Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne - Bernard Remaud
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Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne Bernard Remaud Chapitre IV Le monde quantique
2 La Mécanique Quantique et la Relativité : 2 théories (paradigmes) établies au début du XXème siècle, qui ont : • Bouleversé notre vision du monde(toutes les 2) • Révolutionné notre vie quotidienne (surtout la mécanique quantique) Et qui sont toujours irréconciliables Un paradigme est une représentation du monde Vidéo recommandée : Puissances de 10 ou Powers of Ten Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Un monde à part 3 La mécanique quantique parait ésotérique ; son vocabulaire est utilisé comme support de beaucoup de théories ou de pratiques discutables. Philippe Bobola, Phycisien, Biologiste et Anthropologue, Membre de l'Académie des Sciences de New York Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
4 Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Un jargon pseudo-scientifique 5 Un dysfonctionnement organique entraîne un champ électromagnétique altéré autour des cellules et tissus. La thérapie quantique emploie tous les types d'ondes biologiquement et écologiquement pures, afin de ramener ce champ dans un état stable. Pour ce faire, les émissions électromagnétiques employées sont à l’unisson avec les processus d’information énergétique de l’organisme vivant: elles sont en bio-résonance avec ceux-ci. http://www.energie-sante.net/fr/tq/TQ001_therapie-quantique.php Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Un jargon pseudo-scientifique 6 Qu’est-ce qu’un champ altéré ? L’a-t-on détecté ? Un dysfonctionnement organique entraîne un champ électromagnétique altéré autour des cellules et tissus. La thérapie quantique emploie tous les types d'ondes biologiquement et écologiquement pures, afin de ramener ce champ dans un état stable. Pour ce faire, les émissions électromagnétiques employées sont à l’unisson avec les processus d’information énergétique de l’organisme vivant: elles sont en bio-résonance avec ceux-ci. Qu’est-ce qu’une onde Quelles longueurs d’onde, biologiquement pure ? si =taille cellule → UV danger Qu’est-ce que c’est ? Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Pourquoi une telle fascination pour le « quantique » ? 7 Pourquoi une telle fascination C’est parce que la (mauvaise) pour le « quantique » ? vulgarisation des paradoxes Si la physique quantique fascine apparents de cette science autant, c’est en partie parce qu’elle est peut facilement se retourner contre elle et alimenter la contre-intuitive, en ce sens que ce pensée magique. qu’elle décrit ne ressemble pas Ses concepts (dualité onde- vraiment à ce que l’on voit tous les corpuscule, principe jours. d’indétermination de Heisenberg, intrication quantique…) sont dès lors facilement détournables par les marchands de pseudo- médecines « alternatives », sans parler des gourous d’idéologies New-Age. www.pseudo-sciences.org Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Les grands domaines de la physique 8 Vitesse 10-8 m Classique restreinte et générale Taille < 10-9 m Théorie < 10-8 m quantique des Mécanique champs Taille quantique Relativité Quantique Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Quelques mots-clés 9 Principe d’incertitude L’effet Tunnel Particule-ondes Quantification Matière-antimatière Principe d’exclusion de Pauli Fermions-bosons Non-localité, intrication Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Les 4 catégories de la physique classique 10 Temps Espace Le cadre à 1 dimension à 3 dimensions Écoulement Donné a priori fixe Donné a priori Les Matière Forces- énergie Caractérisée par Les 4 interactions « acteurs » la masse fondamentales Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Les 4 catégories de la physique quantique 11 Temps Espace Le cadre à 1 dimension à 3 dimensions Pas d’écoulement Donné a priori fixe privilégié Donné a priori Les « acteurs » Vision Matière Forces- énergie unifiée Caractérisée par Les 4 interactions fondamentales sous forme la masse de « champ » Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Les 4 catégories de la physique quantique A-t-on oublié quelque chose (quelqu’un) ? 12 L’observateur Espace Temps Forces- Matière énergie Dans l’infiniment petit, on ne peut observer sans perturber Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Observer-mesurer : c’est perturber 13 Mesurer la position et la vitesse d’une balle de tennis Ondes e-m Infrarouge-visible Et si l‘on mesurait la position et la vitesse d’un électron Ondes e-m Image -fausse Rayons X-gamma Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
En résumé 14 • En physique de l’infiniment petit, on ne peut pas observer sans perturber Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
1ère Partie 15 Des faits et des expériences … troublants Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
