La théorie quantique est-elle née d'une recherche pure ?

La théorie quantique est-elle née d'une recherche pure ?


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Récemment, j'ai lu un débat sur la futilité d'exiger "l'utilité" des efforts de recherche, puisque le résultat potentiel est imprévisible. Comme preuve de cette affirmation, une liste d'articles aléatoires apparemment inutiles ou simplement d'intérêt académique a suivi. L'un d'eux était le développement de la théorie quantique au début du 20e siècle.

Je ne veux pas me concentrer sur le sujet du débat lui-même. Au lieu de cela, je me suis demandé si cette prémisse, que "la théorie quantique est née d'un travail purement académique/intellectuel", est réellement vraie. C'est un monde de révolution post-industrielle après tout et les brevets portant sur la chaleur/l'électricité étaient peut-être à l'origine des besoins d'une société… ou peut-être pas. Je n'ai trouvé aucune preuve pour ou contre cela nulle part. Je me tournerai donc vers des personnes plus savantes que moi.


Pour autant que je sache d'après l'histoire, il serait inexact de prétendre que la théorie quantique est entièrement issue de la recherche pure ou qu'elle a ses origines dans la science appliquée. Pour planter le décor, il y a essentiellement trois périodes de temps impliquées :

1900-1913 : article de Planck sur le rayonnement du corps noir (1900), article d'Einstein sur l'effet photoélectrique (1905).

1913-1927 : L'ancienne théorie quantique, modèle de Bohr, théorie BKS.

1927 : En l'espace d'environ un an, une nouvelle théorie quantique est produite, qui est essentiellement la théorie sous sa forme moderne.

Planck travaillait presque totalement dans son propre monde théorique, et son travail était considéré comme extrêmement obscur à l'époque. Il faisait son pain et son beurre en tant que théoricien dans une université. (Les affirmations selon lesquelles Planck aurait été financé par des sociétés d'ampoules électriques semblent avoir été fausses.) Bien qu'Einstein soit un expérimentateur, inventeur et ingénieur assez compétent, et qu'il ait travaillé pendant un certain temps à l'Office suisse des brevets, son travail sur les quanta était bien en avance sur son temps. , et semble avoir été de la recherche pure, non motivée par des applications.

Alors que nous entrons dans l'ère Bohr, la théorie quantique en soi commence à prendre forme, et nous assistons à une interaction vigoureuse de théorie et d'expérience, souvent avec des applications claires. La spectroscopie a été riche en applications avant, pendant et après cette période. Par exemple, les gens étaient intéressés à déterminer la composition des gaz à partir de leurs spectres. Les travaux de Moseley sur les spectres de rayons X et le numéro atomique ont été menés en étroite collaboration avec Bohr et ont abouti, par exemple, à la découverte de l'hafnium. Toute la chimie est une grande application de la mécanique quantique, et la chimie est riche en applications. De toute évidence, le groupe centré sur Bohr s'attendait à ce que leurs travaux aient des applications en chimie et en physique atomique et moléculaire, et ce fut certainement le cas.

Avec l'avènement de la théorie quantique moderne en 1927, on commence très vite à voir des applications. Il ne s'est écoulé que 15 ans entre cette époque et l'année où la première pile nucléaire a été exploitée (1942), et j'ai du mal à imaginer le développement de l'énergie nucléaire sans la mécanique quantique.

L'histoire du transistor semble plus ou moins coïncider avec la période de développement de la mécanique quantique. Le premier brevet a été déposé par Lilienfeld en 1925, mais il semble qu'il ait fallu beaucoup de temps pour que des progrès soient accomplis, principalement parce que les gens ne pouvaient pas assez bien purifier les semi-conducteurs. Lilienfeld a fait un doctorat en physique et avait Planck comme l'un de ses directeurs de thèse. Il a commencé comme physicien universitaire à Leipzig, puis est passé à travailler dans l'industrie aux États-Unis.

Certains des premiers travaux sur la physique quantique ont été réalisés avec le financement de riches particuliers plutôt que de gouvernements ou d'universités. Les Conférences Solvay ont été financées par le chimiste et industriel Solvay, et l'importante expérience Stern-Gerlach, menée pendant les périodes difficiles en Allemagne alors que l'hyperinflation s'installait, a été financée par le banquier américain Henry Goldman. Je dirais que ces liens sont la preuve de ce qui semble être la situation typique concernant les liens de la mécanique quantique aux applications. Des gens comme Solvay, un chimiste, s'attendaient sûrement à ce qu'il y ait des candidatures, mais les candidatures ne devaient pas être immédiates et lucratives, c'est pourquoi Goldman et Solvay se considéraient non pas comme des investisseurs mais comme des donateurs.


"La théorie quantique est née de l'article de Planck de 1900 sur le rayonnement du corps noir et de l'article d'Einstein de 1905 sur l'effet photoélectrique." - @jamesqf a raison sur ce fait. Mais il n'a pas raison sur le caractère abstrait de ces problèmes. Au contraire:

De nombreux inventeurs de ces jours ont essayé d'inventer de nouveaux "rayons". Les problèmes de production de rayons et les effets provoqués par les rayons ont été étudiés. Et l'objectif était absolument réel : trouver quelque chose d'utile. Les rayons X étaient le meilleur résultat. Mais cela ne signifie pas que d'autres chercheurs VEULENT n'avoir aucun résultat pratique. Simplement parfois ils ont eu de la chance et parfois (plus souvent) pas. Et les lois de la photoélectricité étaient très importantes pour eux.

Les lois du rayonnement du corps noir étaient utiles en raison des problèmes mentionnés dans le paragraphe précédent, mais pas seulement. Le thème encore plus important de cette époque était l'invention de nouveaux moteurs. Et les inventeurs voulaient connaître les lois de la thermodynamique pour cela. Et cette loi était aussi importante et utile pour eux, car elle aidait à mieux comprendre le sujet.

La distance entre la « science abstraite » et « l'utilisation pratique » était si étroite en physique à cette époque, qu'il n'y avait pratiquement aucune science abstraite en physique. Les objets les plus abstraits de la science de nos jours - les opérateurs de Heavyside et les quaternions de Hamilton ont rendu directement possible l'envoi sans perte de messages et de radio. Mais le temps de la séparation de la science "abstraite" était proche - Heavyside, ayant apporté des milliards aux compagnies de téléphone/télégraphe, est mort dans la pauvreté, en 1920 en Angleterre.


Théorie des quanta

Au tournant du 20e siècle, le domaine de la physique a subi deux transformations majeures, à peu près en même temps. La première était la théorie générale de la relativité d'Einstein, qui traitait du domaine universel de la physique. La seconde était la théorie quantique, qui proposait que l'énergie existe sous forme de paquets discrets, chacun appelé « quantum ». Cette nouvelle branche de la physique a permis aux scientifiques de décrire l'interaction entre l'énergie et la matière dans le domaine subatomique.

Einstein considérait la théorie quantique comme un moyen de décrire la nature au niveau atomique, mais il doutait qu'elle maintienne " une base utile pour l'ensemble de la physique ". Il pensait que décrire la réalité exigeait des prédictions fermes suivies d'observations directes. Mais les interactions quantiques individuelles ne peuvent pas être observées directement, ce qui ne laisse pas d'autre choix aux physiciens quantiques que de prédire la probabilité que des événements se produisent. Défiant Einstein, le physicien Niels Bohr a défendu la théorie quantique. Il a soutenu que le simple fait d'observer indirectement le domaine atomique change le résultat des interactions quantiques. Selon Bohr, les prédictions quantiques basées sur la probabilité décrivent avec précision la réalité.

Niels Bohr et Max Planck, deux des pères fondateurs de la théorie quantique, ont chacun reçu un prix Nobel de physique pour leurs travaux sur les quanta. Einstein est considéré comme le troisième fondateur de la théorie quantique car il a décrit la lumière comme des quanta dans sa théorie de l'effet photoélectrique, pour laquelle il a remporté le prix Nobel de 1921.

15 mai 1935 : Le Examen physique publie l'article d'Einstein, Podolsky et Rosen (EPR) prétendant réfuter la théorie quantique.

