Kuantum fiziği

Kuantum fiziği bir dizi genel adıdır teoriler fiziksel doğan XX inci  davranışını tarif yüzyılın atomu ve partiküllerin ve belirli özelliklerini açıklamak için izin elektromanyetik radyasyon .

Gibi izafiyet teorisi , "kuantum" denilen teorinin artık ne denir ile mola işaretlemek klasik fizik teorilerini ve bilinen fiziksel ilkeleri, XIX inci  dahil - yüzyıl Newton mekaniği ve elektromanyetik teori arasında Maxwell  - ve hangi bazı fiziksel özellikleri açıklamaya izin vermedi.

Kuantum fiziği , oyundaki fenomenleri anlamak için kuantum mekaniği yasalarının kullanılmasının gerekli olduğu tüm fizik alanlarını kapsar.Kuantum mekaniği, evrenin nesnelerini oluşturan madde parçacıklarının ve bu nesneleri canlandıran kuvvet alanlarının temel teorisidir. .

Tarih

Sırasında XIX inci  yüzyıl crystallographers ve kimyagerler atomların varlığını kanıtlamak için çalışıyorum, ancak yalnızca başlangıcıdır XX inci  kalıcı yoluyla tespit edilecektir yüzyıl X-ışını kırınımı . Bunları modellemek için maddenin nicelleştirilmesi, kuantum fiziğini doğuran gerekli bir adımdır. 1900 yılında Max Planck , madde ile enerji alışverişinin küçük miktarlarda gerçekleştiğini varsaymıştı: “  kuanta  ”.

Louis de Broglie daha sonra atomun doğru bir şekilde modellenmesini sağlayan kuantum mekaniğini başlattı. Kuantum fiziği sonunda klasik fiziğin tüm alanlarını tek bir disipline dahil etti. Parçacık hızlandırıcıları sonra atomu gibi daha temel parçacıkların, oluşan göstermektedir proton veya nötron , kendileri oluşan kuark . Öyle kuantum alan teorisi temelinde inşa kuantum elektrodinamik, tüm anlatacağız temel parçacıklar .

Genel Bakış

Kuantum fiziği, felsefeye (sorgulayan determinizm ) ve edebiyata ( bilimkurgu ) kadar yansımaları olan bir kavramsal devrim yarattı . : Bu teknolojik uygulamaları bir dizi sağladı nükleer enerjinin , tıbbi görüntüleme ile nükleer manyetik rezonans , diyot , transistörü , entegre devrenin , elektron mikroskobu ve lazer . Bunu gebe sonra bir inşa edildiği, yoğun araştırma kullanılan kimya teorik ( kuantum kimyası ), fizik ( kuantum mekaniği , kuantum alan teorisi , yoğunlaştırılmış madde fiziği , nükleer fizik , parçacık fiziği , istatistiksel fizik kuantum, astrofizik , kuantum çekimi içinde) matematik (alan teorisinin resmileştirilmesi) ve son zamanlarda bilgisayar bilimlerinde ( kuantum bilgisayarlar , kuantum kriptografisi ). O ile kabul edilir genel görelilik ait Einstein iki büyük teoriler biri olarak XX inci  yüzyılın .

Kuantum fiziğinin sezgilere aykırı (şok "sağduyu") olduğu ve zorlu matematiksel formalizm gerektirdiği bilinmektedir. Feynman , ikinci yarısında kuantum fiziğinin önde gelen uzmanları teorisyenlerin biri XX inci  yüzyıl ve yazdı:

"Sanırım kimsenin kuantum fiziğini gerçekten anlamadığını rahatlıkla söyleyebilirim. "

Bu zorlukların ana nedeni, kuantum dünyasının ( sonsuz küçüklükle sınırlı , ancak potansiyel olarak daha büyük ölçekte yansımaları olan) alışık olduğumuz makroskopik ortamdan çok farklı davranmasıdır. Bu iki dünyayı birbirinden ayıran bazı temel farklılıklar örneğin:

Kuantum ve yaşam

Canlılar dünyasında, sonsuz küçüğün bu kurallarına uyan fenomenler var mı? Son yıllarda biyolojinin çeşitli alanlarında yapılan çalışmalar bunun böyle olduğunu göstermektedir. Bu sonuçlar, makroskopik dünyanın kuantum eşevresizlik etkilerine izin vermeyecek kadar kaotik olduğu yönündeki genel kabul görmüş düşünceye aykırıdır . Canlılar, en azından fotosentez açısından, parçacıkların bu düzensiz hareketinden yararlanabilecektir. Koku reseptörleri bağlıdır gibi tünel etkisi , diğer yapısal olarak benzer molekülleri ayırt etmek için izin veren, aynı koku molekülleri, içinde elektron taşımak. Bazı bakteriyel protein yapıları , olası tüm yolların en iyi elektron taşıma kanalını "hesaplayan" ilkel kuantum bilgisayarlar gibi davranır .