« Incertitude » d’Heisenberg 16 Photons inc. v0 v0 v1 électron X X0 X0 « Visualisation » de la mesure de la position d’un électron v0 Mesurer « x » va modifier la vitesse V1 ΔV Relation d’Heisenberg: • ∆ incertitude sur la position • ∆ incertitude sur la vitesse ℎ ∆ ∆ ≥ 4 • masse de l’électron • ℎ constante de Planck En mécanique quantique, la variable conjuguée de la Forme canonique masse est la quantité de mouvement = ℏ ℎ Et on utilise la constate de Planck réduite ℏ = 2 π ∆ ∆ ≥ 2 Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
« Incertitudes » d’Heisenberg 17 Forme plus connue d’une relation d’Heisenberg : ℏ ∆ ∆ ≥ 2 • ∆ : incertitude sur la position • ∆p : incertitude sur la quantité de mouvement : = ℎ • ℏ ∶ constante de Planck réduite ℏ = 2 π Mais aussi pour le temps et l’énergie : ℏ ∆ ∆ ≥ 2 Pas de panique, h est très petit : ℏ ≈ 1,054 571 818 × 10−34 J s Deux exemples • Chrono 100 m de Ushain Bolt : 9,58 s à ± 0,01 s : Δv = 10 cm/s incertitude sur sa position : Δ x = 6 x 10-36 m • Électron mesuré à v=108 m/s avec Δv = 100 m/s, Δ x = 5 x 10-7 m x = 0,5 μm est très grand à l’échelle des particules Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
La nature apparait-elle floue ? 18 L’observateur Espace Temps Forces- Matière énergie Existe-t-il entre l’observateur et la Nature un brouillard qui empêche de percevoir la réalité des choses ? Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
En résumé 19 • En physique de l’infiniment petit, on ne peut pas observer sans perturber • Les relations d’incertitude d’Heisenberg peuvent exprimer l’impossibilité de mesurer avec une précision infinie les couples (position, vitesse) ou (énergie, durée) Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
« Incertitudes » d’Heisenberg 20 Les relations d’Heisenberg permettent « d’expliquer » des phénomènes observés: ℏ ∆ ∆ ≥ 2 Un système peut « emprunter » de l’énergie ΔE à son environnement pendant un temps Δt Un exemple Création d’une paire électron-antiélectron à partir du vide ΔE =2 me c2, ΔE = 1,6 10-13 J(oule) Δt = 3 10-22 s (petit mais pas nul) Le « vide » quantique bouillonne de paires de particules qui émergent et disparaissent (très) rapidement – sauf si un mécanisme les capture avant leur disparition. L’origine de l’univers comme résultant d’une fluctuation du vide ? Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Les 5 « catégories » de la mécanique quantique 21 L’observateur Espace Temps Forces- Matière énergie L’observateur doit être inclus dans le système observé Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
« Incertitudes » d’Heisenberg 22 ℏ ∆ ∆ ≥ 2 Un système peut-il « emprunter » de l’énergie ΔE à son environnement pendant un temps Δt Un autre exemple : l’effet-tunnel L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir une barrière de potentiel même si son énergie est inférieure à l'énergie minimale requise pour franchir cette barrière (Wikipedia). Modèle (très) simplifié (voir plus loin) La particule « emprunte » ΔE et ΔE peut traverser si le temps Δt lui permet de passer; elle « rend » ΔE de l’autre côté Eparticule Ebarrière 100 % Probabilité de passer la barrière 50 % 0% Eparticule Ebarrière Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
En résumé 23 • En physique de l’infiniment petit, on ne peut pas observer sans perturber • Les relations d’incertitude d’Heisenberg expriment l’impossibilité de mesurer avec une précision infinie les couples (position, vitesse) ou (énergie, durée) • L’effet-tunnel peut « s’interpréter » à partir des relations d’Heisenberg Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
L’effet tunnel à notre échelle 24 La radioactivité (émission de particules α) Demi-vie 1600 ans Source http://www.laradioactivite.com Voir l’invisible : microscope à effet tunnel Atomes de Nickel 10-10 mètre https://nanotechnologie- medecine.webnode.fr/ Voir la vidéo sur effet tunnel Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
L’effet tunnel et l’électronique 25 La miniaturisation des transistors atteint les limites quantiques Polytech-lille L’effet-tunnel peut limiter la technologie des transistors actuels Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
L’effet tunnel et l’électronique 26 L’effet tunnel est une limitation à l’électronique actuelle, il pourrait être la clé des futurs composants électronique Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