Les journaux n'ont pas tardé à partager le scepticisme d'Einstein à l'égard de la « nouvelle physique » avec le grand public. L'article d'Einstein, « La description mécanique quantique de la réalité physique peut-elle être considérée comme complète ? » a incité Niels Bohr à rédiger une réfutation. Les expériences modernes ont confirmé la théorie quantique malgré les objections d'Einstein. Cependant, le document EPR a introduit des sujets qui constituent la base d'une grande partie de la recherche en physique d'aujourd'hui.

Einstein et Niels Bohr ont commencé à contester la théorie quantique lors de la prestigieuse conférence Solvay de 1927, à laquelle assistaient les meilleurs physiciens de l'époque. Par la plupart des comptes de ce débat public, Bohr était le vainqueur.


Début de la vie

Max Karl Ernst Ludwig Planck était le sixième enfant d'un éminent juriste et professeur de droit à l'Université de Kiel. La longue tradition familiale de dévotion à l'Église et à l'État, l'excellence dans l'érudition, l'incorruptibilité, le conservatisme, l'idéalisme, la fiabilité et la générosité se sont profondément enracinées dans la vie et l'œuvre de Planck. Lorsque Planck avait neuf ans, son père a reçu un poste à l'Université de Munich, et Planck est entré dans le célèbre gymnase Maximilian de la ville, où un enseignant, Hermann Müller, a stimulé son intérêt pour la physique et les mathématiques. Mais Planck excellait dans toutes les matières, et après avoir obtenu son diplôme à 17 ans, il fit face à une décision de carrière difficile. Il a finalement choisi la physique plutôt que la philologie classique ou la musique parce qu'il était arrivé sans passion à la conclusion que c'était dans la physique que résidait sa plus grande originalité. La musique, néanmoins, est restée une partie intégrante de sa vie. Il possédait le don de la hauteur absolue et était un excellent pianiste qui trouvait quotidiennement sérénité et plaisir au clavier, appréciant particulièrement les œuvres de Schubert et de Brahms. Il aimait aussi le plein air, faire de longues promenades chaque jour, faire de la randonnée et de l'escalade dans les montagnes pendant les vacances, même à un âge avancé.

Planck entra à l'Université de Munich à l'automne 1874, mais y trouva peu d'encouragements du professeur de physique Philipp von Jolly. Au cours d'une année passée à l'Université de Berlin (1877-1878), il n'a pas été impressionné par les conférences d'Hermann von Helmholtz et de Gustav Robert Kirchhoff, malgré leur éminence en tant que chercheurs. Ses capacités intellectuelles ont cependant été mises en évidence à la suite de son étude indépendante, en particulier des écrits de Rudolf Clausius sur la thermodynamique. De retour à Munich, il obtient son doctorat en juillet 1879 (l'année de la naissance d'Einstein) à l'âge inhabituellement jeune de 21 ans. Habilitationsschrift (mémoire de qualification) à Munich et est devenu Privatdozent (Maître de conférences). En 1885, grâce aux relations professionnelles de son père, il est nommé professeur ausserordentlicher (professeur agrégé) à l'Université de Kiel. En 1889, après la mort de Kirchhoff, Planck reçut une nomination à l'Université de Berlin, où il vint vénérer Helmholtz en tant que mentor et collègue. En 1892, il est promu professeur ordentlicher (professeur titulaire). Il n'avait que neuf doctorants au total, mais ses conférences à Berlin sur toutes les branches de la physique théorique ont connu de nombreuses éditions et ont exercé une grande influence. Il est resté à Berlin pour le reste de sa vie active.

Planck a rappelé que sa « décision initiale de me consacrer à la science était le résultat direct de la découverte… que les lois du raisonnement humain coïncident avec les lois régissant les séquences des impressions que nous recevons du monde à notre sujet que, par conséquent, le raisonnement pur peut permettre à l'homme d'avoir un aperçu du mécanisme du [monde]…. » Il a délibérément décidé, en d'autres termes, de devenir physicien théoricien à une époque où la physique théorique n'était pas encore reconnue comme une discipline à part entière. Mais il est allé plus loin : il a conclu que l'existence de lois physiques présuppose que « le monde extérieur est quelque chose d'indépendant de l'homme, quelque chose d'absolu, et la quête des lois qui s'appliquent à cet absolu est apparue… comme la poursuite scientifique la plus sublime de la vie. "

Le premier exemple d'un absolu dans la nature qui a profondément impressionné Planck, même en tant que Gymnase étudiant, était la loi de la conservation de l'énergie, la première loi de la thermodynamique. Plus tard, au cours de ses années universitaires, il devint également convaincu que la loi de l'entropie, la deuxième loi de la thermodynamique, était aussi une loi absolue de la nature. La seconde loi est devenue le sujet de sa thèse de doctorat à Munich, et elle était au cœur des recherches qui l'ont conduit à découvrir le quantum d'action, maintenant connu sous le nom de constante de Planck. h, en 1900.

En 1859-1860, Kirchhoff avait défini un corps noir comme un objet qui réémet toute l'énergie rayonnante incidente sur lui, c'est-à-dire qu'il est un parfait émetteur et absorbeur de rayonnement. Le rayonnement du corps noir avait donc quelque chose d'absolu et, dans les années 1890, diverses tentatives expérimentales et théoriques avaient été faites pour déterminer sa distribution spectrale d'énergie - la courbe affichant la quantité d'énergie rayonnante émise à différentes fréquences pour une température donnée du corps noir. Planck a été particulièrement attiré par la formule trouvée en 1896 par son collègue Wilhelm Wien au Physikalisch-Technische Reichsanstalt (PTR) à Berlin-Charlottenburg, et il a ensuite fait une série de tentatives pour dériver la « loi de Wien » sur la base de la deuxième loi de la thermodynamique. En octobre 1900, cependant, d'autres collègues du PTR, les expérimentateurs Otto Richard Lummer, Ernst Pringsheim, Heinrich Rubens et Ferdinand Kurlbaum, avaient trouvé des indications précises que la loi de Wien, bien que valable aux hautes fréquences, s'effondrait complètement aux basses fréquences.

Planck a appris ces résultats juste avant une réunion de la Société allemande de physique le 19 octobre. Il savait comment l'entropie du rayonnement devait dépendre mathématiquement de son énergie dans la région des hautes fréquences si la loi de Wien s'y tenait. Il a également vu quelle devait être cette dépendance dans la région des basses fréquences afin d'y reproduire les résultats expérimentaux. Planck devina donc qu'il devait essayer de combiner ces deux expressions de la manière la plus simple possible, et de transformer le résultat en une formule reliant l'énergie du rayonnement à sa fréquence.

Le résultat, connu sous le nom de loi de Planck sur les radiations, a été salué comme étant incontestablement correct. Pour Planck, cependant, c'était simplement une supposition, une « intuition chanceuse ». Si elle devait être prise au sérieux, elle devait d'une manière ou d'une autre dériver des premiers principes. C'était la tâche à laquelle Planck a immédiatement dirigé ses énergies, et le 14 décembre 1900, il avait réussi, mais à grands frais. Pour atteindre son objectif, Planck a découvert qu'il devait abandonner l'une de ses croyances les plus chères, que la deuxième loi de la thermodynamique était une loi absolue de la nature. Au lieu de cela, il a dû embrasser l'interprétation de Ludwig Boltzmann, selon laquelle la deuxième loi était une loi statistique. De plus, Planck a dû supposer que les oscillateurs comprenant le corps noir et réémettant l'énergie rayonnante incidente sur eux ne pouvaient pas absorber cette énergie en continu mais seulement en quantités discrètes, en quanta d'énergie uniquement en distribuant statistiquement ces quanta, chacun contenant une quantité d'énergie hproportionnel à sa fréquence, sur l'ensemble des oscillateurs présents dans le corps noir, Planck a-t-il pu dériver la formule qu'il avait trouvée deux mois plus tôt. Il a apporté des preuves supplémentaires de l'importance de sa formule en l'utilisant pour évaluer la constante h (sa valeur était de 6,55 × 10 −27 erg-seconde, proche de la valeur moderne de 6,626 × 10 −27 erg-seconde), ainsi que la constante dite de Boltzmann (la constante fondamentale en théorie cinétique et en mécanique statistique), le nombre d'Avogadro et la charge de l'électron. Au fil du temps, les physiciens ont reconnu de plus en plus clairement que - parce que la constante de Planck n'était pas nulle mais avait une valeur petite mais finie - le monde microphysique, le monde des dimensions atomiques, ne pouvait en principe pas être décrit par la mécanique classique ordinaire. Une révolution profonde de la théorie physique était en train de se faire.

