au fond,c'est quoi vraiment un état quantique?

[invite02013105]

Bonsoir tout le monde,

j'ai découvert ce forum depuis peu de temps et je le trouve vraiment très sympa tant au niveau de l'ambiance que ce que l'on peut y apprendre.En ce moment j'étudie la mécanique quantique et ya un truc qui me trotte dans la tete,c'est quoi finalement un état quantique,c'est une particule appartenant à un certain niveau d'energie Ei ou alors c'est un sous-état d'un certain niveau d'énergie Ei?

Et j'en profiterai aussi pour demander,à quoi sert vraiment une distribution de probabilité?à définir la probabilité de la présence d'une particule à un certain endroit?

Merci d'avance de vos réponses.
-----

[JPouille]

Bonsoir tout le monde,

j'ai découvert ce forum depuis peu de temps et je le trouve vraiment très sympa tant au niveau de l'ambiance que ce que l'on peut y apprendre.En ce moment j'étudie la mécanique quantique et ya un truc qui me trotte dans la tete,c'est quoi finalement un état quantique,c'est une particule appartenant à un certain niveau d'energie Ei ou alors c'est un sous-état d'un certain niveau d'énergie Ei?

Et j'en profiterai aussi pour demander,à quoi sert vraiment une distribution de probabilité?à définir la probabilité de la présence d'une particule à un certain endroit?

Merci d'avance de vos réponses.

Avant de parler d'état quantique, il vaut mieux je crois parler d'objet quantique. Un objet quantique est caractérisé par une liste d'observables ("ce que je peux apprendre sur cet objet si jamais j'avais envie de le mesurer"), "et" un vecteur d'état (quel mot malheureux), qui, manipulé selon certaines règles, donnent la probilité d'obtenir tel ou tel résultat quand on mesure les observables. Le mot d'état quantique me semble dangereux car il est relié à la notion d'être. Or, dans le cadre du formalisme quantique (et de son interprétation de Copenhague en tout cas) un objet "est" quand on l'a mesuré, et alors on sait dans quel "état" il est. Autrement dit (personellement en tout cas), je n'utiliserai le mot d'"état" que pour les résultats propres de la mesure, ie les vecteurs propres de tes observables. Auquel cas, si tu es dans un état propre de l'energie, alors oui, ton état quantique est un niveau d'énergie. Mais ca pourrait etre aussi : état de spin +, position = .., etc, ou plusieurs de ces trucs à la ois si tes observables sont compatibles.

yop!

[invitea3fc981a]

Mmmm, tenter de définir "concrètement" un état quantique revient à demander une vulgarisation, car il n'est pas vraiment possible de se représenter ce qu'est un état quantique...

Comme l'a dit JPouille un état quantique va être un ensemble de données sur ton système : énergie, spin... Toutes ces données sont des observables, et il faut savoir que certaines ne commutent pas ; autrement dit elles n'existent pas avec une infinie précision en même temps : si tu tentes d'en mesurer une précisément, tu n'auras qu'une information très incomplète sur l'autre ; et si ensuite tu tentes de mesurer précisément cette dernière, tu perds l'information sur la première, qui retourne dans une superposition d'états... Le monde quantique est ainsi fait, il se dérobe sous nos pieds.


Quant à la notion d'état propre, elle est assez générale en physique et ne concerne pas que le monde quantique. Un exemple en mécanique classique : imagine un bol de forme sphérique, dans lequel tu lâches une bille ; elle peut osciller dans n'importe quelle direction, puisque toutes les directions sont équivalentes : c'est un exemple où les états sont infiniment dégénérés (il existe une infinité d'états qui ont la même énergie).