En résumé 27 • En physique de l’infiniment petit, on ne peut pas observer sans perturber • Les relations d’incertitude d’Heisenberg expriment l’impossibilité de mesurer avec une précision infinie les couples (position, vitesse) ou (énergie, durée) • L’effet-tunnel peut s’interpréter à partir des relations d’Heisenberg • L’effet-tunnel est l’origine de phénomènes observé à notre échelle (radioactivité, électronique) Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Dualité onde-corpuscule 28 A notre échelle Corpuscule Onde Position ou localisée, d'extension délocalisée, d'extension infinie interaction définie dans le temps et l'espace trajectoire continue, diffusion en même temps dans Propagation avec une vitesse toutes les directions définie et observable l'objet est Dénombrabilité et dénombrable, et l'objet est indénombrable et séparabilité séparable en objets inséparable en objets distincts. distincts. Les objets ne sont Les ondes sont superposables Superposabilité pas superposables (interférences) Source Wikipedia Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Dualité onde-corpuscule : la lumière (e-m) 29 • XVIIème siècle : Descartes, Gassendi, Newton … nature corpusculaire de la matière et de la lumière • XVIIème siècle : Huygens théorie ondulatoire de la lumière • XIXème siècle : Young, Fresnel, Maxwell, Roentgen : la lumière est une onde électromagnétique • XXème siècle : Einstein et effet photoélectrique : la lumière est corpusculaire (photons) http://perceptioncouleurs.free.fr www.researchgate.net Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Dualité onde-corpuscule : la lumière (e-m) 30 La catastrophe du corps noir La théorie classique de l’émission du corps noir (émission continue de toutes les fréquences) « explosion » des émissions vers les hautes fréquences Planck 2ℎ 3 1 Les échanges d’énergie se 0 = 2 ℎ font par paquets (quantums) −1 en Hz d’énergie ℎν T en Kelvins Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Dualité onde-corpuscule : la lumière (e-m) 31 Effet photoélectrique (Einstein 1905) Pourquoi un seuil pour l’émission des électrons ? Si < Rien , pas d’émission Si > Emission d’électrons = ℎ − 0 h=6,626 10-34 Joule.s La lumière se propage comme une onde Et interagit avec la matière comme des corpuscules (photon) d’énergie = ℎ Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
La dualité onde-corpuscule sur votre toit 32 https://www.m-habitat.fr / Le toit d’un « mécanicien quantique » : • En haut, des panneaux solaires thermiques : le soleil émet des ondes électro-magnétiques • En bas, des panneaux solaires photovoltaïques, le soleil émet des photons. Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Onde et corpuscule en physique classique 33 Les Fentes d’Young La source peut émettre des ondes ou des corpuscules On peut ouvrir ou fermer les fentes Propagation de particules classiques Le résultat avec 2 fentes est Les particules passent dans la superposition des résultats une fente ou dans une autre avec chacune séparément Propagation des ondes Figures d’interférences L’onde mère passe par les 2 Additivité fentes (en et se positif et en recombine enen négatif) des ondes sortie Sources Images : http://particules.lescigales.org Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Dualité onde-corpuscule en physique quantique 34 Simulation de l’expérience d’Young en physique quantique: voir vidéo 1. Les objets quantiques se propagent comme des ondes : l’objet passe par les 2 fentes 2. Si on cherche à détecter l’objet : il se comporte comme une particule (point d’impact sur l’écran) 3. Vouloir déterminer par quel fente passe l’objet : le fait se comporter comme une particule Les objets de la mécanique quantique semblent : • Se propager comme des ondes quand on ne les observe (mesure) pas • Se comporter comme des particules dès que l’ on mesure certaines de leurs caractéristiques Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Dualité onde-corpuscule – un essai d’explication 35 Louis de Broglie (thèse en 1924) A toute particule de masse m et de vitesse v est associée une onde –pilote- de longueur d’onde ℎ 2 λ= donc de fréquence f = ℎ La réalité de cette onde, au sens de de Broglie, n’a jamais pu être démontrée – au contraire. Mais le comportement ondulatoire des électrons a été confirmé (diffraction par un cristal, Davisson-Germer, 1927) Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Comportement ondulatoire des objets quantiques 36 Louis de Broglie (thèse en 1924) Objet Masse (kg) Vitesse typique Longueur (m/s) d’onde (m) Une bille 10-2 1 6,6 10-36 Un grain de 9 10-5 10 7,3 10-29 sable Molécule 3,0 10-26 400 (vapeur) 5,5 10-11 d’eau Proton 1,7 10−27 108 4 10-15 Electron (lié 9,1 10−31 2,4 106 3,1 10-10 atome) Tension Longueur Electron accéléré (V volts): accélération d’onde (m) ℎ 54 V (exp DG) 1,45 10-10 = 2 10 000 V 1,1 10-11 Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Dualité onde-corpuscule : la vision moderne 37 Les notions : • d’onde, comme vibration périodique d’un milieu ou d’un champ • de particule, comme « bille » localisée dans l’espace et ayant une vitesse bien définie résultent d’une vision « classique » valable à notre échelle Elle ne s’applique pas à l’échelle quantique L’onde associée à une particule est une onde de probabilité –non physique- qui porte toute l’information sur la particule (en particulier sa position sa vitesse ou son énergie). Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
