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Introduction à la physique quantique pour les bonjourchinois (pas de prérequis nécessaire)

Discussion dans 'Bistrot Chine du "Lotus Bleu"' créé par Lyka, 30 Mai 2015.

  1. Lyka

    Lyka Membre Platinum

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    Si tu appliques un champ électrique ou magnétique à ton système (particule ou ensemble de particules), et que tu arrives à créer des rides, c'est que ton champ interagit avec ta particule, s'il y a un interaction, ton état est modifié. En l’occurrence, un atomes a des niveaux d'énergies discrets (j'en parlerai peut-être plus tard), quand tu appliques un champ électrique, tu changes la position des différents d'énergie, c'est ce que l'on appelle l'effet Stark. Si c'est un champ magnétique, c'est l'effet Zeeman.

    La radioactivité est due au fait que des noyaux se scindent en plusieurs morceaux spontanément (car le noyau de certains éléments est naturellement instable), par définition ça veut dire que ton atome est détruit. Ce n'est plus simplement un problème de mesure, mais simplement qu'il se sépare en plusieurs morceaux qui n'ont plus rien à voir avec l'élément d'origine.
     
  2. Lyka

    Lyka Membre Platinum

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    Pas de souci, je suis là pour répondre aux questions, si ça prend une semaine pour répondre à tout, je répondrai à tout.

    Exactement. Si tu considère un particule, elle doit être là quelque part, elle ne peut pas disparaître. Si jamais la somme des probabilités n'est pas 1, ça veut dire qu'il y a un autre état quantique que tu dois prendre en compte. Par exemple, s'il y avait un quatrième trou dont on avait négligé l'existence en premier lieu.
    |Ψ>=0.33|1>+0.33|2>+0.33|3>+0.01|4>
    Cet autre état peut appartenir à la même particule ou peut appartenir à une autre particule ou même à l'environnement (par l'intermédiaire de la lumière).
    Déterminer l'état quantique d'un particule peut-être très très (très ! ) complexe : on s'intéresse alors à quelques propriétés pour simplifier la tâche, la vitesse, la position, l'énergie... On fait des approximations, bref, de la physique !

    (pour être rigoureux, ça devrait être racine de 3 et non 3, car c'est psi au carré qui doit valoir 1, mais j'ai laissé ça de côté pour simplifier)
    Non, ça ne se dit pas il me semble :p
    En général on s'intéresse à un système en particulier et on essaye de le simplifier pour le modéliser simplement. Il n'existe souvent pas de formule exacte pour décrire ces états et les temps de calculs par ordinateur pour des systèmes complexes peuvent être extrêmement longs.

    Il sont rarement équiprobables. En effet, après avoir été observés ou bien si l'environnement interagit avec le système (simple à cause de la lumière ou à causes de collisions), l'état quantique retourne dans un état dit fondamental qui généralement le plus bas en énergie. Après un certains, dans les conditions expérimentales usuelles, le système évolue vers un seul état et non plus superposition.

    Je parle de système plutôt que de particules, car l'on peut avoir une état quantique constitué de plus particules !

    Après en physique quantiques on étudie toute une variété de système:
    • En physique atomique on s'intéressera aux interactions entre atomes,
    • En physique moléculaire on essayera de modéliser les molécules pour comprendre comment elle se forment
    • En information quantique, on travaillera avec des photons uniques (= une seule "particule" de lumière)
    • Une branche de la physique quantique consiste à faire des "horloges atomiques" (je peux faire un sujet dessus, c'est très intéressant)
    • certains travaillent sur des ions
    • etc,
    Bonne question.
    En général quand on étudie un phénomène quantique, on prépare le système dans un état connu et l'on observe son évolution. Par exemple (toujours avec des taupes), on va préparer |Ψ>=1/3|1>+1/3|2>+1/3|3>
    puis on va rajouter un autre trou 4 plus loin pour voir si la taupe va faire un tour dans le trou 4 ou non (pour vérifier un modèle théorique que l'on aura calculé préalablement). Après c'est pas très parlant avec des taupes, il faudra que donne quelques exemples plus concrets plus tard ;)

    Après pour mesure un état quantique, on répète l'expérience un grand nombre de fois pour faire des statistiques (pour déterminer la taille des tas de taupes mortes :p). On a en général une idée de ce que l'on veut observer, ça permet de donner un sens aux probabilités.