Maintenant, étire le bol suivant la direction x ; la direction selon laquelle le rayon est le plus petit est celle de l'axe y (perpendiculaire à x). Si tu lâches ta bille n'importe où, elle va forcément finir par osciller soit suivant x (état d'énergie minimal), soit suivant y (état instable, mais de dérivée nulle), qui sont les deux états propres (modes propres) possibles pour l'oscillation ; chacun de ces états a une certaine probabilité de se voir réalisé. On a d'une certaine façon quantifié l'énergie. Quand on lâche la bille au départ dans un tel bol, elle se trouve au départ dans un état qui est la superposition des deux états propres :

|bille>_(t) = a_1(t).|x> + a_2(t).|y>

Les coefficients a_1(t) et a_2(t) variant dans le temps, l'un d'eux se rapprochant de 1 et l'autre de zéro, avec toujours la condition de normalisation :

a_1(t) + a_2(t) = 1


NB: il s'agit d'une expérience classique ici, donc la superposition d'états ne peut pas perdurer, mais en physique quantique si le système est isolé il peut très bien rester dans une superposition d'états.

PS: désolé je ne sais toujours pas manier le LaTeX, faudrait vraiment que je m'y mette un jour

[chaverondier]

Or, dans le cadre du formalisme quantique (et de son interprétation de Copenhague en tout cas) un objet "est" quand on l'a mesuré et alors on sait dans quel "état" il est.

Je ne crois guère à cette interprétation. A mon avis, lorsque l'interprétation de Copenhague a été choisie, on n'avait pas encore bien compris qu'un objet quantique n'était pas intrinsèquement défini par une valeur précise de toutes les observables que l’on peut lui associer, mais par sa fonction d'onde (ou son vecteur d'état pour se placer dans un cas plus général). Les cas où l'on peut définir l'état d'un système quantique par la donnée de valeurs précises d'un certain nombre de grandeurs physiques observables sont des cas particuliers où
* d'une part seules des observables qui commutent sont considérées
* d'autre part le système est dans un état propre de ces observables.

Croire que l'ignorance de la valeur que l'on va obtenir en mesurant telle ou telle observable du système est obligatoirement une preuve d'ignorance de l'état quantique du système observé quand on connaît pourtant parfaitement son vecteur d'état, c'est implicitement faire l'hypothèse de variables cachées locales, hypothèse réfutée par la violation des inégalités de Bell. Bref, on confond l'ignorance du résultat qui va émerger d'une mesure quantique (par exemple l'ignorance du résultat de mesure de spin selon z d'un électron pourtant dans un état de spin parfaitement connu de spin +1/2 selon y par exemple) avec une ignorance qui porterait sur l'état du système quantique observé lui-même. Ces deux manques d'information ne sont pas de même nature.

L'interprétation d'une indétermination du résultat de mesure quantique comme étant seulement apparente, de nature thermodynamique statistique, à variables cachées contextuelles ("Hidden Variables and Nonlocality in Quantum Mechanics" Douglas Hemmick http://www.intercom.net/~tarababe/DissertPage.html ), liée à l'ignorance de phénomènes physiques déterministes (The sub-quantum (deterministic) theory of Micho Durdevich, Universidad Nacional Autonoma de Mexico, “Physics Beyond the Limits of Uncertainty Relations”. A picture of physical reality which is based on individual physical systems, completely causal, and statistically compatible with quantum mechanics http://www.matem.unam.mx/~micho/subq.html) se déroulant à l'échelle de Planck à la fin du phénomène de décohérence (Decoherence, the Measurement Problem, and Interpretations of Quantum Mechanics, Maximilian Schlosshauer Department of Physics,
http://arxiv.org/PS_cache/quant-ph/pdf/0312/0312059.pdf ) ne peut à ce jour être exclue et s'avère d'ailleurs envisagée par Gerard' t Hooft' par exemple comme l'a signalé mtheory dans un fil antérieur (QUANTUM MECHANICS and DETERMINISM at the PLANCK SCALE http://www.phys.uu.nl/~thooft/quantloss/tsld024.htm)

Lorsque l’interprétation de Copenhague a été adoptée, nous avions l'habitude d'associer aux particules classiques les grandeurs classiques telles que la position et l’impulsion. Elles semblaient tellement naturelles que l'impossibilité de définir simultanément ces grandeurs semblait faire perdre toute signification physique objective à la notion d'état quantique d'une particule. La fonction d'onde (ou vecteur d'état dans un cas plus général) était quelque chose d'un peu trop éloigné de nos conceptions classiques pour qu'il nous soit aisé accepter de l’interpréter comme caractérisant objectivement l'état physique du système quantique observé.