Le concept de quanta d'énergie de Planck, en d'autres termes, était fondamentalement en conflit avec toutes les théories physiques passées. Il a été poussé à l'introduire strictement par la force de sa logique, il était, comme l'a dit un historien, un révolutionnaire réticent. En effet, il a fallu des années avant que les conséquences de grande envergure de la réalisation de Planck soient généralement reconnues, et Einstein a joué un rôle central à cet égard. En 1905, indépendamment des travaux de Planck, Einstein a soutenu que, dans certaines circonstances, l'énergie rayonnante elle-même semblait être constituée de quanta (quanta de lumière, appelés plus tard photons), et en 1907, il a montré la généralité de l'hypothèse quantique en l'utilisant pour interpréter la dépendance à la température. des chaleurs spécifiques des solides. En 1909, Einstein a introduit la dualité onde-particule en physique. En octobre 1911, Planck et Einstein faisaient partie du groupe d'éminents physiciens qui assistèrent à la première conférence Solvay à Bruxelles. Les discussions là-bas ont stimulé Henri Poincaré à fournir une preuve mathématique que la loi de rayonnement de Planck nécessitait nécessairement l'introduction de quanta - une preuve qui a converti James Jeans et d'autres en partisans de la théorie quantique. En 1913, Niels Bohr a également grandement contribué à son établissement grâce à sa théorie quantique de l'atome d'hydrogène. Ironiquement, Planck lui-même fut l'un des derniers à lutter pour un retour à la théorie classique, une position qu'il considérait plus tard non pas avec regret mais comme un moyen par lequel il s'était complètement convaincu de la nécessité de la théorie quantique. L'opposition à l'hypothèse quantique de lumière radicale d'Einstein de 1905 a persisté jusqu'après la découverte de l'effet Compton en 1922.


Max Planck et le problème du rayonnement du corps noir

Rayonnement thermique

Le premier indice que le rayonnement pourrait également avoir des propriétés semblables à celles des particules est venu en 1900. Il est venu de travaux apparemment inoffensifs sur le rayonnement thermique. Ce type de rayonnement est familier à tout le monde. C'est le rayonnement qui réchauffe nos mains devant le feu, qui brûle le pain grillé et qui fournit l'éclat intense d'une fournaise. Les physiciens avaient mesuré la quantité d'énergie trouvée dans chacune des différentes fréquences (c'est-à-dire les couleurs) qui composent le rayonnement thermique. Cette distribution varie avec la température du rayonnement. Lorsqu'un corps qui émet un rayonnement passe du rouge à l'orange en passant par la chaleur blanche, les fréquences avec la plus grande énergie changent en conséquence.

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En 1900, alors que les données les plus récentes et les plus récentes arrivaient, Max Planck à Berlin travaillait à la compréhension des processus physiques qui conduisaient à ces distributions d'énergie. Il était bien au courant des derniers résultats de ses collègues berlinois, Lummer et Pringsheim, et qu'aucune théorie actuelle ne correspondait à leurs dernières données expérimentales. Il a conçu un nouveau compte qui convenait très bien. Dans son récit, le rayonnement thermique est un fouillis de nombreuses fréquences d'ondes électromagnétiques qui se sont équilibrées dans une cavité. Les ondes sont absorbées et émises par des charges oscillantes dans les parois de la cavité. De cette façon, la température des parois peut être transmise au rayonnement lui-même. La cavité n'est vraiment qu'un four et elle remplit l'espace à l'intérieur d'un rayonnement thermique. Ce rayonnement à l'intérieur de la cavité était connu sous le nom de « rayonnement de cavité ».

Si une minuscule fenêtre était ouverte dans les parois de la cavité, le rayonnement libéré aurait également la température de la cavité. Des arguments thermodynamiques astucieux montraient qu'il avait exactement la même composition qu'un rayonnement réémis par un corps à cette même température si ce corps avait la propriété particulière d'absorber parfaitement tout le rayonnement qui tombait sur lui, avant de le re-rayonner. De tels corps sont appelés « noirs », de sorte que cette forme de rayonnement est connue sous le nom de « radiation du corps noir ».

L'analyse de Planck de 1900

Planck a trouvé une formule très simple qui correspondait très bien aux derniers résultats expérimentaux. Son problème était de raconter une histoire théorique sur la façon dont cette formule est née. Après quelques hésitations, il a trouvé une telle histoire. Cependant, le calcul essentiel de son histoire dépendait d'une hypothèse très étrange. (Le débat se poursuit aujourd'hui pour savoir si Planck a réellement réalisé à quel point cette hypothèse était radicale et à quel point elle était cruciale pour son récit.) Planck a modélisé le rayonnement thermique comme provenant de résonateurs électriques sous tension.

Les résonateurs ordinaires de la physique classique ne sont que des masses vibrant sur des ressorts, comme le montre la figure. Ils peuvent prendre une gamme continue d'énergies.

L'histoire de Planck exigeait que ces résonateurs ne soient pas alimentés sur une gamme continue d'énergies. Au lieu de cela, ils pourraient prendre des énergies de, disons, 0, 1, 2, 3, . unités, mais rien entre . Les énergies disons 1,2 ou 3,7 unités étaient interdites.

Décider quelles unités se sont avérées importantes. Les unités d'énergie étaient liées à la fréquence de résonance du résonateur. Ils ont été donnés par la formule de Planck :

Cela signifie que les énergies autorisées sont (h x fréquence), deux fois (h x fréquence), trois fois (h x fréquence), et ainsi de suite.

La lettre h représente une nouvelle constante de la nature introduite par Planck et maintenant appelée "constante de Planck". Cette nouvelle constante joue le même rôle dans la théorie quantique que la vitesse de la lumière joue dans la théorie de la relativité, elle nous indique quand les effets quantiques seront importants. Le nombre est très petit, ce qui suggère que des effets quantiques sont à prévoir dans le petit par exemple, pour les fréquences ordinaires, les unités d'énergie données par la formule de Planck seront très petites, nous ne remarquerons donc pas la granularité qu'elle nécessite lorsque nous regardons le de plus grandes énergies des systèmes d'expérience ordinaire. (h = 6,62 x 10 -27 erg secondes.)

Formule originale de Planck appliquée à l'énergie des résonateurs. Il s'est efforcé de limiter la discontinuité qu'elle suggérait à ces résonateurs et même juste à l'interaction entre le rayonnement et les résonateurs. Au cours de la décennie suivante, d'autres physiciens ont commencé à voir que la discontinuité ne pouvait pas être confinée. Des calculs analogues à ceux de Planck de 1900 pouvaient être appliqués directement au rayonnement thermique. Ils sont arrivés à la conclusion que la formule de Planck s'appliquait également directement au rayonnement thermique. Dans chaque fréquence, l'énergie du rayonnement thermique doit être exprimée en unités entières de fréquence h x. Cette conclusion est difficile à concilier avec l'idée que le rayonnement thermique est purement un phénomène ondulatoire.


4 réponses 4

"Un état pur est l'état quantique où nous avons des informations exactes sur le système quantique. Et l'état mixte est la combinaison des probabilités des informations sur l'état quantique. Différentes distributions d'états purs peuvent générer des états mixtes équivalents. Je n'ai pas compris comment une combinaison d'informations exactes peut aboutir à une combinaison de probabilités.".

Sur une sphère de Bloch, les états purs sont représentés par un point à la surface de la sphère, tandis que les états mixtes sont représentés par un point intérieur. L'état complètement mélangé d'un seul qubit $<<2>>I_<2>,>$ est représenté par le centre de la sphère, par symétrie. La pureté d'un état peut être visualisée comme le degré auquel il est proche de la surface de la sphère.