    Pour ta dernière question, que la taupe soit ou non dans le trou que tu as mesuré ne change rien. Une fois que tu as mesuré violemment ce trou, l'état quantique n'est constitué plus que des deux derniers trous, plus un nouveau facteur dans la probabilité qui vient du fait de ta précédente mesure. Tu te retrouves donc avec deux possibilités, deux états quantiques constitués des deux derniers trous :
    1. la taupe se balade entre les deux derniers trous
    2. la taupe est morte, les deux autres trous sont vides, résultat trivial
    Bon j'ai poussé l'exemple un peu loin, c'est pas très rigoureux, mais c'est pour te donner une vague idée. Avec les maths qui vont avec c'est plus clair :D
     
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  3. Lyka

    Lyka Membre Platinum

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    Va falloir que je trouve deux heures pour mater ça. Je dois avouer que j'ai fait mon intro à partir de mes connaissances et un peu de wikipedia, il doit sans doute y avoir des meilleurs moyens de faire ça. Et puis bon, une vidéo avec des jolies images qui bougent c'est toujours plus attractif :D

    Mais l'idée c'est aussi qu'après ça, je peux faire d'autres posts sur des sujets plus intéressants puisque les bases auront été posées.
     
  4. bolontapia

    bolontapia Membre Gold

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    Super ce post, ça change des problèmes de copines chinoises et des visas.

    Peux tu aussi vulgariser la question: "et qu'est ce que cela change ou pourrait changer dans notre vie de tous les jours?"
     
  5. GuYong

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    Bravo pour ce bel article de vulgarisation et la parole tenue! C'est rare de nos jours!
     
  6. Jean7

    Jean7 Dieu créateur

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    Donc, tu cherches "simplement" par des observations récurrentes à faire, pour un état quantique donné, l'inventaire des états quantiques dont il est la résultante ?
    Je dois être sur une fausse piste…

    Qu'est-ce qui peut être quantique, physiquement ?
    Une position, ça j'ai compris.
    Un poids ?
    Une masse ?
    Une longueur ?
    ...
     
  7. Jean7

    Jean7 Dieu créateur

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    Entendu à la radio : sans prise en compte de la physique quantique, le système GPS donnerait une précision lamentable.
     
  8. Dui ni shuo de dui

    Dui ni shuo de dui Alpha & Oméga

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    C'est pas plutot la relativite?
     
  9. Buhao

    Buhao Dieu souverain

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    Bonjour @Lyka,
    D'abord bravo pour l'article.

    De mon cote je suis curieux de savoir comment vous travaillez car dans ton article tu precises qu'il faut isoler un element pour pouvoir le mesurer mais que cette etape fausse les donnees/resultats... Alors comment calculer avec des mesures finalement 'incorrectes'
    La physique quantique est elle donc impossible a mesurer avec les moyens actuels dont vous disposez ?
     
  10. Lyka

    Lyka Membre Platinum

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    Pas vraiment, non.

    Il y a des applications, mais elle ne concerne pas vraiment le grand public. Ça sera intéressant pour des grosses boîtes ou pour de la recherche.

    Les deux plus importantes applications :
    • La cryptographie quantique. L'idée c'est de transférer de l'information via un canal quantique où l'on transport des bits quantique (superpositions de |1> et de |0>) au lieu de bit "classiques" (qui prennent uniquement la valeur 0 ou 1). Si un espion intercepte le message et l'observe, fait une "mesure" donc, il va modifier l'état quantique et le destinataire du message s'en apercevra. Ça permet d'avoir théoriquement une cryptographie 100% sûre (en pratique limité par des défauts liés à l'implémentation). On utilise de photons qui sont transportés dans des fibres optiques (des câble de verre/plastique qui guident des photons sur de longues distances). Ce genre de cryptographie existe déjà, principalement pour la communication entre banques. En général les débits sont encore bas, donc on échange uniquement la clé utilisée ensuite par un protocole classique
    • L'ordinateur quantique. C'est pas pour maintenant, sans doute pas avant 20 ou 30 ans et de toute façon ça ne concernera pas les utilisateurs lambda, ce sera sans doute plus pour la recherche et développement où les algorithme quantiques sont plus efficaces que les algorithmes classiques. Je peux faire un petit sujet là-dessus un peu plus tard.
     
