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Introduction à la Physique Quantique

lundi 8 août 2005


Les physiciens, vers la fin des années vingt ( en 1920 et 1927 ) s’étaient aperçus qu’au niveau microscopique ( atomique, subatomique ), la mécanique classique Newtonienne quand on atteignait ces échelles avait des ratés aussi Born, Dirac, Heisenberg, Pauli et Schrödinger mirent au point la mécanique quantique.

Cette dernière permet de décrire la particule au niveau subatomique et uniquement à ce niveau, à notre échelle le comportement est différent.

Après bien des recherches, Bohr trancha et mis sur pied le principe de complémentarité, les particules de lumière sont à la fois ondes et corpuscules de même que l’électron et le proton.

Plus la longueur d’onde émise est courte et la particule énergétique plus elle se comporte comme des corpuscules.

Plus la longueur d’onde est longue et l’énergie basse plus c’est l’aspect ondulatoire qui est retenu.

En résumé grande longueur d’onde mauvaise localisation, petite longueur d’onde bonne localisation.

Heisenberg en déduit une conclusion très importante, on ne peut en même temps savoir la vitesse et la position d’une particule. Lorsqu’on connaît la position on ne connaît pas la vitesse et inversement.

L’observateur lorsqu’il fait une analyse l’influence, de plus on ne peut connaître les choses qu’en les analysant et malheureusement en les transformants.

On ne peut faire d’après la mécanique quantique l’hypothèse d’un état antérieur à celui que l’on veut observer. C’est une rupture totale avec la pensée classique et un changement radical de paradigme ( de modèle ).

Le paradoxe EPR du nom d’Einstein et de ses collaborateurs Podolsky-Rosen affirment que si deux particules sont émises simultanément et qu’une relation de conservation existe entre elles la connaissance de l’une nous renseigne sur l’autre, comme si les deux particules faisaient partie d’un ensemble unique.

Depuis, des expériences ont été réalisées par Alain Aspect en 1981 à Orsay et en 1988 et 1989 par Rochester. Ces expériences ont fait apparaître que le principe de causalité ( chaque effet à une cause ) est conservé mais que l’on peut établir le destin de 2 particules comme événements distincts. Les 2 sont valables ( Paradoxe EPR et classique ).

En conclusion, toute cette théorie valable au niveau des distances atomique, est régie par une logique qui met à mal le sens commun, et qui n’est pas vérifiable à la dimension humaine ce qui fait que nous n’en percevons pas les effets à notre échelle.

Dominique Bonnier


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> Introduction à la Physique Quantique
12 décembre 2006, par Oannes   [retour au début des forums]

Bonjour à vous tous.... !!!!

Physique quantique : ..................

La physique quantique, voila un domaine qui échappe au sens commun. Elle est intimement liée avec le monde qui nous entoure dans la mesure ou elle permet de décrire les propriétés dynamiques des particules subatomiques et les interactions entre la matière et le rayonnement. Cependant, la théorie quantique reste en marge (jusqu’a présent...) avec les théories qui s’appliquent à l’échelle macroscopique (la mécanique classique par exemple).

Qui veut appréhender la physique quantique doit abandonner toute intuition et toute logique fondée sur sa connaissance du monde qui nous entoure. De plus, elle s’appuie sur des formalismes mathématiques puissants impossibles à traduire en concepts courants. La théorie quantique se caractérise par un ensemble de concepts abstraits totalement contre-intuitifs qui la rende très difficile à vulgariser. Ce pourquoi cette page ne s’étalera pas dans les détails saugrenus de cette discipline mais essaiera plutôt d’aborder les notions, précisément non intuitives, qu’il est nécessaire d’avoir à l’esprit pour mieux appréhender les sujets.

Aujourd’hui, la théorie quantique constitue le fondement de toute la physique moderne : la physique du solide, la physique de la matière condensée, la supraconductivité, la physique nucléaire et la physique des particules élémentaires trouvent en cette théorie un base cohérente.


Ce que ne sont pas les atomes : ..............................

