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Mécanicienne cuántica

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Image illustrative de la dualité onde-particule, dans lequel se peut voir comment un même phénomène peut avoir deux aperçus divers.

En physicienne, la mécanicienne cuántica (connue aussi comme mécanicienne ondulatoria en quelque de ses interprétations)[rendez-vous requise] est une des branches principales de la physicienne qu'il explique le comportement de la matière et de la énergie. Son champ d'application prétend être universelle (en sauvant les difficultés), mais il est dans le monde du petit où ses prédictions divergen radicalement de l'appel physique classique.

De forme spécifique, s'envisage aussi mécanicienne cuántica, à la part d'elle même que n'incorpore pas la relativité en sa formalismo, seulement comme ajouté moyennant théorie de perturbations.[1] La part de la mécanicienne cuántica qu'oui incorpore des éléments relativistas de façon formelle et avec des divers problèmes, est la mécanicienne cuántica relativista ou déjà, de forme plus exact et puissant, la théorie cuántica de champs (que comprend à son tour à la electrodinámica cuántica, cromodinámica cuántica et théorie electrodébil dedans du modèle standard)[2] et plus généralement, la théorie cuántica de champs en espace-temps curvo. L'unique interaction que ne s'est pas pu cuántificar a été la interaction gravitatoria.

La mécanicienne cuántica est la base des études du átomo, les noyaus et les particules élémentaires (en étant déjà nécessaire le traitement relativista) mais aussi en théorie de l'information, criptografía et chimique.

Sommaire

Introduction

La mécanicienne cuántica est la dernière des grandes branches de la physicienne. Il commence à des principes du siècle XX, au moment où deux des théories qu'ils essayaient il expliquer ce que il nous entoure, la loi de gravitation universelle et la théorie électromagnétique classique, ils se revenaient insuffisants pour expliquer certains phénomènes. La théorie électromagnétique générait un problème lorsqu'il essayait expliquer l'émission de radiation de n'importe quel objet en équilibre, appelée radiation thermique, qu'est celle qui il provient de la vibration microscópica des particules que le composent. Donc bien, en usant les équations de l'electrodinámica classique, l'énergie qui émettait cette radiation thermique donnait infini si ils s'ajoutent toutes les fréquences qu'il émettait l'objet, avec ilógico résultat pour les physiciens.

Il est dans le sein de la mécanicienne statistique où ils naissent les idées cuánticas en 1900. Au physicien Max Planck se lui est arrivé un truc mathématique: que si dans le procès aritmético se substituait l'intégrale de ces fréquences par une somme ne continue il se laissait d'obtenir un infini comme résultat, avec ce que éliminait le problème et, en plus, le résultat obtenu concordait avec ce que il après était mesuré. Il a été Max Planck qui est-ce qui alors enunció l'hypothèse de que la radiation électromagnétique est absorbée et émise par la matière en forme de combiens de lumière ou photons d'énergie moyennant une soutenue statistique, que s'a dénommé soutenu de Planck. Son histoire est inhérente au siècle XX, puisque la première formulation cuántica d'un phénomène a été faite connaître le 14 décembre 1900]] dans une séance de la Société Physique de l'Académie de Sciences de Berlin par le scientifique allemand Max Planck.[3]

L'idée de Planck fût resté beaucoup d'ans seulement comme des hypothèses si Albert Einstein ne l'eût pas reprise, en proposant que la lumière, dans certaines circonstances, se comporte comme des particules indépendantes d'énergie (les cuantos de lumière ou photons). Il a été Albert Einstein qui est-ce qui a complété en 1905 les correspondantes lois de mouvement avec ce que il se connaît comme théorie spéciale de la relativité, en démontrant que l'electromagnetismo était une théorie essentiellement ne mécanicienne. Il terminait ainsi ce que il s'est donné en appeler physicienne classique, c'est-à-dire, la physicienne ne-cuántica. Il a usé ce point de vue appelé par il “heurístico”, pour développer son théorie de l'effet fotoeléctrico. Il a publié cette hypothèse en 1905 et il lui a valu le Prix Nobel de 1921. Cette hypothèse a été appliquée aussi pour proposer une théorie sur la chaleur spécifique, c'est-à-dire celle qui résout comme il est la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter dans une unité la température de l'unité de masse d'un corps.

