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Comprendre le principe d'incertitude de Heisenberg

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Le principe d'incertitude de Heisenberg est l'une des pierres angulaires de la physique quantique, mais il est souvent mal compris par ceux qui ne l'ont pas étudié attentivement. Comme son nom l’indique, bien qu’elle définisse un certain niveau d’incertitude aux niveaux les plus fondamentaux de la nature elle-même, cette incertitude se manifeste de manière très limitée et ne nous affecte donc pas dans notre vie quotidienne. Seules des expériences soigneusement construites peuvent révéler ce principe au travail.

En 1927, le physicien allemand Werner Heisenberg a mis en avant ce qui est devenu connu comme le Principe d'incertitude de Heisenberg (ou juste principe incertain ou parfois Principe de Heisenberg). En essayant de construire un modèle intuitif de la physique quantique, Heisenberg avait découvert qu'il existait certaines relations fondamentales qui limitaient notre capacité à connaître certaines quantités. Plus précisément, dans l’application la plus simple du principe:

Plus vous connaissez la position d'une particule avec précision, moins vous pouvez connaître simultanément la quantité de mouvement de cette même particule.

Relations d'incertitude de Heisenberg

Le principe d'incertitude de Heisenberg est une déclaration mathématique très précise sur la nature d'un système quantique. En termes physiques et mathématiques, cela limite le degré de précision que nous pouvons jamais parler d’un système. Les deux équations suivantes (également présentées sous une forme plus jolie dans le graphique en haut de cet article), appelées relations d'incertitude de Heisenberg, sont les équations les plus courantes liées au principe d'incertitude:

Équation 1: delta X * delta- p est proportionnel à h-bar
Équation 2: delta E * delta- t est proportionnel à h-bar

Les symboles dans les équations ci-dessus ont la signification suivante:

  • h-bar: Appelée "constante de Planck réduite", elle a la valeur de la constante de Planck divisée par 2 * pi.
  • delta-X: Ceci est l'incertitude de position d'un objet (disons d'une particule donnée).
  • delta-p: Ceci est l'incertitude dans le moment d'un objet.
  • delta-E: Ceci est l'incertitude en énergie d'un objet.
  • delta-t: Ceci est l'incertitude dans la mesure du temps d'un objet.

À partir de ces équations, nous pouvons déterminer certaines propriétés physiques de l'incertitude de mesure du système en fonction du niveau de précision correspondant à notre mesure. Si l'incertitude dans l'une de ces mesures devient très petite, ce qui correspond à une mesure extrêmement précise, alors ces relations nous indiquent que l'incertitude correspondante devrait augmenter pour maintenir la proportionnalité.

En d'autres termes, nous ne pouvons pas mesurer simultanément les deux propriétés dans chaque équation avec un niveau de précision illimité. Plus nous mesurons la position avec précision, moins nous sommes en mesure de mesurer simultanément la quantité de mouvement (et vice versa). Plus nous mesurons le temps avec précision, moins nous sommes en mesure de mesurer simultanément l'énergie (et vice versa).

Un exemple de sens commun

Bien que ce qui précède puisse sembler très étrange, il existe en fait une correspondance décente avec la manière dont nous pouvons fonctionner dans le monde réel (c'est-à-dire classique). Disons que nous observions une voiture de course sur une piste et que nous étions supposés enregistrer quand elle franchissait la ligne d'arrivée. Nous sommes censés mesurer non seulement le temps qu'il franchit la ligne d'arrivée, mais également la vitesse exacte à laquelle il le fait. Nous mesurons la vitesse en appuyant sur un bouton d’un chronomètre au moment où nous le voyons franchir la ligne d’arrivée. Nous mesurons la vitesse en regardant une lecture numérique (qui ne correspond pas à la surveillance de la voiture, il faut donc tourner votre tête une fois qu’elle franchit la ligne d’arrivée). Dans ce cas classique, il existe clairement un certain degré d'incertitude à ce sujet, car ces actions prennent un certain temps physique. Nous verrons la voiture toucher la ligne d'arrivée, appuyer sur le bouton du chronomètre et regarder l'affichage numérique. La nature physique du système impose une limite précise à la précision de tout cela. Si vous vous concentrez sur la vitesse, vous risquez peut-être de perdre du temps lorsque vous mesurez l'heure exacte le long de la ligne d'arrivée, et inversement.

Comme dans la plupart des tentatives d'utilisation d'exemples classiques pour démontrer le comportement physique quantique, cette analogie présente des défauts, mais elle est quelque peu liée à la réalité physique à l'œuvre dans le monde quantique. Les relations d'incertitude découlent du comportement en forme de vague d'objets à l'échelle quantique et du fait qu'il est très difficile de mesurer avec précision la position physique d'une onde, même dans les cas classiques.

Confusion sur le principe d'incertitude

Il est très courant que le principe d'incertitude soit confondu avec le phénomène de l'effet d'observateur en physique quantique, tel que celui qui se manifeste pendant l'expérience de pensée de chat de Schroedinger. Il s’agit en réalité de deux problèmes complètement différents dans le domaine de la physique quantique, bien que les deux fassent l’objet d’une réflexion sur notre pensée classique. Le principe d'incertitude est en réalité une contrainte fondamentale sur la capacité de formuler des déclarations précises sur le comportement d'un système quantique, que nous fassions ou non l'observation. L'effet observateur, par contre, implique que si nous faisons un certain type d'observation, le système lui-même se comportera différemment qu'il ne le ferait sans cette observation en place.

Livres sur la physique quantique et le principe d'incertitude:

En raison de son rôle central dans les fondements de la physique quantique, la plupart des ouvrages explorant le domaine quantique expliquent le principe de l'incertitude avec plus ou moins de succès. Voici certains des livres qui le font le mieux, selon l'opinion de cet humble auteur. Deux sont des ouvrages généraux sur la physique quantique dans son ensemble, tandis que les deux autres sont aussi biographiques que scientifiques et donnent un aperçu de la vie et de l'œuvre de Werner Heisenberg:

  • L'histoire étonnante de la mécanique quantique par James Kakalios
  • L'univers quantique par Brian Cox et Jeff Forshaw
  • Au-delà de l'incertitude: Heisenberg, la physique quantique et la bombe par David C. Cassidy
  • Incertitude: Einstein, Heisenberg, Bohr et La lutte pour l'âme de la science par David Lindley



Commentaires:

  1. Birney

    Grande pensée

  2. Rodolfo

    Vous avez tort. Je propose d'en discuter. Écrivez-moi dans PM.

  3. Rickey

    Très informatif. Merci.



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