La nature apparait-elle floue ? 38 L’observateur Espace Temps Forces- Matière énergie Existe-t-il entre l’observateur et la Nature un « brouillard » qui empêche de percevoir la réalité des choses ? Non mais les objets quantiques n’ont pas les mêmes caractéristiques que ceux à notre échelle. Le « brouillard » apparait lorsque l’on veut les caractériser comme les objets classiques Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
En résumé 39 • En physique de l’infiniment petit, on ne peut pas observer sans perturber • Les relations d’incertitude d’Heisenberg expriment l’impossibilité de mesurer avec une précision infinie les couples (position, vitesse) ou (énergie, durée) • L’effet-tunnel peut s’interpréter à partir des relations d’Heisenberg • L’effet-tunnel est l’origine de phénomènes observé à notre échelle (radioactivité, électronique) • Les notions classiques de particules avec une position et vitesse bien définies ne s’applique pas à l’infiniment petit Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
2ème Partie 40 Les bases de la Mécanique Quantique Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Qu’est-ce qu’une particule quantique 41 Une particule quantique – comme un objet classique à notre échelle- a des caractéristiques fixes, qui déterminent comment elle interagit avec les forces fondamentales et ses symétries : • Sa masse : réaction à la gravitation • Sa charge : réaction au champ électrique • Son spin : réaction au champ magnétique • Parité, ….… Exemples : L’électron • Masse : 9,109×10-31 kg (511 keV/c2) • Charge électrique : -1,602×10-19 C (-e unité de charge) • Spin : ½ (fermion) Le photon • Masse : 0 • Charge électrique : 0 • Spin : 1 (boson) Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Qu’est-ce qu’une particule quantique 42 Une particule quantique a des caractéristiques fixes et des caractéristiques variables déterminées par sa fonction d’onde (ou fonction d’état) : objet mathématique complexe dont on peut calculer très précisément l’évolution dans le temps. Particules à notre échelle Particules Quantiques (bille, grain de poussière, voiture) (électrons, protons, atomes,…) Masse Masse Charge électrique Charge électrique Propriétés magnétiques Spin Couleur … … Espace à 3 dimensions + temps Fonction d’onde (état) Position Dans un espace à N dimensions + temps Vitesse Energie ….. Si l’on souhaite mesurer des caractéristiques d’une particule quantique – significatives à notre échelle- comme une vitesse, une énergie, une position… Le résultat s’extrait de la fonction d’onde sous forme de probabilité (cf. les relations d’incertitude) Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Mesurer une particule quantique Mesurer ma position ou la vitesse d’une particule quantique Position Fonction d’onde ψ(t) Vitesse 43 Opérateur sur ψ(t Si l’on souhaite mesurer des caractéristiques d’une particule quantique – significatives à notre échelle- comme une vitesse, une énergie, une position… Le résultat s’extrait de la fonction d’onde sous forme de probabilité (cf. les relations d’incertitude) Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
La mécanique quantique permet de prédire le comportement des objets 44 Il repart selon une Sonfinal Etat ondedesela Etat initial de la Fonction d’onde propage Un électron est nouvelle onde de fonction à travers d’onde fonction d’onde modifiée Ψ’ (t) lesΨfentes lancé probabilité (t) Ψ (t=0) Evolution de l’onde Ψ On observe Mesure par d’une quelle fente il caractéristique Expérience des fentes passe Préparation de l’expérience (position, énergie, … d’Young L’observateur L’observateur Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
La mécanique quantique permet de prédire le comportement des objets 45 Fonction d’onde Etat final de la Etat initial de la fonction d’onde fonction d’onde Espace modifiée Ψ’ (t) Ψ (t) Ψ (t=0) mathématique des Evolution de l’onde Ψ fonctions d’onde Espace physique Mesure d’une Préparation de (réel) des caractéristique (position, l’expérience observables énergie, … L’observateur L’observateur Je crois que la réalité exposée par la physique moderne est fondamentalement étrangère à l'esprit humain, et défie tout pouvoir de visualisation directe ... (Davies and Gribbin) Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Comment évolue la fonction d’onde ? 46 L’équation de Schrödinger (1925) Opérateur Opérateur énergie d’évolution du wikipedia temps ψ est calculable, mais pas observable ψ 2 est observable (probabilité) Un exemple de probabilité de position extraite de ψ(t) : solution de l’équation de Schrödinger pour l’effet tunnel Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
L’effet tunnel revisité 47 L’effet-tunnel Une partie de l’onde associée à la particule est réfléchie par la barrière et une autre la traverse. Pourquoi : L’onde détermine la distribution de probabilité pour l’énergie ou la vitesse de la particule. La particule a donc une petite probabilité d’avoir une énergie suffisante pour passer la barrière Ebarrière Eparticule Inversement, une particule plus énergétique peut avoir une probabilité d’avoir une énergie insuffisante 100 % Probabilité de passer la barrière 50 % 0% Ebarrière Eparticule Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
