A kvantumfizika a XX . Században született fizikai elméletek általános megnevezése, amelyek leírják az atomok és részecskék viselkedését, és lehetővé teszik az elektromágneses sugárzás bizonyos tulajdonságainak tisztázását .
Mivel a relativitáselmélet , az elmélet az úgynevezett „kvantum” jel a szakítást, amit most hívott a klasszikus fizika , amely magában foglalja az elméletek és a fizikai elvek ismertek a XIX th században - beleértve a newtoni mechanika és a elektromágneses elmélet a Maxwell -, és amely nem engedte megmagyarázni bizonyos fizikai tulajdonságait.
A kvantumfizika a fizika minden területére kiterjed, ahol a kvantummechanika törvényeinek használata elengedhetetlen a játékban lévő jelenségek megértéséhez. A kvantummechanika az univerzum tárgyait alkotó anyagrészecskék és ezeket a tárgyakat animáló erőtér alapvető elmélete. .
A kristályosok és kémikusok a XIX . Század folyamán megpróbálják bizonyítani az atomok létezését, de csak a XX . Század eleje fogja őket végleg azonosítani a röntgendiffrakció révén . Modellezésükhöz az anyag számszerűsítése szükséges lépés, amely meghozza a kvantumfizikát. 1900-ban Max Planck feltételezte, hogy az anyaggal történő energiacserét kis mennyiségben hajtják végre: a „ kvantumot ”.
Louis de Broglie ezután elindította a kvantummechanikát, amely lehetővé tette az atom helyes modellezését. A kvantumfizika végül a klasszikus fizika minden területét egyetlen tudományágba emelte. A részecskegyorsítók ekkor megmutatják, hogy az atomok több elemi részecskéből állnak, mint például a proton vagy a neutron , amelyek maguk is kvarkból állnak . A kvantumelektrodinamikából felépített kvantumtérelmélet írja le az összes elemi részecskét .
A kvantumfizika fogalmi forradalmat váltott ki, amelynek következményei voltak még a filozófiában (a determinizmus megkérdőjelezése ) és az irodalomban ( tudományos fantasztikus ). Ez lehetővé tette számos technológiai alkalmazások: a nukleáris energia , az orvosi képalkotó által mágneses magrezonancia , dióda , tranzisztor , integrált áramkör , elektronmikroszkópos és lézer . Fogantatása után egy évszázaddal széles körben alkalmazzák a kémia elméleti ( kvantumkémiai ), a fizikai ( kvantummechanika , kvantummező elmélet , sűrített anyagfizika , magfizika , részecskefizika , statisztikai fizika , asztrofizika , kvantumgravitáció ) kutatásaiban a matematikában (a térelmélet formalizálása) és nemrégiben a számítástechnikában ( kvantumszámítógépek , kvantum kriptográfia ). Ez tekinthető az általános relativitáselmélet az Einstein egyik két fő elmélet a XX th században .
A kvantumfizika köztudottan ellentétes (sokkoló "józan ész") és fárasztó matematikai formalizmust igényel. Feynman , a kvantumfizika egyik vezető szakember-elmélete a XX . Század második felében, és így írt:
- Azt hiszem, nyugodtan kijelenthetem, hogy senki sem érti igazán a kvantumfizikát. "
E nehézségek legfőbb oka az, hogy a kvantumvilág (amely a végtelenül kicsire korlátozódik , de potenciálisan nagyobb következményekkel járhat) nagyon eltérően viselkedik attól a makroszkopikus környezettől, amelyhez szoktunk. Néhány alapvető különbség, amely elválasztja ezt a két világot, például:
Az élővilágban vannak-e olyan jelenségek, amelyek engedelmeskednek a végtelenül kicsi szabályoknak? Az elmúlt években a biológia különféle területein végzett tanulmányok szerint ez a helyzet. Ezek az eredmények ellentmondanak az általánosan elfogadott elképzelésnek, miszerint a makroszkopikus világ túl kaotikus a kvantum dekoherencia hatásainak megengedéséhez . Az élőlények képesek lennének kihasználni a részecskék rendezetlen keverését, legalábbis a fotoszintézist illetően. A szag receptorok úgy tűnik, hogy függ a alagút hatás , hogy készítsen elektronok belsejében ugyanazon illatos molekulák, amely lehetővé teszi, hogy különbséget a szerkezetileg hasonló molekulákat. Egyes bakteriális fehérjeszerkezetek primitív kvantumszámítógépekként viselkednek , "kiszámolva" az összes lehetséges út legjobb elektrontranszport- csatornáját .