Fotosentez üzerine yapılan son çalışmalar, fotonların kuantum dolaşıklığının , bitki krallığının bu temel işleyişinde önemli bir rol oynadığını ortaya çıkardı; şu anda güneş enerjisi üretimini optimize etmek için taklit etmeye çalıştığımız bir fenomen .

Geko kıl yüzeylerine yapışma, herhangi bir klasik moleküler etkileşim olmaksızın sanal parçacıkları içeren kuantum doğasının etkileşimleri olan van der Waals kuvvetleri aracılığıyla çalışır . Bu fenomen, askeri ve sivil uygulamalar için de incelenmektedir.

Deneyimlerin listesi

Amerikalı fizikçiler, Harvard'da profesör ve bu keşfin kökeninde bulunan ekibin başkanı John Kovac'ın sözleriyle "günümüzde kozmolojideki en önemli hedeflerden" birine ulaşarak Big Bang'in ilk anlarının izlerini gözlemlemeyi başardılar. içinde Mart 2014. 13,8 milyar yıl önce Evrenin doğuşunu işaret eden Büyük Patlama'nın oluşumuna, "kuantum boşluğundaki dalgalanmalar tarafından yaratılan" ilkel yerçekimi dalgalarının emisyonu eşlik etti ve teoriler, onların varlığının "belirli fotonları belirli bir şekilde kutuplaştıracağını, bir "vorteks"e benzer . Bu dalgaların fosil radyasyonu üzerinde bıraktığı izlerin gözlemi Bicep2 teleskopu ile yapıldı. Alan Guth'a (MIT) göre, "Bu tamamen yeni bir kozmolojik kanıttır ve enflasyonist görüşten bağımsızdır" ve bu çalışma "kesinlikle "Nobel Ödülü'ne değerdir" . Ancak bu duyuru, Galaksideki tozun etkilerini ayırt edebilen Planck uydusu tarafından yapılan ölçümler tarafından yalanlandı.

genç yarıklar

Orijinal deney ait Thomas Young , iki ışık ışınları girişim haline gelebileceğini ışık gösteren dalga hareketler tespit etmişti. Young'ın tek bir parçacıkla gerçekleştirilen yarık deneyi (emisyon kaynağının bir seferde yalnızca bir kuantum yaydığından emin olarak ), tek bir elektronun "kendisiyle girişimde bulunduğunu" ve iki yarık çıkışında girişim saçakları oluşturduğunu gösterecektir. eğer birbirine müdahale eden iki parçacık akışı olsaydı.

Aharonov-Bohm etkisi (Ehrenberg ve Siday)

Klasik mekanikte, yüklü bir parçacığın yörüngesi, bu alanın dışındaysa manyetik alanın varlığından etkilenmez. Aharonov-Bohm etkisi David Bohm ve 1959 yılında Ehrenberg ve Siday tarafından 1949 yılında tanımlanmış ve yeniden keşfedilen bir fenomen, Yakir Aharonov . Aşağıdaki paradoksu anlatıyor :

"Bir manyetik alan (mavi daire B , karşıt), uzayın bir bölgesini belli bir mesafede etkileyebilir , öte yandan vektör potansiyeli kaybolmamıştır. "

Aharonov-Bohm etkisi bu nedenle kuantum mekaniğinin temeli olanın elektrik ve manyetik alanlar değil elektromanyetik potansiyeller olduğunu gösterir. Kuantum fiziğinde, yararlı bir matematiksel varlık olan manyetik vektör potansiyeli gerçek etkilere sahip olabilir.

Stern ve Gerlach deneyi

Stern ve Gerlach deneyi mikroskobik dünyanın tamamen kuantum doğasını göstermek için ilk kişilerden biri ve daha özel oldu dönüş . 1921-1922'de uzaysal niceleme hipotezini test etmek için inşa edilmiş, kuantum mekaniğinin gelişimi sayesinde beş yıl sonrasına kadar tatmin edici bir teorik açıklama elde edemedi.

En Boy Deneyimi

Aspect deneyi olduğu tarihsel, tatmin edici yalanladı ilk deney Bell eşitsizlikleri böylece fenomeni doğrulayarak, kuantum fizikte kuantum dolanması ve deneysel bir cevap veren EPR paradoksu .