En résumé 48 • En physique de l’infiniment petit, on ne peut pas observer sans perturber • Les relations d’incertitude d’Heisenberg expriment l’impossibilité de mesurer avec une précision infinie les couples (position, vitesse) ou (énergie, durée) • L’effet-tunnel peut s’interpréter à partir des relations d’Heisenberg • L’effet-tunnel est l’origine de phénomènes observé à notre échelle (radioactivité, électronique) • Les notions classiques de particules avec une position et vitesse bien définies ne s’applique pas à l’infiniment petit • La mécanique quantique permet de calculer les fonctions d’onde et leur évolution, et donne le moyen d’en extraire les données mesurables (de manière probabiliste) Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
La fonction d’onde 49 La fonction d’onde ( , Ԧ ) contient toute l’information sur la particule mais on ne peut l’extraire que sous forme de probabilités C’est un objet mathématique complexe (dans tous les sens du terme) La fonction d’onde d’une particule dans un puits et la probabilité de présence de la particule ( ( , Ԧ ) ²) Pour visualiser l’évolution de la fonction d’onde déterminée par l’équation de Schrödinger Voir la vidéo Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Exemple de fonction d’onde quantique (1 dimension) 50 Un objet quantique en mouvement arrive sur une barrière de potentiel, avec une énergie insuffisante pour la traverser Non observable Partie imaginaire de , Partie réelle de , Mesurable Probabilité de présence Une particule classique ne passe pas 2 , Un objet quantique a une probabilité non nulle de traverser Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Fonction d’onde et états quantiques 51 Un exemple simple : le pendule quantique Énergie du pendule cinétique Niveaux quantifiés d’énergie potentielle x Les fonctions d’onde devant s’annuler sur les frontières → quantification de l’énergie Etats liés stables ΔE = 0, Δt = ∞ Analogie vibration d’une corde (vidéo) Voir vidéo « quantification » Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Fonction d’onde et états quantiques 52 Premier succès de Schrödinger : les niveaux atomiques Le plus simple L’atome d’hydrogène électron Attraction électrique proton Ceci est une illustration et ne représente pas la réalité d’un atome La partie spatiale de la fonction d’onde Wikipedia L’hydrogène (stable) ne peut avoir que des états d’énergie quantifiés Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Fonction d’onde et états quantiques 53 Les fréquences d’émission de l’hydrogène expliquées La signature électromagnétique de l’hydrogène laboiteaphysique Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
En résumé 54 • En physique de l’infiniment petit, on ne peut pas observer sans perturber • Les relations d’incertitude d’Heisenberg expriment l’impossibilité de mesurer avec une précision infinie les couples (position, vitesse) ou (énergie, durée) • L’effet-tunnel peut s’interpréter à partir des relations d’Heisenberg • L’effet-tunnel est l’origine de phénomènes observé à notre échelle (radioactivité, électronique) • Les notions classiques de particules avec une position et vitesse bien définies ne s’applique pas à l’infiniment petit • La mécanique quantique permet de calculer les fonctions d’onde et leur évolution, et donne le moyen d’en extraire les données mesurables (de manière probabiliste) • Les particules liées (confinées) ont des niveaux d’énergie quantifiés Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Indiscernabilité des particules identiques 55 Si on associe 2 objets classiques (à notre échelle), ils gardent leur individualité (ils sont discernables) Bille 2 Bille 1 Bille 2 Bille 2 Bille 1 Bille 2 Bille 1 Bille 1 Si 2 objets quantiques identiques(de mêmes caractéristiques fixes) interagissent; ils sont indiscernables. Electron 2 - Ψ (2) Ψ (1,2) – états corrélés Électron 1 - Ψ (1) Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Indiscernabilité des « particules » identiques 56 Électron 2 Électron 1 2 2 électrons collisionnent (schéma simplifié car les électrons ne sont pas des points) Électron 1 Électron 2 1 L’indiscernabilité des particules posent des conditions sur les fonctions d’onde : ( 1 , 2 ; ) ² = ( 2 , 1 ; ) ² 1 , 2 ; = ± ( 2 , 1 ; ) Deux catégories de particules selon le signe + ou - Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Indiscernabilité des « particules » identiques 57 2 électrons collisionnent Électron 2 Électron 1 2 (schéma simplifié car les électrons ne sont pas des points) Électron 1 Électron 2 1 L’indiscernabilité des particules posent des conditions sur les fonctions d’onde : 1 , 2 ; = ± ( 2 , 1 ; ) Que se passe-t’il si 1 ≈ 2 = Ԧ : • , ; Ԧ = + ( ,Ԧ ; ) ê • , Ԧ ; = − ( , ; Ԧ ) , ;Ԧ = 0 ( é ) Deux catégories de particules selon le signe • + ce sont des bosons • - ce sont des