La physique quantique est généralement intimidante dès le départ. C’est un peu bizarre et peut sembler contre-intuitif, même pour les physiciens, qui traitent de tous les jours. Mais il n’est pas incompréhensible. Si vous lisez quelque chose sur la physique quantique, il y a vraiment six concepts clés à ce sujet que vous devriez garder à l’esprit. Faites-le, et vous trouverez la physique quantique beaucoup plus facile à comprendre.
Tout Est Fait De Vagues; Aussi, les Particules
la Lumière à la fois comme une particule et une onde., (Crédit Image: Fabrizio Carbone / EPFL)
Il y a beaucoup d’endroits pour commencer ce genre de discussion, et c’est aussi bon que n’importe lequel: tout dans l’univers a à la fois la nature des particules et celle des ondes. Il y a une ligne dans la duologie fantastique de Greg Bear (The Infinity Concerto and the Serpent Mage), où un personnage décrivant les bases de la magie dit « tout est des vagues, sans rien onduler, sur aucune distance. »J’ai toujours aimé cela comme une description poétique de la physique quantique deep au fond, tout dans l’univers a une nature ondulatoire.,
bien sûr, tout dans l’univers a aussi la nature des particules. Cela semble complètement fou, mais c’est un fait expérimental, élaboré par un processus étonnamment familier:
(Il y a aussi une version animée de cela que j’ai fait pour TED-Ed).
bien sûr, décrire des objets réels comme des particules et des ondes est nécessairement quelque peu imprécis., À proprement parler, les objets décrits par la physique quantique ne sont ni des particules ni des ondes, mais une troisième catégorie qui partage certaines propriétés des ondes (une fréquence et une longueur d’onde caractéristiques, certaines réparties dans l’espace) et certaines propriétés des particules (elles sont généralement dénombrables et peuvent être localisées dans une certaine mesure)., Cela conduit à un débat animé au sein de la communauté de l’enseignement de la physique pour savoir s’il est vraiment approprié de parler de la lumière en tant que particule dans les cours de physique d’introduction; non pas parce qu’il y a une controverse sur le fait que la lumière ait une nature de particule, mais parce J’ai tendance à ne pas être d’accord avec cela, car beaucoup des mêmes préoccupations pourraient être soulevées au sujet de l’appel des électrons « particules », mais cela constitue une source fiable de conversations de blog.,
Cette « porte numéro trois » des objets quantiques se reflète dans le langage parfois déroutant que les physiciens utilisent pour parler des phénomènes quantiques. Le boson de Higgs a été découvert au Grand collisionneur de hadrons en tant que particule, mais vous entendrez également des physiciens parler du « champ de Higgs » comme d’une chose délocalisée remplissant tout l’espace., Cela se produit parce que dans certaines circonstances, telles que les expériences de collisionneur, il est plus pratique de discuter des excitations du champ de Higgs d’une manière qui met l’accent sur les caractéristiques de type particule, tandis que dans d’autres circonstances, comme une discussion générale sur la raison pour laquelle certaines particules ont une masse, il est plus pratique C’est juste un langage différent décrivant le même objet mathématique.,
la Physique Quantique Est Discret
Ces oscillations créé une image de « frozen » de la lumière. (Crédit: Princeton)
c’est juste là dans le nom the le mot « quantum » vient du Latin pour « combien » et reflète le fait que les modèles quantiques impliquent toujours quelque chose venant en quantités discrètes. L’énergie contenue dans un champ quantique se présente en multiples entiers d’une énergie fondamentale., Pour la lumière, ceci est associé à la fréquence et à la longueur d’onde de la lumière-la lumière à haute fréquence et à courte longueur d’onde a une grande énergie caractéristique, laquelle lumière à basse fréquence et à longue longueur d’onde a une petite énergie caractéristique.
dans les deux cas, cependant, l’énergie totale contenue dans un champ de lumière particulier est un multiple entier de cette énergie-1, 2, 14, 137 fois-jamais une fraction étrange comme un et demi, π ou la racine carrée de deux., Cette propriété se voit également dans les niveaux d’énergie discrets des atomes, et les bandes d’énergie des solides-certaines valeurs d’énergie sont autorisées, d’autres ne le sont pas. Les horloges atomiques fonctionnent en raison de la discrétion de la physique quantique, en utilisant la fréquence de la lumière associée à une transition entre deux états autorisés dans le césium pour maintenir le temps à un niveau nécessitant la « seconde bissextile » très discutée ajoutée la semaine dernière.
