Mécanique quantique

La mécanique quantique est une théorie fondamentale de la physique qui fournit une description des propriétés physiques de la nature à l’échelle des atomes et des particules subatomiques. C’est le fondement de toute la physique quantique, y compris la chimie quantique, la théorie quantique des champs, la technologie quantique et la science de l’information quantique.

La physique classique, la description de la physique qui existait avant la théorie de la relativité et la mécanique quantique, décrit de nombreux aspects de la nature à une échelle ordinaire (macroscopique), tandis que la mécanique quantique explique les aspects de la nature à de petites échelles (atomique et subatomique), pour lesquelles la mécanique classique est insuffisante. La plupart des théories de la physique classique peuvent être dérivées de la mécanique quantique en tant qu’approximation valable à grande échelle (macroscopique).

La mécanique quantique diffère de la physique classique en ce que l’énergie, le moment, le moment angulaire et d’autres quantités d’un système lié sont limités à des valeurs discrètes (quantification), les objets ont des caractéristiques à la fois de particules et d’ondes (dualité onde-particule), et il y a des limites à la précision avec laquelle la valeur d’une grandeur physique peut être prédite avant sa mesure, étant donné un ensemble complet de conditions initiales (le principe d’incertitude).

La mécanique quantique est née progressivement, à partir de théories pour expliquer des observations qui ne pouvaient être conciliées avec la physique classique, comme la solution de Max Planck en 1900 au problème du rayonnement du corps noir, et la correspondance entre énergie et fréquence dans l’article d’Albert Einstein de 1905 qui expliquait le photoélectrique effet. La première théorie quantique a été profondément repensée au milieu des années 1920 par Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born et d’autres. L’interprétation originale de la mécanique quantique est l’interprétation de Copenhague, développée par Niels Bohr et Werner Heisenberg à Copenhague dans les années 1920. La théorie moderne est formulée dans divers formalismes mathématiques spécialement développés. Dans l’un d’eux, une fonction mathématique, la fonction d’onde, fournit des informations sur l’amplitude de probabilité de l’énergie, de la quantité de mouvement et d’autres propriétés physiques d’une particule.

(Fonctions d’onde de l’électron dans un atome d’hydrogène à différents niveaux d’énergie. La mécanique quantique ne peut pas prédire l’emplacement exact d’une particule dans l’espace, seulement la probabilité de la trouver à différents endroits. Les zones les plus claires représentent une probabilité plus élevée de trouver l’électron.)

Histoire

L’enquête scientifique sur la nature ondulatoire de la lumière a commencé aux XVIIe et XVIIIe siècles, lorsque des scientifiques tels que Robert Hooke, Christiaan Huygens et Leonhard Euler ont proposé une théorie ondulatoire de la lumière basée sur des observations expérimentales. En 1803, le polymathe anglais Thomas Young a décrit la célèbre expérience de la double fente. Cette expérience a joué un rôle majeur dans l’acceptation générale de la théorie des ondes de la lumière.

En 1838, Michael Faraday a découvert les rayons cathodiques. Ces études ont été suivies par la déclaration de 1859 du problème du rayonnement du corps noir par Gustav Kirchhoff, la suggestion de 1877 de Ludwig Boltzmann selon laquelle les états énergétiques d’un système physique peuvent être discrets, et l’hypothèse quantique de 1900 de Max Planck. L’hypothèse de Planck selon laquelle l’énergie est rayonnée et absorbée en «quanta» discrets (ou paquets d’énergie) correspondait précisément aux modèles observés de rayonnement du corps noir.

En 1896, Wilhelm Wien a déterminé empiriquement une loi de distribution du rayonnement du corps noir, appelée loi de Wien. Ludwig Boltzmann est arrivé indépendamment à ce résultat en considérant les équations de Maxwell. Cependant, il n’était valable que dans les hautes fréquences et sous-estimait le rayonnement aux basses fréquences.