fermions Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Fermions - bosons 58 Une propriété purement quantique (inexplicable par la physique classique) Lorsque l’on associe plusieurs particules identiques ensemble, suite aux propriétés de ψ (symétrie par permutation), on observe 2 grandes familles: W. Pauli Wikipedia • Les fermions (protons, électrons, …) qui suivent le principe d’exclusion de Pauli : ils ne peuvent pas occuper le même état quantique (position ,vitesse, spin,…). Les fermions sont les constituants de la matière – le principe d’exclusion est le garant de la stabilité de la matière • Les bosons (photons, …) qui n’ont aucune contrainte. Les bosons sont les « véhicules » des interactions entre fermions (comme les photons) Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Pauli - Modèles en couches des éléments chimiques 59 Sans le principe de Pauli, les électrons de l’atome se grouperaient sur l’orbite la plus basse ; la matière que nous connaissons n’existerait pas Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Pauli et le noyau atomique 60 Le noyau atomique est composé de fermions (Z protons et N neutrons; A = N+Z) Le principe de Pauli détermine la taille du noyau atomique = 8 10−45 3 Quand Z est trop élevé, la répulsion entre protons fait éclater le noyau. Une étoile à neutrons est un immense noyau atomique (sans protons); sa densité est limitée par le principe de Pauli Une cuiller à soupe d’étoile à neutrons a une masse de 1 milliard de tonnes http://nrumiano.free.fr Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Equation de Schrödinger et ses limites 61 L’équation des fonctions d’ondes de Schrödinger (1925) Opérateur énergie Opérateur d’évolution du temps • Equation non relativiste : valable pour les particules de matière (masse au repos m0>0 ; et vitesse faible v
Au-delà de Schrödinger 62 Des générations de physiciens ont travaillé pour pallier les limites de l’équation de Schrödinger (1925) 1ère génération : Particules relativistes (m>0 ; vitesses proches de celle de la lumière, v < c ; avec spin): • Équation de Dirac (1928) par exemple : électrons • Équation de Klein-Gordon (1926) par exemple : bosons 2ème génération Théorie des champs : • théorie quantique de l’électromagnétisme (QED, prix Nobel 1965) • Théorie quantique de l’interaction nucléaire (forte) (QCD, prix Nobel en 2004) Bricolage : çà marche, mais pas de théorie unique Relativité Générale + Mécanique Quantique Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Matière - Antimatière 63 2 solutions symétriques de l’équation de Dirac : • L’une « prévue » pour l’électron • L’autre « bizarre » pour un électron de charge positive. C’est le positron (ou positon), un antiélectron (charge égale mais positive); il sera observé (1932) Toute particule de matière a son antiparticule (sa particule d’antimatière) – le photon est son antiparticule Quand une particule rencontre une antiparticule électron + positron→ 2 photons Masse → énergie = 2 me c2 Vidéo sur l’antimatière Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Où est l’antimatière ? 64 Les rayons cosmiques, les éruptions solaires créent des antiparticules La radioactivité → tomographie par positrons (TEP) 18 F → 188O + e+ + 9 e+ est un antiélectron Durée de vie moyenne du 189F 110 minutes Source : wikipedia Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
3ème Partie 65 La vision quantique des briques « ultimes » de la matière Pourquoi sommes-nous pas des objets quantiques? Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Les 2 interactions fondamentales classiques 66 Force Exemple Nature Portée Intensité (relative) Gravitation Pesanteur Toujours infinie 10-39 attractive Electro- Moteurs, courants Charges + et – infinie 10-2 magnétisme électriques, Répulsive ou (1/137) ondes e-m attractive Effet d’écran (en moyenne les charges + et – s’équilibrent) : les effets attractifs et répulsifs de l’électro-magnétisme s’annulent à longue distance Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Les 5 interactions fondamentales du modèle standard 67 Depuis 1980 (env.) Force Exemple Nature Portée Intensité (relative) Gravitation Pesanteur entre Toujours infinie 10-39 objets de masse non attractive nulle Electro- Ondes e-m Charges infinie 10-2 magnétisme Cohésion des atomes électriques (1/137) et molécules + et – Nucléaire Cohésion des protons Charges 10-15 m 1 forte et neutrons (et des de couleur noyaux) Nucléaire Radioactivité β Charge 10-18 m 10-7 faible d’isospin Depuis 2012 Champ de Détermine la Interaction avec les ? ? Higgs masse des particules (bosons, particules quarks et leptons) Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Carte d’identité de particules « élémentaires » 68 Des exemples de particules quantiques Proton Neutron Electron Photon Quarks (6) Charge 938,272 939,565 0,511 0 De 2 à Gravitationnelle MeV/c² MeV/c² MeV/c² 173 000 (masse au repos) MeV/c² Charge 0 - 0 ± ; ±2 électrique (1,6 10-19 C) 3 3 Charge de couleur Pour