la spectroscopie Ultra-précise peut également être utilisée pour rechercher des choses comme la matière noire, et fait partie de la motivation d’un institut de physique fondamentale à basse énergie.,
ce n’est pas toujours évident– même certaines choses qui sont fondamentalement quantiques, comme le rayonnement du corps noir, semblent impliquer des distributions continues. Mais il y a toujours une sorte de granularité à la réalité sous-jacente si vous creusez dans les mathématiques, et c’est une grande partie de ce qui conduit à l’étrangeté de la théorie.,
la physique quantique est probabiliste
(crédit: Graham Barclay/Bloomberg News)
l’un des aspects les plus surprenants et (historiquement, au moins) controversés de la physique quantique est qu’il est impossible de prédire avec certitude le résultat d’une seule expérience sur un système quantique., Lorsque les physiciens prédisent le résultat d’une expérience, la prédiction prend toujours la forme d’une probabilité pour trouver chacun des résultats possibles particuliers, et les comparaisons entre la théorie et l’expérience impliquent toujours d’inférer des distributions de probabilité à partir de nombreuses expériences répétées.
La description mathématique d’un système quantique prend généralement la forme d’une « fonction d’onde, généralement représentés par des équations par la lettre grecque psi: Ψ., Il y a beaucoup de débats sur ce que représente exactement cette fonction d’onde, se décomposant en deux camps principaux: ceux qui pensent à la fonction d’onde comme une chose physique réelle (le terme de jargon pour ces théories est « ontique », conduisant une personne spirituelle à qualifier leurs partisans de « psi-ontologues ») et ceux qui pensent à la fonction d’onde comme une simple expression de notre connaissance (ou de son absence) concernant l’état sous-jacent d’un objet quantique particulier (théories »épistémiques »).,
dans l’une ou l’autre classe de modèle fondamental, la probabilité de trouver un résultat n’est pas donnée directement par la fonction d’onde, mais par le carré de la fonction d’onde (vaguement parlant, de toute façon; la fonction d’onde est un objet mathématique complexe (ce qui signifie qu’elle implique des nombres imaginaires comme la racine carrée de négatif un), et l’opération pour obtenir la probabilité est légèrement plus impliquée, mais « carré de la fonction d’onde » suffit pour obtenir l’idée de base)., Ceci est connu sous le nom de « règle Born » après le physicien allemand Max Born qui l’a suggéré pour la première fois (dans une note de bas de page à un article en 1926), et frappe certaines personnes comme un ajout ad hoc laid. Il y a un effort actif dans certaines parties de la communauté des fondations quantiques pour trouver un moyen de dériver la règle Born d’un principe plus fondamental; à ce jour, aucun d’entre eux n’a été pleinement réussi, mais cela génère beaucoup de science intéressante.
C’est aussi l’aspect de la théorie qui conduit à des choses comme des particules dans plusieurs états en même temps., Tout ce que nous pouvons prédire est la probabilité, et avant une mesure qui détermine un résultat particulier, le système mesuré est dans un état indéterminé qui correspond mathématiquement à une superposition de toutes les possibilités avec des probabilités différentes., Que vous considériez cela comme le système étant vraiment dans tous les États à la fois, ou simplement dans un état inconnu dépend en grande partie de vos sentiments à propos des modèles ontiques par rapport aux modèles épistémiques, bien que ceux-ci soient tous deux soumis aux contraintes de l’élément suivant de la liste:
la physique quantique est Non locale
La dernière grande contribution D’Einstein à la physique n’a pas été largement reconnue comme telle, principalement parce qu’il avait tort., Dans un article de 1935 avec ses jeunes collègues Boris Podolsky et Nathan Rosen (le « papier EPR »), Einstein a fourni une déclaration mathématique claire de quelque chose qui le dérangeait depuis un certain temps, une idée que nous appelons maintenant « l’enchevêtrement. »
le document EPR a fait valoir que la physique quantique permettait l’existence de systèmes où les mesures effectuées à des endroits largement séparés pouvaient être corrélées de manière à suggérer que le résultat de l’un était déterminé par l’autre., Ils ont soutenu que cela signifiait que les résultats de la mesure devaient être déterminés à l’avance, par un facteur commun, parce que la solution de rechange nécessiterait de transmettre le résultat d’une mesure à l’emplacement de l’autre à des vitesses plus rapides que la vitesse de la lumière., Ainsi, la mécanique quantique doit être incomplète, une simple approximation d’une théorie plus profonde (une théorie de la « variable cachée locale », une théorie où les résultats d’une mesure particulière ne dépendent pas de quelque chose de plus éloigné de l’emplacement de mesure qu’un signal pourrait voyager à la vitesse de la lumière (« locale »), mais sont déterminés par un facteur commun aux deux systèmes dans une paire intriquée (la « variable cachée »)).,
cela a été considéré comme une note de bas de page étrange pendant une trentaine d’années, car il ne semblait pas y avoir de moyen de le tester, mais au milieu des années 1960, le physicien irlandais John Bell a étudié les conséquences de L’article EPR plus en détail. Bell a montré que vous pouvez trouver des circonstances dans lesquelles la mécanique quantique prédit des corrélations entre des mesures éloignées qui sont plus fortes que toute théorie possible du type préféré par E, P et R., Ceci a été testé expérimentalement au milieu des années 1970 par John Clauser, et une série d’expériences par Alain Aspect au début des années 1980 est largement considérée comme ayant définitivement montré que ces systèmes enchevêtrés ne peuvent être expliqués par aucune théorie locale des variables cachées.