En mécanique quantique, l'état d'un système quantique est représenté par un vecteur d'état (ou ket) $| psi angle$. Un système quantique avec un vecteur d'état $| psi angle$ est appelé un état pur. Cependant, il est également possible qu'un système se trouve dans un ensemble statistique de différents vecteurs d'état : par exemple, il peut y avoir une probabilité de 50 % que le vecteur d'état soit $| psi_1 angle$ et 50% de chance que le vecteur d'état soit $| psi_2 angle$.

Ce système serait dans un état mixte. La matrice de densité est particulièrement utile pour les états mixtes, car tout état, pur ou mixte, peut être caractérisé par une seule matrice de densité.

Le vecteur d'état $|psi angle$ d'un état pur détermine complètement le comportement statistique d'une mesure. Pour le concret, prenons une quantité observable, et soit A l'opérateur observable associé qui a une représentation sur l'espace de Hilbert $>$ du système quantique. Pour toute fonction analytique à valeur réelle $F$ définie sur les nombres réels, supposons que $F(A)$ soit le résultat de l'application de $F$ au résultat d'une mesure. La valeur attendue de $F(A)$ est

$langle psi | F(A) | psi angle, .$

Considérons maintenant un état mixte préparé en combinant statistiquement deux états purs différents $| psi angle$ et $| phi angle$, avec les probabilités associées $p$ et $1 − p$, respectivement. Les probabilités associées signifient que le processus de préparation du système quantique se termine dans l'état $|psi angle$ avec probabilité $p$ et dans l'état $|phi angle$ avec probabilité $1 − p$.


Les fluctuations quantiques ont-elles créé l'univers ?

Compte tenu de la discussion soulevée par le dernier livre de Stephen Hawking, certains de nos lecteurs pourraient trouver utile cette réponse, publiée par le professeur Edgar Andrews sur un fil de discussion Amazon.co.uk :

“Personne n'a fait l'évolution. Il apparaît comme une conséquence naturelle et inévitable des lois de la nature dans l'univers dans lequel nous nous trouvons, qui sont elles-mêmes une conséquence naturelle et inévitable de la fluctuation quantique complètement aléatoire qui a causé le big bang, à quel point les « lois » 8221 de causalité se décomposent, il est donc inutile de demander qui ou ce qui a causé cela.”

« Mais ça ne lave vraiment pas, n'est-ce pas ? Dans le même souffle, vous dites que le big bang a été causé par des fluctuations quantiques et vous prétendez ensuite qu'il est inutile de rechercher ce qui a causé le big bang. C'est peut-être du post-modernisme, mais ce n'est certainement pas de la logique (ou de la physique d'ailleurs). Mais il y a des erreurs plus profondes avec vos explications, comme suit :

1) Les lois de la nature, dites-vous, sont les « conséquences inévitables » de « fluctuations quantiques complètement aléatoires ». Par quelle logique des conséquences inéluctables peuvent-elles résulter d'événements aléatoires ? Les événements aléatoires ne peuvent conduire qu'à des conséquences contingentes, mais pour être « inévitables » les conséquences ne peuvent pas être contingentes mais doivent être déterminées (nécessaires).

2) Pour que les lois de la nature soient une "conséquence" de quoi que ce soit, le principe de causalité doit opérer. Sans causalité, il ne peut y avoir ni causes ni conséquences. Mais vous nous dites ensuite qu'au-delà du big bang, les lois de la causalité s'effondrent. Vous ne pouvez vraiment pas avoir les deux.

3) Vous dites que le big bang a été "causé" par des "fluctuations quantiques aléatoires". En plus de renforcer mon dernier point en invoquant la causalité antérieure à l'existence du cosmos, vous devez répondre à une question différente : les fluctuations de quoi ? Avant le big bang, il n'existait ni matière, ni énergie, ni espace, ni temps, donc par définition, il ne pouvait y avoir de fluctuations dans aucune de ces entités. (Si vous prétendez qu'il y avait quelque chose de nature matérielle avant le big bang, nous ne parlons plus de l'origine ultime de l'univers).

3) Vient ensuite une autre question. Les fluctuations quantiques ne sont-elles pas elles-mêmes une manifestation de la loi naturelle (par exemple les lois de la mécanique quantique) ? Comment alors les fluctuations quantiques pourraient-elles être la cause ultime de la loi naturelle comme vous le prétendez ? Les lois régissant la fluctuation quantique se sont-elles inventées ? Même Stephen Hawking n'y croit pas.”[/pk_box]

Edgar Andrews est professeur émérite de matériaux à l'Université de Londres et auteur de l'excellent livre, Qui a fait Dieu ? À la recherche d'une théorie du tout. Qui a fait Dieu ? est disponible dans les librairies Amazon et en Nouvelle-Zélande (Grace & Truth Publications a des exemplaires disponibles pour 24 $ NZD).

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J'ai toujours douté de la théorie du big bang. Pour moi, l'univers est infini comme l'énergie est infinie et l'univers est purement énergétique, tout ce qui est formé d'énergie et d'énergie ne peut pas être perdu, seules les informations contenues dans l'énergie, voir les développements récents dans la recherche sur les trous noirs où ils se sont avérés juste ceci, donc c'est vraiment simple, l'univers n'a toujours pas été tel que nous le connaissons. Penser qu'il n'y avait rien et puis soudainement un univers est aussi ridicule que l'idée chrétienne de la création. Pensez-y de cette façon, les trous noirs aspirent l'énergie de l'univers et les soleils ou les trous blancs, ce qui est exactement le contraire d'un trou noir, renvoient de l'énergie dans l'univers et les informations de l'énergie sont modifiées au cours du processus. . Vous ne pouvez pas créer plus d'énergie ou épuiser l'énergie, vous ne pouvez que convertir l'énergie. Vrai infini.

L'énergie n'est pas infinie. L'endroit où vous avez découvert que c'était ne peut pas être une source fiable. C'est probablement le cas que vous avez mal compris ce que vous lisiez. L'énergie, avec l'univers, a commencé à exister selon les prédictions du modèle standard du Big Bang.

Vous dites : "Penser qu'il n'y avait rien et puis soudainement exploser un univers est aussi ridicule que l'idée chrétienne de la création."
Bon, rien alors BANG, un univers, c'est ridicule, j'en conviens. Rien ne vient de rien, comme disent les philosophes. Mais ce n'est pas AUSSI ridicule que l'idée chrétienne de la création. L'idée chrétienne de la création attribue la cause de l'univers à Dieu. Le point de vue chrétien est d'accord avec la maxime philosophique, car selon ce point de vue quelque chose (l'univers) est venu de quelque chose (Dieu), pas que quelque chose est venu de rien.

La loi de conservation de l'énergie en physique ne dit-elle pas que l'énergie ne peut pas être créée ou détruite, mais seulement changée en différentes formes d'énergie, comme le principe de la conversion masse/matière l'est avec la matière ? Si l'énergie et la matière dans un système fermé (l'univers serait qualifié de système fermé, comme ce qui est en dehors de l'horizon cosmologique du Big Bang ?) ne peuvent pas être créées ou détruites, simplement changées en différentes formes de matière et d'énergie, si ils restent constants dans ce système fermé d'un univers dans lequel nous vivons, comme le dictent les lois de la physique, ne serait-il pas logique de penser que toute cette masse et cette énergie qui composent notre univers ont TOUJOURS existé ?

Le Big Bang affirme que l'univers était autrefois une singularité, aussi loin que nous puissions aller en raison des lois de la physique telles que nous les connaissons se décomposent entièrement, puis s'étendent à partir de là. Peut-être que toute la matière et l'énergie de l'univers existaient à cette singularité, et ont toujours existé, aucun créateur ou dieu n'était nécessaire ? Peut-être que les lois de la physique doivent s'endormir un peu comme nous pensons qu'elles le font dans les singularités pour que les fluctuations quantiques fassent leur travail ?

