Fizyki kwantowej to ogólna nazwa zestawu teorii fizycznych ur XX p wieku opisujących zachowanie atomów oraz cząsteczek i umożliwiają wyjaśnić pewne właściwości promieniowania elektromagnetycznego .
Jako teorii względności , teoria zwana „kwantowy” oznaczyć przerwę z tym, co obecnie nazywa się fizyka klasyczna , która obejmuje teorie i zasady fizyczne znanych XIX th century - tym newtonowskiej mechaniki i elektromagnetycznej teorii o Maxwell -, i które nie pozwolił wyjaśnić pewnych właściwości fizycznych.
Fizyka kwantowa obejmuje wszystkie dziedziny fizyki, w których wykorzystanie praw mechaniki kwantowej jest koniecznością zrozumienia występujących w grze zjawisk.Mechanika kwantowa jest podstawową teorią cząstek materii stanowiących obiekty wszechświata oraz pól sił ożywiających te obiekty .
Podczas XIX TH krystalografowie wieku i chemicy starają się udowodnić istnienie atomów, ale to dopiero początek XX th wieku będą one trwale identyfikowane przez dyfrakcji rentgenowskiej . Aby je zamodelować, kwantyfikacja materii jest niezbędnym krokiem, który daje początek fizyce kwantowej. W 1900 roku Max Planck postawił hipotezę, że wymiana energii z materią odbywa się w małych ilościach: „ kwanty ”.
Louis de Broglie zainicjował następnie mechanikę kwantową, która umożliwiła prawidłowe modelowanie atomu. Fizyka kwantowa ostatecznie pochłonęła wszystkie obszary fizyki klasycznej w jedną dyscyplinę. W akceleratory następnie pokazać, że atomy składają się z więcej cząstek elementarnych, jak protonu lub neutronu , składa się z twarogu . To właśnie kwantowa teoria pola , zbudowana z elektrodynamiki kwantowej, opisze wszystkie cząstki elementarne .
Fizyka kwantowa przyniosła konceptualną rewolucję, która miała swoje reperkusje nawet w filozofii (kwestionowanie determinizmu ) iw literaturze ( sc science fiction ). To pozwoliło szereg zastosowań technologicznych: energetyki jądrowej , obrazowania medycznego przez magnetycznego rezonansu jądrowego , diody , tranzystora , układu scalonego , mikroskopu elektronowego i lasera . Sto od poczęcia, to jest szeroko stosowane w badaniach w chemii teoretycznej ( kwantowa chemii ), fizyki ( mechaniki kwantowej , teoretycznego pola kwantowe , skondensowane fizyki materii , fizyki jądrowej , fizyki cząstek , fizyki statystycznej kwantowej astrofizyka , Quantum grawitacyjne ) w matematyce (formalizacja teorii pola), a ostatnio w informatyce ( komputery kwantowe , kwantowa kryptografia ). Jest uważany z ogólnej teorii względności z Einsteinem jako jeden z dwóch głównych teoriach XX -go wieku .
Wiadomo, że fizyka kwantowa jest sprzeczna z intuicją (szok „zdrowy rozsądek”) i wymaga żmudnego formalizmu matematycznego. Feynman , jeden z czołowych specjalistów teoretyków fizyki kwantowej w drugiej połowie XX th wieku i napisał:
„Myślę, że mogę śmiało powiedzieć, że nikt tak naprawdę nie rozumie fizyki kwantowej. "
Główną przyczyną tych trudności jest to, że świat kwantowy (ograniczony do nieskończenie małych , ale potencjalnie wywołujący reperkusje na większą skalę) zachowuje się zupełnie inaczej niż makroskopowe środowisko, do którego jesteśmy przyzwyczajeni. Niektóre fundamentalne różnice dzielące te dwa światy to na przykład:
Czy w świecie żywych istnieją zjawiska podlegające tym regułom nieskończenie małego? W ostatnich latach badania z różnych dziedzin biologii wskazują, że tak właśnie jest. Wyniki te stoją w sprzeczności z ogólnie przyjętą ideą, że świat makroskopowy jest zbyt chaotyczny, aby umożliwić efekty kwantowej dekoherencji . Żywe istoty mogłyby skorzystać z tego nieuporządkowanego mieszania cząstek, przynajmniej w odniesieniu do fotosyntezy. Te receptory zapach wydają się zależeć od efektu tunelowego , przeprowadzenie elektronów wewnątrz samych zapachowych cząsteczek, która pozwala na odróżnienie inne strukturalnie podobne cząsteczki. Niektóre struktury białek bakteryjnych zachowują się jak prymitywne komputery kwantowe , "obliczając" najlepszy kanał transportu elektronów ze wszystkich możliwych ścieżek.
