thumb|Domenis d'aplicacion dei diferentei teorias fisicas.
La mecanica quantica es lo domeni de la fisica que son objectiu es l'estudi e la descripcion dei fenomèns qu'an luòc dins lei sistèmas fisics ais escalas atomicas o subatomicas. Es tanben la partida de la fisica qu'utiliza la constanta de Planck. Apareguda en 1900 a la seguida dei trabalhs de Max Planck sus lo raionament dau còrs negre, es venguda una branca fondamentala de la fisica modèrna.
Istòria
Lei limits de la mecanica prequantica
thumb|Esquèmas experimentau e teoric dau raionament d'un còrs negre a K a la fin dau sègle XIX.
A la fin dau sègle XIX, la fisica classica èra venguda un edifici solid confortat per lei descubèrtas importantas dei periòdes recents. Pasmens, maugrat aquelei succès, èra encara confrontada a un ensemble de problemas insolubles coma l'anomalia de la trajectòria de Mercuri ò la question dau raionament dau còrs negre. En aparéncia segondària, aquelei subjèctes foguèron a l'origina d'una revolucion majora, de 1900 a 1905, que menèt au desvolopament de la teoria de la relativitat e de la mecanica quantica.
Per la segonda, l'estudi dau raionament dau còrs negre per lo fisician alemand Max Planck (1858-1947) foguèt l'element decisiu. D'efiech, lo concèpte de còrs negre èra ben conegut per lei fisicians dau periòde car lo tèrme èra estat imaginat en 1862 per Gustav Kirchhoff (1824-1887). En 1884, una premiera descubèrta, la lèi de Stefan-Boltzmann, aviá permés de descriure una partida de son raionament. D'un biais generau, a la fin dau sègle XIX, èra impossible d'explicar lo raionament observat experimentalament amb lei lèis eissidas de la fisica newtoniana. En particular, lo calcul de l'energia emesa tendiá a l'infinit en direccion de l'ultraviolet (« catastròfa ultravioleta »).
La formacion de la mecanica quantica
La teoria dei quanta
La formacion de la mecanica comencèt en 1900 amb la publicacion per Max Planck d'un article que prepausava d'explicar lo raionament dau còrs negre en se basant sus un modèl d'emission de la lutz per paquets definits (dichs « quanta »). Dins aqueu sistèma, cada emission èra lo multiple d'una quantitat minimala d'energia que venguèt, pus tard, la constanta de Planck h. Planck aviá inicialament establit aquela teoria a partir de consideracions matematicas, sensa se preocupar dei realitats experimentalas. Pasmens, son idèa permetèt d'explicar lei resultats experimentaus e foguèt donc adoptada.
En 1905, aquela teoria foguèt represa e completada per Albert Einstein (1879-1955) per explicar l'efiech fotoelectric. D'efiech, Einstein la generalizèt ais ondas electromagneticas en prepausant la nocion de foton, un gran de lutz portaire de l'energia hν (amb ν la frequéncia). Après mai d'un sègle de debats acarnats sus la natura de la lutz, aqueu retorn de l'idèa d'una lutz corpusculària suscitèt de reaccions ostilas. Pasmens, un còp de mai, lei resultats experimentaus foguèron en favor d'Einstein.
Dins lo corrent deis ans 1910 e 1920, plusors descubèrtas e teorias venguèron confiermar lei teorias prepausadas per Planck e Einstein. