la mécanique quantique est la branche de la physique relative au très petit.
il en résulte ce qui peut sembler être des conclusions très étranges sur le monde physique. À l’échelle des atomes et des électrons, de nombreuses équations de la mécanique classique, qui décrivent comment les choses bougent à des tailles et des vitesses quotidiennes, cessent d’être utiles. En mécanique classique, les objets existent dans un endroit spécifique à un moment spécifique., Cependant, en mécanique quantique, les objets existent plutôt dans une brume de probabilité; ils ont une certaine chance d’être au point A, une autre chance d’être au point B et ainsi de suite.
trois principes révolutionnaires
la mécanique quantique (QM) s’est développée pendant de nombreuses décennies, commençant comme un ensemble d’explications mathématiques controversées d’expériences que les mathématiques de la mécanique classique ne pouvaient pas expliquer., Cela a commencé au tournant du 20ème siècle, à peu près au même moment où Albert Einstein a publié sa théorie de la relativité, une révolution mathématique distincte en physique qui décrit le mouvement des choses à grande vitesse. Contrairement à la relativité, cependant, les origines de QM ne peuvent être attribuées à un seul scientifique. Au contraire, plusieurs scientifiques ont contribué à la fondation de trois principes révolutionnaires qui ont progressivement été acceptés et vérifiés expérimentalement entre 1900 et 1930., Ce sont:
propriétés quantifiées: certaines propriétés, telles que la position, la vitesse et la couleur, ne peuvent parfois se produire que dans des quantités spécifiques et définies, un peu comme un cadran qui « clique » d’un numéro à l’autre. Cela a remis en question une hypothèse fondamentale de la mécanique classique, qui disait que de telles propriétés devraient exister sur un spectre lisse et continu. Pour décrire l’idée que certaines propriétés « cliqué » comme un cadran avec des paramètres spécifiques, les scientifiques ont inventé le mot « quantifiés. »
particules de lumière: la lumière peut parfois se comporter comme une particule., Cela a d’abord été vivement critiqué, car cela allait à l’encontre de 200 ans d’expériences montrant que la lumière se comportait comme une vague; un peu comme des ondulations à la surface d’un lac calme. La lumière se comporte de la même manière en ce qu’elle rebondit sur les murs et se plie dans les Coins, et que les crêtes et les creux de la vague peuvent s’additionner ou s’annuler. Les crêtes d’onde ajoutées produisent une lumière plus vive, tandis que les ondes qui s’annulent produisent de l’obscurité. Une source de lumière peut être considérée comme une boule sur un bâton étant rythmiquement plongé dans le centre d’un lac., La couleur émise correspond à la distance entre les crêtes, qui est déterminée par la vitesse du rythme de la balle.
ondes de matière: la matière peut aussi se comporter comme une onde. Cela allait à l’encontre des quelque 30 années d’expériences montrant que la matière (comme les électrons) existe sous forme de particules.
propriétés quantifiées?
en 1900, le physicien allemand Max Planck a cherché à expliquer la distribution des couleurs émises sur le spectre dans la lueur d’objets chauffés au rouge et au blanc, tels que les filaments d’ampoules., En donnant un sens physique à l’équation qu’il avait dérivée pour décrire cette distribution, Planck s’est rendu compte que cela impliquait que des combinaisons de certaines couleurs seulement (bien qu’un grand nombre d’entre elles) étaient émises, en particulier celles qui étaient des multiples de nombres entiers d’une valeur de base. En quelque sorte, les couleurs ont été quantifiées! C’était inattendu parce que la lumière était comprise comme une onde, ce qui signifie que les valeurs de couleur devraient être un spectre continu. Qu’est-ce qui pourrait interdire aux atomes de produire les couleurs entre ces multiples de nombres entiers?, Cela semblait si étrange que Planck considérait la quantification comme rien de plus qu’une astuce mathématique. Selon Helge Kragh dans son article de 2000 dans Physics World magazine, « Max Planck, le révolutionnaire réticent », » si une révolution a eu lieu en physique en décembre 1900, personne ne semblait le remarquer. Planck ne faisait pas exception … »
l’équation de Planck contenait également un nombre qui deviendrait plus tard très important pour le développement futur de QM; aujourd’hui, elle est connue sous le nom de « constante de Planck. »
La quantification a aidé à expliquer d’autres mystères de la physique., En 1907, Einstein a utilisé L’hypothèse de Planck de quantification pour expliquer pourquoi la température d’un solide changeait de différentes quantités si vous mettez la même quantité de chaleur dans le matériau mais changeait la température de départ.
Depuis le début des années 1800, la science de la spectroscopie a montré que différents éléments émettent et absorbent des couleurs spécifiques de lumière appelées « raies spectrales. »Bien que la spectroscopie soit une méthode fiable pour déterminer les éléments contenus dans des objets tels que des étoiles lointaines, les scientifiques se sont demandé pourquoi chaque élément émettait ces lignes spécifiques en premier lieu., En 1888, Johannes Rydberg a dérivé une équation qui décrivait les raies spectrales émises par l’hydrogène, bien que personne ne puisse expliquer pourquoi l’équation fonctionnait. Cela a changé en 1913 lorsque Niels Bohr a appliqué L’hypothèse de la quantification de Planck au modèle « planétaire » de L’atome D’Ernest Rutherford de 1911, qui postule que les électrons orbitent autour du noyau de la même manière que les planètes orbitent autour du soleil. Selon Physics 2000 (un site de L’Université du Colorado), Bohr a proposé que les électrons étaient limités à des orbites « spéciales » autour du noyau d’un atome., Ils pouvaient « sauter » entre des orbites spéciales, et l’énergie produite par le saut provoquait des couleurs de lumière spécifiques, observées sous forme de raies spectrales. Bien que les propriétés quantifiées aient été inventées comme une simple astuce mathématique, elles ont tellement expliqué qu’elles sont devenues le principe fondateur de QM.
particules de lumière?
en 1905, Einstein a publié un article, « Concerning an Heuristic Point of View towards the Emission and Transformation of Light », dans lequel il envisageait la lumière voyageant non pas comme une onde, mais comme une sorte de « Quanta d’énergie., »Ce paquet d’énergie, a suggéré Einstein, pourrait « être absorbé ou généré uniquement dans son ensemble », en particulier lorsqu’un atome « saute » entre des taux de vibration quantifiés. Cela s’appliquerait également, comme cela serait montré quelques années plus tard, lorsqu’un électron « saute » entre des orbites quantifiées. Selon Ce modèle, les « quanta d’énergie » d’Einstein contenaient la différence d’énergie du saut; lorsqu’ils sont divisés par la constante de Planck, cette différence d’énergie déterminait la couleur de la lumière portée par ces quanta.,
Avec cette nouvelle façon d’envisager la lumière, Einstein a offert un aperçu du comportement de neuf phénomènes différents, y compris les couleurs spécifiques que Planck a décrites émises par un filament d’ampoule. Il a également expliqué comment certaines couleurs de lumière pourraient éjecter des électrons des surfaces métalliques, un phénomène connu sous le nom « effet photoélectrique. »Cependant, Einstein n’était pas tout à fait justifié de faire ce saut, a déclaré Stephen Klassen, professeur agrégé de physique à l’Université de Winnipeg., Dans un article de 2008, « the Photoelectric Effect: Rehabilitating the Story for the Physics Classroom », Klassen déclare que les quanta d’énergie D’Einstein ne sont pas nécessaires pour expliquer tous ces neuf phénomènes. Certains traitements mathématiques de la lumière en tant qu’onde sont encore capables de décrire à la fois les couleurs spécifiques que Planck a décrites émises par un filament d’ampoule et l’effet photoélectrique., En effet, dans la victoire controversée D’Einstein du prix Nobel 1921, le Comité Nobel a seulement reconnu « sa découverte de la loi de l’effet photoélectrique », qui ne reposait pas spécifiquement sur la notion de Quanta d’énergie.
Environ deux décennies après L’article D’Einstein, le terme « photon » a été popularisé pour décrire les quanta d’énergie, grâce aux travaux de 1923 D’Arthur Compton, qui a montré que la lumière diffusée par un faisceau d’électrons changeait de couleur. Cela a montré que des particules de lumière (photons) entraient en collision avec des particules de matière (électrons), confirmant ainsi L’hypothèse D’Einstein., Maintenant, il était clair que la lumière pouvait se comporter à la fois comme une onde et une particule, plaçant la « dualité onde-particule » de la lumière dans le fondement de QM.
ondes de matière?