l’approche la plus courante pour comprendre ce résultat est de dire que la mécanique quantique est non locale: que les résultats des mesures effectuées à un endroit particulier peuvent dépendre des propriétés d’objets éloignés d’une manière qui ne peut pas être expliquée en utilisant des signaux se déplaçant à la vitesse de la lumière., Cela ne permet cependant pas l’envoi d’informations à des vitesses supérieures à la vitesse de la lumière, bien qu’il y ait eu un certain nombre de tentatives pour trouver un moyen d’utiliser la non-localité quantique pour le faire. Réfuter ceux-ci s’est avéré être une entreprise étonnamment productive check consultez Comment les Hippies ont sauvé la physique de David Kaiser pour plus de détails. La non-localité quantique est également au cœur du problème de l’information dans l’évaporation des trous noirs, et de la controverse sur le « pare-feu » qui a généré beaucoup d’activité récente., Il y a même des idées radicales impliquant une connexion mathématique entre les particules enchevêtrées décrites dans le document EPR et les trous de ver.
la Physique Quantique Est (pour la Plupart) Très Petit
les Images d’un atome d’hydrogène, comme vu à travers un télescope quantique. (Crédit: Stodolna et coll. Phys. Rév…. Lett.)
La physique quantique a la réputation d’être bizarre parce que ses prédictions sont radicalement différentes de notre expérience quotidienne (du moins, pour les humains the la vanité de mon livre est que cela ne semble pas si bizarre aux chiens)., Cela se produit parce que les effets impliqués deviennent plus petits à mesure que les objets grossissent-si vous voulez voir un comportement quantique sans ambiguïté, vous voulez essentiellement voir les particules se comporter comme des ondes, et la longueur d’onde diminue à mesure que l’élan augmente. La longueur d’onde d’un objet macroscopique comme un chien traversant la pièce est si ridiculement minuscule que si vous agrandissiez tout de sorte qu’un seul atome dans la pièce ait la taille de l’ensemble du système solaire, la longueur d’onde du chien aurait la taille d’un seul atome dans ce système solaire.,
Cela signifie que, pour la plupart, les phénomènes quantiques sont confinés à l’échelle des atomes et des particules élémentaires, où les masses et les vitesses sont assez petites pour que les longueurs d’onde afin d’obtenir suffisamment grand pour observer directement. Il y a un effort actif dans un tas de domaines, cependant, pour pousser la taille des systèmes montrant des effets quantiques à des tailles plus grandes., J’ai blogué un tas d’expériences du groupe de Markus Arndt montrant un comportement ondulatoire dans des molécules de plus en plus grandes, et il y a un tas de groupes dans « opto-mécanique de cavité » essayant d’utiliser la lumière pour ralentir le mouvement de morceaux de silicium jusqu’au point où la nature quantique discrète du mouvement deviendrait claire. Il y a même quelques suggestions qu’il pourrait être possible de le faire avec des miroirs suspendus ayant des masses de plusieurs grammes, ce qui serait incroyablement cool.,
la Physique Quantique n’Est Pas de la Magie
bande Dessinée de la « survie du Monde » par Dante Berger. (http://survivingtheworld.net/Lesson1518.html )… Utilisé avec permission.
Le point précédent conduit très naturellement à celui-ci: aussi bizarre que cela puisse paraître, la physique quantique n’est absolument pas de la magie. Les choses qu’il prédit sont étranges selon les normes de la physique quotidienne, mais elles sont rigoureusement contraintes par des règles et des principes mathématiques bien compris.,
donc, si quelqu’un vient à vous avec une idée « quantique » qui semble trop belle pour être vraie energy énergie libre, pouvoirs de guérison mystiques, pulsions spatiales impossibles it c’est presque certainement le cas. Cela ne signifie pas que nous ne pouvons pas utiliser la physique quantique pour faire des choses étonnantes you Vous pouvez trouver de la physique vraiment cool dans la technologie banale.mais ces choses restent bien dans les limites des lois de la thermodynamique et juste le bon sens de base.
alors voilà: l’essentiel de la physique quantique., J’ai probablement laissé de côté certaines choses, ou fait des déclarations qui ne sont pas suffisamment précises pour plaire à tout le monde, mais cela devrait au moins servir de point de départ utile pour d’autres discussions.