Le suivant pas important se dió, vers 1925, lorsque Louis de Broglie a proposé que chaque particule matérielle a une longueur d'onde, associée inversement proportionnelle à sa masse, (lui a appelé momentum), et donnée par sa vitesse. Peu de temps après Erwin Schrödinger a formulé une équation de mouvement pour les "ondes de matière" dont l'existence avait proposé de Broglie et diverse expériences suggéraient ils étaient réelles.

La mécanicienne cuántica introduit une série de faits contraintuitivos que n'apparaissaient pas dans les paradigmes physiques antérieurs, avec elle il se découvre que le monde atomique ne se comporte pas comme attendrions. Les concepts de incertitude, indeterminación ou cuantización sont introduits par première fois ici. En plus la mécanicienne cuántica est la théorie scientifique qu'il a fourni les prédictions expérimentales plus exactes jusqu'au moment, malgré être sujette aux probabilités.

Les vitesses des particules constituantes ne doivent pas être très grandes, ou prochaines à la vitesse de la lumière.

Développement historique

Article principal: Histoire de la mécanicienne cuántica

La théorie cuántica a été développée dans sa forme basique tout au long de la première moitié du siècle XX. Le fait de que l'énergie s'échange de forme discrète s'a mis de relais par des faits expérimentaux comme les suivants, inexplicables avec les outils théoriques "antérieurs" de la mécanicienne classique ou l'electrodinámica:

Fig. 1: La fonction d'onde d'un électron d'un átomo d'hidrógeno possède des niveaux d'énergie définie et discrète dénotés par un nombre cuántico n=1, 2, 3,... Et valeurs définies de moment angulaire caractérisés par la notation: s, p, d,... Les zones brillantes dans la figure correspondent à des densités de probabilité élevées de trouver l'électron en dite position.
  • Spectre de la radiation du corps noir, résolu par Max Planck avec la cuantización de l'énergie. L'énergie totale du corps noir a résulté qu'il prenait des valeurs discrètes plus que continus. Ce phénomène s'a appelé cuantización, et les intervalles possibles plus petits entre les valeurs discrètes sont appelés quanta (singulier: quantum, du mot latin pour "quantité", d'ici le nom de mécanicienne cuántica). La taille d'un combien est une valeur fixe appelé soutenu de Planck, et que bon: 6.626 ×10-34 juillets par seconde.
  • Sous certaines conditions expérimentales, les objets microscópicos comme les átomos ou les électrons exhibent un comportement ondulatorio, comme dans la interférence. Sous autres conditions, les mêmes espèces d'objets exhibent un comportement corpuscular, de particule, ("particule" il veut dire un objet que peut être localisé dans une région spéciale du Espace), comme dans la dispersion de particules. Ce phénomène se connaît comme dualité onde-particule.
  • Les propriétés physiques d'objets avec des histoires liées peuvent être correlacionadas dans une ampleur interdite par n'importe quelle théorie classique, dans une ampleur telle que seulement peuvent être décrits avec précision si nous nous rapportons à tous les deux à la fois. Ce phénomène est appelé entrelazamiento cuántico et la inégalité de Bell décrit sa différence avec la corrélation ordinaire. Les mesures des violations de l'inégalité de Bell ont été des majeures vérifications de la mécanicienne cuántica.
  • Explication de l'effet fotoeléctrico, donnée par Albert Einstein, dans qu'est apparu à nouveau cette "mystérieuse" besoin de cuantizar l'énergie.
  • Effet Compton.

Le développement formel de la théorie a été oeuvre des efforts conjoints de divers physiciens et mathématiques de l'époque comme Schrödinger, Heisenberg, Einstein, Dirac, Bohr et Von Neumann entre autrui (la liste est longue). Quelqu'uns des aspects fondamentaux de la théorie sont en train d'être encore étudiés activement. La mécanicienne cuántica a aussi été adoptée comme la théorie subyacente à des beaucoup de champs de la physicienne et la chimiste, en comprenant la physicienne de la matière condensada, la chimique cuántica et la physicienne de particules.

