Quantenphysik

Die Quantenphysik ist die allgemeine Bezeichnung einer Reihe von Theorien physikalischer geboren XX - ten  Jahrhunderts , dass das Verhalten der beschreiben Atom und Partikel und erlauben , bestimmte Eigenschaften der aufzuklären elektromagnetischen Strahlung .

Da die Relativitätstheorie , markiert die Theorie namens „Quantum“ einen Bruch mit dem, was jetzt genannt wird , die klassische Physik , die auf den bekannten Theorien und physikalische Prinzipien umfasst XIX - ten  Jahrhundert - einschließlich der Newtonschen Mechanik und die elektromagnetischen Theorie von Maxwell  - und welche erlaubte es nicht, bestimmte physikalische Eigenschaften zu erklären.

Die Quantenphysik deckt alle Bereiche der Physik ab, in denen die Anwendung der Gesetze der Quantenmechanik eine Notwendigkeit zum Verständnis der Phänomene ist. Die Quantenmechanik ist die grundlegende Theorie der Materieteilchen, die die Objekte des Universums bilden, und der Kraftfelder, die diese Objekte animieren .

Geschichte

Während des XIX - ten  Jahrhundert Kristallographen und Chemiker versuchen , die Existenz von Atomen zu beweisen, aber es ist nur der Anfang des XX - ten  Jahrhunderts wird sie permanent durch die identifiziert werden Röntgenbeugung . Um sie zu modellieren, ist die Quantifizierung von Materie ein notwendiger Schritt, der die Quantenphysik hervorbringt. 1900 stellte Max Planck die Hypothese auf, dass der Energieaustausch mit Materie in kleinen Mengen stattfindet: den „  Quanten  “.

Louis de Broglie initiierte daraufhin die Quantenmechanik, die es ermöglichte, das Atom korrekt zu modellieren. Die Quantenphysik vereinte schließlich alle Bereiche der klassischen Physik in einer einzigen Disziplin. Die Teilchenbeschleuniger zeigen dann, dass die Atome aus mehr Elementarteilchen wie Proton oder Neutron bestehen , die wiederum aus Quark bestehen . Es ist die Quantenfeldtheorie , die auf der Quantenelektrodynamik aufgebaut ist und alle Elementarteilchen beschreiben wird .

Gesamtübersicht

Die Quantenphysik bewirkte eine konzeptionelle Revolution mit Rückwirkungen sogar in die Philosophie (Befragung des Determinismus ) und in die Literatur ( Science Fiction ). Es hat eine Reihe von technologischen Anwendungen ermöglicht: Kernenergie , medizinische Bildgebung durch Kernspinresonanz , Diode , Transistor , integrierte Schaltung , Elektronenmikroskop und Laser . Ein Jahrhundert nach seiner Konzeption ist es ausführlich in der Forschung in verwendeter Chemie theoretische ( Quantenchemie ), Physik ( Quantenmechanik , Quantenfeldtheorie , Physik der kondensierte Materie , Kernphysik , Teilchenphysik , statistische Physik Quanten, Astrophysik , Quantengravitation ) in Mathematik (Formalisierung der Feldtheorie) und neuerdings in der Informatik ( Quantencomputer , Quantenkryptographie ). Es wird mit betrachtet die allgemeine Relativitätstheorie von Einstein als einer von zwei Haupttheorien des XX - ten  Jahrhunderts .

Die Quantenphysik ist bekanntermaßen nicht intuitiv (Schock "gesunder Menschenverstand") und erfordert einen mühsamen mathematischen Formalismus. Feynman , einer der führenden Spezialisten Theoretiker der Quantenphysik in der zweiten Hälfte des XX - ten  Jahrhunderts und schrieb:

„Ich denke, ich kann mit Sicherheit sagen, dass niemand die Quantenphysik wirklich versteht. "

Der Hauptgrund für diese Schwierigkeiten ist, dass sich die Quantenwelt (beschränkt auf das unendlich Kleine , aber möglicherweise mit Auswirkungen in größerem Maßstab) ganz anders verhält als die makroskopische Umgebung, an die wir gewöhnt sind. Einige grundlegende Unterschiede, die diese beiden Welten trennen, sind zum Beispiel:

Das Quantum und das Lebendige

Gibt es in der lebenden Welt Phänomene, die diesen Regeln des unendlich Kleinen gehorchen? In den letzten Jahren haben Studien in verschiedenen Bereichen der Biologie gezeigt, dass dies der Fall ist. Diese Ergebnisse widersprechen der allgemein akzeptierten Vorstellung, dass die makroskopische Welt zu chaotisch ist, um Quanten-Dekohärenz- Effekte zuzulassen . Lebewesen könnten sich diese ungeordnete Bewegung der Teilchen zumindest im Hinblick auf die Photosynthese zunutze machen. Die Geruchsrezeptoren scheinen vom Tunneleffekt abhängig zu sein , um Elektronen innerhalb derselben Geruchsmoleküle zu transportieren, was es ermöglicht, andere strukturell ähnliche Moleküle zu unterscheiden. Einige bakterielle Proteinstrukturen verhalten sich wie primitive Quantencomputer , die den besten Elektronentransportkanal aller möglichen Wege "berechnen" .

Jüngste Arbeiten zur Photosynthese haben gezeigt, dass die Quantenverschränkung von Photonen eine wesentliche Rolle bei dieser grundlegenden Operation des Pflanzenreiches spielt, ein Phänomen, das wir derzeit versuchen nachzuahmen, um die Gewinnung von Sonnenenergie zu optimieren .

Die Haftung an den Oberflächen von Gecko- Setae funktioniert dank Van-der-Waals-Kräften , Wechselwirkungen von Quantennatur, an denen virtuelle Teilchen ohne klassische molekulare Wechselwirkung beteiligt sind. Dieses Phänomen wird auch für militärische und zivile Anwendungen untersucht.

Liste der Erfahrungen

Amerikanischen Physikern ist es gelungen, die Spuren der ersten Momente des Urknalls zu beobachten und eines der "wichtigsten Ziele der heutigen Kosmologie" zu erreichen, wie John Kovac, Professor in Harvard und Leiter des Teams am Ursprung dieser Entdeckung, sagte im Marz 2014. Das Auftreten des Urknalls, der die Geburt des Universums vor 13,8 Milliarden Jahren markierte, wurde von der Emission von ursprünglichen Gravitationswellen begleitet, die "durch Fluktuationen im Quantenvakuum erzeugt wurden", und Theorien sagen voraus, dass ihre Anwesenheit "bestimmte Photonen auf besondere Weise polarisieren würde. analog zu einem "Wirbel"" . Die Beobachtung des Abdrucks, den diese Wellen auf der fossilen Strahlung hinterlassen haben, wurde mit dem Bicep2-Teleskop durchgeführt. Für Alan Guth (MIT) ist dies "ein völlig neuer kosmologischer Beweis und unabhängig von der inflationären Sichtweise" , und diese Arbeit "ist" definitiv "nobelpreiswert" . Diese Ankündigung wurde jedoch durch die Messungen des Planck-Satelliten widerlegt, der die Auswirkungen von Staub in der Galaxie unterscheiden kann.

Youngs Schlitze

Das ursprüngliche Experiment von Thomas Young hatte das Wellenverhalten von Licht identifiziert und gezeigt, dass zwei Lichtstrahlen in Interferenz geraten können. Das Young-Spalt-Experiment , das mit einem einzelnen Teilchen durchgeführt wurde (wobei sichergestellt wird, dass die Emissionsquelle nur ein Quant auf einmal emittiert ), wird zeigen, dass ein einzelnes Elektron "mit sich selbst interferiert" und am Ausgang der beiden Schlitze Interferenzstreifen erzeugt , da wenn es sich um zwei Teilchenströme handelt, die sich gegenseitig stören.

Aharonov-Bohm-Effekt (Ehrenberg und Siday)

In der klassischen Mechanik kann die Flugbahn eines geladenen Teilchens durch das Vorhandensein eines Magnetfelds nicht beeinflusst werden, wenn es sich außerhalb dieses Feldes befindet. Der Aharonov-Bohm-Effekt ist ein Quantenphänomen, das 1949 von Ehrenberg und Siday beschrieben und 1959 von David Bohm und Yakir Aharonov wiederentdeckt wurde . Er beschreibt das folgende Paradox :

„Ein magnetisches Feld (der blaue Kreis B , gegenüber) kann auf einen entfernten Raumbereich einwirken, das Vektorpotential hingegen ist nicht verschwunden. "

Der Aharonov-Bohm-Effekt zeigt also, dass elektromagnetische Potentiale und nicht elektrische und magnetische Felder die Grundlage der Quantenmechanik sind. In der Quantenphysik kann eine nützliche mathematische Einheit, das magnetische Vektorpotential, reale Auswirkungen haben.