Somut olarak, dolanık durumda iki fotonun üretilmesini, ardından polarizasyonlarının ölçülmesini gerçekleştirmek için onları ayırmayı içerir. Birinci fotonun ölçümü daha sonra %50 verme ve verme şansına sahipken, ikinci foton hemen aynı durumda yansıtılır. Paradoks, iki fotonun bu bilgiyi ışık hızından daha hızlı değiş tokuş ediyor gibi görünmesi gerçeğinden kaynaklanmaktadır. Ancak bu nokta ilgili değildir çünkü bu yolla hiçbir bilgi iletilemez.

Ancak kuantum dolaşıklığı, bir şifreleme anahtarının kuantum kriptografisi tarafından kullanılan güvenli bir şekilde değiş tokuşunu mümkün kılar .

Gecikmeli Seçim Kuantum Silgi Deneyi

Gecikmeli seçim kuantum silgi deneyi bir uzantısıdır Alain Aspect adlı ve Young yarıklar deneyde , ama görünen tanıtır bir olmak zamanında örtülü geribildirim  : geçmişe mevcut bir etki.

yorumlar

Ölçümle bağlantılı paradokslar şu soruya yol açar: Kuantum fiziği gerçekliği tanımlar mı?

Ölçüm probleminin çözüm ağacı
  Kuantum teorisi
 
 
                             
Gerçeği temsil etmek anlamına gelmez     Gerçeği tam olarak temsil etmiyor     Tamamen gerçekliği temsil eder
       
                                 
         
Pozitivizm Değiştirilmiş kuantum yasaları bilincin etkisi Ek bir değişkenin eklenmesi: pozisyon kuantum eşevresizliği çoklu evrenler
                 
Stephen Hawking
Niels Bohr
Roger penrose Eugene Wigner De Broglie-Bohm teorisi Roland Omnès
Murray Gell-Mann
James Hartle
Hugh Everett
David Deutsch
       
Giancarlo Ghirardi
Alberto Rimini
Wilhelm Eduard Weber
John von Neumann
Fritz Londra ve Edmond Bauer
John çan Hans-Dieter Zeh
Wojciech Zurek
 
Bernard d'Espagnat
Olivier Costa de Beauregard

" Gizli değişkenli  " teoriler

Kuantum fiziğinin doğuşu

Kara cisim ve ultraviyole felaketi

Klasik fizik teorilerine göre , termodinamik dengedeki siyah bir cismin sonsuz bir akı yaydığına inanılır. Daha doğrusu, dalga boyu bandı tarafından yayılan enerji , zamanın fizikçileri için ultraviyolede dalga boyu sıfıra yaklaştığında sonsuza doğru yönelmelidir , çünkü o sırada ne X-ışınları ne de ışınların gaması bilinmiyordu. Bu ultraviyole felaketi .

Kuantanın fizikte tanıtılması

1900 yılında Max Planck tarafından termal dengede siyah cismin radyasyonu üzerine yapılan çalışmaya kadar uzanır . Isıtılmış bir boşluk , duvarlar tarafından hemen emilen elektromanyetik radyasyon (ışık) yayar . Işık spektrumunu, emisyon enerjisi değişimi ve absorpsiyonunun ( ) teorik hesaplamasıyla açıklamak için , Planck bu değişimlerin süreksiz ve ışık radyasyonunun frekansıyla ( ) orantılı olduğunu varsaymak zorunda kaldı : .

Radyasyon ve atomların nicelenmesi

In 1905 , o (bir sistem için durumların frekansları o) Einstein bu süreksiz olan enerjinin sadece alışverişini olduğunu düşünmeye önderlik etti olasılıklar için fiziksel bir anlam verdi bir termodinamik, takip eden açıklama, ancak enerji ışık radyasyonunun kendisi.

Bu enerjinin ışık dalgasının frekansıyla orantılı olduğunu gösterdi: .

Bu hemen 20 yıl önce Hertz tarafından gözlemlenen fotoelektrik etkinin açıklamasını verdi.

fotoelektrik etki

Enerji , bu enerji daha büyük olan ya da aynı zamanda çıkışlı çalışma denilen elektron, bağlanma enerjisine eşit olması halinde bir atom bağlanmış elektron ışık kuantum getirdiği serbest bırakılmaya izin verir ilişkinin tesiri de,:

ikincisi tarafından elde edilen kinetik enerji nerede . Bu eşik etkisi, klasik elektromanyetik teoride sürekli ışık enerjisi anlayışında açıklanamazdı.

