et de la forme. Ils sont constitués de substances qui, à leur tour, constituent l'un des types de matière - c'est tout ce qui existe dans l'Univers.

Expériences

Une grande partie de ce que les gens savent a été apprise grâce à l’observation. Pour étudier les phénomènes, on les observe constamment.

Prenons par exemple la chute de divers corps au sol. Il est nécessaire de savoir si ce phénomène diffère lors de la chute de corps de masse inégale, de hauteurs différentes, etc. Attendre et observer différents corps serait très long et pas toujours réussi. Par conséquent, des expériences sont menées à ces fins. Elles diffèrent des observations, car elles sont spécifiquement mises en œuvre selon un plan préétabli et avec des objectifs précis. Habituellement, dans le plan, ils font des suppositions à l'avance, c'est-à-dire qu'ils avancent des hypothèses. Ainsi, au cours des expérimentations, elles seront réfutées ou confirmées. Après avoir réfléchi et expliqué les résultats des expériences, des conclusions sont tirées. C'est ainsi que s'obtiennent les connaissances scientifiques.

Grandeurs et unités de mesure

Souvent, lorsqu'ils étudient quelque chose, ils effectuent différentes mesures. Lorsqu'un corps tombe, par exemple, la taille, la masse, la vitesse et le temps sont mesurés. Tout cela est quelque chose qui peut être mesuré.

Mesurer une grandeur, c'est la comparer à la même grandeur, qui est prise comme unité (la longueur d'un tableau est comparée à une unité de longueur - un mètre ou une autre). Chacune de ces quantités a ses propres unités.

Tous les pays essaient d'utiliser des unités communes. En Russie, comme dans d'autres pays, le Système international d'unités SI (qui signifie « système international ») est utilisé. Il utilise les unités suivantes :

longueur (caractéristique de la longueur des lignes en termes numériques) - mètre ;
temps (déroulement des processus, condition d'un changement possible) - seconde ;
masse (en physique, il s'agit d'une caractéristique qui détermine les propriétés inertes et gravitationnelles de la matière) - kilogramme.

Il est souvent nécessaire d'utiliser des unités beaucoup plus grandes que celles généralement acceptées - les multiples. Ils sont appelés avec les préfixes correspondants du grec : « deca », « hecto », « kilo » et ainsi de suite.

Les unités plus petites que celles acceptées sont appelées sous-multiples. Des préfixes de la langue latine sont utilisés pour eux : « deci », « santi », « milli » et ainsi de suite.

Instruments de mesure

Pour mener des expériences, il faut des instruments. Les plus simples d'entre eux sont la règle, le cylindre, le ruban à mesurer et autres. Avec le développement de la science, de nouveaux instruments s'améliorent, deviennent plus complexes et apparaissent : voltmètres, thermomètres, chronomètres et autres.

Fondamentalement, les appareils ont une échelle, c'est-à-dire des divisions en lignes sur lesquelles les valeurs sont écrites. Avant la mesure, déterminez la valeur de division :

prenez deux lignes de l'échelle avec les valeurs ;
le plus petit est soustrait du plus grand et le nombre obtenu est divisé par le nombre de divisions intermédiaires.

Par exemple, deux traits avec les valeurs « vingt » et « trente », dont la distance est divisée en dix espaces. Dans ce cas, le prix de division sera égal à un.

Mesures précises et avec incertitude

Les mesures sont effectuées avec plus ou moins de précision. L'imprécision tolérée est appelée erreur. Lors de la mesure, elle ne peut pas être supérieure à la valeur de division de l'appareil de mesure.

La précision dépend de la valeur de division et de la bonne utilisation de l'appareil. Mais au final, dans toute mesure, seules des valeurs approximatives sont obtenues.

Physique théorique et expérimentale

Ce sont les principales branches de la science. Il peut sembler qu’ils soient très éloignés les uns des autres, d’autant plus que la plupart des gens sont soit des théoriciens, soit des expérimentateurs. Cependant, ils évoluent constamment côte à côte. Tout problème est pris en compte à la fois par les théoriciens et les expérimentateurs. Le travail du premier consiste à décrire des données et à formuler des hypothèses, tandis que le second teste les théories dans la pratique, mène des expériences et obtient de nouvelles données. Parfois, les réalisations sont dues uniquement à des expériences, sans théories décrites. Dans d'autres cas, au contraire, il est possible d'obtenir des résultats qui seront vérifiés ultérieurement.