A fotoszintézissel kapcsolatos legújabb munkákból kiderült, hogy a fotonok kvantumos összefonódása alapvető szerepet játszik a növényvilág ezen alapvető működésében, ezt a jelenséget jelenleg a napenergia termelésének optimalizálása érdekében próbáljuk utánozni .
Tapadás a felületek gekkó sörte nélkül működik köszönhetően van der Waals erők , kölcsönhatások egy kvantum jellegű, hogy magában foglalja a virtuális részecskék nélkül a klasszikus molekuláris kölcsönhatás. Ezt a jelenséget katonai és polgári alkalmazásoknál is tanulmányozzák.
Az amerikai fizikusoknak sikerült megfigyelniük az Ősrobbanás első pillanatait, elérve az egyik "ma a kozmológiában legfontosabb célkitűzést" John Kovac, a Harvard professzorának és a felfedezés eredetének vezetőjének a szavai szerint. ban ben 2014. március. Az univerzum születését jelző Nagy Bumm 13,8 milliárd évvel ezelőtti előfordulása az ős gravitációs hullámok kibocsátásával járt, amelyet "a kvantumvákuum ingadozásai hoztak létre", és az elméletek azt jósolják, hogy jelenlétük "bizonyos fotonokat sajátos módon polarizál, analóg egy "örvényrel" " . A lenyomat megfigyelését, amelyet ezek a hullámok a fosszilis sugárzáson hagytak, a Bicep2 teleszkóp segítségével végeztük. Alan Guth (MIT) szerint "Ez teljesen új kozmológiai bizonyíték és független az inflációs nézettségtől" , és ez a munka "mindenképpen" megér egy Nobel-díjat " . De ezt a bejelentést cáfolták a Planck műhold által végzett mérések, amelyek képesek voltak megkülönböztetni a galaxis porának hatásait.
Az eredeti kísérlet a Thomas Young azonosította a hullám a fény viselkedését mutatja, hogy a két fénynyaláb jöhetett létre interferencia. A Young réskísérlete , amelyet egyetlen részecskével hajtottak végre (ügyelve arra, hogy az emisszióforrás egyszerre csak egy kvantumot bocsásson ki ), megmutatja, hogy egyetlen elektron "zavarja önmagát", és interferencia rojtokat hoz létre a két rés kijáratánál , mint pl. ha két részecske áramlása lenne, amelyek zavarják egymást.
A klasszikus mechanikában a töltött részecske pályáját nem befolyásolja a mágneses tér jelenléte, ha az ezen a mezőn kívül esik. Az Aharonov-Bohm-effektus egy kvantumjelenség, amelyet 1949-ben írt le Ehrenberg és Siday, majd 1959-ben újra felfedezte David Bohm és Yakir Aharonov . A következő paradoxont írja le :
„A mágneses mező (a kék B kör , szemben) hatással lehet egy tér egy távolságára, a vektorpotenciál viszont nem tűnt el. "
Az Aharonov-Bohm-effektus tehát azt bizonyítja, hogy az elektromágneses potenciálok, és nem az elektromos és mágneses mezők jelentik a kvantummechanika alapját. A kvantumfizikában egy hasznos matematikai entitásnak, a mágneses vektorpotenciálnak valós hatása lehet.
A Stern és Gerlach kísérlet az elsők között mutatta be a mikroszkopikus világ, és különösen a spin tisztán kvantum jellegét . A térbeli kvantifikáció hipotézisének tesztelésére 1921-1922-ben épült, és a kvantummechanika fejlődésének köszönhetően csak öt évvel később tudott kielégítő elméleti leírást szerezni.
Az Aspect kísérlet történelmileg az első kísérlet, amely kielégítően megcáfolta Bell kvantumfizikai egyenlőtlenségeit , ezzel igazolva a kvantum összefonódásának jelenségét , és kísérleti választ adva az EPR paradoxonjára .
Konkrétan abból áll, hogy két fotont állítanak elő kusza állapotban, majd elválasztják őket, hogy végre elvégezzék polarizációjuk mérését. Az első foton mérésének 50% esélye van az adásra és annyi adásra, míg a második foton azonnal kivetül ugyanabban az állapotban. A paradoxon abból adódik, hogy a két foton mintha a fényénél nagyobb sebességgel cserélné ezeket az információkat. Ez a pont azonban nem releváns, mivel ezen az úton nem lehet információt továbbítani.
A kvantum összefonódása azonban lehetővé teszi egy titkosítási kulcs biztonságos cseréjét, amelyet a kvantum kriptográfia hasznosít .
A késleltetett választási kvantum radír kísérlet kiterjesztése Alain Aspect és Young hasított kísérletének , de bemutatja azt, ami időben implicit visszajelzésnek tűnik : a jelen múltra gyakorolt hatását.