  11. Lyka

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    Effectivement, c'est un effet relativiste. Le système GPS est constitué de différents satellites qui envoient un signal. Puisque la lumière a une vitesse finie, en comparant les temps d'arrivées des signaux des différents satellites, on peut estimer notre position. Le problème c'est que la terre est un objet très massif, qui déforme l'espace temps et donc modifie légèrement le temps que la lumière met à arriver. Pour ça il faut considérer la relativité restreinte et relativité générale. Je ne suis pas du tout compétents dans ces domaines.
     
  12. Lyka

    Lyka Membre Platinum

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    J'ai peut-être pas été très clair.

    Typiquement, prends deux particules qui interagissent entre elles : un photon et un atome. On va préparer chacun des particules dans un état connu puis on va les laisser interagir entre elles et on va mesurer la grandeur qui nous intéresse après qu'elles aient interagi entre elles. Dans le cas d'un atome et d'un photon n°1, l'atome peut absorber un photon (j'en parlerai peut-être plus tard), ce qui va changer son énergie (interne), passant d'un état |1> à un état |2> par exemple. Avec un différent photon n°2, on pourra essayer de faire passer l'atome d'un état |1> à un état |3> ; si l'atome est encore dans l'état 1 alors le photon sera absorbé, sinon non. En comptant les photons (avec une caméra haut de gamme par exemple), on en en déduire si l'atome est encore dans l'état 1, ce qui voudrait dire que le photon 1 n'a pas eu d'effet su l'état quantique.

    C'est un peu flou, je réexpliquerai ça un peu plus tard.

    Qu'est ce qui peut être quantique?
    Il y a quelques quantités qui sont ben définies car elles sont intrinsèque à la particule étudiée : la masse (définie pour une particule donnée), la charge (-1 charge élémentaire pour l'électron), le spin (une propriété de la particule qui prend des valeurs demi-entières, 0, 1/2, 1..., classiquement ça correspondrait à quelle vitesse la particule tourne sur elle-même. La comparaison est erronée, mais c'est pour donner une idée). Il n'est pas possible d'avoir une particule qui est une superposition quantique de deux particules !

    L'état quantique |Ψ> décrit totalement la particule, tout ce qu'on peut observer à propos de la particule peut être quantique:
    • la position de la particule
    • la vitesse de la particule
    • l'énergie potentielle
    • le moment angulaire (classiquement, quelle est la forme de l'orbite de l'électron autour du noyau)
    • l'énergie totale de la particule
    Si un système quantique est constitué de plus d'une particule, d'autres quantités, que l'on appelle "observables" peuvent être définies par un état quantique ; le nombre de particules par exemple.

    J'espère que c'est un peu plus clair. Sinon je peux réexpliquer.
     
  13. Lyka

    Lyka Membre Platinum

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    Ça dépend quel type d'expériences l'on fait. je vais prendre l'expérience sur laquelle je travaille, une expérience de physique atomique où l'on travaille avec des atomes.

    Ce qu'on fait:
    • En premier lieu on travaille dans une chambre à vide, il y a donc peu de collisions avec des particules.
    • On a un four pour un élément atomique donné qui est va nous fournir un seul élément sur lequel on va travailler
    • On refroidit les atomes avec des lasers (je peux expliquer ça plus tard, c'est assez intéressant)
    • À partir de là on a des atomes froids qui sont dans l'état quantique fondamental, c'est-à-dire de plus basse énergie.
    • on utilise généralement des faisceaux laser, des champs magnétiques et parfois des champs électriques pour pouvoir préparer les atomes dans les états quantiques voulus
    • On fait la manip, qui consiste souvent à faire interagir différentes particules entre elles
    • on fait des statistiques pour déterminer l'état dans lesquelles les particules sont à la fin. Ça consiste souvent à compter atomes (en envoyant de la lumière dessus et en observant comment elle ressort), des photons ou des ions (si l'on peut ioniser les atomes).
    • Vu qu'il y a généralement un nombre limité d'états impliqué, on peut en déduire le comportement du système en comparant à un modèle théorique développé préalablement.