En 1911, le physicien Rutherford détermina l’existence du noyau atomique. Il émit l’hypothèse que tous les atomes sont constitués d’un noyau dense chargé positivement et autour duquel tournent, comme les planètes autour du Soleil, les électrons chargés négativement. La théorie électromagnétique classique développée par le physicien britannique James Maxwell prédit sans équivoque qu’un électron tournant autour du noyau rayonne continuellement de l’énergie électromagnétique jusqu’à épuisement total de son énergie. Ainsi, d’après la théorie classique, un atome tel que décrit par Rutherford serait instable. Cette lacune amena le physicien danois Niels Bohr, à postuler, en 1913, que la théorie classique n’est pas valable pour un atome et que les électrons se déplacent sur des orbites placées à des distances déterminées du noyau et qu’à chaque changement d’orbite d’un électron il y a absorption (s’il s’éloigne du noyau) ou émission d’énergie (s’il s’en approche).

Damned, qu’avait il fait la, l’image décrite en 1911 est sympathique car facile à assimiler avec des concepts familiers. Cependant, comme je l’ai souligné plus haut, la mécanique quantique n’est pas le domaine du familier, l’image donnée par Bohr est pur le moins trompeuse. Les électrons ne tournent pas autour du noyau ! Ce sont des objets quantiques qui ne sont pas modélisables par des points et qui ne possèdent pas de trajectoire. Les électrons n’occupent pas une position précise mais sont diffus. On les décrit par une fonction d’onde qui détermine la probabilité de leur présence en un lieu et à un instant donné. On représente communément cette probabilité par des sortes de nuages flou (orbitales) plus ou moins dense selon cette probabilité. Les électrons d’un atome on des niveaux d’énergie bien définis spécifique à l’élément considéré.

Théorie des quanta : ..................

Le premier développement qui conduisit à la résolution des difficultés théoriques que les observations amenaient fut l’introduction par le physicien allemand Max Planck de la notion de quantum comme réponse aux études conduites par les physiciens sur le rayonnement du corps noir, pendant les dernières années du XIXe siècle. Son hypothèse indiquait que l’énergie était rayonnée seulement par quanta d’énergie h.f, où f est la fréquence et h , le quantum d’action, connu aujourd’hui sous le nom de constante de Planck. En 1900, Planck affirma donc que la matière ainsi que l’énergie rayonnante ont une structure discontinue et postula que la matière ne peut émettre ou absorber l’énergie rayonnante que par petites unités discrètes appelées quanta.

La superposition d’état : .......................

Voila encore une exclusivité quantique. Le principe de superposition affirme que les caractéristiques d’un atome, d’une particule ou d’un système quantique en général constituent un état. Or, quand un système à plusieurs état possibles, la somme de tous ces états est également un état possible ! Le système se trouve alors dans une superposition d’état. C’es donct grâce à ce principe qu’une particule peut occuper plusieurs positions à la fois ou qu’un atome peut se trouver dans un état de superposition d’energies. Ce phénomène est bien sur impensable dans l’univers classique. Le simple fait de mesurer fait disparaître la superposition d’état au profit d’un seul. Pourtant à défaut d’avoir une mesure de la superposition d’états la théorie quantique nous donne la probabilité qu’on a de mesurer chaque état.

Remarque :

Pour rester dans le domaine de la cosmologie, on peut souligner une hypothèse intéressante de Hugh Everest qui postule que a chaque réduction du nombre d’états il n’y a pas passage de superposition d’états à un seul mais réalisation de tous les état dans un univers différent. Théorie qui reste, à priori, invérifiable de par le fait que les univers parallèles ne communiquent pas entre eux.

La dualité onde-corpuscule : ...........................

Que les atomes soient constitués de particules, soit, mais il restait encore des phénomènes inexplicables. Comme les ondes électromagnétiques ont des caractéristiques de particules, le physicien français Louis Victor de Broglie suggère, en 1924, que la dualité s’appliquait non seulement à la lumière mais aussi à la matière et qu’ainsi les particules pourraient aussi montrer des propriétés d’ondes. Quelques années plus tard, cette prédiction fut vérifiée expérimentalement par les physiciens américains Clinton Joseph Davisson, Lester Halbert Germer et le britannique George Paget Thomson. Ils montrèrent qu’un faisceau d’électrons dispersés par un cristal génère une diffraction caractéristique d’une onde.

Comment ce concept peut il s’accorder avec les observations de tous les jours où la matière est solide et fiable ?

