Tag Archives: la mécanique quantique

Quantum Field Theory

In this post on Quantum Mechanics (QM), we will go a bit beyond it and touch upon Quantum Field Theory – the way it is used in particle physics. In the last couple of posts, I outlined a philosophical introduction to QM, as well as its historical origin – how it came about as an ad-hoc explanation of the blackbody radiation, and a brilliant description of the photoelectric effect.
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Historical Origin of Quantum Mechanics

In this section, we will try to look at the historical origin of Quantum Mechanics, which is usually presented succinctly using scary looking mathematical formulas. The role of mathematics in physics, as Richard Feynman explains (in his lectures on QED given in Auckland, New Zealand in 1979, available on YouTube, but as poor quality recordings) is purely utilitarian.
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Mécanique quantique

Mécanique quantique (QM) is the physics of small things. How do they behave and how do they interact with each other? Conspicuously absent from this framework of QM is why. Why small things do what they do is a question QM leaves alone. Et, if you are to make any headway into this subject, your best bet is to curb your urge to ask why. Nature is what she is. Our job is to understand the rules by which she plays the game of reality, and do our best to make use of those rules to our advantage in experiments and technologies. Ours is not to reason why. Vraiment.

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incertitude Principe

Le principe d'incertitude est la deuxième chose en physique qui a capturé l'imagination du public. (La première est une E=mc^2.) Il dit quelque chose apparemment simple — vous pouvez mesurer deux propriétés complémentaires d'un système uniquement à une certaine précision. Par exemple, si vous essayez de comprendre où un électron est (mesurer sa position, c'est) de plus en plus précisément, sa vitesse devient de plus en plus incertain (ou, la mesure de la dynamique devient imprécise).

Où vient ce principe de? Avant que nous puissions poser cette question, nous devons examiner ce que le principe dit vraiment. Voici quelques interprétations possibles:

  1. Position et la vitesse d'une particule sont intrinsèquement liés. Comme nous mesurons l'ampleur avec plus de précision, le type de particule “étale,” comme le personnage de George Gamow, M.. Tompkins, met. En d'autres termes, il est juste une de ces choses; la façon dont le monde fonctionne.
  2. Lorsque nous mesurons la position, on perturbe l'élan. Les sondes de mesure sont “trop gros,” pour ainsi dire. Comme nous augmentons la précision de la position (en faisant la lumière de longueurs d'onde plus courtes, par exemple), on perturbe la dynamique de plus en plus (parce que plus courte lumière de longueur d'onde a une plus grande énergie / impulsion).
  3. Étroitement liée à cette interprétation est une vue que le principe d'incertitude est une limite de perception.
  4. Nous pouvons aussi penser au principe d'incertitude comme une limite cognitive si l'on considère qu'une théorie avenir pourrait dépasser ces limites.

Bien, les deux dernières interprétations sont les miennes, de sorte que nous ne serons pas en discuter en détail ici.

La première vue est actuellement populaire et est liée à la soi-disant interprétation de Copenhague de la mécanique quantique. Il est un peu comme les comptes clos de l'hindouisme — “Telle est la nature de l'Absolu,” par exemple. Précis, peut être. Mais peu d'utilité pratique. Ignorons pour qu'il ne soit pas trop ouvert aux discussions.

La seconde interprétation est généralement comprise comme une difficulté expérimentale. Mais si la notion de dispositif expérimental est élargi pour inclure l'observateur humain inévitable, nous arrivons à la troisième vue de la limitation de la perception. Dans ce point de vue, il est effectivement possible de “dériver” le principe d'incertitude.

Supposons que nous utilisons un faisceau de lumière de longueur d'onde \lambda d'observer la particule. La précision dans la position que nous pouvons espérer atteindre est de l'ordre de \lambda. En d'autres termes, \Delta x \approx \lambda. En mécanique quantique, l'impulsion de chaque photon dans le faisceau de lumière est inversement proportionnelle à la longueur d'onde. Au moins un photon est reflété par la particule de sorte que nous pouvons le voir. Si, par la loi de conservation classique, la dynamique de la particule doit changer au moins \Delta p \approx constante\lambda de ce qu'elle était avant la mesure. Ainsi, par des arguments de perception, nous obtenons quelque chose de similaire au principe d'incertitude de Heisenberg \Delta x \Delta p = constante.