La physique quantique

Cette direction est née à la fin des années 1900, lorsqu'une nouvelle constante physique fondamentale fut découverte, appelée constante de Planck en l'honneur du physicien allemand qui l'a découverte, Max Planck. Il a résolu le problème de la distribution spectrale de la lumière émise par les corps chauffés, alors que la physique générale classique ne pouvait pas le faire. Planck a proposé une hypothèse sur l'énergie quantique de l'oscillateur, incompatible avec la physique classique. Grâce à elle, de nombreux physiciens ont commencé à réviser d'anciens concepts et à les modifier, ce qui a donné naissance à la physique quantique. C'est une idée complètement nouvelle du monde.

et la conscience

Le phénomène de la conscience humaine n’est pas entièrement nouveau d’un point de vue. Ses fondations ont été posées par Jung et Pauli. Mais ce n’est que maintenant, avec l’émergence de cette nouvelle direction de la science, que le phénomène a commencé à être considéré et étudié à plus grande échelle.

Le monde quantique est multiforme et multidimensionnel, il contient de nombreuses faces et projections classiques.

Les deux propriétés principales dans le cadre du concept proposé sont la superintuition (c'est-à-dire recevoir des informations comme si elles venaient de nulle part) et le contrôle de la réalité subjective. Dans la conscience ordinaire, une personne ne peut voir qu’une seule image du monde et n’est pas capable d’en considérer deux à la fois. Alors qu’en réalité ils sont très nombreux. Tout cela ensemble constitue le monde quantique et la lumière.

Il s'agit de la physique quantique qui nous apprend à voir une nouvelle réalité pour les humains (bien que de nombreuses religions orientales, ainsi que des magiciens, possèdent depuis longtemps cette technique). Il suffit de changer la conscience humaine. Désormais, l'homme est indissociable du monde entier, mais les intérêts de tous les êtres vivants sont pris en compte.

C’est alors, en plongeant dans un état où il est capable de voir toutes les alternatives, que lui vient la vision qui est la vérité absolue.

Du point de vue de la physique quantique, le principe de la vie est qu’une personne contribue, entre autres choses, à un meilleur ordre mondial.

Renvoyer une voiture sous garantie ou physique quantique pour les nuls.

Disons que l'année est 3006. Vous allez vers le « connecté » et achetez une machine à remonter le temps chinoise économique en plusieurs versements pendant 600 ans. Voulez-vous vous faufiler une semaine à l'avance pour battre le bureau du bookmaker ? En prévision d'un gros jackpot, vous tapez frénétiquement la date d'arrivée sur la boîte en plastique bleue...

Et voici le rire : dans ce document, le convertisseur Nikadim-chronon grille immédiatement. La machine, émettant un cri mourant, vous projette en l'année 62342. L’humanité était divisée en laissés-pour-compte et rasés et dispersés dans des galaxies lointaines. Le soleil a été vendu à des extraterrestres, la Terre est gouvernée par des vers géants de silicium radioactifs. L'atmosphère est un mélange de fluor et de chlore. Température moins 180 degrés. Le sol s'est érodé et vous tombez également sur une falaise de cristaux de fluorine à une quinzaine de mètres. Lors de votre dernière expiration, vous exercez votre droit civil galactique d'un appel intertemporel sur votre porte-clés. Appelez le centre d'assistance technique du "messager", où un robot poli vous dit que la garantie de la machine à voyager dans le temps est de 100 ans et qu'à son époque elle est complètement en état de marche, et en 62342 vous avez reçu un montant de millions de centimes imprononçables par le mécanisme de la parole humaine pour ne jamais être payé une seule fois en plusieurs fois.

Bénissez et sauvez ! Seigneur, merci de vivre dans ce passé baissier décimé, où de tels incidents sont impossibles !
... Mais non ! C’est simplement que la plupart des découvertes scientifiques majeures ne produisent pas des résultats aussi épiques que l’imaginent divers auteurs de science-fiction.

Les lasers ne brûlent pas les villes et les planètes : ils enregistrent et transmettent des informations et divertissent les écoliers. La nanotechnologie ne transforme pas l’univers en une horde de nanobots auto-reproducteurs. Ils rendent l’imperméable plus imperméable et le béton plus durable. Une bombe atomique qui a explosé dans la mer n’a jamais déclenché une réaction en chaîne de fusion thermonucléaire de noyaux d’hydrogène et nous a transformés en un autre soleil. Le collisionneur de hadrons n’a pas bouleversé la planète ni entraîné le monde entier dans un trou noir. L'intelligence artificielle a déjà été créée, mais elle ne fait que se moquer de l'idée de détruire l'humanité.
Time Machine ne fait pas exception. Le fait est qu'il a été créé au milieu du siècle dernier. Il n’a pas été construit comme une fin en soi, mais uniquement comme un outil permettant de créer un petit appareil indescriptible, mais très remarquable.

À une certaine époque, le professeur Dmitri Nikolaïevitch Grachev était très intrigué par la question de la création de moyens efficaces de protection contre les rayonnements radioélectriques. À première vue, la tâche semblait impossible - l'appareil devait répondre à chaque onde radio avec la sienne, et en même temps ne pas être lié en aucune façon à la source du signal (puisqu'il s'agissait d'une source ennemie). Dmitry Nikolaevich a déjà regardé des enfants jouer au « ballon chasseur » dans la cour. Le joueur le plus rapide qui esquive le ballon le plus efficacement remporte la partie. Cela nécessite de la coordination et, surtout, la capacité de prédire la trajectoire du ballon.

La capacité de prédire est déterminée par la ressource informatique. Mais dans notre cas, augmenter les ressources informatiques ne mènera à rien. Même les supercalculateurs les plus modernes n’auront pas suffisamment de vitesse et de précision pour cela. Nous parlions de prédire un processus spontané ayant la vitesse d’un demi-cycle d’onde radio micro-ondes.

Le professeur a ramassé le ballon qui avait volé dans les buissons et l'a renvoyé aux enfants. Pourquoi prédire où va la balle alors qu’elle est déjà arrivée ? Une solution a été trouvée : les caractéristiques du signal radio d'entrée inconnu sont bien connues dans un avenir proche et il n'est tout simplement pas nécessaire de les calculer. Il suffit de les mesurer directement sur place. Mais voici le problème : il est impossible de voyager dans le temps, même pendant une nanoseconde. Cependant, cela n’était pas nécessaire pour la tâche à accomplir. Il suffit que l'élément sensible de l'appareil - le transistor - soit au moins partiellement dans un avenir proche. Et ici, le phénomène récemment découvert de superposition quantique est venu à la rescousse. Cela signifie que la même particule peut se trouver simultanément à des endroits et à des moments différents.

En conséquence, le professeur Grachev a créé un piège à électrons quantiques orientés masse - une machine en temps réel dans laquelle une puce semi-conductrice a été créée pour la première fois, dont certains électrons se trouvent à la fois dans le futur et dans le présent. . Un prototype de ce même TMA - une puce qui contrôle le résonateur Grachev. On pourrait dire que cette chose aura toujours un pied dans le futur.

Kvantinė fizika statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. physique quantique vok. Physique quantique, f rus. physique quantique, f pranc. physique quantique, f … Fizikos terminų žodynas

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Livres

Physique quantique, Martinson Leonid Karlovich. Le matériel théorique et expérimental sous-jacent à la physique quantique est présenté en détail. Une grande attention est accordée au contenu physique des concepts quantiques de base et mathématiques...
Physique quantique, Sheddad Caid-Sala Ferron. Notre monde entier et tout ce qu'il contient - les maisons, les arbres et même les gens ! - se compose de minuscules particules. Le livre « Physique quantique » de la série « Les premiers livres sur la science » racontera l'invisible de notre...

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Vous l'avez probablement entendu plusieurs fois sur les mystères inexplicables de la physique quantique et de la mécanique quantique. Ses lois fascinent le mysticisme, et même les physiciens eux-mêmes admettent ne pas les comprendre pleinement. D'une part, il est intéressant de comprendre ces lois, mais d'autre part, on n'a pas le temps de lire des livres de physique complexes et en plusieurs volumes. Je vous comprends très bien, car j'aime aussi la connaissance et la recherche de la vérité, mais il n'y a malheureusement pas assez de temps pour tous les livres. Vous n'êtes pas seuls, de nombreux curieux tapent dans la barre de recherche : "physique quantique pour les nuls, mécanique quantique pour les nuls, physique quantique pour débutants, mécanique quantique pour débutants, bases de physique quantique, bases de mécanique quantique, physique quantique pour enfants, qu'est-ce que la mécanique quantique". Cette publication est exactement pour vous.

Vous comprendrez les concepts de base et les paradoxes de la physique quantique. De l'article, vous apprendrez :

Qu’est-ce que l’interférence ?
Qu'est-ce que le spin et la superposition ?
Qu'est-ce que la « mesure » ou « l'effondrement de la fonction d'onde » ?
Qu’est-ce que l’intrication quantique (ou téléportation quantique pour les nuls) ? (voir article)
Qu'est-ce que l'expérience de pensée du chat de Schrödinger ? (voir article)

Qu'est-ce que la physique quantique et la mécanique quantique ?

La mécanique quantique fait partie de la physique quantique.

Pourquoi est-il si difficile de comprendre ces sciences ? La réponse est simple : la physique quantique et la mécanique quantique (qui fait partie de la physique quantique) étudient les lois du micromonde. Et ces lois sont absolument différentes des lois de notre macrocosme. Il nous est donc difficile d’imaginer ce qui arrive aux électrons et aux photons dans le microcosme.

Un exemple de la différence entre les lois des macro- et micromondes: dans notre macromonde, si vous mettez une balle dans l'une des 2 cases, alors l'une d'elles sera vide, et l'autre aura une balle. Mais dans le microcosme (s’il y a un atome au lieu d’une boule), un atome peut être dans deux cases à la fois. Cela a été confirmé expérimentalement à plusieurs reprises. N'est-il pas difficile de comprendre cela ? Mais on ne peut pas contester les faits.

Encore un exemple. Vous avez pris une photo d'une voiture de sport rouge de course rapide et sur la photo vous avez vu une bande horizontale floue, comme si la voiture était située à plusieurs points de l'espace au moment de la photo. Malgré ce que vous voyez sur la photo, vous êtes toujours sûr que la voiture a été à un endroit précis de l'espace. Dans le micromonde, tout est différent. Un électron qui tourne autour du noyau d’un atome ne tourne pas réellement, mais est localisé simultanément en tous les points de la sphère autour du noyau d'un atome. Comme une pelote de laine moelleuse enroulée de manière lâche. Ce concept en physique s'appelle "nuage électronique" .

Une petite excursion dans l'histoire. Les scientifiques ont pensé pour la première fois au monde quantique lorsque, en 1900, le physicien allemand Max Planck a tenté de comprendre pourquoi les métaux changeaient de couleur lorsqu'ils étaient chauffés. C'est lui qui a introduit le concept de quantique. Jusqu’alors, les scientifiques pensaient que la lumière voyageait continuellement. La première personne à prendre au sérieux la découverte de Planck fut Albert Einstein, alors inconnu. Il s’est rendu compte que la lumière n’est pas qu’une onde. Parfois, il se comporte comme une particule. Einstein a reçu le prix Nobel pour sa découverte selon laquelle la lumière est émise par portions, quanta. Un quantum de lumière s’appelle un photon ( photon, Wikipédia) .

Pour faciliter la compréhension des lois du quantique physiciens Et mécanique (Wikipédia), nous devons, en un sens, faire abstraction des lois de la physique classique qui nous sont familières. Et imaginez que vous avez plongé, comme Alice, dans le terrier du lapin, au pays des merveilles.

Et voici un dessin animé pour enfants et adultes. Décrit l'expérience fondamentale de la mécanique quantique avec 2 fentes et un observateur. Ne dure que 5 minutes. Regardez-le avant de plonger dans les questions et concepts fondamentaux de la physique quantique.

Vidéo sur la physique quantique pour les nuls. Dans le dessin animé, faites attention à « l’œil » de l’observateur. C’est devenu un sérieux mystère pour les physiciens.

Qu’est-ce que l’interférence ?

Au début du dessin animé, en utilisant l'exemple d'un liquide, il a été montré comment se comportent les vagues - des rayures verticales alternées sombres et claires apparaissent sur l'écran derrière une plaque avec des fentes. Et dans le cas où des particules discrètes (par exemple des cailloux) sont « projetées » sur la plaque, elles volent à travers 2 fentes et atterrissent sur l'écran juste en face des fentes. Et ils ne « dessinent » que 2 bandes verticales sur l'écran.

Interférence de la lumière- Il s'agit du comportement « ondulatoire » de la lumière, lorsque de nombreuses bandes verticales alternées, claires et sombres, sont affichées sur l'écran. Aussi ces rayures verticales appelé motif d'interférence.

Dans notre macrocosme, on observe souvent que la lumière se comporte comme une onde. Si vous placez votre main devant une bougie, il n'y aura pas sur le mur une ombre claire de votre main, mais avec des contours flous.

Alors, ce n’est pas si compliqué ! Il est maintenant tout à fait clair pour nous que la lumière a une nature ondulatoire et si 2 fentes sont éclairées par la lumière, alors sur l'écran derrière elles, nous verrons un motif d'interférence. Examinons maintenant la 2ème expérience. Il s'agit de la célèbre expérience Stern-Gerlach (réalisée dans les années 20 du siècle dernier).

L’installation décrite dans le dessin animé n’a pas été éclairée par la lumière, mais « filmée » par des électrons (sous forme de particules individuelles). Puis, au début du siècle dernier, les physiciens du monde entier pensaient que les électrons étaient des particules élémentaires de matière et ne devraient pas avoir une nature ondulatoire, mais la même que celle des cailloux. Après tout, les électrons sont des particules élémentaires de la matière, n’est-ce pas ? Autrement dit, si vous les « jetez » dans 2 fentes, comme des cailloux, alors sur l'écran derrière les fentes, nous devrions voir 2 bandes verticales.

Mais... Le résultat était époustouflant. Les scientifiques ont vu un motif d'interférence - de nombreuses bandes verticales. Autrement dit, les électrons, comme la lumière, peuvent également avoir une nature ondulatoire et interférer. D'un autre côté, il est devenu clair que la lumière n'est pas seulement une onde, mais aussi une particule - un photon (du contexte historique au début de l'article, nous avons appris qu'Einstein a reçu le prix Nobel pour cette découverte) .

Vous vous souvenez peut-être qu'à l'école, on nous parlait en physique de "dualité onde-particule"? Cela signifie que lorsque nous parlons de très petites particules (atomes, électrons) du microcosme, alors Ce sont à la fois des ondes et des particules

Aujourd'hui, vous et moi sommes si intelligents et nous comprenons que les 2 expériences décrites ci-dessus - tirer avec des électrons et éclairer des fentes avec de la lumière - sont la même chose. Parce que nous projetons des particules quantiques vers les fentes. Nous savons désormais que la lumière et les électrons sont de nature quantique, qu’ils sont à la fois des ondes et des particules. Et au début du XXe siècle, les résultats de cette expérience ont fait sensation.

Attention! Passons maintenant à une question plus subtile.

Nous projetons un flux de photons (électrons) sur nos fentes et voyons un motif d'interférence (rayures verticales) derrière les fentes de l'écran. C'est clair. Mais nous souhaitons voir comment chacun des électrons traverse la fente.

Vraisemblablement, un électron vole dans la fente de gauche, l’autre vers la droite. Mais alors 2 bandes verticales devraient apparaître sur l'écran juste en face des emplacements. Pourquoi un motif d’interférence se produit-il ? Peut-être que les électrons interagissent d'une manière ou d'une autre déjà sur l'écran après avoir traversé les fentes. Et le résultat est un motif de vagues comme celui-ci. Comment pouvons-nous suivre cela ?

Nous ne lancerons pas les électrons dans un faisceau, mais un à la fois. Lançons-le, attendez, lançons le suivant. Maintenant que l’électron vole seul, il ne pourra plus interagir avec les autres électrons sur l’écran. Nous enregistrerons chaque électron sur l'écran après le lancer. Un ou deux, bien sûr, ne nous « brosseront » pas un tableau clair. Mais lorsque nous en enverrons un grand nombre dans les fentes, un à la fois, nous remarquerons... oh horreur - ils ont encore une fois « dessiné » un motif d'ondes d'interférence !

Nous commençons lentement à devenir fous. Après tout, on s'attendait à ce qu'il y ait 2 bandes verticales en face des emplacements ! Il s'avère que lorsque nous avons lancé des photons un par un, chacun d'eux est passé, pour ainsi dire, à travers 2 fentes en même temps et a interféré avec lui-même. Fantastique! Revenons à l'explication de ce phénomène dans la section suivante.

Qu'est-ce que le spin et la superposition ?

Nous savons désormais ce qu'est une interférence. Il s'agit du comportement ondulatoire des microparticules - photons, électrons, autres microparticules (pour plus de simplicité, appelons-les désormais photons).

À la suite de l'expérience, lorsque nous avons lancé 1 photon dans 2 fentes, nous avons réalisé qu'il semblait voler à travers deux fentes en même temps. Sinon, comment pouvons-nous expliquer le motif d’interférence sur l’écran ?

Mais comment imaginer un photon volant à travers deux fentes en même temps ? Il y a 2 options.

1ère possibilité : un photon, comme une vague (comme l'eau) « flotte » à travers 2 fentes en même temps
2ème possibilité : un photon, comme une particule, vole simultanément selon 2 trajectoires (même pas deux, mais toutes à la fois)

En principe, ces déclarations sont équivalentes. Nous sommes arrivés au « chemin intégral ». C'est la formulation de la mécanique quantique par Richard Feynman.

D'ailleurs, exactement Richard Feynman il existe une expression bien connue selon laquelle Nous pouvons affirmer avec certitude que personne ne comprend la mécanique quantique

Mais cette expression a fonctionné au début du siècle. Mais maintenant, nous sommes intelligents et savons qu’un photon peut se comporter à la fois comme une particule et comme une onde. Qu'il peut, d'une manière ou d'une autre incompréhensible pour nous, voler à travers 2 fentes en même temps. Par conséquent, il nous sera facile de comprendre l’énoncé important suivant de la mécanique quantique :

À proprement parler, la mécanique quantique nous dit que ce comportement des photons est la règle et non l’exception. Toute particule quantique se trouve, en règle générale, dans plusieurs états ou en plusieurs points de l'espace simultanément.

Les objets du macromonde ne peuvent se trouver qu'à un endroit spécifique et dans un état spécifique. Mais une particule quantique existe selon ses propres lois. Et elle ne se soucie même pas que nous ne les comprenions pas. C'est le but.

Il faut simplement accepter, comme axiome, que la « superposition » d'un objet quantique signifie qu'il peut être sur 2 ou plusieurs trajectoires en même temps, en 2 ou plusieurs points en même temps.