Stern- und Gerlach-Experiment

Das Experiment von Stern und Gerlach war eines der ersten, das die reine Quantennatur der mikroskopischen Welt und insbesondere des Spins demonstrierte . 1921-1922 gebaut, um die Hypothese der räumlichen Quantifizierung zu testen, konnte es dank der Entwicklung der Quantenmechanik erst fünf Jahre später eine befriedigende theoretische Beschreibung erhalten.

Aspekt Erfahrung

Das Aspect-Experiment ist historisch gesehen das erste Experiment, das Bells Ungleichungen in der Quantenphysik zufriedenstellend widerlegt und damit das Phänomen der Quantenverschränkung validiert und eine experimentelle Antwort auf das EPR-Paradox liefert .

Konkret besteht es darin, zwei Photonen in einem verschränkten Zustand zu erzeugen und sie dann zu trennen, um schließlich die Messung ihrer Polarisation durchzuführen. Die Messung des ersten Photons hat dann eine 50%ige Chance zu geben und genauso viel zu geben, während das zweite Photon sofort in diesem gleichen Zustand projiziert wird. Das Paradoxe kommt daher, dass die beiden Photonen diese Informationen anscheinend schneller austauschen als Licht. Dieser Punkt ist jedoch nicht relevant, da hierdurch keine Informationen übermittelt werden können.

Die Quantenverschränkung hingegen ermöglicht den sicheren Austausch eines Chiffrierschlüssels, der von der Quantenkryptographie ausgenutzt wird .

Lagged Choice Quanten-Radiergummi-Experiment

Das Delayed-Choice-Quanten-Eraser-Experiment ist eine Erweiterung des Spaltexperiments von Alain Aspect und Young , führt jedoch eine scheinbar implizite Rückkopplung mit der Zeit ein  : einen Effekt der Gegenwart auf die Vergangenheit.

Interpretationen

Die mit der Messung verbundenen Paradoxien führen zu der Frage: Beschreibt die Quantenphysik die Realität?

Lösungsbaum des Messproblems
  Quantentheorie
 
 
                             
Soll nicht die Realität darstellen     Repräsentiert die Realität nicht vollständig     Stellt total die Realität dar
       
                                 
         
Positivismus Modifizierte Quantengesetze Einfluss des Bewusstseins Hinzufügen einer zusätzlichen Variablen: der Position Quanten-Dekohärenz Mehrere Universen
                 
Stephen Hawking
Niels Bohr
Roger Penrose Eugen Wigner De Broglie-Bohm-Theorie Roland Omnès
Murray Gell-Mann
James Hartle
Hugh Everett
David Deutsch
       
Giancarlo Ghirardi
Alberto Rimini
Wilhelm Eduard Weber
John von Neumann
Fritz London & Edmond Bauer
Johannes Glocke Hans-Dieter Zeh
Wojciech Zurek
 
Bernard d'Espagnat
Olivier Costa de Beauregard

Theorien "mit versteckten Variablen  "

Entstehung der Quantenphysik

Schwarzer Körper und ultraviolette Katastrophe

Nach klassischen Theorien der Physik wird angenommen, dass ein schwarzer Körper im thermodynamischen Gleichgewicht einen unendlichen Fluss ausstrahlt. Genauer gesagt muss die vom Wellenlängenband abgestrahlte Energie gegen Unendlich streben, wenn die Wellenlänge gegen Null strebt, im Ultraviolett für die damaligen Physiker, da zu dieser Zeit weder die Röntgenstrahlen noch die Strahlen Gamma unbekannt waren. Es ist die ultraviolette Katastrophe .

Einführung von Quanten in die Physik

Es geht auf die Arbeiten von Max Planck im Jahr 1900 über die Strahlung des Schwarzen Körpers im thermischen Gleichgewicht zurück. Ein beheizter Hohlraum emittiert elektromagnetische Strahlung (Licht), die sofort von den Wänden absorbiert wird. Um das Lichtspektrum durch die theoretische Berechnung des Emissionsenergieaustausches und der Absorption ( ) zu berücksichtigen , musste Planck annehmen, dass diese Austausche unstetig und proportional zur Frequenz ( ) der Lichtstrahlung sind: .