John, votre affirmation comporte plusieurs difficultés insurmontables. Premièrement, vous ne pouvez pas expliquer la question originale qui a tourmenté Hawking et d'autres physiciens théoriciens pendant des décennies : pourquoi quelque chose plutôt que rien ? Quelle que soit la "taille" de votre singularité (relative dans tous les sens du terme), elle doit être prise en compte. Deuxièmement, tenez compte des conditions qui ont conduit à « l'instabilité » de la singularité qui a provoqué la croissance initiale (hyper inflation). Pourquoi rester en sommeil pendant une éternité, puis changer radicalement. D'où vient l'élan ? Un changement de condition nécessite une causalité. De plus, les probabilités d'événements quantiques sont directement proportionnelles aux intervalles de temps. Au fur et à mesure que le temps diminue, la probabilité diminue. Pour un événement de singularité de l'instant de “création”, temps=zéro, donc probabilité=zéro. Il n'y a aucune justification pour nier la loi de cause à effet simplement parce qu'elle est théologiquement ou philosophiquement inconfortable. Additionally the existence of information and intelligence mandates a prior intelligence to the formation of the universe, it is inescapable. If we were to approach any other discipline, such as forensics or engineering, with the same degree of closed-mindedness of pure naturalism, we would of necessity arrive at ludicrous and illogical conclusions.

The laws of thermodynamics (and specifically, the first law you mentioned that states energy cannot be created or destroyed) only applies once the universe is created – not before there is a universe. It only aplies within the universe – not on the universe. So there’s no contradiction here with the science of thermodynamics and the idea that the universe began to exist.

You make some interesting points of course. However, The Big Bang as a cosmological Theory is still relatively incomplete. I was simply postulating a possibility, that matter and energy, and by necessity our universe, in one state or another is eternal. I will say it truthfully, I can’t account for what caused hyper inflation to begin with, there are a couple of ideas out there, like i said with quantum fluctuations being a possible source, but of course modern science cant push our theoretical framework passed the Planck scale, because once you go passed that, everything breaks down, including the laws of thermodynamics I believe, Stuart.

However Ktisis, you then go on to say that information and intelligence existing as part of this universe must necessitate a prior intelligence. You are making this claim on what grounds? Why is it mandated that intelligence needs a source? Why isn’t it a by-product of evolution? No where in science does it say we know how the universe started, because we dont know, we have theories, ideas of how it might have happened, based on measurable phenomenon we are currently able to observe, but no concrete ” Yeah, this is how it went down”. When you say God did it, the burden of proof is on you.

Apply Occam’s Razor then – What is simplest? God did it, which of course brings to mind all kinds of stuff like, if God created the universe, who created God?

Or the universe has always existed, in one state or another? We can see the universe, we can test the universe. Theres all kinds of matter and energy, abundunt everywhere, but no proof, no testable effect, of God having done it.

I’d like to ask before hand you guys disregard the general anti-religious flavor of the above video, as it is hosted by Richard Dawkins. It’s a presentation by Lawrence Krauss (also an atheist, forgive him his Religious snide commentary) on the possibility of the beggining of the universe. It’s interesting to watch, if you love science.

I’d also like to say that I myself am not an atheist, i honestly couldn’t categorize, as I neither believe in any of the dominant religions of our day and age, nor hold any particular atheistic views, I guess I’m agnostic. However, I find some of the anti-religious rhetoric that comes from people like Dawkins a tad distasteful, so I simply ask for a little forgiveness.

Actually you can test Theism as a hypothesis. For instance, If God (as concieved by Christians) exists, then the universe had a beginning.

Your theory that matter and energy are eternal will not work. Two philosophical proofs, (1) from the impossibilty of an acutal infinite, and (2) from the impossibilty of reaching an actual infinite by a series of equal successions, rule this out. Otherwise, there are scientific proofs that the universe is not eternal in the past. (3) The second law of Thermodynamics, the law of energy conservation indicates that the universe is not eternal in the past, and (4) the predictions of the Standard Big Bang Model. Here you say the theoretical framework cannot be extended beyong the planck time. Thats wrong. It is observation that cannot be extended beyond the planck time, not the theory. Only the breifest glance at the history of 20th century cosmogonies is enough to show this. However, due to the lengthy procession of failed theories that have sought to divert the absolute beginning of the universe predicted by the Standard Model and extend its life into the infinite past, we have good reason to think that future attempts will also be unsuccessful. Secondly, the Bord Guth Vilenkin theorum (c. 2004) positively proves that the universe had a beginning, by showing that any universe that has been in a state of cosmic inflation cannot be extended into the infinite past, but had an absolute beginning.

So given the universe had a beginning (premise 2, KCA), and that nothing can come from nothing (premise 1, KCA), applying Occam’s Razoris not detrimental to the conclusion of the KCA, nor Theism since we are ‘not positing anything beyond necessity.’ Thats Occam’s Razor. Occam’s Razor is not whatever explanation is simplest. And for whatever its worth, God as the cause of the universe is an advance in simplicity anyway, since God is simple compared to the effect – the complex material universe. God is an immaterial mind – tremendously simple entity (even if God did have a cause).

Sure you can hypothesize with theism to your heart’s content, but there is no empirical data, no measurable effect to prove your hypothesis. What do you use as empirical data to prove God? I’m not even referring to any particular one, for sake of argument, we will list God as the being who created the universe, hypothetically

Also, you say you cant get something from nothing, which is of course correct. The problem is, there is no such thing as “Nothing” The Quantum Vacuum as shown in the Casimir Effect shows this. Even in Vacuum there are quantum fluctuations, with virtual particles popping in and out of existence.

Also, you keep mentioning the law of thermal dynamics, but physical laws as we know them break down at the singularity and no longer apply, hence why observation doesn’t extend past the Planck scale of the cosmological singularity predicted in the Standard Model, because the laws and rules of the universe that we use for most science dont apply at the singularity, they don’t do what they are supposed to.

The thing is, we have no clue what happened prior to the Big Bang. The difference is, you claim that at the beggining it was God that set the ball rolling. Where is the Proof? There isn’t any. I was just theorizing, and of course, as you pointed out, there are many reasons for my theory to not be correct. The theistic Idea however, has no evidence to support it whatsoever, It’s totally in the domain of philosophy.

Saying the universe has a begining is not the same as saying it came from nothing.. It simply suggests that there is something external. It doesn’t have to be a God.

the fact is nobody knows. Saying God did it explains nothing.

Hey what happened to my previous post

Censorship isn’t fair in a debate guys

Also, The BGV theorem has this to say, quoted directly from the paper

Many inflating spacetimes are likely to violate the weak energy condition, a key assumption of singularity theorems. Here we offer a simple kinematical argument, requiring no energy condition, that a cosmological model which is inflating — or just expanding sufficiently fast — must be incomplete in null and timelike past directions. Specifically, we obtain a bound on the integral of the Hubble parameter over a past-directed timelike or null geodesic. Thus inflationary models require physics other than inflation to describe the past boundary of the inflating region of spacetime.
……
and later

Whatever the possibilities for the boundary, it is clear
that unless the averaged expansion condition can somehow
be avoided for all past-directed geodesics, inflation
alone is not sufficient to provide a complete description of
the Universe, and some new physics is necessary in order
to determine the correct conditions at the boundary

“inflation alone is not sufficient to provide a complete description of
the Universe, and some new physics is necessary in order
to determine the correct conditions at the boundary”

It doesn’t say anything about God, Just that there is some kind of new physics that we are not aware of that would be responsible.
Your twisting that paper to suit your preconceptions Stuart. You’re inserting “God” As the new physics. Youre combining philosophy and science., not a very logical thing to do.

You also make some other wild assumptions that have no basis in fact.
“God is an immaterial Mind” What do you base this off? Where is your empirical evidence of this?
“God is Simple ” Once again, evidence? Where is your evidence?
The existence of God as the cause immediatley leads to infinite regression, as if God is the cause of the universe what is the cause of god? Thats complex, not simple.

John, it doesn’t really reflect well on you when you jump to the conclusion that your comment wasn’t immediately published because of “censorship”.

Our comment filter is fairly stringent to avoid spam, which we get a lot of. So most comments have to be manually approved. And believe it or not, we don’t sit in the WordPress dashboard all day hitting the Refresh button P

There is a major philosophical problem with your above comments. I will freely admit there is no purely empirical evidence for God. However, empirical evidence can be used to support a premise, which when combined with philosophical notions in other premises can lead toward a logical conclusion. You say comining philosophy and science is illogical? No. This method describes the process of forming every other reasonable belief, including scientific beliefs formed by responsible empirical enquiry.

