La mécanique quantique obéit à des lois très différentes de la physique classique. De nombreux scientifiques influents ont travaillé dans ce domaine, notamment Albert Einstein, Erwin Schrodinger, Werner Heisenberg, Niels Bohr, Louis De Broglie, David Bohm et Wolfgang Pauli.

L'interprétation standard de Copenhague de la physique quantique affirme que tout ce qui peut être connu est donné par la fonction d'onde. En d'autres termes, nous ne pouvons pas connaître certaines propriétés des particules quantiques en termes absolus. Beaucoup ont trouvé cette notion troublante et ont proposé toutes sortes d'expériences de pensée et d'interprétations alternatives, mais les mathématiques cohérentes avec l'interprétation originale sont toujours valables.
Longueur d'onde et position

Pensez à secouer une corde à plusieurs reprises de haut en bas Il est logique de demander quelle est la longueur d'onde - c'est assez facile à mesurer - mais moins logique de demander où se trouve l'onde, car l'onde est vraiment un phénomène continu tout au long de la corde.

En revanche, si une seule impulsion d'onde est envoyée le long de la corde, identifiant où elle se trouve devient simple, mais déterminer sa longueur d'onde n'a plus de sens car ce n'est pas une onde.

Vous pouvez également imaginer tout le reste: envoyer un paquet d'onde sur la corde, par exemple, la position est quelque peu définie, ainsi que la longueur d'onde, mais pas les deux complètement. Cette différence est au cœur du principe d'incertitude de Heisenberg.
Dualité onde-particule

Vous entendrez les gens utiliser les mots photon et rayonnement électromagnétique de manière interchangeable, même s'il semble que ce sont des choses différentes. Quand ils parlent de photons, ils parlent généralement des propriétés des particules de ce phénomène, alors que lorsqu'ils parlent d'ondes électromagnétiques ou de rayonnement, ils parlent des propriétés ondulatoires.

Les photons ou le rayonnement électromagnétique présentent ce qu'on appelle dualité particule-onde. Dans certaines situations et dans certaines expériences, les photons présentent un comportement semblable à des particules. Un exemple de ceci est dans l'effet photoélectrique, où la lumière frappant une surface provoque la libération d'électrons. Les spécificités de cet effet ne peuvent être comprises que si la lumière est traitée comme des paquets discrets que les électrons doivent absorber pour être émis.

Dans d'autres situations et expériences, ils agissent davantage comme des ondes. Un bon exemple de ceci est les modèles d'interférence observés dans les expériences à fente simple ou multiple. Dans ces expériences, la lumière passe à travers des fentes étroites et étroitement espacées, et en conséquence, elle produit un motif d'interférence cohérent avec ce que vous verriez dans une onde.

Encore plus étranges, les photons ne sont pas la seule chose qui montrer cette dualité. En effet, toutes les particules fondamentales, même les électrons et les protons, semblent se comporter de cette façon! Plus la particule est grande, plus sa longueur d'onde est courte, donc moins cette dualité apparaît. C'est pourquoi nous ne remarquons rien de tout cela sur notre échelle macroscopique quotidienne.
Interprétation de la mécanique quantique

Contrairement au comportement clair des lois de Newton, les particules quantiques présentent une sorte de flou. Vous ne pouvez pas dire exactement ce qu'ils font, mais ne donnez que des probabilités de ce que les résultats de mesure pourraient produire. Et si votre instinct est de supposer que c'est à cause d'une incapacité à mesurer les choses avec précision, vous seriez incorrect, au moins en termes d'interprétations standard de la théorie.

La soi-disant interprétation de Copenhague de la théorie quantique déclare que tout ce qui peut être connu sur une particule est contenu dans la fonction d'onde qui la décrit. Il n'y a pas de variables cachées supplémentaires ou d'éléments que nous n'avons tout simplement pas découvert qui donneraient plus de détails. C'est fondamentalement flou, pour ainsi dire. Le principe d'incertitude de Heisenberg n'est qu'un autre développement qui solidifie ce flou.
Principe d'incertitude de Heisenberg

Le principe d'incertitude a été proposé pour la première fois par son homonyme, le physicien allemand Werner Heisenberg, en 1927 alors qu'il travaillait à l'institut Neils Bohr. à Copenhague. Il a publié ses résultats dans un article intitulé «Sur le contenu perceptuel de la cinématique et de la mécanique théoriques quantiques».