Quantifizierung von Strahlung und Atomen

Im Jahr 1905 wurde Einstein nach einer thermodynamischen Argumentation, in der er Wahrscheinlichkeiten eine physikalische Bedeutung (die der Frequenzen von Zuständen für ein System) gab, zu der Auffassung verleitet, dass nicht nur der Energieaustausch diskontinuierlich ist, sondern auch die Energie der Lichtstrahlung selbst.

Er zeigte, dass diese Energie proportional zur Frequenz der Lichtwelle ist: .

Dies lieferte sofort die Erklärung für den photoelektrischen Effekt, der 20 Jahre zuvor von Hertz beobachtet wurde.

Photoelektrischer Effekt

Die Energie, die das Lichtquant dem in einem Atom gebundenen Elektron bringt, lässt es frei werden, wenn diese Energie größer oder gleich der Bindungsenergie des Elektrons, auch Ausgangsarbeit genannt, ist , aufgrund der Beziehung:

wo ist die kinetische Energie, die von letzterem aufgenommen wird. Dieser Schwelleneffekt war in der kontinuierlichen Vorstellung von Lichtenergie in der klassischen elektromagnetischen Theorie unerklärlich.

Grenzen der klassischen elektromagnetischen Theorie

Einstein erkannte dann, dass diese Eigenschaft der Strahlung in irreduziblem Gegensatz zur klassischen elektromagnetischen Theorie (entwickelt von Maxwell) stand.

Bereits 1906 kündigte er an, diese Theorie im atomaren Bereich zu modifizieren.

Es war nicht klar, wie diese Modifikation erreicht werden sollte, da die theoretische Physik auf der Verwendung von Differentialgleichungen, den sogenannten Maxwell-Gleichungen , basierte , die kontinuierlich variierenden Größen entsprechen.

Die Quantenhypothese

Trotz der Macht der Quantentheorie neigten nur wenige Physiker dazu, sich vorzustellen, dass die klassische elektromagnetische Theorie ungültig werden könnte. Einstein bemühte sich dann, andere Aspekte atomarer Phänomene und Strahlung hervorzuheben, die mit der klassischen Beschreibung brachen. So erweiterte er die Quantenhypothese über die Eigenschaften der Strahlung hinaus auf die Energie von Atomen durch seine Arbeiten über spezifische Wärmen bei tiefen Temperaturen. Er fand die Aufhebung der spezifischen Wärme von Körpern am absoluten Nullpunkt, ein Phänomen, das von der klassischen Theorie beobachtet, aber nicht erklärt werden konnte.

Andere Physiker (P. Ehrenfest, W. Nernst, H.-A. Lorentz, H. Poincaré) schlossen sich ihm nach und nach an, um zu dem Schluss zu kommen, dass die Quantenhypothese unvermeidlich sei, die Planck selbst zögerte zuzugeben.

Es wurde jedoch noch immer nur für Energiebörsen allgemein akzeptiert.

In der Kultur

RomanComic

Hinweise und Referenzen

  1. Hladik 2008 , p.  3.
  2. Hladik 2008 , p.  4.
  3. Richard Feynman, in The Character of Physical Law (1965).
  4. Für die Wissenschaft n o  407, September 2011, S.. 22 ff., „Leben in einer Quantenwelt“, von Viatko Vedral.
  5. Ball P. Physik des Lebens: Die Anfänge der Quantenbiologie . Natur. 15. Juni 2011; 474 (7351): 272-4.
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  11. Ein Quantenradierer mit verzögerter Wahl