On peut penser que comme la valeur énorme de la constante c nous cache les véritables propriétés de l’espace-temps, la petitesse de la constante de Planck h, nous occulte le caractère ondulatoire de la matière en les rendant négligeable au niveau macroscopique.

L’équation d’onde : .................

La notion ondulatoire de la particule permet au physicien australien Erwin Schrödinger de développer une équation dite équation d’onde pour décrire les propriétés ondulatoires de la particule et, plus particulièrement, le comportement de l’électron dans l’atome d’hydrogène. L’équation d’onde de Schrödinger présente donc quelques solutions discrètes seulement, ces solutions sont des expressions mathématiques dont les paramètres représentent les nombres quantiques. (Les nombres quantiques sont des entiers introduits dans la physique des particules pour exprimer la grandeur de certaines quantités caractéristiques des particules ou des systèmes.)

Les solutions de l’équation de Schrödinger indiquent aussi que les quatre nombres quantiques de deux électrons ne peuvent pas occuper le même état énergétique. Cette règle, déjà établie empiriquement par le physicien suisse Wolfgang Pauli, en 1925, est appelée principe d’exclusion.

Le principe d’incertitude : ..........................

L’impossibilité de localiser un électron avec exactitude à un moment précis est analysée par Werner Heisenberg qui, en 1927, formule le principe d’incertitude. Ce principe stipule l’impossibilité de déterminer simultanément la position exacte et le moment d’une particule. Non pas à cause de l’imprécision des appareils de mesure, mais à cause d’une caractéristique intrinsèque du monde quantique.

En premier lieu, il est impossible de mesurer la position d’une particule sans perturber sa vitesse. Les connaissances de la position et de la vitesse sont dites complémentaires, c’est-à-dire qu’elles ne peuvent pas être précisées simultanément. Ce principe est aussi fondamental si l’on veut comprendre la mécanique quantique telle qu’elle est conçue aujourd’hui : " les caractères ondulatoire et corpusculaire du rayonnement électromagnétique peuvent être compris comme deux propriétés complémentaires du rayonnement."

Le principe d’incertitude est à la base d’un effet curieux appelé "Effet Tunnel" :

L’effet Tunnel : ..............

Si une balle est lancé contre un mur, celle ci rebondit faute d’avoir assez d’énergie pour traverser le mur. Au niveau microscopique, la mécanique quantique affirme qu’il y a une probabilité non nulle pour qu’une particule se retrouve de l’autre coté du mur. Le principe d’Heisenberg autorise les particules à emprunter de l’énergie à condition de la restituer dans les délais temporels imposés par les relations d’incertitudes.

Ainsi, face à un mur de béton, les particules peuvent (et le font parfois !) emprunter suffisamment d’énergie pour creuser un tunnel à travers le mur. Ce phénomène est bien sur très improbable au niveau macroscopique puisqu’il faut que toute les particules d’un objet aient la chance de pouvoir traverser au même moment !

La petitesse de la constante h montre qu’il faudrait attendre au moins l’age de l’univers estimée avant d’avoir une chance de réussir.

En vertu de ces principes,l’Univers obéit à un modèle mathématique précis et rigoureux qui ne peut que déterminer la probabilité d’occurrence d’un futur possible.

Ce futur n’est donc pas forcement celui qui se réalise...

Les recherches actuelles : ........................

Malgré son efficacité incontestable et ses succès dans de nombreux domaines et applications de la physique (lasers, transistors, ...) la physique quantique continue à poser deux problèmes d’envergure :

Ou se trouve la limite entre ce monde quantique aux règles étranges et le monde macroscopique que la physique classique décrit entièrement ?

Pourquoi les lois des la physiques quantique, qui ne s’appliquent qu’au monde subatomique, ne peuvent se généraliser à l’échelle de l’univers (ou inversement). ?.

Nous sommes confronté à deux constatations contradictoires :

Le monde quantique semble exister en marge de l’univers et pourtant on a pu constater que l’observateur perturbe l’objet quantique quand il l’observe, le monde extérieur ne semble donc pas exister de façon totalement indépendante !

La recherche du lien entre la mécanique quantique et les lois de l’univers (la théorie du tout en quelque sorte) est toujours un des plus grand défi de la physique.

.......................

Alors,une recherche ou une realité ? Bonne lecture.

Oannes.



-> Introduction à la Physique Quantique
(1/1) 12 décembre 2006, par Oannes
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