qu’est-Ce que la physique quantique? En termes simples, c’est la physique qui explique comment tout fonctionne: la meilleure description que nous ayons de la nature des particules qui composent la matière et des forces avec lesquelles elles interagissent.
la physique quantique sous-tend le fonctionnement des atomes, et donc pourquoi la chimie et la biologie fonctionnent comme elles le font. Toi, moi et le gatepost – à un certain niveau au moins, nous dansons tous sur l’air quantique., Si vous voulez expliquer comment les électrons se déplacent dans une puce informatique, comment les photons de lumière se transforment en courant électrique dans un panneau solaire ou s’amplifient dans un laser, ou même comment le soleil continue de brûler, vous devrez utiliser la physique quantique.
La difficulté – et, pour les physiciens, l’amusement commence ici. Pour commencer, il n’y a pas de théorie quantique unique. Il y a la mécanique quantique, le cadre mathématique de base qui sous-tend tout cela, qui a été développé pour la première fois dans les années 1920 par Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger et d’autres., Il caractérise des choses simples telles que la façon dont la position ou l’élan d’une seule particule ou d’un groupe de quelques particules change dans le temps.
Mais pour comprendre comment les choses fonctionnent dans le monde réel, la mécanique quantique doit être combinée avec d’autres éléments de la physique – principalement, la théorie spéciale de la relativité D’Albert Einstein, qui explique ce qui se passe lorsque les choses bougent très vite – pour créer ce que l’on appelle les théories quantiques des champs.,
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Trois différentes théories quantiques des champs traiter avec trois des quatre forces fondamentales en matière interagit: l’électromagnétisme, qui explique comment les atomes s’unissent; la force nucléaire forte, ce qui explique la stabilité du noyau au cœur de l’atome; et la force nucléaire faible, ce qui explique pourquoi certains atomes subissent une désintégration radioactive.
au cours des cinq dernières décennies, ces trois théories ont été réunies dans une coalition délabrée connue sous le nom de « modèle standard” de la physique des particules., Malgré toute l’impression que ce modèle est légèrement maintenu avec du ruban adhésif, c’est l’image la plus testée avec précision du travail de base de la matière qui ait jamais été conçue. Son couronnement est venu en 2012 avec la découverte du boson de Higgs, la particule qui donne leur masse à toutes les autres particules fondamentales, dont l’existence a été prédite sur la base des théories quantiques des champs dès 1964.,
Les théories quantiques des champs classiques fonctionnent bien pour décrire les résultats d’expériences sur des briseurs de particules à haute énergie tels que le Grand collisionneur de hadrons du CERN, où le Higgs a été découvert, qui sondent la matière à ses plus petites échelles. Mais si vous voulez comprendre comment les choses fonctionnent dans de nombreuses situations moins ésotériques – comment les électrons se déplacent ou ne se déplacent pas à travers un matériau solide et font ainsi d’un matériau un métal, un isolant ou un semi – conducteur, par exemple-les choses deviennent encore plus complexes.,
Les milliards et les milliards d’interactions dans ces environnements surpeuplés nécessitent le développement de « théories des champs efficaces” qui glosent sur certains détails sanglants. La difficulté de construire de telles théories est la raison pour laquelle de nombreuses questions importantes en physique du solide restent non résolues-par exemple pourquoi à basse température certains matériaux sont des supraconducteurs qui permettent un courant sans résistance électrique, et pourquoi nous ne pouvons pas faire fonctionner cette astuce à température ambiante.
Mais sous tous ces problèmes pratiques se cache un énorme mystère quantique., À un niveau de base, la physique quantique prédit des choses très étranges sur le fonctionnement de la matière qui sont complètement en contradiction avec la façon dont les choses semblent fonctionner dans le monde réel. Les particules quantiques peuvent se comporter comme des particules, situées dans un seul endroit; ou elles peuvent agir comme des ondes, réparties dans tout l’espace ou à plusieurs endroits à la fois. La façon dont ils apparaissent semble dépendre de la façon dont nous choisissons de les mesurer, et avant de les mesurer, ils semblent n’avoir aucune propriété définie – nous conduisant à une énigme fondamentale sur la nature de la réalité fondamentale.,
ce flou conduit à des paradoxes apparents tels que le Chat de Schrödinger, dans lequel, grâce à un processus quantique incertain, un chat est laissé mort et vivant en même temps. Mais ce n’est pas tout. Les particules quantiques semblent également pouvoir s’affecter instantanément, même lorsqu’elles sont éloignées les unes des autres. Ce phénomène vraiment bamboozling est connu sous le nom d’intrication, ou, dans une expression inventée par Einstein (un grand critique de la théorie quantique), « action fantasmagorique à distance”., Ces puissances quantiques nous sont complètement étrangères, mais sont à la base de technologies émergentes telles que la cryptographie quantique ultra-sécurisée et l’informatique quantique ultra-puissante.
Mais quant à ce que tout cela signifie, Personne ne le sait. Certaines personnes pensent que nous devons simplement accepter que la physique quantique explique le monde matériel en des termes que nous trouvons impossibles à rapprocher de notre expérience dans le monde plus large et « classique”. D’autres pensent qu’il doit y avoir une théorie meilleure et plus intuitive que nous n’avons pas encore découverte.
Dans tout cela, il y a plusieurs éléphants dans la pièce., Pour commencer, il y a une quatrième force fondamentale de la nature que jusqu’à présent, la théorie quantique a été incapable d’expliquer. La gravité reste le territoire de la théorie générale de la relativité D’Einstein, une théorie fermement non quantique qui n’implique même pas de particules. Les efforts intensifs déployés depuis des décennies pour ramener la gravité sous le parapluie quantique et ainsi expliquer toute la physique fondamentale au sein d’une « théorie du tout” n’ont abouti à rien.,
pendant ce temps, les mesures cosmologiques indiquent que plus de 95% de l’univers est constitué de matière noire et d’énergie noire, des substances pour lesquelles nous n’avons actuellement aucune explication dans le modèle standard, et des énigmes telles que l’étendue du rôle de la physique quantique dans le fonctionnement désordonné de la vie restent inexpliquées. Le monde est à un certain niveau quantique – mais si la physique quantique est le dernier mot sur le monde reste une question ouverte. Richard Webb