Depuis la découverte de l’électron en 1896, la preuve que toute la matière existait sous forme de particules se construisait lentement. Pourtant, la démonstration de la dualité onde-particule de la lumière a amené les scientifiques à se demander si la matière se limitait à agir uniquement en tant que particules. Peut-être que la dualité onde-particule pourrait également sonner vraie pour la matière?, Le premier scientifique à faire des progrès substantiels avec ce raisonnement était un physicien français nommé Louis de Broglie. En 1924, de Broglie a utilisé les équations de la théorie de la relativité restreinte D’Einstein pour montrer que les particules peuvent présenter des caractéristiques semblables à des ondes et que les ondes peuvent présenter des caractéristiques semblables à des particules. Puis en 1925, deux scientifiques, travaillant de manière indépendante et utilisant des lignes de pensée mathématiques distinctes, ont appliqué le raisonnement de de Broglie pour expliquer comment les électrons sifflaient dans les atomes (un phénomène inexplicable en utilisant les équations de la mécanique classique)., En Allemagne, le physicien Werner Heisenberg (en collaboration avec Max Born et Pascual Jordan) a accompli cela en développant « la mécanique matricielle. »Le physicien autrichien Erwin Schrödinger a développé une théorie similaire appelée » mécanique des ondes. »Schrödinger a montré en 1926 que ces deux approches étaient équivalentes (bien que le physicien suisse Wolfgang Pauli ait envoyé un résultat inédit à Jordan montrant que la mécanique matricielle était plus complète).,
le modèle Heisenberg-Schrödinger de l’atome, dans lequel chaque électron agit comme une onde (parfois appelée « nuage ») autour du noyau d’un atome a remplacé le modèle Rutherford-Bohr. Une stipulation du nouveau modèle était que les extrémités de l’onde qui forme un électron doivent se rencontrer. Dans « la Mécanique Quantique dans la Chimie, 3e Ed. »(W. A. Benjamin, 1981), Melvin Hanna écrit: « L’imposition des conditions aux limites a limité l’énergie à des valeurs discrètes., »Une conséquence de cette stipulation est que seuls des nombres entiers de crêtes et de creux sont autorisés, ce qui explique pourquoi certaines propriétés sont quantifiées. Dans le modèle de Heisenberg-Schrödinger de l’atome, les électrons obéissent à une « fonction d’onde » et occupent des « orbitales » plutôt que des orbites. Contrairement aux orbites circulaires du modèle Rutherford-Bohr, les orbitales atomiques ont une variété de formes allant des sphères aux haltères en passant par les marguerites.,
en 1927, Walter Heitler et Fritz London ont développé la mécanique ondulatoire pour montrer comment les orbitales atomiques pouvaient se combiner pour former des orbitales moléculaires, montrant efficacement pourquoi les atomes se lient les uns aux autres pour former des molécules. C’était encore un autre problème qui avait été insoluble en utilisant les mathématiques de la mécanique classique. Ces idées ont donné naissance au domaine de la » chimie quantique. »
le principe d’incertitude
toujours en 1927, Heisenberg a apporté une autre contribution majeure à la physique quantique., Il a estimé que puisque la matière agit comme des ondes, certaines propriétés, telles que la position et la vitesse d’un électron, sont « complémentaires », ce qui signifie qu’il y a une limite (liée à la constante de Planck) à la précision de chaque propriété. En vertu de ce que l’on appellerait le « principe d’incertitude de Heisenberg », on a estimé que plus la position d’un électron est connue avec précision, moins sa vitesse peut être connue avec précision, et vice versa. Ce principe d’incertitude s’applique également aux objets de taille quotidienne, mais n’est pas perceptible car le manque de précision est extraordinairement minuscule., Selon Dave Slaven du Morningside College (Sioux City, IA), si la vitesse d’une balle de baseball est connue avec une précision de 0,1 mph, la précision maximale à laquelle il est possible de connaître la position de la balle est de 0,000000000000000000000008 millimètres.
en avant
Les principes de la quantification, de la dualité onde-particule et du principe d’incertitude ont inauguré une nouvelle ère pour QM., En 1927, Paul Dirac a appliqué une compréhension quantique des champs électriques et magnétiques pour donner lieu à l’étude de la « théorie quantique des champs » (QFT), qui traitait les particules (telles que les photons et les électrons) comme des états excités d’un champ physique sous-jacent. Le travail en QFT s’est poursuivi pendant une décennie jusqu’à ce que les scientifiques rencontrent un obstacle: de nombreuses équations en QFT ont cessé de donner un sens physique parce qu’elles produisaient des résultats infinis. Après une décennie de stagnation, Hans Bethe a fait une percée en 1947 en utilisant une technique appelée « renormalisation., »Ici, Bethe s’est rendu compte que tous les résultats infinis liés à deux phénomènes (spécifiquement « auto-énergie électronique » et « polarisation du vide ») tels que les valeurs observées de masse et de charge électronique pourraient être utilisées pour faire disparaître tous les infinis.
Depuis la percée de la renormalisation, QFT a servi de base pour développer des théories quantiques sur les quatre forces fondamentales de la nature: 1) électromagnétisme, 2) la force nucléaire faible, 3) la force nucléaire forte et 4) gravité., Le premier aperçu fourni par QFT était une description quantique de l’électromagnétisme par « électrodynamique quantique » (QED), qui a fait des progrès à la fin des années 1940 et au début des années 1950. ensuite, une description quantique de la force nucléaire faible, qui a été unifiée avec l’électromagnétisme pour construire la « théorie électrofaible » (EWT) tout au long des années 1960. QED, EWT et QCD forment ensemble la base du modèle standard de la physique des particules. , Malheureusement, QFT n’a pas encore produit de théorie quantique de la gravité. Cette quête se poursuit aujourd’hui dans les études de la théorie des cordes et de la gravitation quantique à boucles.
Robert Coolman est chercheur diplômé à L’Université du Wisconsin-Madison, terminant son doctorat en génie chimique. Il écrit sur les mathématiques, la science et la façon dont ils interagissent avec l’histoire. Suivez Robert @ PrimeViridian. Suivez-nous @LiveScience, Facebook & Google+.