Klasik elektromanyetik teorinin sınırlamaları

Einstein daha sonra radyasyonun bu özelliğinin klasik elektromanyetik teoriye (Maxwell tarafından geliştirilen) indirgenemez bir karşıtlık içinde olduğunu fark etti.

1906 gibi erken bir tarihte , bu teorinin atom alanında değiştirilmesi gerektiğini açıkladı.

Teorik fizik, Maxwell denklemleri olarak adlandırılan ve sürekli değişen niceliklere karşılık gelen diferansiyel denklemlerin kullanımına dayandığından, bu değişikliğin nasıl elde edilmesi gerektiği açık değildi .

kuantum hipotezi

Kuantum teorisinin gücüne rağmen , çok az fizikçi klasik elektromanyetik teorinin geçersiz kılınabileceğini hayal etme eğilimindeydi. Einstein daha sonra atomik fenomenlerin ve radyasyonun klasik tanımlamadan kopan diğer yönlerini vurgulamaya çalıştı. Böylece kuantum hipotezini radyasyonun özelliklerinin ötesinde, düşük sıcaklıklardaki özgül ısılar üzerindeki çalışmasıyla atomların enerjisine kadar genişletti. Klasik teori tarafından gözlemlenen ancak açıklanamayan bir fenomen olan mutlak sıfırda cisimlerin özgül ısılarının iptalini buldu.

Diğer fizikçiler (P. Ehrenfest, W. Nernst, H.-A. Lorentz, H. Poincaré), Planck'ın kendisinin kabul etmekte tereddüt ettiği kuantum hipotezinin kaçınılmaz olduğu sonucuna varmak için yavaş yavaş ona katıldı.

Ancak, yine de genel olarak sadece enerji alışverişi için kabul edildi.

Kültürde

Romançizgi roman

Notlar ve referanslar

  1. Hladık 2008 , s.  3.
  2. Hladık 2008 , s.  4.
  3. Richard Feynman, Fiziksel Hukukun Karakteri (1965).
  4. bilim için n o  407, Eylül 2011, s. 22 ve devamı, Viatko Vedral'ın yazdığı “Kuantum bir dünyada yaşamak”.
  5. Top P. Yaşam fiziği: Kuantum biyolojisinin doğuşu . Doğa. 15 Haziran 2011; 474 (7351): 272-4.
  6. (içinde) Mark Anderson , "  Discovermagazine.com  " , Discovermagazine.com,13 Ocak 2009( 23 Ekim 2010'da erişildi )
  7. (içinde) "  Kuantum mekaniği fotosentezi artırır  " , fizik dünyası.com ( 23 Ekim 2010'da erişildi )
  8. (içinde) Geko kıllarında van der Waals yapışması için kanıt  " (14 Nisan 2012'de İnternet Arşivinde yayınlandı ) , kılların özellikleri üzerine bilimsel makale [PDF]
  9. David Larousserie, "  Güney Kutbundan, Büyük Patlamanın yankıları  " , limonde.fr'de ,17 Mart 2014( 27 Şubat 2020'de erişildi ) .
  10. (içinde) "  Yeni bir analiz, yerçekimi dalgalarının tespitini geçersiz kılıyor  " , Institute of Theoretical Physics Perimeter'de ,3 Şubat 2015( 15 Ekim 2015'te erişildi ) .
  11. Gecikmeli Seçim Kuantum Silgisi

Şuna da bakın:

bibliyografya

Popülerleştirme kitapları

Son çalışmalar

Daha eski eserler

Üniversite ders kitapları Kavramların tarihsel gelişimi
  • Jagdish Mehra & Helmut Rechenberg, Kuantum Teorisinin Tarihsel Gelişimi , Springer-Verlag (1982-2002), ( ISBN  0-387-95262-4 ) . 6 cilt, 9 kitap, 5889 sayfalık kutu (!) Ayrı ayrı temin edilebilen kitaplar:
    • Uçuş. 1: Planck, Einstein, Bohr & Sommerfeld'in Kuantum Teorisi: Temelleri ve Zorluklarının Yükselişi (1900-1925) , Bölüm 1: ( ISBN  978-0-387-95174-4 ) .
    • Uçuş. 1: Planck, Einstein, Bohr & Sommerfeld'in Kuantum Teorisi: Temelleri ve Zorluklarının Yükselişi (1900-1925) , Bölüm 2: ( ISBN  0-387-95175-X ) .
    • Uçuş. 2: Kuantum Mekaniğinin Keşfi, 1925 , ( ISBN  0-387-95176-8 ) .
    • Uçuş. 3: Matris Mekaniğinin Formülasyonu ve Değişiklikleri. 1925-1926 , ( ISBN  0-387-95177-6 ) .
    • Uçuş. 4, Bölüm 1: Kuantum Mekaniğinin Temel Denklemleri (1925-1926) ve Bölüm 2: Yeni Kuantum Mekaniğinin Alımı , ( ISBN  0-387-95178-4 ) .
    • Uçuş. 5: Erwin Schrödinger & Dalga Mekaniğinin Yükselişi , Bölüm 1: Viyana ve Zürih'te Schrödinger (1887-1925)
    • Uçuş. 5: Erwin Schrödinger & Dalga Mekaniğinin Yükselişi , Bölüm 2: Dalga Mekaniğinin Yaratılması: Erken Tepkiler ve Uygulamalar (1925-1926) , ( ISBN  0-387-95180-6 ) .
    • Uçuş. 6: Kuantum Mekaniğinin Tamamlanması (1926-1941) , Bölüm 1: Olasılık Yorumu ve İstatistiksel Dönüşüm Teorisi, Kuantum Mekaniğinin Fiziksel Yorumu ve Ampirik ve Matematiksel Temelleri (1926-1932) , ( ISBN  0-387-95181 -4 )
    • Uçuş. 6: Kuantum Mekaniğinin Tamamlanması (1926-1941) , Bölüm 2: Kavramsal Tamamlama ve Kuantum Mekaniğinin Uzantıları (1932-1941) - Son Söz: Kuantum Teorisinin Daha İleri Gelişiminin Yönleri (1942-1999) , ( ISBN  0 -387-95182-2 ) .
  • John von Neumann Kuantum mekaniğinin temelleri matematiği "Kuantum Mekaniğinin Matematiksel Temelleri", ed. Jacques Gabay, 1992, ( ISBN  978-2-87647-047-7 )
Kuantum fiziğine farklı teorik yaklaşımların karşılaştırılması
  • Daniel F. Styer, Miranda S. Balkin, Kathryn M. Becker, Matthew R. Burns, Christopher E. Dudley, Scott T. Forth, Jeremy S. Gaumer, Mark A. Kramer, David C. Oertel, Leonard H. Park, Marie T. Rinkoski, Clait T. Smith ve Timothy D. Wotherspoon, Nine Formulations of Quantum Mechanics . Amerikan Fizik Dergisi . 70 (3),Mart 2002, 288-297.
Diğer işler
  • Thierry Lombry, A Century of Physics: 1 - Kuantum Fiziği , Aegeus, 2005
  • Carlos Calle et al. , Süper sicimler ve diğer teller: Fiziğin kalbine yolculuk , Dunod, 2004
  • Gordon Kane, Süpersimetri , Le Pommier, 2003
  • Robert Gilmore, Alice kuantum diyarında , Le Pommier-Fayard, 2000
  • Brian Greene, The Elegant Universe (Superstrings and Theory M) , Robert Laffont, 2000
  • Maurice Duquesne, Matière ve antimatière , PUF, coll. Ne biliyorum?, 767, 2000
  • Martin Gardner, İki Elli Evren , Seuil, 1995
  • Murray Gell-Mann, Kuark ve Jaguar. Basit ve karmaşıkın kalbine yolculuk , Albin Michel Sciences, 1995
  • OECD Megascience Forumu, Parçacık Fiziği , OECD, 1995
  • Bernard d'Espagnat, Peçeli Gerçek, Kuantum Kavramlarının Analizi , Fayard, 1994
  • Sven Ortoli ve J.-M. Pelhate, Kuantum Macerası , Belin, 1993
  • Paul Davies, Yeni Fizik , Flammarion Sciences, 1993
  • Jean-Pierre Pharabod ve B. Pire, Fizikçilerin Rüyası , Odile Jacob, 1993
  • Bernard d'Espagnat ve Etienne Klein, Saygılarımızla , Fayard, 1993
  • Robert Forward ve Joel Davis, Antimaddenin Gizemleri , Ed. Du Rocher, 1991
  • J. Briggs ve D. Peat, A Turbulent Mirror , InterEditions, 1990
  • Émile Meyerson , Kuantum fiziğinde gerçeklik ve determinizm , 1933
  • Françoise Balibar, Alain Laverne, Jean-Marc Lévy-Lebond, Dominique Mouhanna, Quantum: elementler , CEL,2007( çevrimiçi okuyun )
Vikikitap'ta

İlgili Makaleler

Dış bağlantılar