    Après ce que je viens de raconter c'est un peu abstrait. Je vais essayer de présenter quelques expériences concrètes très prochainement.
     
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  14. Elise D

    Elise D Membre Platinum

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    Merci pour ces explications détaillées.
    Ca rappelle quelques bons (?) souvenirs.
    La phrase "Shut up and calculate" est bien appropriée à ce domaine de la physique
     
  15. Pfedac

    Pfedac Dieu Supérieur

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    Je confirme, c'est la Relativité Générale qui doit être prise en compte. L'un des principes du GPS est la comparaison entre une horloge embarquée dans le satellite, et une horloge sur Terre servant de référence. Hors, d'après le principe de relativité restreinte, tout objet a ce que l'on appelle son "temps propre", son propre temps. Si deux objets sont immobiles ou bougent de concert, leurs horloges restent synchronisées. Si l'un bouge différemment, leurs temps propres se désynchronisent et l'objet qui bouge le plus vite est celui dont le temps s'écoule le plus lentement par rapport à l'autre. Dans la Relativité Générale, le champ de gravité de la Terre lui-même induit une dilatation de l'espace-temps autour de la Terre, qui induit une modification du temps-propre du satellite différente de la modification du temps-propre à la surface de la Terre.

    Dans le cas des satellites GNSS (GPS, GLONASS, Galileo, BEIDOU), le satellite émet un signal dont le temps de son horloge. En raison de la durée du trajet entre le satellite et la station de réception, le signal met un certain temps à arriver. Ce temps, qu'on arrive à déterminer, est indicatif de la distance du satellite. Lorsqu'on connait sa distance à un satellite, on sait que l'on se trouve dans un certain cercle sur la surface de la Terre. Avec 4 satellites, on connait alors précisément sa position et le temps (en gros, c'est le même principe que le point en mer, mais sans l'inconnue "temps"). Si l'on ne prend pas en compte les corrections de Relativité, on se trompe sur la distance du satellite, et donc la mesure de la localisation de la station est faussée. J'ai mis un schéma, mais c'est pas du tout à l'échelle. Comme vous pouvez le voir, les cercles de position possible ne se rencontrent pas exactement en un seul point unique, mais je ne sais plus si cette situation (qui est la situation réelle hein, juste pas à la même échelle) est surtout dûe aux biais de mesure ou aux incertitudes (en gros, est-ce que mes cercles ont un mauvais diamètre ou est-ce qu'ils devraient juste être plus épais, aka: l'éternel problème de la précision et de l'exactitude et de laquelle nous emm... le plus*en général l'exactitude*). Puis j'ai mis 1m et 10m mais en fait ça dépend du récepteur, de son principe, est-ce qu'il utilise des données préexistantes... Bref, c'est un peu piffométrique, aussi retenez que sans RG (et donc sans RR puisque la RR est comprise dans la RG) la localisation est moins précise. Et en vrai il y a minimum 4 satellites, et souvent plus. gps.png
    si ça vous intéresse: http://villemin.gerard.free.fr/Multimed/GPSfonct.htm
     
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  16. Cyril.G

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    Merci pour les explications détaillés pour des personnes néophytes.
     
  17. Corius

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    super topic, merci !

    Moi je veux bien un petit exposé de vulgarisation sur l'ordinateur quantique :)
     
  18. ChrisHK

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    Comment définir celui qui bouge le plus vite? (Par rapport à quel référentiel?)
     
  19. Yiyuan

    Yiyuan Dieu Supérieur

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    la terre je suppose o_O
     
  20. Dui ni shuo de dui

    Dui ni shuo de dui Alpha & Oméga

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    "L'un des principes du GPS est la comparaison entre une horloge embarquée dans le satellite, et une horloge sur Terre servant de référence."

    La reference etant la terre, a priori c'est par rapport a ce referentiel que les mesures sont faites.
     

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