For instance, one could say, there is a creature out there with certain attributes, say for instance it has wings, can swim as well as a fish, the male sits on the eggs to keep it warm, it can grow as tall as 100cm. We can be skeptical about it, because its doesn’t sound like anything we’ve ever seen or experienced. But when we hear about the emperor penguin, (perhaps you saw it for yourself, perhaps you read about it, or heard it described on the BBC by David Attinborough) you say to youself, ‘Hey, this fits the description.’ Then we combine this empirical evidence a philosophical assumption (hidden premise), i.e. “The report I am recieving from my senses is trustworthy,” and/or “This creature is not logically impossible,” and/or ” Likewise, Attinborough would not make this up, but he and his crew would have a direct and immediate sensory impression.” We then can conclude justifiably ‘My hypothesis [of such a creture with certain attributes] was right after all.’ Likewise, we have a concept of God as having certain attributes, we know from the KCA that the universe has a cause, and then when we consider what it would mean for something to be a cause of the universe, then we can say, ‘Hey, this fits the description of such a being.’

This is like Aquinas saying, ‘And this being, everyone calls God.’ What properties does the “something external [to the universe]” have, do you think? Now doesn’t such a description fit the concept of God quite nicely? And what are you going to call it? This being/cause/whatever, afterall, created the universe.

I agree there is no such THING as nothing. After all, thats the meaning of nothing – No-thing. Some people call the vacuum “nothing” but it is clearly not nothing. It is something, endowed and governed by physical laws. The universe however began from nothing in the sense of creatio ex nihilo, No-thing.

This is the prediction of the Standard Big Bang Model. Other models that have tried to extend the universe into the infinite past have continually failed to recommend themselves to the scietific community, and because of the Bord Guth Vilenkin theorem, cannot be infinite in the past since the theorem is independant of a physical description of the past universe. It was Alan Guth, I believe, who said, “With the proof now in, cosmologists must now face the problem of an absolute beginning.”

I’m not inserting God here as the new physics! I’m using the Bord Guth Vilenkin theorem as support for the beginning of the universe.

“God is an immaterial mind.” I base this off the revealed and traditional concept of God. But is there another reason why the creator or cause of the universe would be an immaterial mind. Since the universe is all that is material, the cause of the universe must be immaterial. Since the only immaterial things that philsophers are aware of are minds and abstract objects, and since abstract objects cannot cause anything, then the cause of the unvierse must be a mind. Thus, the cause of the universe must be an immaterial mind. God is an immaterial mind. And an immaterial mind is tremendously simple. It cannot be divided since it has not physical parts – it has no components to put together.

“The existence of God as the cause immediatley leads to infinite regression, as if God is the cause of the universe what is the cause of god? Thats complex, not simple.”

If God had a cause that wouldn’t mean he was complex. But what is your problem with infinite regressions anyway? Its an eternal universe that est an infinite regression, which based on your above comments above, you don’t have a problem with. A major inconsistancy in your arguments here.

And why would you think that a being that bought time into existence with the universe, itself began to exist? This is your burden if you’re to advance this argument. It is unfortunately for those who advance the argument immediately apparent the very question is ridiculous. The cause of the universe (all space and time) must be timeless, thus be beginningless and unchanging. That which is beginningless and unchanging is necessary: the universe is contingent (it didn’t have to exist) – the cause of the unverse must be not-contingent, i.e. necessary (it had to exitst). So the question “Who made God?” is therefore exactly “What was the cause of an uncaused cause?” Analogously, it is like the question “What is the name of the bachelor’s wife?” or like saying “The area of the circle is the square of both its sides.” It’s idiotic. Vraiment! Why people think its profound is beyond me.

Refer to the website address at http://en.wikipedia.org/wiki/Dark_energy pertaining to dark energy.

The following is the extract of the second paragraph under the sub-title of “Negative Pressure” for the main subject of the ‘Nature Of Dark Energy’:

According to General Relativity, the pressure within a substance contributes to its gravitational attraction for other things just as its mass density does. This happens because the physical quantity that causes matter to generate gravitational effects is the Stress-energy tensor, which contains both the energy (or matter) density of a substance and its pressure and viscosity.

As the phrase, the physical quantity that causes matter to generate gravitational effects is mentioned in the extracted paragraph, it gives the implication that physical quantity of matter has to exist prior to the generation of gravitational effects. Or in other words, it opposes the principality that gravitational effects could occur at the absence of matter. As it is described pertaining to Dark Energy, it implies that Dark Energy could only be derived from the existence of the physical quantity of matter. This certainly rejects Stephen Hawking’s theory in which dark energy could exist prior to the formation of the universe as if that dark energy could exist the support or influence from the physical quantity of matter.

The following is the extract of the third paragraph under the sub-title of ‘Cosmological Constant’ for the main subject of the ‘Nature of Dark Energy’:

The simplest explanation for dark energy is that it is simply the “cost of having space”: that is, a volume of space has some intrinsic, fundamental energy. This is the cosmological constant, sometimes called Lambda (hence Lambda-CDM model) after the Greek letter ?, the symbol used to mathematically represent this quantity. Since energy and mass are related by E = mc2, Einstein’s theory of general relativity predicts that it will have a gravitational effect..

E = mc2 has been used to be related to Dark Energy. As energy and mass are related in according to General Relativity and if m = 0, no matter how big the number that c could be, E (the dark energy) would turn up to be 0 since 0 is multiplied by c2 always equal to 0. Or in other words, E (the dark energy) should be equal to 0 at the absence of substance. Stephen Hawking’s theory certainly contradicts Eistein’s theory in the sense that he supports that dark energy could exist even though there could not be any matter existed prior to the formation of the universe. As E (the dark energy should be equal to 0) when m=0, it provides the proof that there would not be at dark energy prior to the formation of the universe. As there would not be any dark energy prior to the formation of the universe, how could Stephen Hawking uses quantum theory to support that gravity or the so-called, dark energy, could create something out of nothing. Thus, Stephen Hawking has twisted Eistein’s theory to support his own theory.

Refer to the website address at: http://csep10.phys.utk.edu/astr161/lect/history/newtongrav.html pertaining to the law of universal gravitation. The following is the extract of the definition of law of universal gravitation:

Every object in the universe attracts every other object with a force directed along the time of centers for the two objects that is proportional to the product of their masses and inversely separation between the two objects. Fg = G(m1 m2)//r2. (Fg is the gravitational force m1 & m2 are the masses of the two objects r is the separation between the objects and G is the universal gravitational constant. From the formula, we note that Fg (the gravitational force or in replacement of dark energy) has a direct influence from two masses (m1 & m2). If either of the m is equal to 0, Fg would turn up to be 0. Isaac Newton’s theory certainly opposes Stephen Hawking in which gravity or the so-called, dark energy, could exist at the absence of matter prior to the formation of this universe in this energy or gravity could create something out of nothing.

From the above analyses, it would come to the conclusion that Stephen Hawking has twisted both Newton’s theory as well as Eistein to support his quantum theory in which gravity, or the so-called, dark energy, could create something out of nothing.

As Stephen Hawking has twisted both Newton’s gravitational theory and Eistein to support his theory that quantum fluctuation could create the universe, this gives us the idea that his theory contradicts sicence in realtiy and that put his theory to be in doubts about its reliability and acceptability.

Stephen Hawking might mention that both Newton’s gravitational theory and Eistein are wrong. As he was not born at the time of the formation of the universe to observe its creation, his theory is simply not tested and ithrough his wild imagination by twisting scientific theories to suit his concept.

Could we have some rebuttal from John for Stuart? The debate was going very nicely, and I would love to see how John would come back, and I’m sure Stuart would too!


The real history of quantum biology

Credit: CC0 Public Domain

Quantum biology, a young and increasingly popular science genre, isn't as new as many believe, with a complicated and somewhat dark history, explain the founders of the world's first quantum biology doctoral training centre.

In a paper published by the Royal Society journal, Proceedings of the Royal Society A, Professors Johnjoe McFadden and Jim Al-Khalili from the University of Surrey trace the origins of quantum biology as far back as the late 1920s when the Danish physicist, Niels Bohr, delivered an influential lecture on whether the then new 'atomic theory' could help solve the mystery of life.