Il en va de même pour un autre paramètre du photon : le spin (son propre moment cinétique). Le spin est un vecteur. Un objet quantique peut être considéré comme un aimant microscopique. Nous sommes habitués au fait que le vecteur aimant (spin) est dirigé vers le haut ou vers le bas. Mais l'électron ou le photon nous dit encore : « Les gars, peu nous importe ce à quoi vous êtes habitués, nous pouvons être dans les deux états de spin à la fois (vecteur haut, vecteur bas), tout comme nous pouvons être sur 2 trajectoires à la fois. en même temps ou à 2 points en même temps !

Qu'est-ce que la « mesure » ou « l'effondrement de la fonction d'onde » ?

Il ne nous reste plus grand-chose pour comprendre ce qu’est la « mesure » et ce qu’est « l’effondrement de la fonction d’onde ».

Fonction d'onde est une description de l’état d’un objet quantique (notre photon ou électron).

Supposons que nous ayons un électron, il vole vers lui-même dans un état indéfini, sa rotation est dirigée vers le haut et vers le bas en même temps. Il faut mesurer son état.

Mesurons à l'aide d'un champ magnétique : les électrons dont le spin était dirigé dans la direction du champ dévieront dans un sens, et les électrons dont le spin est dirigé contre le champ - dans l'autre. Plus de photons peuvent être dirigés vers un filtre polarisant. Si le spin (polarisation) du photon est de +1, il passe à travers le filtre, mais s'il est de -1, ce n'est pas le cas.

Arrêt! Ici, vous vous poserez inévitablement une question : Avant la mesure, l’électron n’avait pas de direction de spin spécifique, n’est-ce pas ? Il était dans tous les États en même temps, n'est-ce pas ?

C'est l'astuce et la sensation de la mécanique quantique. Tant que vous ne mesurez pas l'état d'un objet quantique, il peut tourner dans n'importe quelle direction (avoir n'importe quelle direction du vecteur de son propre moment cinétique - spin). Mais au moment où vous mesurez son état, il semble prendre une décision sur le vecteur de rotation à accepter.

Cet objet quantique est tellement cool qu'il prend des décisions concernant son état. Et nous ne pouvons pas prédire à l’avance quelle décision il prendra lorsqu’il entrera dans le champ magnétique dans lequel nous le mesurons. La probabilité qu'il décide d'avoir un vecteur spin « haut » ou « bas » est de 50 à 50 %. Mais dès qu’il se décide, il se trouve dans un certain état avec une direction de rotation spécifique. La raison de sa décision est notre « dimension » !

C'est appelé " effondrement de la fonction d'onde". La fonction d'onde avant la mesure était incertaine, c'est-à-dire le vecteur spin de l'électron était simultanément dans toutes les directions ; après la mesure, l'électron a enregistré une certaine direction de son vecteur spin.

Attention! Un excellent exemple de compréhension est une association de notre macrocosme :

Faites tourner une pièce sur la table comme une toupie. Pendant que la pièce tourne, elle n'a pas de signification spécifique - pile ou face. Mais dès que vous décidez de « mesurer » cette valeur et de frapper la pièce avec votre main, vous obtenez alors l’état spécifique de la pièce – pile ou face. Imaginez maintenant que cette pièce décide quelle valeur vous « montrer » – pile ou face. L’électron se comporte à peu près de la même manière.

Souvenez-vous maintenant de l’expérience présentée à la fin du dessin animé. Lorsque les photons passaient à travers les fentes, ils se comportaient comme une onde et présentaient un motif d’interférence sur l’écran. Et lorsque les scientifiques ont voulu enregistrer (mesurer) le moment des photons volant à travers la fente et ont placé un « observateur » derrière l'écran, les photons ont commencé à se comporter non pas comme des ondes, mais comme des particules. Et ils ont « dessiné » 2 bandes verticales sur l'écran. Ceux. au moment de la mesure ou de l’observation, les objets quantiques choisissent eux-mêmes dans quel état ils doivent se trouver.

Fantastique! N'est-ce pas?

Mais ce n'est pas tout. Enfin nous Nous sommes arrivés à la partie la plus intéressante.

Mais... il me semble qu'il y aura une surcharge d'informations, nous allons donc considérer ces 2 concepts dans des posts séparés :

Ce qui s'est passé ?
Qu'est-ce qu'une expérience de pensée ?

Maintenant, voulez-vous que les informations soient triées ? Regardez le documentaire produit par l'Institut canadien de physique théorique. Dans ce document, en 20 minutes, vous découvrirez très brièvement et par ordre chronologique toutes les découvertes de la physique quantique, à commencer par la découverte de Planck en 1900. Et puis ils vous diront quels développements pratiques sont actuellement réalisés sur la base des connaissances en physique quantique : des horloges atomiques les plus précises aux calculs ultra-rapides d'un ordinateur quantique. Je recommande fortement de regarder ce film.

À bientôt!

Je souhaite à tous de l'inspiration pour tous leurs plans et projets !

P.S.2 Écrivez vos questions et réflexions dans les commentaires. Écrivez, quelles autres questions sur la physique quantique vous intéressent ?