Ostatnie prace nad fotosyntezą ujawniły, że splątanie kwantowe fotonów odgrywa zasadniczą rolę w tej fundamentalnej operacji królestwa roślin, zjawisku, które obecnie próbujemy naśladować, aby zoptymalizować produkcję energii słonecznej .
Adhezja do powierzchni szczecin gekona działa dzięki siłom van der Waalsa , oddziaływaniom o charakterze kwantowym, które obejmują wirtualne cząstki bez żadnych klasycznych oddziaływań molekularnych. Zjawisko to jest również badane pod kątem zastosowań wojskowych i cywilnych.
Amerykańskim fizykom udało się zaobserwować ślad pierwszych momentów Wielkiego Wybuchu, osiągając jeden z „najważniejszych celów dzisiejszej kosmologii” jak mówi John Kovac, profesor na Harvardzie i szef zespołu, który stworzył to odkrycie w marzec 2014. Wystąpieniu Wielkiego Wybuchu oznaczającego narodziny Wszechświata 13,8 miliarda lat temu towarzyszyła emisja pierwotnych fal grawitacyjnych „powstałych przez fluktuacje w próżni kwantowej”, a teorie przewidują, że ich obecność „spolaryzowałaby niektóre fotony w określony sposób, analogiczny do „wiru” . Obserwację odcisku, jaki te fale pozostawiły na promieniowaniu kopalnym, przeprowadzono za pomocą teleskopu Bicep2. Dla Alana Gutha (MIT) „Jest to zupełnie nowy dowód kosmologiczny i niezależny od poglądu inflacyjnego” , a ta praca „jest” zdecydowanie „warta Nagrody Nobla” . Ale temu ogłoszeniu zaprzeczyły pomiary wykonane przez satelitę Planck, który był w stanie odróżnić wpływ pyłu w Galaktyce.
Oryginalny eksperyment z Thomas Young zidentyfikował zachowanie fali światła pokazując, że dwie wiązki światła może przyjść do zakłóceń. Doświadczenie Younga ze szczeliną , przeprowadzone na pojedynczej cząstce (upewniając się, że źródło emisji emituje tylko jeden kwant na raz ) pokaże, że pojedynczy elektron „interferuje ze sobą” i wytwarza prążki interferencyjne na wyjściu dwóch szczelin, jak gdyby były to dwa przenikające się strumienie cząstek.
W mechanice klasycznej na trajektorię naładowanej cząstki nie może wpływać obecność pola magnetycznego, jeśli znajduje się ona poza tym polem. Efekt Aharonova-Bohma jest zjawiskiem kwantowym opisany w 1949 roku przez Ehrenberg i Siday i odkryte w 1959 roku przez Davida Bohma i Yakir Aharonov . Opisuje następujący paradoks :
„Pole magnetyczne (niebieskie kółko B , naprzeciw) może wpływać na obszar przestrzeni na odległość, z drugiej strony potencjał wektora nie zniknął. "
Efekt Aharonova-Bohma pokazuje zatem, że to potencjały elektromagnetyczne, a nie pola elektryczne i magnetyczne, są podstawą mechaniki kwantowej. W fizyce kwantowej użyteczna jednostka matematyczna, magnetyczny potencjał wektorowy, może mieć realne skutki.
Eksperyment Stern i Gerlach był jednym z pierwszych, aby wykazać czysto kwantowy charakter mikroskopowego świata, a zwłaszcza z korkociągu . Zbudowany w latach 1921-1922 w celu sprawdzenia hipotezy przestrzennej kwantyfikacji, dopiero pięć lat później, dzięki rozwojowi mechaniki kwantowej, mógł uzyskać zadowalający opis teoretyczny.
Eksperyment obrazu jest historycznie pierwszym doświadczeniu, które zadowalająco potwierdzona nierówności Bell fizyki kwantowej sposób sprawdzania zjawiska splątania oraz zapewnienie odpowiedź doświadczalnie z paradoksem EPR .
Konkretnie polega ona na wytworzeniu dwóch fotonów w stanie splątanym, a następnie ich rozdzieleniu, aby ostatecznie przeprowadzić pomiar ich polaryzacji. Pomiar pierwszego fotonu ma wtedy 50% szansy na oddanie i tyle samo, podczas gdy drugi foton jest natychmiast rzucany w tym samym stanie. Paradoks wynika z faktu, że dwa fotony wydają się wymieniać te informacje z prędkością większą niż prędkość światła. Ten punkt jest jednak nieistotny, ponieważ w ten sposób nie można przekazać żadnych informacji.
Splątanie kwantowe umożliwia jednak bezpieczną wymianę klucza szyfrującego, co jest wykorzystywane przez kryptografię kwantową .
Opóźniony eksperyment wybór kwantowa gumka jest przedłużeniem Alain Aspect i Younga rozcięcia eksperymentu , ale wprowadza co wydaje się być niejawna zwrotne w czasie : efektem obecnych na przeszłości.
Paradoksy związane z pomiarami prowadzą do pytania: czy fizyka kwantowa opisuje rzeczywistość?
Drzewo rozwiązań problemu pomiarowego | |||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Teoria kwantowa | |||||||||||||||||
Nie ma reprezentować rzeczywistości | Nie w pełni reprezentuje rzeczywistość | Całkowicie reprezentuje rzeczywistość | |||||||||||||||
Pozytywizm | Zmodyfikowane prawa kwantowe | Wpływ świadomości | Dodanie dodatkowej zmiennej: pozycja | Dekoherencja kwantowa | Wiele wszechświatów | ||||||||||||
Stephen Hawking Niels Bohr |
Roger Penrose | Eugeniusz Wigner | Teoria de Broglie-Bohma |
Roland Omnes Murray Gell-Mann James Hartle |
Hugh Everett David Deutsch |
||||||||||||
Giancarlo Ghirardi Alberto Rimini Wilhelm Eduard Weber |
John von Neumann Fritz Londyn & Edmond Bauer |
Jan dzwonek |
Hans-Dieter Zeh Wojciech Żurek |
||||||||||||||
Bernard d'Espagnat Olivier Costa de Beauregard |
Teorie "z ukrytymi zmiennymi "
Zgodnie z klasycznymi teoriami fizyki uważa się, że ciało doskonale czarne w równowadze termodynamicznej promieniuje nieskończonym strumieniem. Dokładniej, energia promieniowana przez pasmo długości fali musi dążyć do nieskończoności, gdy długość fali zbliża się do zera, w ultrafiolecie dla ówczesnych fizyków, ponieważ ani promienie rentgenowskie, ani promienie gamma nie były wówczas znane. To katastrofa ultrafioletowa .
Pochodzi z prac przeprowadzonych w 1900 roku przez Maxa Plancka nad promieniowaniem ciała doskonale czarnego w równowadze termicznej. Ogrzana wnęka emituje promieniowanie elektromagnetyczne (światło) natychmiast pochłaniane przez ściany. Aby uwzględnić widmo światła przez teoretyczne obliczenia wymiany energii emisji i absorpcji ( ), Planck musiał założyć, że wymiany te są nieciągłe i proporcjonalne do częstotliwości ( ) promieniowania świetlnego: .
W 1905 r. , kierując się rozumowaniem termodynamicznym, w którym nadał prawdopodobieństwu znaczenie fizyczne (częstotliwości stanów układu), Einstein doszedł do wniosku, że nie tylko wymiana energii jest nieciągła, ale energia samo promieniowanie świetlne.
Pokazał, że energia ta jest proporcjonalna do częstotliwości fali świetlnej: .
To natychmiast dało wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego obserwowanego 20 lat wcześniej przez Hertza.
Energia dostarczona przez kwant światła do elektronu związanego w atomie pozwala na jego uwolnienie, jeśli energia ta jest większa lub równa energii wiązania elektronu, nazywana również pracą wyjściową , ze względu na zależność:
gdzie jest energia kinetyczna nabyta przez ten ostatni. Ten efekt progowy był niewytłumaczalny w ciągłej koncepcji energii świetlnej w klasycznej teorii elektromagnetycznej.
Einstein zdał sobie wtedy sprawę, że ta właściwość promieniowania była nieredukowalna w opozycji do klasycznej teorii elektromagnetycznej (opracowanej przez Maxwella).
Już w 1906 ogłosił, że teoria ta powinna zostać zmodyfikowana w polu atomowym.
Nie było jasne, w jaki sposób należy uzyskać tę modyfikację, ponieważ fizyka teoretyczna opierała się na wykorzystaniu równań różniczkowych, zwanych równaniami Maxwella , odpowiadających stale zmieniającym się wielkościom.
Pomimo potęgi teorii kwantowej niewielu fizyków było skłonnych przypuszczać, że klasyczna teoria elektromagnetyczna może zostać unieważniona. Einstein starał się następnie zwrócić uwagę na inne aspekty zjawisk atomowych i promieniowania, które zerwały z klasycznym opisem. W ten sposób rozszerzył hipotezę kwantową, poza właściwości promieniowania, na energię atomów, pracując nad ciepłami właściwymi w niskich temperaturach. Odkrył, że znoszenie ciepła właściwego ciał wynosi zero absolutne, zjawisko obserwowane, ale niewytłumaczalne przez klasyczną teorię.
Inni fizycy (P. Ehrenfest, W. Nernst, H.-A. Lorentz, H. Poincaré) stopniowo dołączali do niego, aby dojść do wniosku, że hipoteza kwantowa jest nieunikniona, co sam Planck wahał się przyznać.
Jednak nadal był ogólnie akceptowany tylko dla giełd energii.
Ostatnie prace
Starsze prace