mémoire Voir cours avancé Charge électrofaible Pour mémoire Voir cours avancé Spin ± 1 ± 1 ± 1 ± 1 2 2 2 -1, 0, 1 2 Symétrie Fermion Fermion Fermion Boson Fermion Famille Composite Composite Lepton Lepton Baryon Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Les particules quantiques élémentaires 69 Le modèle « standard » a établi le tableau des briques élémentaires de l’univers (hors matière noire) Toutes ont été observées Sans compter les antiparticules (particules d’antimatière) Source Wikipedia Matière « ordinaire », basse énergie Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Les « Legos » de l’Univers 70 Par exemple : • 1 proton = 2 quarks u + 1 quark d, « collés » par des gluons • 1 neutron = 1 quarks u + 2 quark d, « collés » par des gluons Source Wikipedia Le gluon est le vecteur (porteur) de l’interaction nucléaire forte Le photon est le vecteur de Les gluons l’interaction électromagnétique n’interagissent pas Les bosons Z et W sont les avec les leptons vecteurs de l’interaction nucléaire faible Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
En résumé 71 • En physique de l’infiniment petit, on ne peut pas observer sans perturber • Les relations d’incertitude d’Heisenberg expriment l’impossibilité de mesurer avec une précision infinie les couples (position, vitesse) ou (énergie, durée) • L’effet-tunnel peut s’interpréter à partir des relations d’Heisenberg • L’effet-tunnel est l’origine de phénomènes observé à notre échelle (radioactivité, électronique) • Les notions classiques de particules avec une position et vitesse bien définies ne s’applique pas à l’infiniment petit • La mécanique quantique permet de calculer les fonctions d’onde et leur évolution, et donne le moyen d’en extraire les données mesurables (de manière probabiliste) • Les particules liées (confinées) ont des niveaux d’énergie quantifiés • La mécanique quantique permet une description unifiée (complète ?) des constituants de l’univers Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Les énigmes à résoudre 72 Au début de l’univers a priori autant de matière que d’antimatière a été créée. Où est passée l’antimatière ? Est-ce que l’antimatière est soumise à la gravitation ou à l’antigravitation ? (exp. Gbar au CERN) De quoi est composée la matière noire (sensible uniquement à la gravitation…)? Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Le principe de superposition 73 Si un objet peut avoir plusieurs états (décrits par des fonctions d’onde différentes, Ψ1 et Ψ2), toutes les combinaisons de ces états sont possibles. Par exemple un atome peut être “classiquement” dans son état fondamental OU dans un état excité; en mécanique quantique, il peut être à la fois stable ET excité. Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Le principe de superposition : une analogie 74 Un univers où les objets ne peuvent être que soit bleu, soit jaune A notre échelle (classique) Les seules états possibles pour une bille sont donc bleu ou jaune. Espace des états Dans le monde quantique, si une particule peut avoir 2 quantiques états bleu, jaune; elle peut avoir tous les états (non intermédiaires bleu ET jaune (toutes les superpositions observables) possibles de bleu et de jaune) …. 100% bleu 100% jaune 80% jaune ET 20 % bleu 50% jaune ET 50 % bleu Les mesures (dans notre espace) avec 80% 50% leurs probabilités 100% 100% 20% 50% Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Le principe de superposition 75 Origine du paradoxe dit du chat de Schrödinger Un chat peut-il être 50 % vivant et 50% mort ? Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
L’intrication quantique… une analogie 76 Un univers où les objets ne peuvent être que soit bleu, soit jaune : on prépare un couple de 2 billes à 50% bleu et 50% jaune. A notre échelle (classique), les seules solutions Espace OU des états quantiques Dans le monde quantique, une multitude de solutions (non possibles (principe de superposition) observables) …….. Vous séparez les 2 particules (Nantes – Nice 1000 km) et observez la couleur Les Nantes NICE mesures (dans 50% 100%des descas cas 50% des cas notre espace) NON 50% des cas 50% 100%des descas cas Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
L’intrication quantique… une autre analogie 77 On prépare un état initial de 2 pièces: les états permis sont pile-face (PF) ou face-pile (FP) Les états interdits sont pile-pile (PP) ou face-face (FF) A(rthur) prend une des pièces, B(ernard) l’autre A lance sa pièce Ensuite B lance sa pièce A B Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
L’intrication quantique 78 L’intrication a été vérifiée depuis les années 1980 par de multiples expériences 2 particules couplées à spin 0: 2 états équiprobables. On sépare les 2 particules : à distance, on mesure le spin de l’une des particules (50% de chance pour le haut, 50% pour le bas), l’autre particule aussitôt prend le spin complémentaire (action immédiate qui semble « violer » la limite de la vitesse de la lumière pour la transmission de l’information). Einstein voyait dans cette expérience (à son époque de pensée), la preuve que la Mécanique quantique était imparfaite… L’expérience réelle lui a démontré qu’il avait tort Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