La région d'origine de la mécanicienne cuántica peut se localiser en la la Europe centrale, en Allemagne et l'Autriche, et dans le contexte historique du premier tiers du siècle XX.

Suppositions plus importantes

Article principal: Interprétations de la Mécanicienne cuántica

Les suppositions Les plus importantes de cette théorie sont les suivantes:

  • En étant impossible fixer à la fois la position et le moment d'une particule, se renonce au concept de trajectoire, vitale en mécanicienne classique. Au lieu de cela, le mouvement d'une particule reste régi par une fonction mathématique qu'assigne, à chaque point de l'espace et à chaque instant, la probabilité de que la particule décrite se trouve en telle position dans cet instant (au moins, dans l'interprétation de la Mécanicienne cuántica plus usual, la probabilística ou interprétation de Copenhague). À partir de cette fonction, ou fonction d'ondes, ils s'extraient théoriquement toutes les grandeurs du mouvement nécessaires.
  • Ils existent deux types de évolution temporelle, sinon arrive aucune mesure l'état du système ou fonction d'onde ils évoluent d'accord avec la équation de Schrödinger, pourtant, si se réalise une mesure sur le système celui-ci souffre un "saut cuántico" vers un état compatible avec les valeurs de la mesure obtenue (formellement le nouveau état sera une projection ortogonal de l'état original).
  • Ils existent des différences perceptibles entre les états liés et ceux qui ne le sont pas.
  • La énergie ne s'échange pas de forme continue dans un état lié, mais en forme discrète ce que implique l'existence de colis minimes d'énergie appelés cuantos, tandis que dans les états ne liés l'énergie se comporte comme un continu.

Bien que la structure formelle de la théorie est bien développée, et ses résultats sont cohérents avec les expériences, n'arrive pas le même avec son interprétation, que continue à être objet de controverses.

Description de la théorie sous l'interprétation de Copenhague

Pour décrire la théorie de forme générale est nécessaire un traitement mathématique rigoureux, mais en acceptant une des trois interprétations de la mécanicienne cuántica (désormais la Interprétation de Copenhague), le cadre se relaja. La Mécanicienne cuántica décrit l'état instantané d'un système (état cuántico) avec une fonction d'onde que codifica la distribution de probabilité de toutes les propriétés mesurables, ou observables. Quelques observables possibles sur un système donné sont la énergie, position, moment et moment angulaire. La mécanicienne cuántica n'assigne pas des valeurs définies aux observables, mais que fait des prédictions sur ses distributions de probabilité. Les propriétés ondulatorias de la matière sont expliquées par l'interférence des fonctions d'onde.

Ces fonctions d'onde peuvent varier avec la démarche du temps. Cette évolution est determinista si sur le système ne se réalise pas aucune mesure bien que cette évolution est estocástica et se produit moyennant éffondrement de la fonction d'onde lorsque se réalise une mesure sur le système (Postulado IV de la MC). Par exemple, une particule en se mouvant sans interférence dans l'espace vide peut être décrite moyennant une fonction d'onde qu'est un colis d'ondes centré autour de quelque position moyenne. D'après il passe le temps, le centre du colis peut se déplacer, changer, de sorte que la particule semble être localisée plus précisément ailleurs. L'évolution temporelle determinista des fonctions d'onde est décrite par la Équation de Schrödinger.

Quelques fonctions d'onde décrivent états physiques avec des distributions de probabilité que sont soutenues dans le temps, ces états s'appellent stationnaires, sont états propres du opérateur hamiltoniano et ont énergie bien définie. Beaucoup de systèmes qui étaient traités dinámicamente en mécanicienne classique sont décrits moyennant des telles fonctions d'onde estáticas. Par exemple, un électron en un átomo sans exciter se dessine clásicamente comme une particule qu'entoure le noyau, alors qu'en mécanicienne cuántica est décrit par un nuage de probabilité estática qu'entoure au noyau.