In their paper, The origins of quantum biology, McFadden and Al-Khalili examine nearly 100 years of pioneering and improbable questions about the relationship between the fuzzy and almost magical world of quantum physics and the rigid and organised field of biology.

Quantum biology seeks to understand whether quantum mechanics plays a role in biological processes. Recent research has already shown phenomena such as photosynthesis, respiration, bird navigation and even the way we think are all influenced by quantum mechanics.

Earlier this year, Professors McFadden and Al-Khalili opened the doors to their new Doctoral Training Centre for Quantum Biology. The centre, which is supported by the Leverhulme Trust, trains a new generation of scientists who can operate across the boundaries of biology, chemistry and quantum physics to pioneer research in quantum biology.

Johnjoe McFadden, Professor of Molecular Genetics and Co-Director of the Centre for Quantum Biology at the University of Surrey, said: "Quantum biology is wrongly regarded as a very new scientific discipline, when it actually began before the Second World War. Back then, a few quantum physicists tried to understand what was special about life itself and whether quantum mechanics might shed any light on the matter. In this paper we tell the story of how it all began and why it is only now making a comeback."

Jim Al-Khalili, Professor of Physics and Co-Director of the Centre for Quantum Biology at the University of Surrey, said: "With the University of Surrey now hosting the world's first doctoral training centre in quantum biology and training Ph.D. students in this interdisciplinary field, we felt it was a good time tell the world something about its origins.

"We had wanted to lay out the history of quantum biology as far back as 2015, when Johnjoe and I wrote our popular science book,Life on the Edge, which has already been translated into 16 languages and was shortlisted for the Royal Society Winton Book Prize."


Plum Pudding Model and Rutherford Model

JESPER KLAUSEN / SCIENCE PHOTO LIBRARY / Getty Images

Up to this point, atoms were believed to be the smallest units of matter. In 1897, J.J. Thomson discovered the electron. He believed atoms could be divided. Because the electron carried a negative charge, he proposed a plum pudding model of the atom, in which electrons were embedded in a mass of positive charge to yield an electrically neutral atom.

Ernest Rutherford, one of Thomson's students, disproved the plum pudding model in 1909. Rutherford found that the positive charge of an atom and most of its mass were at the center, or nucleus, of an atom. He described a planetary model in which electrons orbited a small, positive-charged nucleus.


Contenu

Origin and education Edit

Louis de Broglie belonged to the famous aristocratic family of Broglie, whose representatives for several centuries occupied important military and political posts in France. The father of the future physicist, Louis-Alphonse-Victor, 5th duc de Broglie, was married to Pauline d’Armaille, the granddaughter of the Napoleonic General Philippe Paul, comte de Ségur. They had five children in addition to Louis, these are: Albertina (1872–1946), subsequently the Marquise de Luppé Maurice (1875–1960), subsequently a famous experimental physicist Philip (1881–1890), who died two years before the birth of Louis, and Pauline, Comtesse de Pange (1888–1972), subsequently a famous writer. [13] Louis was born in Dieppe, Seine-Maritime. As the youngest child in the family, Louis grew up in relative loneliness, read a lot, was fond of history, especially political. From early childhood, he had a good memory and could accurately read an excerpt from a theatrical production or give a complete list of ministers of the Third Republic of France. For him was predicted a great future as a statesman. [14]

De Broglie had intended a career in humanities, and received his first degree in history. Afterwards he turned his attention toward mathematics and physics and received a degree in physics. With the outbreak of the First World War in 1914, he offered his services to the army in the development of radio communications.

Military service Edit

After graduation, Louis de Broglie as a simple sapper joined the engineering forces to undergo compulsory service. It began at Fort Mont Valérien, but soon, on the initiative of his brother, he was seconded to the Wireless Communications Service and worked on the Eiffel Tower, where the radio transmitter was located. Louis de Broglie remained in military service throughout the First World War, dealing with purely technical issues. In particular, together with Léon Brillouin and brother Maurice, he participated in establishing wireless communications with submarines. Prince Louis was demobilized in August 1919 with the rank of adjudant. Later, the scientist regretted that he had to spend about six years away from the fundamental problems of science that interested him. [14] [15]

Scientific and pedagogical career Edit

His 1924 thesis Recherches sur la théorie des quanta [16] (Research on the Theory of the Quanta) introduced his theory of electron waves. This included the wave–particle duality theory of matter, based on the work of Max Planck and Albert Einstein on light. This research culminated in the de Broglie hypothesis stating that any moving particle or object had an associated wave. De Broglie thus created a new field in physics, the mécanique ondulatoire, or wave mechanics, uniting the physics of energy (wave) and matter (particle). For this he won the Nobel Prize in Physics in 1929.

In his later career, de Broglie worked to develop a causal explanation of wave mechanics, in opposition to the wholly probabilistic models which dominate quantum mechanical theory it was refined by David Bohm in the 1950s. The theory has since been known as the De Broglie–Bohm theory.

In addition to strictly scientific work, de Broglie thought and wrote about the philosophy of science, including the value of modern scientific discoveries.

De Broglie became a member of the Académie des sciences in 1933, and was the academy's perpetual secretary from 1942. He was asked to join Le Conseil de l'Union Catholique des Scientifiques Francais, but declined because he was non-religious. [17] [18] On 12 October 1944, he was elected to the Académie Française, replacing mathematician Émile Picard. Because of the deaths and imprisonments of Académie members during the occupation and other effects of the war, the Académie was unable to meet the quorum of twenty members for his election due to the exceptional circumstances, however, his unanimous election by the seventeen members present was accepted. In an event unique in the history of the Académie, he was received as a member by his own brother Maurice, who had been elected in 1934. UNESCO awarded him the first Kalinga Prize in 1952 for his work in popularizing scientific knowledge, and he was elected a Foreign Member of the Royal Society on 23 April 1953.

Louis became the 7th duc de Broglie in 1960 upon the death without heir of his elder brother, Maurice, 6th duc de Broglie, also a physicist.

In 1961, he received the title of Knight of the Grand Cross in the Légion d'honneur. De Broglie was awarded a post as counselor to the French High Commission of Atomic Energy in 1945 for his efforts to bring industry and science closer together. He established a center for applied mechanics at the Henri Poincaré Institute, where research into optics, cybernetics, and atomic energy were carried out. He inspired the formation of the International Academy of Quantum Molecular Science and was an early member. [19] His funeral was held 23 March 1987 at the Church of Saint-Pierre-de-Neuilly. [20]

Louis never married. When he died in Louveciennes, [6] he was succeeded as duke by a distant cousin, Victor-François, 8th duc de Broglie.

Physics of X-ray and photoelectric effect Edit

The first works of Louis de Broglie (early 1920s) were performed in the laboratory of his older brother Maurice and dealt with the features of the photoelectric effect and the properties of x-rays. These publications examined the absorption of X-rays and described this phenomenon using the Bohr theory, applied quantum principles to the interpretation of photoelectron spectra, and gave a systematic classification of X-ray spectra. [14] The studies of X-ray spectra were important for elucidating the structure of the internal electron shells of atoms (optical spectra are determined by the outer shells). Thus, the results of experiments conducted together with Alexandre Dauvillier, revealed the shortcomings of the existing schemes for the distribution of electrons in atoms these difficulties were eliminated by Edmund Stoner. [21] Another result was the elucidation of the insufficiency of the Sommerfeld formula for determining the position of lines in X-ray spectra this discrepancy was eliminated after the discovery of the electron spin. In 1925 and 1926, Leningrad physicist Orest Khvolson nominated the de Broglie brothers for the Nobel Prize for their work in the field of X-rays. [13]

Matter and wave–particle duality Edit

Studying the nature of X-ray radiation and discussing its properties with his brother Maurice, who considered these rays to be some kind of combination of waves and particles, contributed to Louis de Broglie's awareness of the need to build a theory linking particle and wave representations. In addition, he was familiar with the works (1919–1922) of Marcel Brillouin, which proposed a hydrodynamic model of an atom and attempted to relate it to the results of Bohr's theory. The starting point in the work of Louis de Broglie was the idea of A. Einstein about the quanta of light. In his first article on this subject, published in 1922, the French scientist considered blackbody radiation as a gas of light quanta and, using classical statistical mechanics, derived the Wien radiation law in the framework of such a representation. In his next publication, he tried to reconcile the concept of light quanta with the phenomena of interference and diffraction and came to the conclusion that it was necessary to associate a certain periodicity with quanta. In this case, light quanta were interpreted by him as relativistic particles of very small mass. [22]