En résumé 79 • En physique de l’infiniment petit, on ne peut pas observer sans perturber • Les relations d’incertitude d’Heisenberg expriment l’impossibilité de mesurer avec une précision infinie les couples (position, vitesse) ou (énergie, durée) • L’effet-tunnel peut s’interpréter à partir des relations d’Heisenberg • L’effet-tunnel est l’origine de phénomènes observé à notre échelle (radioactivité, électronique) • Les notions classiques de particules avec une position et vitesse bien définies ne s’applique pas à l’infiniment petit • La mécanique quantique permet de calculer les fonctions d’onde et leur évolution, et donne le moyen d’en extraire les données mesurables (de manière probabiliste) • Les particules liées (confinées) ont des niveaux d’énergie quantifiés • La mécanique quantique permet une description unifiée (complète ?) des constituants de l’univers • Les objets quantiques ont des propriétés « inimaginables » comme être dans plusieurs états en même temps, ou dans des états intriqués. Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
La décohérence 80 Comment se fait-il que la superposition et l’intrication des états ne se manifestent pas à notre échelle ? Serge Haroche (Nobel 2009) « La décohérence quantique explique que l'état de superposition ne peut être maintenu qu'en l'absence d'interactions avec l'environnement » Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Pourquoi nous ne sommes pas « quantiques » 81 Temps de décohérence (en secondes) par type d'objet et par environnement Agrégat Molécule Poussière moléculaire complexe (10−3 cm) (10-5 cm) (10-6 cm) Dans l'air 10-36 s 10-32 s 10-30 s Vide de laboratoire 10-23 s 10-19 s 10-17 s (106 molécules d'air par centimètre cube) Vide parfait + 10-21 s 10-17 s 10-13 s éclairage solaire Vide intergalactique + 10-6 s 106 s ~ 11 jours 1012 s ~ 32 000 ans rayonnement 3 K Wikipedia Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Demain: la mécanique quantique dans notre vie ? 82 Principe de superposition Intrication L’ordinateur quantique Cryptographie Un bit : 0 ou 1 Un Qbit : tous les états superposés de 0 et 1 Plus rapide que les ordinateurs classiques Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
En résumé 83 • En physique de l’infiniment petit, on ne peut pas observer sans perturber • Les relations d’incertitude d’Heisenberg expriment l’impossibilité de mesurer avec une précision infinie les couples (position, vitesse) ou (énergie, durée) • L’effet-tunnel peut s’interpréter à partir des relations d’Heisenberg • L’effet-tunnel est l’origine de phénomènes observé à notre échelle (radioactivité, électronique) • Les notions classiques de particules avec une position et vitesse bien définies ne s’applique pas à l’infiniment petit • La mécanique quantique permet de calculer les fonctions d’onde et leur évolution, et donne le moyen d’en extraire les données mesurables (de manière probabiliste) • On a une carte (assez) complète des particules élémentaires constituant notre Univers • Une des conséquences de la mécanique ondulatoire est la prévision de l’existence de l’antimatière (observée et utilisée) • Les états possibles (énergie, …) d’une particule sont discrets (quantifiés) • Les objets quantiques ont des propriétés « inimaginables » comme être dans plusieurs états en même temps, ou dans des états intriqués. • Un objet cesse d’être « quantique » lorsque le nombre de ses constituants augmente et/ou lorsqu’il interagit avec son environnement. Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Le monde quantique est-il réel ? 84 Le mode quantique (l’infiniment petit) est inimaginable, il est déconnecté de nos expériences quotidiennes. Pourtant, il est extrêmement prédictible et est à la base de la technologie actuelle (IRM, transistor, laser, etc.) « Quiconque n’est pas choqué par la mécanique quantique, ne la comprend pas » (Niels Bohr) La mécanique quantique pose des problèmes philosophiques non résolus sur les notions de réalité Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Différentes écoles de pensées 85 Les réalistes La Réalité indépendante de l’observateur existe ; la Mécanique Quantique est incomplète (caractère probabiliste lié à des variables cachées, recherche pour donner un sens physique à la fonction d’onde) Les orthodoxes (pragmatiques) La Mécanique Quantique est une théorie pour prédire le résultat des expériences (Réalité observée; la fonction d’onde est un outil formel pour prédire les caractéristiques mesurées). Les autres … Les univers multiples …. Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
Merci 86 Un peu de Physique pour comprendre le monde moderne 2020
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