Personne au monde ne comprend la mécanique quantique – c’est la principale chose que vous devez savoir à ce sujet. Oui, de nombreux physiciens ont appris à utiliser ses lois et même à prédire des phénomènes à l’aide de calculs quantiques. Mais on ne sait toujours pas pourquoi la présence d’un observateur détermine le sort du système et l’oblige à faire un choix en faveur d’un État. « Théories et pratiques » a sélectionné des exemples d'expériences dont le résultat est inévitablement influencé par l'observateur et a tenté de comprendre ce que la mécanique quantique va faire avec une telle interférence de la conscience dans la réalité matérielle.

Le chat de Shroedinger

Il existe aujourd’hui de nombreuses interprétations de la mécanique quantique, la plus populaire restant celle de Copenhague. Ses grands principes ont été formulés dans les années 1920 par Niels Bohr et Werner Heisenberg. Et le terme central de l'interprétation de Copenhague était la fonction d'onde - une fonction mathématique qui contient des informations sur tous les états possibles d'un système quantique dans lequel il réside simultanément.

Selon l'interprétation de Copenhague, seule l'observation peut déterminer de manière fiable l'état d'un système et le distinguer des autres (la fonction d'onde permet uniquement de calculer mathématiquement la probabilité de détecter un système dans un état particulier). On peut dire qu'après observation, un système quantique devient classique : il cesse instantanément de coexister dans plusieurs états à la fois au profit de l'un d'eux.

Cette approche a toujours eu ses opposants (rappelez-vous, par exemple, « Dieu ne joue pas aux dés » d’Albert Einstein), mais la précision des calculs et des prédictions a eu des conséquences néfastes. Cependant, récemment, il y a eu de moins en moins de partisans de l'interprétation de Copenhague, et la moindre raison en est l'effondrement instantané très mystérieux de la fonction d'onde pendant la mesure. La célèbre expérience de pensée d'Erwin Schrödinger avec le pauvre chat visait précisément à montrer l'absurdité de ce phénomène.

Rappelons donc le contenu de l'expérience. Un chat vivant, une ampoule contenant du poison et un certain mécanisme qui peut activer le poison au hasard sont placés dans une boîte noire. Par exemple, un atome radioactif dont la désintégration brisera l'ampoule. L’heure exacte de la désintégration atomique est inconnue. Seule la demi-vie est connue : le temps pendant lequel la désintégration se produira avec une probabilité de 50 %.

Il s'avère que pour un observateur extérieur, le chat à l'intérieur de la boîte existe dans deux états à la fois : il est soit vivant, si tout va bien, soit mort, si une pourriture s'est produite et que l'ampoule est cassée. Ces deux états sont décrits par la fonction d'onde du chat, qui évolue avec le temps : plus on s'éloigne, plus il est probable qu'une désintégration radioactive se soit déjà produite. Mais dès l’ouverture de la boîte, la fonction d’onde s’effondre et l’on voit immédiatement le résultat de l’expérience de l’équarrisseur.

Il s'avère que jusqu'à ce que l'observateur ouvre la boîte, le chat restera à jamais en équilibre à la frontière entre la vie et la mort, et seule l'action de l'observateur déterminera son sort. C’est l’absurdité soulignée par Schrödinger.

Diffraction électronique

Selon une enquête menée par le New York Times auprès d'éminents physiciens, l'expérience de diffraction électronique réalisée en 1961 par Klaus Jenson est devenue l'une des plus belles de l'histoire des sciences. Quelle est son essence ?

Il existe une source émettant un flux d'électrons vers l'écran de la plaque photographique. Et il y a un obstacle sur le chemin de ces électrons : une plaque de cuivre avec deux fentes. À quel genre d’image pouvez-vous vous attendre sur l’écran si vous considérez les électrons comme de simples petites boules chargées ? Deux bandes lumineuses à l'opposé des fentes.

En réalité, un motif beaucoup plus complexe de rayures noires et blanches alternées apparaît à l’écran. Le fait est qu'en passant à travers les fentes, les électrons commencent à se comporter non pas comme des particules, mais comme des ondes (tout comme les photons, particules de lumière, peuvent être simultanément des ondes). Ensuite, ces ondes interagissent dans l'espace, s'affaiblissant et se renforçant à certains endroits, et par conséquent une image complexe d'une alternance de bandes claires et sombres apparaît sur l'écran.

Dans ce cas, le résultat de l'expérience ne change pas, et si les électrons ne sont pas envoyés à travers la fente dans un flux continu, mais individuellement, même une particule peut être simultanément une onde. Même un électron peut passer simultanément à travers deux fentes (et c'est une autre position importante de l'interprétation de Copenhague de la mécanique quantique - les objets peuvent présenter simultanément leurs propriétés matérielles « habituelles » et leurs propriétés d'ondes exotiques).

Mais qu’est-ce que l’observateur a à voir là-dedans ? Malgré le fait que son histoire déjà compliquée est devenue encore plus compliquée. Lorsque, dans des expériences similaires, les physiciens essayèrent de détecter à l'aide d'instruments qui fendaient l'électron réellement traversé, l'image sur l'écran changea radicalement et devint « classique » : deux zones éclairées en face des fentes et aucune bande alternée.

C'était comme si les électrons ne voulaient pas montrer leur nature ondulatoire sous le regard attentif de l'observateur. Nous nous sommes adaptés à son désir instinctif de voir une image simple et compréhensible. Mystique? Il existe une explication beaucoup plus simple : aucune observation du système ne peut être effectuée sans influence physique sur celui-ci. Mais nous y reviendrons un peu plus tard.

Fullerène chauffé

Des expériences sur la diffraction des particules ont été menées non seulement sur des électrons, mais également sur des objets beaucoup plus gros. Par exemple, les fullerènes sont de grosses molécules fermées constituées de dizaines d’atomes de carbone (par exemple, un fullerène de soixante atomes de carbone a une forme très similaire à celle d’un ballon de football : une sphère creuse cousue à partir de pentagones et d’hexagones).

Récemment, un groupe de l'Université de Vienne, dirigé par le professeur Zeilinger, a tenté d'introduire un élément d'observation dans de telles expériences. Pour ce faire, ils ont irradié des molécules de fullerène en mouvement avec un faisceau laser. Ensuite, chauffées par une influence extérieure, les molécules ont commencé à briller et ont ainsi inévitablement révélé à l'observateur leur place dans l'espace.

Parallèlement à cette innovation, le comportement des molécules a également changé. Avant le début de la surveillance totale, les fullerènes contournaient avec succès les obstacles (présentaient des propriétés d'onde) comme les électrons de l'exemple précédent traversant un écran opaque. Mais plus tard, avec l'apparition d'un observateur, les fullerènes se sont calmés et ont commencé à se comporter comme des particules de matière totalement respectueuses des lois.

Dimension refroidissement

L'une des lois les plus célèbres du monde quantique est le principe d'incertitude de Heisenberg : il est impossible de déterminer simultanément la position et la vitesse d'un objet quantique. Plus nous mesurons avec précision l’impulsion d’une particule, moins sa position peut être mesurée avec précision. Mais les effets des lois quantiques opérant au niveau des minuscules particules sont généralement imperceptibles dans notre monde de grands macro-objets.

Par conséquent, les expériences récentes du groupe du professeur Schwab aux États-Unis sont d'autant plus précieuses, dans lesquelles les effets quantiques ont été démontrés non pas au niveau des mêmes électrons ou molécules de fullerène (leur diamètre caractéristique est d'environ 1 nm), mais à un niveau légèrement plus élevé. objet tangible - une petite bande d'aluminium.

Cette bande était fixée des deux côtés de manière à ce que son milieu soit suspendu et puisse vibrer sous une influence extérieure. De plus, à côté de la bande se trouvait un appareil capable d'enregistrer sa position avec une grande précision.

Les expérimentateurs ont ainsi découvert deux effets intéressants. Premièrement, toute mesure de la position de l'objet ou observation de la bande ne s'est pas déroulée sans laisser de trace - après chaque mesure, la position de la bande a changé. En gros, les expérimentateurs ont déterminé les coordonnées de la bande avec une grande précision et ont ainsi modifié, selon le principe de Heisenberg, sa vitesse, et donc sa position ultérieure.

Deuxièmement, et de manière tout à fait inattendue, certaines mesures ont également conduit au refroidissement de la bande. Il s'avère qu'un observateur peut modifier les caractéristiques physiques des objets simplement par sa présence. Cela semble tout à fait incroyable, mais il faut reconnaître aux physiciens qu'ils n'étaient pas perdus - le groupe du professeur Schwab réfléchit actuellement à la manière d'appliquer l'effet découvert pour refroidir les puces électroniques.

Particules gelées

Comme vous le savez, les particules radioactives instables se désintègrent dans le monde non seulement pour des expériences sur les chats, mais aussi de manière totalement indépendante. De plus, chaque particule est caractérisée par une durée de vie moyenne, qui s’avère pouvoir augmenter sous le regard attentif de l’observateur.

Cet effet quantique a été prédit pour la première fois dans les années 1960 et sa brillante confirmation expérimentale est apparue dans un article publié en 2006 par le groupe du physicien lauréat du prix Nobel Wolfgang Ketterle du Massachusetts Institute of Technology.

Dans ce travail, nous avons étudié la désintégration d'atomes de rubidium excités instables (désintégration en atomes de rubidium à l'état fondamental et en photons). Immédiatement après la préparation du système et l'excitation des atomes, ils ont commencé à être observés - ils ont été éclairés par un faisceau laser. Dans ce cas, l'observation a été réalisée selon deux modes : continu (de petites impulsions lumineuses sont constamment fournies au système) et pulsé (le système est irradié de temps en temps avec des impulsions plus puissantes).

Les résultats obtenus étaient en excellent accord avec les prévisions théoriques. Les influences de la lumière externe ralentissent en fait la désintégration des particules, comme si elles les ramenaient à leur état d'origine, loin de la désintégration. De plus, l’ampleur de l’effet pour les deux régimes étudiés coïncide également avec les prévisions. Et la durée de vie maximale des atomes de rubidium excités et instables a été prolongée de 30 fois.

Mécanique quantique et conscience

Les électrons et les fullerènes cessent de montrer leurs propriétés ondulatoires, les plaques d'aluminium se refroidissent et les particules instables gèlent dans leur désintégration : sous le regard omnipotent de l'observateur, le monde change. Qu'est-ce qui n'est pas une preuve de l'implication de notre esprit dans le travail du monde qui nous entoure ? Alors peut-être que Carl Jung et Wolfgang Pauli (physicien autrichien, prix Nobel, l'un des pionniers de la mécanique quantique) avaient raison lorsqu'ils disaient que les lois de la physique et de la conscience devaient être considérées comme complémentaires ?

Mais ce n’est qu’un pas vers la reconnaissance routinière : le monde entier qui nous entoure est l’essence de notre esprit. Effrayant? (« Pensez-vous vraiment que la Lune n'existe que lorsque vous la regardez ? » Einstein a commenté les principes de la mécanique quantique). Essayons ensuite de nous tourner à nouveau vers les physiciens. De plus, ces dernières années, ils sont de moins en moins friands de l'interprétation de Copenhague de la mécanique quantique avec son mystérieux effondrement d'une fonction d'onde, qui est remplacée par un autre terme assez terre-à-terre et fiable : la décohérence.

Le point est le suivant : dans toutes les expériences d’observation décrites, les expérimentateurs ont inévitablement influencé le système. Ils l'ont éclairé avec un laser et installé des instruments de mesure. Et c’est un principe général très important : on ne peut pas observer un système, mesurer ses propriétés sans interagir avec lui. Et là où il y a interaction, il y a un changement de propriétés. De plus, lorsque le colosse des objets quantiques interagit avec un minuscule système quantique. La neutralité bouddhiste éternelle de l’observateur est donc impossible.

C'est précisément ce qui explique le terme « décohérence » - un processus irréversible de violation des propriétés quantiques d'un système lors de son interaction avec un autre système plus grand. Au cours d’une telle interaction, le système quantique perd ses caractéristiques originales et devient classique, se « soumettant » au grand système. Ceci explique le paradoxe du chat de Schrödinger : le chat est un système si vaste qu'il ne peut tout simplement pas être isolé du monde. L’expérience de pensée elle-même n’est pas entièrement correcte.

Quoi qu’il en soit, comparée à la réalité en tant qu’acte de création de conscience, la décohérence semble beaucoup plus calme. Peut-être même trop calme. Après tout, avec cette approche, le monde classique tout entier devient un grand effet de décohérence. Et selon les auteurs de l'un des livres les plus sérieux dans ce domaine, des affirmations telles que « il n'y a pas de particules dans le monde » ou « il n'y a pas de temps à un niveau fondamental » découlent également logiquement de telles approches.

Observateur créatif ou décohérence toute-puissante ? Il faut choisir entre deux maux. Mais rappelez-vous : les scientifiques sont désormais de plus en plus convaincus que nos processus de pensée reposent sur ces mêmes effets quantiques notoires. Ainsi, là où se termine l’observation et où commence la réalité, chacun de nous doit choisir.

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Lorsque des particules de haute énergie interagissent dans un collisionneur, un grand nombre de particules différentes se forment

Ce processus est appelé production multiple et ses diverses caractéristiques sont prédites à l'aide de la théorie des interactions fortes - la chromodynamique quantique (QCD). Cependant, les résultats d'expériences similaires récentes au LHC (Large Hadron Collider) ne coïncident pas avec les prédictions des modèles basés sur les résultats d'expériences passées avec d'autres accélérateurs. Nick Brooke, professeur à l'Université de Bristol et l'un des principaux experts dans le domaine de l'étude de la production de particules multiples, a parlé lors de la conférence de Ginzburg des raisons possibles de cet écart et des horizons ouverts d'une nouvelle physique expérimentale des hautes énergies.

La technique de deux projets expérimentaux en cours au LHC est idéale pour identifier les particules nées. Il s'agit du projet ALICE (A Large Ion Collider Experiment), optimisé pour l'étude des collisions d'ions lourds, et de LHCb, conçu pour étudier les mésons B, des particules contenant un « joli » quark. Et les informations sur la naissance des particules elles-mêmes constituent une base nécessaire au développement ultérieur de la QCD. Nick Brooke commente : « Les distributions de particules observées caractérisent l’état hadronique de la matière et sont sensibles à la chromodynamique quantique sous-jacente des interactions proton-proton. ALICE, ATLAS et CMS ont déjà mesuré la distribution des particules dans la région centrale d'interaction, et la géométrie de LHCb nous permet de suivre la dynamique des collisions dans la région lointaine. Cela nous donne des informations indispensables pour développer des modèles et améliorer les générateurs d’événements de Monte Carlo.

La chromodynamique quantique est née dans les années 70 du siècle dernier en tant que théorie microscopique décrivant une forte interaction à des échelles subhadroniques, impliquant des quarks, des gluons et des particules qui en sont composées - des hadrons, y compris des protons et des neutrons du noyau atomique liés par une forte interaction. Le postulat de base de la chromodynamique quantique attribue à tous les quarks un numéro quantique spécial, appelé charge de couleur ou couleur. Un mot aussi familier n'a rien à voir avec les caractéristiques optiques ordinaires, mais il souligne succinctement le fait que dans la nature, les quarks ne se trouvent que sous la forme de combinaisons incolores - les hadrons, constitués de trois quarks (rappelez-vous l'analogie : rouge, vert et bleu additionner au blanc), ou des gluons d'un quark et d'un antiquark avec un anticolor.

Les prédictions QCD concernant les paramètres de production de particules multiples sont données soit sous forme analytique, soit sous forme de calculs informatiques numériques utilisant des modèles de Monte Carlo, qui peuvent être comparés en détail avec des données expérimentales. Ces modèles sont appelés générateurs d'événements dans le sens où la probabilité d'apparition de certains phénomènes dans ces calculs informatiques est considérée comme proportionnelle à la probabilité de l'événement correspondant dans le monde réel. Tous ces modèles ont bien fonctionné, en accord avec les expériences passées réalisées avec d'autres accélérateurs et avaient même un certain pouvoir prédictif, mais ils ne coïncident pas encore avec les nouveaux résultats obtenus au LHC.

Andrei Leonidov, professeur au FIAN et chercheur éminent dans le secteur de la physique des hautes énergies, commente : « L'étude de la production multiple à hautes énergies est l'un des problèmes physiques fondamentaux, et le rapport de Brook était consacré à l'ensemble des informations expérimentales accumulées au LHC. collisionneur. Une situation très intéressante s'est alors produite : les modèles existants ne décrivent pas beaucoup de propriétés essentielles des événements. Leur conception typique combine d’une manière ou d’une autre la physique des jets hadroniques mous et du rayonnement hadronique dur, et ils ont eux-mêmes été calibrés pour décrire avec succès le FNAL, l’accélérateur précédent. En conséquence, il n’y avait littéralement aucun graphique dans ce rapport dans lequel la théorie coïncidait avec la nouvelle expérience. Autrement dit, les modèles modernes ne décrivent pas du tout de nombreuses propriétés des naissances multiples.

Ainsi, le professeur Brook a parlé des divergences entre les prédictions et les données réelles sur l'émergence de particules contenant des quarks «étranges» dans leur composition ou sur des violations du rapport entre la matière baryonique et antibaryon. Mais toutes ces incohérences, comme l’a souligné Brook, ne font que donner carte blanche aux chercheurs et montrent une fois de plus la structure complexe de la QCD. Après tout, les nouvelles données peuvent contribuer à améliorer les modèles de générateurs d’événements, de production de particules molles, de collisions multiparticulaires et de nombreux autres phénomènes.

Andrei Leonidov partage également l'optimisme du physicien anglais : « Tous les modèles précédents dans les nouvelles expériences se sont révélés infructueux à des degrés divers, ce qui crée un champ d'étude intéressant. Mais ces mêmes modèles ont été élaborés pour une raison : c’est ce que l’humanité peut offrir de mieux sur ce sujet. Ce n’est pas comme si des responsables provinciaux avaient écrit quelque chose ici, et que cela était accidentellement utilisé au LHC. Le LHC utilise le meilleur disponible, mais ce meilleur ne fonctionne pas encore bien. Et ce sujet est très important, car de multiples processus de naissance se produisent constamment dans le collisionneur. Ce sont des processus dominants avec une grande section transversale, et ils influencent potentiellement tous les autres processus et déterminent leur arrière-plan. De plus, c’est fondamental et intéressant. Il n’y a donc rien de triste, nous attendons de nouveaux résultats !