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Si vous réalisez soudainement que vous avez oublié les bases et les postulats de la mécanique quantique ou que vous ne savez même pas de quel type de mécanique il s’agit, alors il est temps de vous rafraîchir la mémoire de ces informations. Après tout, personne ne sait quand la mécanique quantique peut être utile dans la vie.

C’est en vain que vous souriez et ricanez en pensant que vous n’aurez jamais à aborder ce sujet de votre vie. Après tout, la mécanique quantique peut être utile à presque tout le monde, même à ceux qui en sont infiniment éloignés. Par exemple, vous souffrez d’insomnie. Pour la mécanique quantique, ce n’est pas un problème ! Lisez le manuel avant de vous coucher - et vous vous endormirez profondément à la troisième page. Ou vous pouvez appeler votre groupe de rock cool comme ça. Pourquoi pas?

Blague à part, commençons une conversation quantique sérieuse.

Où commencer? Bien sûr, à commencer par ce qu’est le quantique.

Quantum

Le quantum (du latin quantum - « combien ») est une partie indivisible d'une certaine quantité physique. Par exemple, disent-ils - un quantum de lumière, un quantum d'énergie ou un quantum de champ.

Qu'est-ce que ça veut dire? Cela signifie qu’il ne peut tout simplement pas être inférieur. Lorsqu’ils disent qu’une quantité est quantifiée, ils comprennent que cette quantité prend un certain nombre de valeurs spécifiques et discrètes. Ainsi, l'énergie d'un électron dans un atome est quantifiée, la lumière est distribuée en « portions », c'est-à-dire en quanta.

Le terme « quantique » lui-même a de nombreuses utilisations. Le quantum de lumière (champ électromagnétique) est un photon. Par analogie, les quanta sont des particules ou quasiparticules correspondant à d’autres champs d’interaction. On peut ici rappeler le fameux boson de Higgs, qui est un quantum du champ de Higgs. Mais nous n’entrons pas encore dans ces jungles.

La mécanique quantique pour les nuls

Comment la mécanique peut-elle être quantique ?

Comme vous l’avez déjà remarqué, au cours de notre conversation, nous avons mentionné à plusieurs reprises les particules. Vous êtes peut-être habitué au fait que la lumière est une onde qui se propage simplement à grande vitesse. Avec . Mais si vous regardez tout du point de vue du monde quantique, c'est-à-dire le monde des particules, tout change au point de devenir méconnaissable.

La mécanique quantique est une branche de la physique théorique, une composante de la théorie quantique qui décrit les phénomènes physiques au niveau le plus élémentaire : celui des particules.

L'effet de tels phénomènes est comparable en ampleur à la constante de Planck, et la mécanique et l'électrodynamique classiques de Newton se sont révélées totalement inadaptées à leur description. Par exemple, selon la théorie classique, un électron, tournant à grande vitesse autour d’un noyau, devrait rayonner de l’énergie et finalement tomber sur le noyau. Cela, comme nous le savons, n’arrive pas. C'est pourquoi la mécanique quantique a été inventée - les phénomènes découverts devaient être expliqués d'une manière ou d'une autre, et il s'est avéré que c'était précisément la théorie dans laquelle l'explication était la plus acceptable, et toutes les données expérimentales « ont convergé ».

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Un peu d'histoire

La théorie quantique est née en 1900, lorsque Max Planck a pris la parole lors d'une réunion de la Société allemande de physique. Qu’a alors dit Planck ? Et le fait que le rayonnement des atomes est discret et que la plus petite partie de l'énergie de ce rayonnement est égale à

Où h est la constante de Planck, nu est la fréquence.

Puis Albert Einstein, introduisant le concept de « quantum de lumière », utilisa l’hypothèse de Planck pour expliquer l’effet photoélectrique. Niels Bohr a postulé l'existence de niveaux d'énergie stationnaires dans l'atome, et Louis de Broglie a développé l'idée de la dualité onde-particule, c'est-à-dire qu'une particule (corpuscule) possède également des propriétés ondulatoires. Schrödinger et Heisenberg se joignirent à cette cause et, en 1925, la première formulation de la mécanique quantique fut publiée. En fait, la mécanique quantique est loin d’être une théorie complète ; elle se développe activement à l’heure actuelle. Il faut également reconnaître que la mécanique quantique, avec ses hypothèses, n’a pas la capacité d’expliquer toutes les questions auxquelles elle est confrontée. Il est fort possible qu’elle soit remplacée par une théorie plus avancée.