Siehe auch

Literaturverzeichnis

Popularisierungsbücher

Aktuelle Arbeiten

Ältere Werke

Lehrbücher der Universität Historische Entwicklung von Konzepten
  • Jagdish Mehra & Helmut Rechenberg, Die historische Entwicklung der Quantentheorie , Springer-Verlag (1982-2002), ( ISBN  0-387-95262-4 ) . Box mit 6 Bänden, 9 Büchern, 5889 Seiten (!) Bücher einzeln erhältlich:
    • Flug. 1: Die Quantentheorie von Planck, Einstein, Bohr & Sommerfeld: Ihre Grundlagen und der Aufstieg ihrer Schwierigkeiten (1900-1925) , Teil 1: ( ISBN  978-0-387-95174-4 ) .
    • Flug. 1: Die Quantentheorie von Planck, Einstein, Bohr & Sommerfeld: Ihre Grundlagen und der Aufstieg ihrer Schwierigkeiten (1900-1925) , Teil 2: ( ISBN  0-387-95175-X ) .
    • Flug. 2: Die Entdeckung der Quantenmechanik, 1925 , ( ISBN  0-387-95176-8 ) .
    • Flug. 3: Die Formulierung der Matrixmechanik und ihre Modifikationen. 1925-1926 , ( ISBN  0-387-95177-6 ) .
    • Flug. 4, Teil 1: Die Grundgleichungen der Quantenmechanik (1925-1926) und Teil 2: Die Rezeption der neuen Quantenmechanik , ( ISBN  0-387-95178-4 ) .
    • Flug. 5: Erwin Schrödinger & der Aufstieg der Wellenmechanik , Teil 1: Schrödinger in Wien und Zürich (1887-1925)
    • Flug. 5: Erwin Schrödinger & the Rise of Wave Mechanics , Teil 2: The Creation of Wave Mechanics: Early Responses & Applications (1925-1926) , ( ISBN  0-387-95180-6 ) .
    • Flug. 6: Die Vollendung der Quantenmechanik (1926-1941) , Teil 1: Die Wahrscheinlichkeitsinterpretation und die statistische Transformationstheorie, die physikalische Interpretation und die empirischen und mathematischen Grundlagen der Quantenmechanik (1926-1932) , ( ISBN  0-387-95181 -4 )
    • Flug. 6: Die Vollendung der Quantenmechanik (1926-1941) , Teil 2: Die konzeptionelle Vollendung und die Erweiterungen der Quantenmechanik (1932-1941) - Epilog: Aspekte der Weiterentwicklung der Quantentheorie (1942-1999) , ( ISBN  0 -387-95182-2 ) .
  • John von Neumann Foundations Mathematik der Quantenmechanik "The Mathematical Foundations of Quantum Mechanics", hrsg. Jacques Gabay, 1992, ( ISBN  978-2-87647-047-7 )
Vergleiche verschiedener theoretischer Ansätze der Quantenphysik
  • 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 und Timothy D. Wotherspoon, Neun Formulierungen der Quantenmechanik . Amerikanische Zeitschrift für Physik . 70 (3),März 2002, 288–297.
Andere Arbeiten
  • Thierry Lombry, A Century of Physics: 1 - Quantenphysik , Aegeus, 2005
  • Carlos Calleet al. , Superstrings und andere Saiten: Reise ins Herz der Physik , Dunod, 2004
  • Gordon Kane, Supersymmetrie , Le Pommier, 2003
  • Robert Gilmore, Alice im Quantenland , Le Pommier-Fayard, 2000
  • Brian Greene, The Elegant Universe (Superstrings and Theory M) , Robert Laffont, 2000
  • Maurice Duquesne, Matière et antimatière , PUF, coll. Was weiß ich?, 767, 2000
  • Martin Gardner, Das beidhändige Universum , Seuil, 1995
  • Murray Gell-Mann, Der Quark und der Jaguar. Reise ins Herz des Einfachen und Komplexen , Albin Michel Sciences, 1995
  • OECD Megascience Forum, Teilchenphysik , OECD, 1995
  • Bernard d'Espagnat, The Veiled Real, Analysis of Quantum Concepts , Fayard, 1994
  • Sven Ortoli und J.-M. Pelhate, Quantum Adventure , Belin, 1993
  • Paul Davies, The New Physics , Flammarion Sciences, 1993
  • Jean-Pierre Pharabod und B. Pire, Der Traum der Physiker , Odile Jacob, 1993
  • Bernard d'Espagnat und Etienne Klein, Regards sur la matter , Fayard, 1993
  • Robert Forward und Joel Davis, The Mysteries of Antimaterie , Hrsg. Du Rocher, 1991
  • J. Briggs und D. Peat, A Turbulent Mirror , InterEditions, 1990
  • Émile Meyerson , Realität und Determinismus in der Quantenphysik , 1933
  • Françoise Balibar, Alain Laverne, Jean-Marc Lévy-Lebond, Dominique Mouhanna, Quantum: Elemente , CEL,2007( online lesen )
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Zum Thema passende Artikel

Externe Links