Les fondations de la mécanique quantique ont été établies au cours de la première moitié du XXe siècle par Max Planck, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Louis de Broglie, Arthur Compton, Albert Einstein, Richard Feynman, Erwin Schrödinger, Max Born, John von Neumann, Paul Dirac , Enrico Fermi, Wolfgang Pauli, Max von Laue, Freeman Dyson, David Hilbert, Wilhelm Wien, Satyendra Nath Bose, Arnold Sommerfeld et autres. L’interprétation de Copenhague de Niels Bohr est devenue largement acceptée.

Max Planck a corrigé ce modèle en utilisant l’interprétation statistique de la thermodynamique de Boltzmann et a proposé ce que l’on appelle maintenant la loi de Planck, qui a conduit au développement de la mécanique quantique. Après la solution de Planck en 1900 au problème du rayonnement du corps noir (rapporté en 1859), Albert Einstein a offert une explication quantique de l’effet photoélectrique (1905, rapporté en 1887). Vers 1900–1910, la théorie atomique, mais pas la théorie corpusculaire de la lumière [9], est devenue largement acceptée comme un fait scientifique; ces dernières théories peuvent être considérées respectivement comme des théories quantiques de la matière et du rayonnement électromagnétique. Cependant, la théorie des photons n’a été largement acceptée que vers 1915. Même jusqu’au prix Nobel d’Einstein, Niels Bohr ne croyait pas au photon.

Parmi les premiers à étudier les phénomènes quantiques, on trouve Arthur Compton, C. V. Raman et Pieter Zeeman, dont chacun a un effet quantique qui porte son nom. Robert Andrews Millikan a étudié l’effet photoélectrique de manière expérimentale et Albert Einstein a développé une théorie pour cela. Dans le même temps, Ernest Rutherford a découvert expérimentalement le modèle nucléaire de l’atome, et Niels Bohr a développé une théorie de la structure atomique, confirmée par les expériences de Henry Moseley. En 1913, Peter Debye a étendu la théorie de Bohr en introduisant des orbites elliptiques, un concept également introduit par Arnold Sommerfeld. Cette phase est connue sous le nom d’ancienne théorie quantique.

Selon Planck, chaque élément d’énergie (E) est proportionnel à sa fréquence (ν):

E = hν,

où h est la constante de Planck.

(Max Planck est considéré comme le père de la théorie quantique.)

Planck a prudemment insisté sur le fait que ce n’était qu’un aspect des processus d’absorption et d’émission de rayonnement et non la réalité physique du rayonnement. En fait, il considérait son hypothèse quantique comme une astuce mathématique pour obtenir la bonne réponse plutôt qu’une découverte de taille. Cependant, en 1905, Albert Einstein a interprété l’hypothèse quantique de Planck de manière réaliste et l’a utilisée pour expliquer l’effet photoélectrique, dans lequel la lumière brillante sur certains matériaux peut éjecter des électrons du matériau. Einstein a remporté le prix Nobel de physique 1921 pour ce travail.

Einstein a développé cette idée pour montrer qu’une onde électromagnétique telle que la lumière pourrait également être décrite comme une particule (appelée plus tard le photon), avec une quantité discrète d’énergie qui dépend de sa fréquence. Dans son article « Sur la théorie quantique du rayonnement », Einstein a développé l’interaction entre l’énergie et la matière pour expliquer l’absorption et l’émission d’énergie par les atomes. Bien qu’éclipsé à l’époque par sa théorie générale de la relativité, cet article a articulé le mécanisme sous-jacent à l’émission stimulée de rayonnement, qui est devenue la base du laser.

(La conférence Solvay de 1927 à Bruxelles était la cinquième conférence mondiale de physique.)