Le principe stipule que la position d'une particule et la quantité de mouvement d'une particule (ou l'énergie et le temps d'un particule) ne peuvent pas être connues simultanément avec une certitude absolue. Autrement dit, plus vous connaissez précisément la position, moins vous connaissez précisément l'impulsion (qui est directement liée à la longueur d'onde), et vice versa.

Les applications du principe d'incertitude sont nombreuses et incluent le confinement des particules (déterminant l'énergie nécessaire pour contenir une particule dans un volume donné), traitement du signal, microscopes électroniques, compréhension des fluctuations quantiques et de l'énergie du point zéro.
Relations d'incertitude

La relation d'incertitude primaire est exprimée comme l'inégalité suivante:
\\ sigma_x \\ sigma_p \\ geq \\ frac {\\ hbar} {2}

où ℏ est la constante de Planck réduite et σ _{x
et σ p
sont respectivement l'écart type de la position et de l'impulsion. Notez que plus un des écarts-types est petit, plus l'autre doit être grand pour compenser. Par conséquent, plus vous connaissez précisément une valeur, moins vous connaissez l'autre.}

Les relations d'incertitude supplémentaires incluent l'incertitude dans les composantes orthogonales du moment angulaire, l'incertitude dans le temps et la fréquence dans le traitement du signal, l'incertitude dans l'énergie et le temps, et ainsi de suite.
La source de l'incertitude

Une façon courante d'expliquer les origines de l'incertitude est de la décrire en termes de mesure. Considérez que, pour mesurer la position d'un électron, par exemple, il faut interagir avec lui d'une manière ou d'une autre - en le frappant généralement avec un photon ou une autre particule.

Cependant, le fait de le toucher avec le photon provoque son élan pour changer. Non seulement cela, il y a une certaine imprécision dans la mesure avec le photon associée à la longueur d'onde du photon. Une mesure de position plus précise peut être obtenue avec un photon de longueur d'onde plus courte, mais ces photons transportent plus d'énergie et peuvent donc provoquer un changement plus important de la quantité de mouvement de l'électron, ce qui rend impossible la mesure de la position et de la quantité de mouvement avec une précision parfaite.

Bien que la méthode de mesure rende difficile l'obtention des valeurs des deux simultanément comme décrit, le problème réel est plus fondamental que cela. Ce n'est pas seulement un problème de nos capacités de mesure; c’est une propriété fondamentale de ces particules qu’elles n’ont pas à la fois une position et une impulsion bien définies. Les raisons résident dans l'analogie "onde sur une corde" faite précédemment.
Principe d'incertitude appliqué aux mesures macroscopiques

Une question courante que les gens se posent en ce qui concerne l'étrangeté des phénomènes de mécanique quantique est comment se fait-il qu'ils " t voir cette bizarrerie à l'échelle des objets du quotidien?

Il s'avère que ce n'est pas que la mécanique quantique ne s'applique tout simplement pas aux objets plus grands, mais que les effets étranges qu'elle est négligeable à grande échelle. La dualité onde particule, par exemple, n'est pas remarquée à grande échelle car la longueur d'onde des ondes de matière devient extrêmement faible, d'où le comportement de type particule qui domine.

Quant au principe d'incertitude, considérez le comment grand est le nombre sur le côté droit de l'inégalité. ℏ /2 \u003d 5,272859 × 10 ^{-35 kgm 2 /s. Ainsi, l'incertitude de position (en mètres) multipliée par l'incertitude de moment (en kgm /s) doit être supérieure ou égale à cela. A l'échelle macroscopique, s'approcher de cette limite implique des niveaux de précision impossibles. Par exemple, un objet de 1 kg peut être mesuré comme ayant un élan de 1,00000000000000000 ± 10 -17 kgm /s alors qu'il se trouve à une position de 1,00000000000000000 ± 10 -17 m et encore plus que de satisfaire l'inégalité.}

Macroscopiquement, le côté droit de l'inégalité d'incertitude est relativement petit pour être négligeable, mais la valeur n'est pas négligeable dans les systèmes quantiques. En d'autres termes: le principe s'applique toujours aux objets macroscopiques - il devient tout simplement hors de propos en raison de leur taille!