A méréssel kapcsolatos paradoxonok felvetik a kérdést: leírja-e a kvantumfizika a valóságot?
A mérési probléma megoldási fája | |||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Kvantum elmélet | |||||||||||||||||
Nem a valóságot hivatott reprezentálni | Nem reprezentálja teljes mértékben a valóságot | Teljesen képviseli a valóságot | |||||||||||||||
Pozitivizmus | Módosított kvantumtörvények | A tudat hatása | További változó hozzáadása: a pozíció | Kvantum dekoherencia | Több univerzum | ||||||||||||
Stephen Hawking Niels Bohr |
Roger penrose | Eugene Wigner | De Broglie-Bohm elmélet |
Roland Omnès Murray Gell-Mann James Hartle |
Hugh Everett David Deutsch |
||||||||||||
Giancarlo Ghirardi Alberto Rimini Wilhelm Eduard Weber |
John von Neumann Fritz London és Edmond Bauer |
John bell |
Hans-Dieter Zeh Wojciech Zurek |
||||||||||||||
Bernard d'Espagnat Olivier Costa de Beauregard |
Elméletek " rejtett változókkal "
A klasszikus fizikaelméletek szerint a termodinamikai egyensúlyban lévő fekete testről végtelen fluxust sugároznak. Pontosabban: a hullámhossz-sáv által sugárzott energiának a végtelen felé kell tendálnia, amikor a hullámhossz nulla felé hajlik , az akkori fizikusok ultraibolyájában , mivel akkor sem a röntgensugár, sem a gammasugár nem volt ismert. Ez az ultraibolya katasztrófa .
Úgy nyúlik vissza, a végzett munka 1900 by Max Planck a sugárzás a fekete test a termikus egyensúly. A fűtött üreg elektromágneses sugárzást (fényt) bocsát ki, amelyet a falak azonnal elnyelnek. Ahhoz, hogy figyelembe a fény spektruma által elméleti számítás az emissziós energia csere és abszorpciós ( ), Planck kellett feltételezni, hogy ezek a cserék a szakaszos és a frekvenciával arányos ( ) a fénysugárzás: .
A 1905 után a termodinamikai érvelés, amelyben ő adta a valószínűségek a fizikai jelentése (amely frekvenciák államok egy rendszer), Einstein vezette, hogy fontolja meg, hogy nem csak a cserék energia amelyek folytonos, hanem az energia a maga a fénysugárzás.
Megmutatta, hogy ez az energia arányos a frekvenciával, a fény hullám: .
Ez azonnal megadta a Hertz által 20 évvel korábban megfigyelt fotoelektromos hatás magyarázatát.
A fénykvantum által az atomba kötött elektronhoz juttatott energia lehetővé teszi annak felszabadulását, ha ez az energia nagyobb vagy egyenlő az elektron kötési energiájával, amelyet kimeneti munkának is nevezünk , a kapcsolat alapján:
hol van az utóbbi által megszerzett mozgási energia. Ez a küszöbhatás a klasszikus elektromágneses elméletben megmagyarázhatatlan volt a fényenergia folyamatos felfogásában.
Einstein aztán rájött, hogy a sugárzás ezen tulajdonsága visszavonhatatlan ellentétben áll a klasszikus elektromágneses elmélettel (Maxwell által kifejlesztett).
Már 1906 -ban bejelentette, hogy ezt az elméletet az atomtérben módosítani kell.
Nem volt világos, hogyan kell ezt a módosítást elérni, mivel az elméleti fizika a folyamatosan változó mennyiségeknek megfelelő, Maxwell-egyenleteknek nevezett differenciálegyenletek használatán alapult .
A kvantumelmélet ereje ellenére kevés fizikus hajlandó elképzelni, hogy a klasszikus elektromágneses elméletet érvényteleníteni lehet. Ezután Einstein arra törekedett, hogy kiemelje az atomjelenségek és a sugárzás egyéb aspektusait, amelyek szakítottak a klasszikus leírással. Így kiterjesztette a kvantum hipotézist, a sugárzás tulajdonságain túl, az atomok energiájára, alacsony hőfokon végzett specifikus hevítéssel végzett munkájával. Megállapította, hogy a testek sajátos hőmérsékleteinek abszolút értéke nullán van, ez a jelenség megfigyelhető, de a klasszikus elmélet szerint megmagyarázhatatlan.
Más fizikusok (P. Ehrenfest, W. Nernst, H.-A. Lorentz, H. Poincaré) fokozatosan csatlakoztak hozzá, és arra a következtetésre jutottak, hogy a kvantumhipotézis elkerülhetetlen, amelyet Planck maga is habozott beismerni.
Azonban még mindig csak az energiacserékre volt elfogadott.
Legutóbbi munkák
Régebbi művek