Lorsqu'il se réalise une mesure en un observable du système, la fonction d'ondes se convertit en une de l'ensemble des fonctions appelées fonctions propres ou états propres de l'observable en question. Ce procès est connu comme éffondrement de la fonction d'onde. Les probabilités relatives de cet éffondrement sur quelqu'un des états propres possibles il est décrite par la fonction d'onde instantanée juste avant de la réduction. En envisageant l'exemple antérieur sur la particule en le vide, si se mesure la position de la même, s'obtiendra une valeur impredecible x. En général, est impossible predecir avec précision quelle valeur de x s'obtiendra, bien que il est probable que s'obtienne un proche au centre du colis d'ondes, où l'ampleur de la fonction d'onde est grande. Après qu'il s'est fait la mesure, la fonction d'onde de la particule bloque et il se réduit à une qu'il soit très concentrée sur je reviens à la position remarquée x.

La équation de Schrödinger est en partie determinista dans le sens de que, donnée une fonction d'onde à un temps initial donné, l'équation distribue une prédiction concrète de quelle fonction nous aurons à n'importe quel temps posterior. Pendant une mesure, l'eigen-état auquel bloque la fonction il est probabilista et dans cet aspect est ne determinista. Donc la nature probabilista de la mécanicienne cuántica naît de l'acte de la mesure.

Formulation mathématique

Articles principalest: Formulation mathématique de la mécanicienne cuántica et Notation braket

Dans la formulation mathématique rigoureuse, développée par Dirac et von Neumann, les états possibles d'un système cuántico sont représentés par vectores unitarios (appelés états) qu'appartiennent à un Espace d'Hilbert complexe separable (appelé le espace d'états). La nature exacte de cet espace dépend du système; par exemple, l'espace d'états pour les états de position et moment est l'espace de fonctions de cadré integrable. L'évolution temporelle d'un état cuántico reste décrite par la Équation de Schrödinger, dans celle qui le Hamiltoniano, l'opérateur correspondant à l'énergie totale du système, a un papier central.

Chaque observable reste représenté par un opérateur linéaire hermítico défini sur un domination dense de l'espace d'états. Chaque état propre d'un observable correspond à un eigenvector de l'opérateur, et la valeur propre ou eigenvalor associé correspond à la valeur de l'observable dans cet état propre. Il est le spectre de l'opérateur est discret, l'observable seulement peut donner une valeur entre les eigenvalores discrets. Pendant une mesure, la probabilité de que un système bloquez à un des eigenestados vient donnée par le cadré de la valeur absolue du produit intérieur entre l'état propre ou acte-été (que nous pouvons connaître théoriquement avant de mesurer) et le vector état du système avant de la mesure. Nous pouvons j'ai pris trouver la distribution de probabilité d'un observable dans un état donné computando la décomposition espectral de l'opérateur correspondant. Le principe d'incertitude d'Heisenberg se représente par l'aseveración de que les opérateurs correspondants à certains observables ne conmutan.

Relativité et la mécanicienne cuántica

Le monde moderne de la physicienne se fonde notablement en deux théories principales, la relativité générale et la mécanicienne cuántica, bien que les deux théories semblent se contredire mutuellement. Les postulados que définissent la théorie de la relativité d'Einstein et la théorie du quántum sont incuestionablemente soutenus par rigoureuse et répétée évidence empirique. Pourtant, toutes les deux se résistent à être incorporées dedans d'un même modèle cohérent.

Le même Einstein est connu par y avoir rejeté quelques des demandes de la mécanicienne cuántica. Malgré être clairement inventivo dans son champ, Einstein n'a pas accepté l'interprétation ortodoxe de la mécanicienne cuántica telles comme l'assertion de que une seule particule subatómica peut occuper des nombreux espaces en même temps. Einstein A non plus accepté les conséquences de entrelazamiento cuántico encore plus exóticas du paradoxe d'Einstein-Podolsky-Rosen (ou EPR), laquelle démontre que mesurer l'état d'une particule peut instantáneamente changer l'état de son partenaire raccordé, bien que les deux particules ils peuvent être à une distance arbitraire. Pourtant, cet effet ne viole pas la causalité, puisqu'il n'y a pas transfert possible d'information. En fait, ils existent des théories cuánticas qu'incorporent à la relativité spéciale -par exemple, la electrodinámica cuántica, laquelle est actuellement la théorie physique moins vérifiée- et celles-ci se trouvent en le même riñon de la physicienne moderne de particules.

Voyez-vous aussi

Personnalités

Références

Notes
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Bibliografía

Tu raccordes externes

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