Au milieu des années 1920, la mécanique quantique a été développée pour devenir la formulation standard de la physique atomique. À l’été 1925, Bohr et Heisenberg publièrent des résultats qui clôturent l’ancienne théorie quantique. En raison de leur comportement semblable à celui des particules dans certains processus et mesures, les quanta de lumière ont été appelés photons (1926). En 1926, Erwin Schrödinger a suggéré une équation différentielle partielle pour les fonctions d’onde de particules comme les électrons. Et lorsqu’elle est effectivement limitée à une région finie, cette équation n’autorisait que certains modes, correspondant à des états quantiques discrets – dont les propriétés se sont révélées être exactement les mêmes que celles impliquées par la mécanique matricielle. La simple postulation d’Einstein a suscité une vague de débats, de théories et de tests. Ainsi, tout le domaine de la physique quantique a émergé, conduisant à son acceptation plus large lors de la cinquième conférence Solvay en 1927.

Il a été constaté que les particules subatomiques et les ondes électromagnétiques ne sont ni simplement des particules ni des ondes mais ont certaines propriétés de chacune. C’est à l’origine du concept de dualité onde-particule.

En 1930, la mécanique quantique avait été davantage unifiée et formalisée par David Hilbert, Paul Dirac et John von Neumann avec une plus grande insistance sur la mesure, la nature statistique de notre connaissance de la réalité et la spéculation philosophique sur « l’observateur ». Elle s’est depuis étendue à de nombreuses disciplines, notamment la chimie quantique, l’électronique quantique, l’optique quantique et la science de l’information quantique. Il fournit également un cadre utile pour de nombreuses fonctionnalités du tableau périodique des éléments moderne et décrit le comportement des atomes lors de la liaison chimique et du flux d’électrons dans les semi-conducteurs informatiques, et joue donc un rôle crucial dans de nombreuses technologies modernes. Ses développements modernes spéculatifs incluent la théorie de la gravité quantique, qui comprend la théorie des cordes et la gravitation quantique à boucles.

Alors que la mécanique quantique a été construite pour décrire le monde des très petits, elle est également nécessaire pour expliquer certains phénomènes macroscopiques tels que les supraconducteurs et les superfluides.

Le mot quantum, en mécanique quantique,fait référence à une unité discrète affectée à certaines grandeurs physiques telles que l’énergie d’un atome au repos. La découverte que les particules sont des paquets d’énergie discrets avec des propriétés ondulatoires a conduit à la branche de la physique traitant des systèmes atomiques et subatomiques qui est aujourd’hui appelée mécanique quantique. Il sous-tend le cadre mathématique de nombreux domaines de la physique et de la chimie, y compris la physique de la matière condensée, la physique du solide, la physique atomique, la physique moléculaire, la physique computationnelle, la chimie computationnelle, la chimie quantique, la physique des particules, la chimie nucléaire et la physique nucléaire. Certains aspects fondamentaux de la théorie sont encore activement étudiés.

La mécanique quantique est essentielle pour comprendre le comportement des systèmes à des échelles de longueur atomique et plus petites. Si la nature physique d’un atome était uniquement décrite par la mécanique classique, les électrons ne seraient pas en orbite autour du noyau, car les électrons en orbite émettent des radiations (en raison du mouvement circulaire) et perdraient donc rapidement de l’énergie et entreraient en collision avec le noyau. Ce cadre était incapable d’expliquer la stabilité des atomes. Au lieu de cela, les électrons restent dans une orbitale onde-particule incertaine, non déterministe et probabiliste autour du noyau, défiant les hypothèses traditionnelles de la mécanique classique et de l’électromagnétisme.

La mécanique quantique a été initialement développée pour fournir une meilleure explication et description de l’atome, en particulier les différences dans les spectres de lumière émis par différents isotopes du même élément chimique, ainsi que des particules subatomiques. En bref, le modèle atomique de la mécanique quantique a réussi de façon spectaculaire dans le domaine où la mécanique classique et l’électromagnétisme vacillent.

De manière générale, la mécanique quantique intègre quatre classes de phénomènes dont la physique classique ne peut rendre compte:

• quantification de certaines propriétés physiques
• intrication quantique
• principe d’incertitude
• dualité onde-particule

Traduit de Wikipedia