Lors du passage du monde quantique au monde des choses qui nous est familier, les lois de la mécanique quantique se transforment naturellement en lois de la mécanique classique. On peut dire que la mécanique classique est un cas particulier de la mécanique quantique, lorsque l'action se déroule dans notre macromonde familier et familier. Ici, les corps se déplacent calmement dans des référentiels non inertiels à une vitesse bien inférieure à la vitesse de la lumière, et en général, tout autour est calme et clair. Si vous souhaitez connaître la position d’un corps dans un système de coordonnées, pas de problème ; si vous souhaitez mesurer l’impulsion, vous êtes le bienvenu.

La mécanique quantique a une approche complètement différente du problème. Dans ce document, les résultats des mesures de grandeurs physiques sont de nature probabiliste. Cela signifie que lorsqu'une certaine valeur change, plusieurs résultats sont possibles, chacun ayant une certaine probabilité. Donnons un exemple : une pièce de monnaie tourne sur la table. Pendant qu'il tourne, il n'est dans aucun état spécifique (tête-queue), mais a seulement la probabilité de se retrouver dans l'un de ces états.

Nous approchons ici progressivement équation de Schrödinger Et Principe d'incertitude de Heisenberg.

Selon la légende, Erwin Schrödinger, en 1926, s'exprimant lors d'un séminaire scientifique sur le thème de la dualité onde-particule, aurait été critiqué par un certain scientifique chevronné. Refusant d'écouter ses aînés, Schrödinger commença après cet incident à développer activement l'équation des ondes pour décrire les particules dans le cadre de la mécanique quantique. Et il l'a fait avec brio ! L'équation de Schrödinger (l'équation de base de la mécanique quantique) est :

Ce type d’équation, l’équation de Schrödinger stationnaire unidimensionnelle, est la plus simple.

Ici x est la distance ou les coordonnées de la particule, m est la masse de la particule, E et U sont respectivement ses énergies totale et potentielle. La solution de cette équation est la fonction d'onde (psi)

La fonction d'onde est un autre concept fondamental de la mécanique quantique. Ainsi, tout système quantique se trouvant dans un état possède une fonction d’onde qui décrit cet état.

Par exemple, lors de la résolution de l'équation de Schrödinger stationnaire unidimensionnelle, la fonction d'onde décrit la position de la particule dans l'espace. Plus précisément, la probabilité de trouver une particule à un certain point de l'espace. En d’autres termes, Schrödinger a montré que la probabilité peut être décrite par une équation d’onde ! D’accord, nous aurions dû y penser avant !

Mais pourquoi? Pourquoi devons-nous nous occuper de ces probabilités et fonctions d'onde incompréhensibles, alors que, semble-t-il, il n'y a rien de plus simple que de simplement prendre et mesurer la distance à une particule ou sa vitesse.

Tout est très simple ! En effet, dans le macrocosme, c'est effectivement le cas - nous mesurons les distances avec une certaine précision avec un ruban à mesurer, et l'erreur de mesure est déterminée par les caractéristiques de l'appareil. D'un autre côté, nous pouvons déterminer presque précisément à l'œil nu la distance à un objet, par exemple à une table. Dans tous les cas, nous différencions avec précision sa position dans la pièce par rapport à nous et aux autres objets. Dans le monde des particules, la situation est fondamentalement différente : nous ne disposons tout simplement pas physiquement d'outils de mesure pour mesurer avec précision les quantités requises. Après tout, l'instrument de mesure entre en contact direct avec l'objet mesuré et, dans notre cas, l'objet et l'instrument sont des particules. C'est cette imperfection, l'impossibilité fondamentale de prendre en compte tous les facteurs agissant sur la particule, ainsi que le fait même des changements d'état du système sous l'influence de la mesure, qui sont à la base du principe d'incertitude de Heisenberg.

Donnons sa formulation la plus simple. Imaginons qu'il existe une certaine particule et que nous voulons connaître sa vitesse et ses coordonnées.

Dans ce contexte, le principe d’incertitude de Heisenberg stipule qu’il est impossible de mesurer avec précision la position et la vitesse d’une particule en même temps. . Mathématiquement, cela s'écrit ainsi :

Ici, delta x est l'erreur dans la détermination des coordonnées, delta v est l'erreur dans la détermination de la vitesse. Soulignons que ce principe dit que plus nous déterminons avec précision les coordonnées, moins nous connaîtrons la vitesse avec précision. Et si on détermine la vitesse, on n’aura pas la moindre idée de l’endroit où se trouve la particule.

Il existe de nombreuses blagues et anecdotes sur le thème du principe d’incertitude. Voici l'un d'entre eux:

Un policier arrête un physicien quantique.
- Monsieur, savez-vous à quelle vitesse vous vous déplaciez ?
- Non, mais je sais exactement où je suis.

Et bien sûr, on vous le rappelle ! Si soudainement, pour une raison quelconque, la résolution de l'équation de Schrödinger pour une particule dans un puits de potentiel vous empêche de dormir, tournez-vous vers des professionnels qui ont été élevés avec la mécanique quantique sur les lèvres !