Lorsque des particules à haute énergie entrent en collision, on observe la création multiple de nouvelles particules

"Quiconque n'a pas été choqué lorsqu'il a découvert la théorie quantique pour la première fois n'a probablement tout simplement pas compris." Niels Bohr

Les prémisses de la théorie quantique sont si étonnantes qu’elles ressemblent davantage à de la science-fiction.

Une particule du micromonde peut se trouver à deux endroits ou plus en même temps !

(Une expérience très récente a montré qu’une de ces particules peut se trouver à 3000 endroits en même temps !)

Un même « objet » peut être à la fois une particule localisée et une onde énergétique se propageant dans l’espace.

Einstein postulait que rien ne peut voyager plus vite que la vitesse de la lumière. Mais la physique quantique l'a prouvé : les particules subatomiques peuvent échanger des informations instantanément, à n'importe quelle distance les unes des autres.

La physique classique était déterministe : étant donné les conditions initiales, telles que l’emplacement et la vitesse d’un objet, nous pouvons calculer où il ira. La physique quantique est probabiliste : on ne peut jamais dire avec une certitude absolue comment l’objet étudié se comportera.

La physique classique était mécaniste. Il repose sur le principe selon lequel ce n’est qu’en connaissant les différentes parties d’un objet que nous pouvons finalement comprendre de quoi il s’agit.

La physique quantique est holistique : elle dresse un tableau de l’Univers comme un tout, dont les parties sont interconnectées et s’influencent mutuellement.

Et peut-être plus important encore, la physique quantique a détruit l’idée d’une différence fondamentale entre sujet ou objet, observateur et observé – qui dominait les esprits scientifiques depuis 400 ans !

En physique du quart, l'observateur influence l'objet observé. Il n’existe pas d’observateurs isolés de l’Univers mécanique : tout participe à son existence.

CHOC #1 – ESPACE VIDE

L’une des premières fissures dans la structure solide de la physique newtonienne a été créée par la découverte suivante : les atomes sont les éléments constitutifs solides de l’Univers physique ! - constitués principalement d'espaces vides. À quel point vide ? Si vous agrandissez le noyau d’un atome d’hydrogène à la taille d’un ballon de basket, le seul électron en orbite autour de lui se trouverait à trente kilomètres de là, sans rien entre le noyau et l’électron. Alors, lorsque vous regardez autour de vous, rappelez-vous : la réalité, ce sont les plus petits points de matière entourés de vide.

Cependant, ce n’est pas entièrement vrai. Ce prétendu « vide » n’est pas réellement vide : il contient une quantité colossale d’énergie incroyablement puissante. Nous savons que l’énergie devient plus dense à mesure qu’elle se déplace vers un niveau de matière inférieur (par exemple, l’énergie nucléaire est un million de fois plus puissante que l’énergie chimique). Les scientifiques affirment désormais qu’il y a plus d’énergie dans un centimètre cube d’espace vide que dans toute la matière de l’univers connu. Bien que les scientifiques n’aient pas pu le mesurer, ils voient les résultats de cette mer d’énergie.

CHOC #2 – PARTICULE, VAGUE OU WAVEPARTICULE ?

Non seulement l’atome est presque entièrement constitué d’« espace », mais lorsque les scientifiques l’ont examiné plus en profondeur, ils ont découvert que les particules subatomiques (constituant l’atome) ne sont pas non plus solides. Et ils semblent avoir une double nature. Selon la manière dont on les observe, ils peuvent se comporter soit comme des microcorps solides, soit comme des ondes.

Les particules sont des objets solides individuels qui occupent une certaine position dans l'espace. Mais les ondes n’ont pas de « corps » ; elles ne sont pas localisées et ne se propagent pas dans l’espace.

En tant qu’onde, un électron ou un photon (particule de lumière) n’a pas d’emplacement précis, mais existe comme un « champ de probabilités ». Dans l'état de particule, le champ de probabilité « s'effondre » (s'effondre) en un objet solide. Ses coordonnées dans l’espace-temps à quatre dimensions peuvent déjà être déterminées.

C'est surprenant, mais l'état d'une particule (onde ou objet solide) est déterminé par des actes d'observation et de mesure. Les électrons non mesurés et inobservables se comportent comme des ondes. Dès que nous les soumettons à l’observation au cours de l’expérience, ils « s’effondrent » en particules solides et peuvent être enregistrés dans l’espace.

Mais comment quelque chose peut-il être à la fois une particule solide et une onde fluide ? Peut-être que le paradoxe sera résolu si l’on se souvient de ce que nous avons dit récemment : les particules se comportent comme des ondes ou comme des objets solides. Mais les concepts d'« onde » et de « particule » ne sont que des analogies tirées de notre monde quotidien. Le concept d'onde a été introduit dans la théorie quantique par Erwin Schrödinger. Il est l’auteur de la célèbre « équation des ondes », qui justifie mathématiquement l’existence des propriétés ondulatoires dans une particule solide avant l’acte d’observation. Certains physiciens - pour tenter d'expliquer quelque chose qu'ils n'ont jamais rencontré et qu'ils ne peuvent pas comprendre pleinement - appellent les particules subatomiques des « particules ondulatoires ».

CHOC #3 – SAUTS QUANTIQUES ET PROBABILITÉ

En étudiant l'atome, les scientifiques ont découvert que lorsque les électrons, tournant autour du noyau, se déplacent d'une orbite à l'autre, ils ne se déplacent pas dans l'espace comme des objets ordinaires. Non, ils parcourent la distance instantanément. Autrement dit, ils disparaissent à un endroit et apparaissent à un autre. Ce phénomène a été appelé un saut quantique.

De plus, les scientifiques se sont rendu compte qu’ils ne pouvaient pas déterminer exactement où sur la nouvelle orbite l’électron manquant apparaîtrait ni à quel moment il ferait un saut. Tout ce qu'ils pouvaient faire était de calculer la probabilité (sur la base de l'équation des ondes de Schrödinger) du nouvel emplacement de l'électron.

« La réalité, telle que nous la vivons, est créée à chaque instant dans la totalité d'innombrables possibilités », explique le Dr Satinover. « Mais le véritable secret est qu’il n’y a rien dans l’univers physique qui détermine quelle possibilité de cette totalité se réalisera. Il n’existe aucun processus qui établit cela.

Ainsi, les sauts quantiques sont les seuls événements véritablement aléatoires dans l’Univers.

CHOC #4 – LE PRINCIPE D’INCERTITUDE

En physique classique, tous les paramètres d’un objet, y compris ses coordonnées spatiales et sa vitesse, peuvent être mesurés avec une précision limitée uniquement par les capacités des technologies expérimentales. Mais au niveau quantique, chaque fois que vous déterminez une caractéristique quantitative d’un objet, comme la vitesse, vous ne pouvez pas obtenir de valeurs précises pour ses autres paramètres, comme les coordonnées. En d’autres termes : si vous savez à quelle vitesse un objet se déplace, vous ne pouvez pas savoir où il se trouve. Et vice versa : si vous savez où il se trouve, vous ne pouvez pas savoir à quelle vitesse il se déplace.

Aussi sophistiqués que soient les expérimentateurs, aussi avancées que soient les technologies de mesure qu’ils utilisent, ils sont incapables de regarder derrière ce voile.

Werner Heisenberg, l'un des pionniers de la physique quantique, a formulé le principe d'incertitude. Son essence est la suivante : quels que soient vos efforts, il est simultanément impossible d'obtenir des valeurs exactes des coordonnées et de la vitesse d'un objet quantique. Plus nous obtenons de précision dans la mesure d’un paramètre, plus l’autre devient incertain.

CHOC #5 - NONLOCALITÉ, PARADOXE EPR ET THÉORÈME DE BELL

Albert Einstein n'aimait pas la physique quantique. Évaluant la nature probabiliste des processus subatomiques décrits dans la physique quantique, il a déclaré : « Dieu ne joue pas aux dés avec l’Univers. » Mais Niels Bohr lui répondit : « Arrêtez d’enseigner à Dieu ce qu’il doit faire ! »

En 1935, Einstein et ses collègues Podolsky et Rosen (EPR) tentèrent de vaincre la théorie quantique. Les scientifiques, basés sur les principes de la mécanique quantique, ont mené une expérience de pensée et sont arrivés à une conclusion paradoxale. (Il était censé montrer l’infériorité de la théorie quantique). L'essence de leurs pensées est la suivante. Si nous avons deux particules apparaissant simultanément, cela signifie qu’elles sont interconnectées ou sont dans un état de superposition. Envoyons-les à différentes extrémités de l'Univers. Ensuite, nous changeons l'état d'une des particules. Ensuite, selon la théorie quantique, une autre particule atteint instantanément le même état. Immédiatement! À l'autre bout de l'univers !

Une telle idée était si ridicule qu’Einstein l’a sarcastiquement qualifiée d’« action surnaturelle à distance ». Selon sa théorie de la relativité, rien ne peut voyager plus vite que la lumière. Et dans l'expérience EPR, il s'est avéré que la vitesse d'échange d'informations entre les particules est infinie ! De plus, l’idée même qu’un électron puisse « suivre » l’état d’un autre électron à la limite opposée de l’Univers contredisait complètement les idées généralement acceptées sur la réalité, voire le bon sens.

Mais en 1964, le physicien théoricien irlandais John Bell a formulé et prouvé un théorème dont il découlait : les conclusions « ridicules » de l’expérience de pensée EPR sont vraies !

Les particules sont intimement liées à un niveau qui transcende le temps et l'espace. Ils sont donc capables d’échanger instantanément des informations.

L'idée selon laquelle tout objet dans l'Univers est local - c'est-à-dire existe à un seul endroit (point) dans l'espace - ce n'est pas vrai. Tout dans ce monde n'est pas local.

Néanmoins, ce phénomène constitue une loi valable de l’Univers. Schrödinger a déclaré que la relation entre les objets n’est pas le seul aspect intéressant de la théorie quantique, mais c’est aussi le plus important. En 1975, le physicien théoricien Henry Stapp a qualifié le théorème de Bell de « découverte la plus importante de la science ». Notez qu’il parlait de science, pas seulement de physique.

(L'article a été préparé sur la base des matériaux du livre de W. Arntz, B. Chace, M. Vicente « The Rabbit Hole, ou que savons-nous de nous-mêmes et de l'Univers ? », chapitre « Physique quantique ».)

La naissance de la théorie quantique. Effet photo.

Objectifs de la leçon:

1. Considérez le phénomène de l'effet photoélectrique et étudiez ses lois

2. Développer la logique, la capacité de travailler en binôme ; apprendre à simuler des processus sur un ordinateur.

3. Développer l'activité cognitive des écoliers à l'aide de matériel historique.

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Pendant les cours :

1. Conditions préalables à la création de la théorie quantique. (Histoire du professeur)

Fin du 19ème siècle. De nombreux scientifiques pensaient que le développement de la physique était achevé pour les raisons suivantes :

1. Les lois de la mécanique et la théorie de la gravitation universelle existent depuis plus de 200 ans.

2. Développé par MKT.

3. Podvé fournit une base solide pour la thermodynamique.

4. La théorie de Maxwell sur l'électromagnétisme est terminée.

5. Des lois fondamentales de conservation (énergie, impulsion, moment cinétique, masse et charge électrique) ont été découvertes.

A la fin du XIX - début du 20ème siècle découvert par V. Roentgen - X- rayons (rayons X), A. Becquerel - le phénomène de radioactivité, J. Thomson - électron. Cependant, la physique classique était incapable d’expliquer ces phénomènes.

La théorie de la relativité d'A. Einstein nécessitait une révision radicale du concept d'espace et de temps. Des expériences spéciales ont confirmé la validité de l'hypothèse de J. Maxwell sur la nature électromagnétique de la lumière. On pourrait supposer que l’émission d’ondes électromagnétiques par les corps chauffés est due au mouvement oscillatoire des électrons. Mais cette hypothèse devait être confirmée par la comparaison des données théoriques et expérimentales.

Pour une considération théorique des lois du rayonnement, nous avons utilisé modèle de corps noir , c'est-à-dire un corps qui absorbe complètement les ondes électromagnétiques de n'importe quelle longueur et, par conséquent, émet toutes les longueurs d'ondes électromagnétiques.

Un exemple de corps complètement noir en termes d'émissivité serait le Soleil en termes d'absorption, une cavité avec des parois miroir avec un petit trou.

Le physicien anglais J. Rayleigh a tenté une dérivation théorique plus rigoureuse de la loi de distribution de l'énergie. La loi a conduit à un bon accord avec les expériences dans le domaine des basses fréquences. Selon cette loi, l’intensité du rayonnement devrait augmenter proportionnellement au carré de la fréquence. Par conséquent, le rayonnement thermique devrait contenir de nombreux rayons ultraviolets et X, ce qui n'a pas été observé expérimentalement. Les difficultés à concilier la théorie avec les résultats expérimentaux sont appelées catastrophe ultraviolette.

Les lois de l'électromagnétisme obtenues par Maxwell étaient incapables d'expliquer la forme de la courbe de distribution d'intensité dans le spectre d'un corps absolument noir. À mesure que l'on s'éloigne de cette valeur, l'intensité du rayonnement électromagnétique diminue progressivement.

Essayant de surmonter les difficultés de la théorie classique pour expliquer le rayonnement du corps noir, M. Planck en 1900 M. a fait une hypothèse : les atomes émettent de l'énergie électromagnétique en portions séparées — quanta . Énergie E chaque portion est directement proportionnelle à la fréquence du rayonnement :

Ainsi, M. Planck a montré la voie à suivre pour sortir des difficultés rencontrées par la théorie du rayonnement thermique, après quoi la théorie physique moderne appelée la physique quantique .

2 . Concept d'effet photoélectrique

Dans le développement de la théorie quantique, une étape importante a été franchie dans l'étude d'un phénomène remarquable découvert par G. Hertz et soigneusement étudié par le physicien russe A.G. Stoletov. Ce phénomène est appelé effet photoélectrique.

Une vidéo est visionnée, après quoi les élèves définissent l'effet photoélectrique.

À la suite de recherches, trois lois de l'effet photoélectrique ont été établies.

1. L’intensité du courant de saturation est directement proportionnelle à l’intensité du rayonnement lumineux incident à la surface du corps.

2. L'énergie cinétique maximale des photoélectrons augmente linéairement avec la fréquence de la lumière et dépend de son intensité.

3. Si la fréquence de la lumière est inférieure à une certaine fréquence minimale déterminée pour une substance donnée, l'effet photoélectrique ne se produit pas.

La dépendance du photocourant à la tension est illustrée sur la figure.

3. Théorie de l'effet photoélectrique.

La théorie de l’effet photoélectrique a été créée par le scientifique allemand A. Einstein en 1905. La théorie d’Einstein est basée sur le concept du travail de travail des électrons d’un métal et sur le concept de rayonnement quantique de la lumière. Selon la théorie d'Einstein, l'effet photoélectrique a l'explication suivante : en absorbant un quantum de lumière, un électron acquiert de l'énergie. Cette énergie est utilisée pour effectuer la fonction de travail et transmettre de l’énergie cinétique à l’électron.

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hν - l'énergie photonique, qui va au travail de travail A de l'électron du métal et lui confère de l'énergie cinétique.

La fonction de travail est le travail minimum qui doit être effectué pour retirer un électron d’une substance.

Einstein a reçu le prix Nobel pour son équation de l'effet photoélectrique en 1921.

La théorie quantique fournit les explications suivantes pour les lois de l'effet photoélectrique.

À mesure que l'intensité du rayonnement monochromatique augmente, le nombre de quanta absorbés par le métal augmente et, par conséquent, le nombre d'électrons émis par celui-ci, le photocourant est donc directement proportionnel à l'intensité du rayonnement (1ère loi).

Ministère de l'Éducation et des Sciences de la Fédération de Russie

Établissement d'enseignement public fédéral d'enseignement professionnel secondaire "Collège Alekseevsky d'économie et de technologies de l'information"

"L'émergence et le développement de la physique quantique"

Complété par : élève du groupe 22

spécialités : 080110

Économie et comptabilité

(par secteur d'activité)

Rysikov Artem

Vérifié par : professeur d'enseignement général

Koryaka Lyudmila Mikhaïlovna

Alekseevka 2010

Introduction..…………………………………………………… …………………3

Chapitre I L'émergence et le développement de la physique quantique………………………4

1.1 Hypothèse quantique……………………………………………………... 8

1.2 La théorie de l'atome par I. Bohr. Principe de correspondance………………………...11

Chapitre II Problèmes de mécanique quantique…………………………………….13

1.4 Le problème de l'interprétation de la mécanique quantique............... .16

Conclusion……………………………………………………………19

Liste des références……………………………………………………………...2 0

Introduction

Selon l'image électromagnétique du monde, le monde qui entoure une personne est un milieu continu - un champ qui peut avoir différentes températures en différents points, concentrer différents potentiels d'énergie, se déplacer différemment, etc. Un milieu continu peut occuper de vastes zones d’espace, ses propriétés changent continuellement et il n’a pas de limites nettes. Ces propriétés distinguent le champ des corps physiques, qui ont des limites définies et claires. La division du monde en corps et particules de champ, en champ et espace témoigne de l'existence de deux propriétés extrêmes du monde : la discrétion et la continuité. La discrétion (discontinuité) du monde signifie la divisibilité finale de l'ensemble de la structure espace-temps en objets, propriétés et formes de mouvement séparés et limités, tandis que la continuité (continuité) exprime l'unité, l'intégrité et l'indivisibilité de l'objet.

Dans le cadre de la physique classique, la discrétion et la continuité du monde apparaissent initialement comme opposées l'une à l'autre, séparées et indépendantes, bien que dans l'ensemble elles soient complémentaires. En physique moderne, cette unité d’opposés, discrète et continue, a trouvé sa justification dans le concept de dualité onde-particule.

L'image moderne du monde quantique est basée sur une nouvelle théorie physique - la mécanique quantique, qui décrit l'état et le mouvement des micro-objets du monde matériel.

Chapitre I. L'émergence et le développement de la physique quantique

La mécanique quantique est une théorie qui établit la méthode de description et les lois du mouvement des microparticules (particules élémentaires, atomes, molécules, noyaux atomiques) et de leurs systèmes, ainsi que le lien entre les grandeurs caractérisant les particules et les systèmes avec les grandeurs physiques directement mesurées expérimentalement.

Les lois de la mécanique quantique constituent la base de l’étude de la structure de la matière. Ils permettent de clarifier la structure des atomes, d'établir la nature des liaisons chimiques, d'expliquer le système périodique des éléments et d'étudier les propriétés des particules élémentaires.

Puisque les propriétés des corps macroscopiques sont déterminées par le mouvement et l’interaction des particules qui les composent, les lois de la mécanique quantique sous-tendent la compréhension de la plupart des phénomènes macroscopiques. Par exemple, la mécanique quantique a permis de déterminer la structure et de comprendre de nombreuses propriétés des solides, d'expliquer de manière cohérente les phénomènes de ferromagnétisme, de superfluidité, de supraconductivité, de comprendre la nature des objets astrophysiques - naines blanches, étoiles à neutrons, et d'en clarifier le mécanisme. des réactions thermonucléaires dans le Soleil et les étoiles.

Le développement de la mécanique quantique remonte au début du 20e siècle, lorsque des phénomènes physiques ont été découverts, indiquant l'inapplicabilité de la mécanique newtonienne et de l'électrodynamique classique aux processus d'interaction de la lumière avec la matière et aux processus se produisant dans l'atome. L'établissement de liens entre ces groupes de phénomènes et les tentatives de les expliquer sur la base de la théorie ont conduit à la découverte des lois de la mécanique quantique.

Pour la première fois en science, les idées sur le quantique ont été exprimées en 1900 par M. Planck alors qu'il étudiait le rayonnement thermique des corps. Grâce à ses recherches, il a démontré que l'émission d'énergie se produit de manière discrète, dans certaines parties - des quanta dont l'énergie dépend de la fréquence de l'onde lumineuse. Les expériences de Planck ont ​​conduit à la reconnaissance de la double nature de la lumière, qui possède à la fois des propriétés corpusculaires et ondulatoires, représentant ainsi une unité dialectique de ces opposés. La dialectique, en particulier, s'exprime dans le fait que plus la longueur d'onde du rayonnement est courte, plus les propriétés quantiques apparaissent clairement ; Plus la longueur d’onde est longue, plus les propriétés ondulatoires de la lumière apparaissent brillantes.

En 1924, le physicien français L. de Broglie émet l'hypothèse que la dualité onde-particule est de nature universelle, c'est-à-dire Toutes les particules de matière ont des propriétés ondulatoires. Plus tard, cette idée a été confirmée expérimentalement et le principe de la dualité onde-particule a été étendu à tous les processus de mouvement et d'interaction dans le micromonde.

En particulier, N. Bohr a appliqué l'idée de quantification de l'énergie à la théorie de la structure atomique. Selon ses idées, au centre de l'atome se trouve un noyau chargé positivement, dans lequel est concentrée presque toute la masse de l'atome, et des électrons chargés négativement tournent sur des orbites autour du noyau. Les électrons en rotation doivent perdre une partie de leur énergie, ce qui entraîne l'existence instable des atomes. Cependant, dans la pratique, les atomes non seulement existent, mais sont également très stables. Pour expliquer ce problème, Bohr a suggéré qu'un électron, se déplaçant le long de son orbite, n'émet pas de quanta. Le rayonnement se produit uniquement lorsqu'un électron se déplace d'une orbite à une autre, c'est-à-dire d'un niveau d'énergie à un autre, avec moins d'énergie. Au moment de la transition, un quantum de rayonnement naît.

Conformément à l'image du champ quantique du monde, tout microobjet ayant des propriétés ondulatoires et corpusculaires n'a pas de trajectoire de mouvement spécifique et ne peut pas avoir certaines coordonnées et vitesses (impulsion). Cela ne peut être fait qu’en déterminant la fonction d’onde à un moment donné, puis en trouvant sa fonction d’onde à tout autre moment. Le carré du module donne la probabilité de trouver une particule en un point donné de l'espace.

De plus, la relativité de l'espace-temps dans cette image du monde conduit à l'incertitude des coordonnées et de la vitesse à un instant donné, à l'absence de trajectoire de mouvement d'un micro-objet. Et si en physique classique le comportement d'un grand nombre de particules était soumis à des lois probabilistes, alors en mécanique quantique le comportement de chaque microparticule n'est pas soumis à des lois dynamiques, mais statistiques.

Ainsi, la matière a deux faces : elle possède à la fois des propriétés corpusculaires et ondulatoires, qui se manifestent en fonction des conditions. Ainsi, l'image générale de la réalité dans l'image du monde quantique devient pour ainsi dire bidimensionnelle : d'une part, elle comprend les caractéristiques de l'objet étudié, et d'autre part, les conditions d'observation dans lesquelles la certitude de ces caractéristiques en dépend. Cela signifie que l'image de la réalité dans la physique moderne n'est pas seulement une image d'un objet, mais aussi une image du processus de sa cognition.

L'idée de mouvement change radicalement, ce qui ne devient qu'un cas particulier d'interactions physiques fondamentales. Il existe quatre types d’interactions physiques fondamentales : gravitationnelles, électromagnétiques, fortes et faibles. Tous sont décrits sur la base du principe moderne de l’action à courte portée. Conformément à cela, l'interaction de chaque type est transmise par le champ correspondant de point en point. Dans ce cas, la vitesse de transmission de l’interaction est toujours finie et ne peut excéder la vitesse de la lumière dans le vide (300 000 km/s).

La spécificité des concepts de régularité et de causalité des champs quantiques est qu’ils apparaissent toujours sous une forme probabiliste, sous la forme de lois dites statistiques. Ils correspondent à un niveau de connaissance plus profond des lois naturelles. Ainsi, il s'est avéré que notre monde est basé sur le hasard et la probabilité.

En outre, la nouvelle image du monde comprenait pour la première fois un observateur, de la présence duquel dépendaient les résultats de la recherche obtenus. De plus, le principe dit anthropique a été formulé, selon lequel notre monde n'est ce qu'il est que grâce à l'existence de l'homme. Désormais, l’émergence de l’homme est considérée comme un résultat naturel de l’évolution de l’Univers.

L'ÉMERGENCE ET LE DÉVELOPPEMENT DE LA PHYSIQUE QUANTIQUE

1.1 Hypothèse quantique

Les origines de la physique quantique se trouvent dans l’étude des processus de rayonnement des corps. Dès 1809, P. Prévost concluait que tout corps rayonne quel que soit son environnement. Développement de la spectroscopie au XIXe siècle. a conduit au fait que lors de l'étude des spectres d'émission, on commence également à prêter attention aux spectres d'absorption. Il s'avère qu'il existe un lien simple entre le rayonnement et l'absorption d'un corps : dans les spectres d'absorption, les parties du spectre émises par un corps donné sont absentes ou affaiblies. Cette loi n'a été expliquée que dans la théorie quantique.

G. Kirchhoff a formulé en 1860 une nouvelle loi selon laquelle pour un rayonnement de même longueur d'onde à la même température, le rapport des capacités d'émissivité et d'absorption est le même pour tous les corps. En d’autres termes, si EλT et AλT sont respectivement les capacités d’émission et d’absorption d’un corps, en fonction de la longueur d’onde λ et de la température T, alors

où φ(λ, T) est une fonction universelle de λ et T, la même pour tous les corps.

Kirchhoff a introduit le concept d'un corps absolument noir comme un corps qui absorbe tous les rayons tombant sur lui. Pour un tel corps, évidemment, AλT = 1 ; alors la fonction universelle φ(λ, T) est égale à l'émissivité d'un corps absolument noir. Kirchhoff lui-même n'a pas déterminé la forme de la fonction φ(λ, T), mais a seulement noté certaines de ses propriétés.

Lors de la détermination de la forme de la fonction universelle φ(λ, T), il était naturel de supposer que l'on pouvait utiliser des considérations théoriques, principalement les lois fondamentales de la thermodynamique. L. Boltzmann a montré que l'énergie totale de rayonnement d'un corps complètement noir est proportionnelle à la puissance quatre de sa température. Cependant, la tâche consistant à déterminer spécifiquement la forme de la fonction de Kirchhoff s'est avérée très difficile et les recherches dans ce sens, basées sur la thermodynamique et l'optique, n'ont pas abouti.

L'expérience a donné une image qui ne peut être expliquée du point de vue des concepts classiques : dans l'équilibre thermodynamique entre les atomes vibrants de la matière et le rayonnement électromagnétique, presque toute l'énergie est concentrée dans les atomes vibrants et seule une partie insignifiante en représente le rayonnement, alors que selon la théorie classique, presque toute l’énergie devrait aller au champ électromagnétique.

Dans les années 80 XIXème siècle Les études empiriques des modèles de distribution des raies spectrales et l'étude de la fonction φ(λ, T) sont devenues plus intensives et systématiques. L'équipement expérimental a été amélioré. Pour l'énergie de rayonnement d'un corps complètement noir, V. Wien en 1896 et J. Rayleigh et J. Jeans en 1900 ont proposé deux formules différentes. Comme les résultats expérimentaux l'ont montré, la formule de Wien est asymptotiquement correcte dans la région des ondes courtes et donne de fortes divergences avec l'expérience dans la région des ondes longues, et la formule de Rayleigh-Jeans est asymptotiquement correcte pour les ondes longues, mais n'est pas applicable aux ondes courtes. vagues.

En 1900, lors d'une réunion de la Société physique de Berlin, M. Planck proposa une nouvelle formule pour la répartition de l'énergie dans le spectre d'un corps soufré. Cette formule concordait pleinement avec l'expérience, mais sa signification physique n'était pas tout à fait claire. Une analyse plus approfondie a montré que cela n'a de sens que si l'on omet le fait que le rayonnement d'énergie ne se produit pas de manière continue, mais en portions limitées - quanta (ε). De plus, ε n’est pas n’importe quelle quantité, à savoir ε = hν, où h est une certaine constante et v est la fréquence de la lumière. Cela a conduit à la reconnaissance, à côté de l'atomisme de la matière, de l'atomisme de l'énergie ou de l'action, la nature discrète et quantique du rayonnement, qui n'entrait pas dans le cadre des concepts de la physique classique.

La formulation de l’hypothèse des quanta d’énergie a marqué le début d’une nouvelle ère dans le développement de la physique théorique. Avec beaucoup de succès, cette hypothèse a commencé à être utilisée pour expliquer d’autres phénomènes qui ne pouvaient être décrits sur la base des concepts de la physique classique.

Une étape essentiellement nouvelle dans le développement de l’hypothèse quantique a été l’introduction du concept de quanta de lumière. Cette idée a été développée en 1905 par Einstein et utilisée par lui pour expliquer l'effet photoélectrique. De nombreuses études ont apporté la preuve de la véracité de cette idée. En 1909, Einstein, poursuivant ses recherches sur les lois du rayonnement, montra que la lumière possède à la fois des propriétés ondulatoires et corpusculaires. Il est devenu de plus en plus évident que la dualité onde-particule du rayonnement lumineux ne peut pas être expliquée du point de vue de la physique classique. En 1912, A. Poincaré prouve enfin l'incompatibilité de la formule de Planck et de la mécanique classique. De nouveaux concepts, de nouvelles idées et un nouveau langage scientifique étaient nécessaires pour que les physiciens puissent comprendre ces phénomènes inhabituels. Tout cela est apparu plus tard – avec la création et le développement de la mécanique quantique.

Chapitre II Problèmes de mécanique quantique…………………………………….13
1.3 Création de la mécanique quantique non relativiste………………...13
1.4 Le problème de l'interprétation de la mécanique quantique............16
Conclusion…………………………………………………………………………………19
Liste des références……………………………………………………………...20