It remained to extend the wave considerations to any massive particles, and in the summer of 1923 a decisive breakthrough occurred. De Broglie outlined his ideas in a short note "Waves and quanta" (French: Ondes et quanta, presented at a meeting of the Paris Academy of Sciences on September 10, 1923), which marked the beginning of the creation of wave mechanics. In this paper, the scientist suggested that a moving particle with energy E and velocity v is characterized by some internal periodic process with a frequency E / h , where h is Planck's constant. To reconcile these considerations, based on the quantum principle, with the ideas of special relativity, de Broglie was forced to associate a "fictitious wave" with a moving body, which propagates with the velocity c 2 / v /v> . Such a wave, which later received the name phase, or de Broglie wave, in the process of body movement remains in phase with the internal periodic process. Having then examined the motion of an electron in a closed orbit, the scientist showed that the requirement for phase matching directly leads to the quantum Bohr-Sommerfeld condition, that is, to quantize the angular momentum. In the next two notes (reported at the meetings on September 24 and October 8, respectively), de Broglie came to the conclusion that the particle velocity is equal to the group velocity of phase waves, and the particle moves along the normal to surfaces of equal phase. In the general case, the trajectory of a particle can be determined using Fermat's principle (for waves) or the principle of least action (for particles), which indicates a connection between geometric optics and classical mechanics. [23]

This theory set the basis of wave mechanics. It was supported by Einstein, confirmed by the electron diffraction experiments of G P Thomson and Davisson and Germer, and generalized by the work of Schrödinger.

However, this generalization was statistical and was not approved of by de Broglie, who said "that the particle must be the seat of an internal periodic movement and that it must move in a wave in order to remain in phase with it was ignored by the actual physicists [who are] wrong to consider a wave propagation without localization of the particle, which was quite contrary to my original ideas."

From a philosophical viewpoint, this theory of matter-waves has contributed greatly to the ruin of the atomism of the past. Originally, de Broglie thought that real wave (i.e., having a direct physical interpretation) was associated with particles. In fact, the wave aspect of matter was formalized by a wavefunction defined by the Schrödinger equation, which is a pure mathematical entity having a probabilistic interpretation, without the support of real physical elements. This wavefunction gives an appearance of wave behavior to matter, without making real physical waves appear. However, until the end of his life de Broglie returned to a direct and real physical interpretation of matter-waves, following the work of David Bohm. The de Broglie–Bohm theory is today the only interpretation giving real status to matter-waves and representing the predictions of quantum theory.

Conjecture of an internal clock of the electron Edit

In his 1924 thesis, de Broglie conjectured that the electron has an internal clock that constitutes part of the mechanism by which a pilot wave guides a particle. [24] Subsequently, David Hestenes has proposed a link to the zitterbewegung that was suggested by Erwin Schrödinger. [25]

While attempts at verifying the internal clock hypothesis and measuring clock frequency are so far not conclusive, [26] recent experimental data is at least compatible with de Broglie's conjecture. [27]

Non-nullity and variability of mass Edit

According to de Broglie, the neutrino and the photon have rest masses that are non-zero, though very low. That a photon is not quite massless is imposed by the coherence of his theory. Incidentally, this rejection of the hypothesis of a massless photon enabled him to doubt the hypothesis of the expansion of the universe.

In addition, he believed that the true mass of particles is not constant, but variable, and that each particle can be represented as a thermodynamic machine equivalent to a cyclic integral of action.

Generalization of the principle of least action Edit

In the second part of his 1924 thesis, de Broglie used the equivalence of the mechanical principle of least action with Fermat's optical principle: "Fermat's principle applied to phase waves is identical to Maupertuis' principle applied to the moving body the possible dynamic trajectories of the moving body are identical to the possible rays of the wave." This equivalence had been pointed out by Hamilton a century earlier, and published by him around 1830, in an era where no experience gave proof of the fundamental principles of physics being involved in the description of atomic phenomena.

Up to his final work, he appeared to be the physicist who most sought that dimension of action which Max Planck, at the beginning of the 20th century, had shown to be the only universal unity (with his dimension of entropy).

Duality of the laws of nature Edit

Far from claiming to make "the contradiction disappear" which Max Born thought could be achieved with a statistical approach, de Broglie extended wave–particle duality to all particles (and to crystals which revealed the effects of diffraction) and extended the principle of duality to the laws of nature.

His last work made a single system of laws from the two large systems of thermodynamics and of mechanics:

When Boltzmann and his continuators developed their statistical interpretation of Thermodynamics, one could have considered Thermodynamics to be a complicated branch of Dynamics. But, with my actual ideas, it's Dynamics that appear to be a simplified branch of Thermodynamics. I think that, of all the ideas that I've introduced in quantum theory in these past years, it's that idea that is, by far, the most important and the most profound.

That idea seems to match the continuous–discontinuous duality, since its dynamics could be the limit of its thermodynamics when transitions to continuous limits are postulated. It is also close to that of Leibniz, who posited the necessity of "architectonic principles" to complete the system of mechanical laws.

However, according to him, there is less duality, in the sense of opposition, than synthesis (one is the limit of the other) and the effort of synthesis is constant according to him, like in his first formula, in which the first member pertains to mechanics and the second to optics:

Neutrino theory of light Edit

This theory, which dates from 1934, introduces the idea that the photon is equivalent to the fusion of two Dirac neutrinos.

It shows that the movement of the center of gravity of these two particles obeys the Maxwell equations—that implies that the neutrino and the photon both have rest masses that are non-zero, though very low.

Hidden thermodynamics Edit

De Broglie's final idea was the hidden thermodynamics of isolated particles. It is an attempt to bring together the three furthest principles of physics: the principles of Fermat, Maupertuis, and Carnot.

In this work, action becomes a sort of opposite to entropy, through an equation that relates the only two universal dimensions of the form:

As a consequence of its great impact, this theory brings back the uncertainty principle to distances around extrema of action, distances corresponding to reductions in entropy.


Later career and writings

After receiving his doctorate, de Broglie remained at the Sorbonne, becoming in 1928 professor of theoretical physics at the newly founded Henri Poincaré Institute, where he taught until his retirement in 1962. He also acted, after 1945, as an adviser to the French Atomic Energy Commissariat.

In addition to winning the Nobel Prize for Physics, de Broglie received, in 1952, the Kalinga Prize, awarded by the United Nations Economic and Social Council, in recognition of his writings on science for the general public. He was a foreign member of the British Royal Society, a member of the French Academy of Sciences, and, like several of his forebears, a member of the Académie Française.

De Broglie’s keen interest in the philosophical implications of modern physics found expression in addresses, articles, and books. The central question for him was whether the statistical considerations that are fundamental to atomic physics reflect an ignorance of underlying causes or whether they express all that there is to be known the latter would be the case if, as some believe, the act of measuring affects, and is inseparable from, what is measured. For about three decades after his work of 1923, de Broglie held the view that underlying causes could not be delineated in a final sense, but, with the passing of time, he returned to his earlier belief that the statistical theories hide “a completely determined and ascertainable reality behind variables which elude our experimental techniques.”



Commentaires:

  1. Faeran

    C'est évident à mon avis. Je recommande de trouver la réponse à votre question sur google.com

  2. Layacna

    Et pourquoi est-ce si exclusivement? Je pense pourquoi ne pas clarifier cette hypothèse.

  3. Mac Ghille-Easpuig

    C'est un message remarquable et très amusant

  4. Murisar

    Je pense que vous n'avez pas raison. Je suis assuré. Je peux le prouver. Écrivez-moi dans PM.

  5. Blaec

    Cela peut et devrait être :) pour argumenter sans cesse

  6. Taran

    Je suis désolé, mais je pense que vous faites une erreur. Je peux défendre ma position. Envoyez-moi un courriel à PM, nous en discuterons.

  7. Gilmat

    Accept bad turnover.



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