Cette interprétation est d’autant plus délicate à envisager qu’elle donne lieu à l’interprétation de la réduction du paquet d’onde comme un phénomène physique objectif, instantané et spatialement étendu, en violation du principe de relativité du mouvement. Face à ces difficultés on s’est rabattu sur l’idée que la réduction du paquet d’onde était un changement dans la connaissance de l’observateur. Nous voilà donc en train d’imaginer que le monde qui nous entoure a besoin d’un observateur pour avoir des propriétés physiques objectives et qu’un électron a besoin d’être observé pour exister (hypothèse de subjectivité du monde qui nous entoure à laquelle je ne crois pas du tout).

D’ailleurs, quand j’envoie un photon polarisé à 45° sur une lame de calcite à 0°, le photon interagit avec la lame de calcite et ressort (même si ce n’est pas vraiment le même photon) avec une polarisation à 0° ou à 90°.

Ce n’est donc pas seulement la connaissance du système quantique observé qui a évolué, lors de cette mesure quantique de polarisation, mais bien l’état quantique du système observé lui-même. L’idée d’une acquisition passive d’information lors d’une mesure est une interprétation empruntée à la physique classique qui me semble parfaitement incompatible avec les faits d’observation quantiques. Du coup, voilà qui nous oblige à interpréter la réduction du paquet d’onde comme un phénomène physique objectif, instantané et spatialement étendu, en violation du principe de relativité du mouvement.

Je rappelle toutefois, qu’une telle interprétation s'avère possible dans le cadre de l’espace-temps d’Aristote SE(1)xSE(3)/SO(3) car cet espace-temps autorise l’expression de l’invariance relativiste des phénomènes physiques qui respectent vraiment cette invariance sans pour autant requérir que les phénomènes qui s'y déroulent respectent tous sans exception le principe de relativité du mouvement. En effet, le groupe d’Aristote SE(1)xSE(3) qui engendre l'espace-temps d'Aristote est un sous-groupe strict du groupe de Poincaré réduit qui ne comprends pas les boosts.

Bernard Chaverondier

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite144b646e]

Salut Zaurak,

Il n'y a rien de plus compliqué que de prendre la vie simplement.

Avant tout, il est nécessaire de se rappeler que les lois de la physique quantique s'arrêtent aux quantas. Les principes de la physique quantique perdent tout son sens en-deça des limites des quantas. Pour l'instant, la science n'a pas encore établie de théories valables pour expliquer ce qui se passe hors de cette limite. Mais ça viendra un jour, mon p'tit doigt me l'a dit!

Ceci dit, en langage simple, un état quantique est toute activité interne de quelque chose dont la période de chacune de ses vibrations est plus petite qu'un quanta de temps, c'est-à-dire que ce quelque chose n'a pas le temps d'exister aux yeux de l'espace-temps. En revanche, si un cycle d'une de ces vibrations est égal ou plus grand qu'un quanta de temps, alors il appartient au continuum spatiotemporel, c'est-à-dire que ce quelque chose a le temps d'exister et il a perdu son état quantique.

Voilà!

Le mystérieux inconnu

[Floris]

Citation: "Ceci dit, en langage simple, un état quantique est toute activité interne de quelque chose dont la période de chacune de ses vibrations est plus petite qu'un quanta de temps, c'est-à-dire que ce quelque chose n'a pas le temps d'exister aux yeux de l'espace-temps. "

lorsque tu parle de quantas de temps, tu veux dire le temp de Planck? ou je me trompe?

Merci encore
flo

[invite144b646e]

Salut Floris,

Oui, effectivement, je faisais référence à la constante de Planck (environ 5.4 x 10*-44s). Mais c'est sous toute réserve que j'ai donné, en langage simple, une définition d'un état quantique. C'est une vision purement personnelle.

Le mystérieux inconnu