Nous pouvons faire cet argument plus rigoureuse, et obtenir une estimation de la valeur de la constante. La résolution d'un microscope est donnée par la formule empirique: 0.61\lambda/NA, where NA est l'ouverture numérique, qui a une valeur maximale d'un. Ainsi, la meilleure résolution spatiale est 0.61\lambda. Chaque photon dans le faisceau lumineux a une impulsion 2\pi\hbar/\lambda, qui est l'incertitude sur la dynamique de particules. Donc, nous obtenons \Delta x \Delta p = (0.61\lambda)(2\pi\hbar) \approx 4\hbar, environ un ordre de grandeur plus grand que la limite de la mécanique quantique. Grâce à des arguments statistiques plus rigoureuses, liée à la résolution spatiale et la dynamique attendue transféré, il peut possible de dériver le principe d'incertitude de Heisenberg à travers cette ligne de raisonnement.

Si l'on considère le point de vue philosophique que notre réalité est un modèle cognitif de nos stimuli perceptifs (qui est le seul point de vue qui fait sens pour moi), mon quatrième interprétation du principe d'incertitude étant une limitation cognitive également titulaire d'un peu d'eau.

Référence

La dernière partie de cet article est un extrait de mon livre, L'Unreal Univers.

Sex and Physics — Selon Feynman

Physique passe par un âge de la complaisance de temps en temps. La complaisance provient d'un sentiment de complétude, un sentiment que nous avons découvert tout ce qu'il faut savoir, la voie est libre et les méthodes bien compris.

Historiquement, ces épisodes de complaisance sont suivis par les développements rapides qui révolutionnent la manière dont la physique est fait, nous montrant comment mal que nous avons été. Cette leçon d'humilité de l'histoire est probablement ce qui a incité Feynman-à-dire:

Un âge de complaisance existait au début du 19ème siècle. Personnages célèbres comme Kelvin remarquer que tout ce qui restait à faire était de faire des mesures plus précises. Michelson, qui a joué un rôle crucial dans la révolution à suivre, a été conseillé de ne pas entrer dans un “mort” domaine comme la physique.

Qui aurait pensé que, dans moins d'une décennie dans le 20ème siècle, nous remplir changer la façon dont nous pensons de l'espace et le temps? Qui, dans leur esprit ne pourrait dire maintenant que nous allons à nouveau changer nos notions d'espace et de temps? Je fais. Puis à nouveau, personne ne m'a jamais accusé d'un bon esprit!

Une autre révolution a eu lieu au cours du siècle dernier — Mécanique quantique, qui a supprimé notre notion de déterminisme et porté un sérieux coup au paradigme du système observateur de la physique. Révolutions similaires se reproduiront. Il ne faut pas tenir sur nos concepts comme immuable; ils ne sont pas. Ne pensons pas de nos anciens maîtres comme infaillible, car ils ne sont pas. Comme Feynman lui-même aurait signaler, physique détient à lui seul plus d'exemples de la faillibilité de ses anciens maîtres. Et je pense que d'une révolution complète dans la pensée est en retard maintenant.

Vous pourriez vous demander ce que tout cela a à voir avec le sexe. Bien, J'ai juste pensé que le sexe serait mieux vendre. J'avais raison, n'étais-je pas? Je veux dire, vous êtes encore ici!

Feynman a également déclaré,

Photo par "Caveman Chuck" Coker cc

Einstein on God and Dice

Although Einstein is best known for his theories of relativity, he was also the main driving force behind the advent of quantum mechanics (QM). His early work in photo-voltaic effect paved way for future developments in QM. And he won the Nobel prize, not for the theories of relativity, but for this early work.

It then should come as a surprise to us that Einstein didn’t quite believe in QM. He spent the latter part of his career trying to device thought experiments that would prove that QM is inconsistent with what he believed to be the laws of nature. Why is it that Einstein could not accept QM? We will never know for sure, and my guess is probably as good as anybody else’s.

Einstein’s trouble with QM is summarized in this famous quote.

It is indeed difficult to reconcile the notions (or at least some interpretations) of QM with a word view in which a God has control over everything. In QM, observations are probabilistic in nature. C'est-à-dire, if we somehow manage to send two electrons (in the same state) down the same beam and observe them after a while, we may get two different observed properties.

We can interpret this imperfection in observation as our inability to set up identical initial states, or the lack of precision in our measurements. This interpretation gives rise to the so-called hidden variable theories — considered invalid for a variety of reasons. The interpretation currently popular is that uncertainty is an inherent property of nature — the so-called Copenhagen interpretation.

In the Copenhagen picture, particles have positions only when observed. At other times, they should be thought of as kind of spread out in space. In a double-slit interference experiment using electrons, par exemple, we should not ask whether a particular electron takes on slit or the other. As long as there is interference, it kind of takes both.

The troubling thing for Einstein in this interpretation would be that even God would not be able to make the electron take one slit or the other (without disturbing the interference pattern, c'est). And if God cannot place one tiny electron where He wants, how is he going to control the whole universe?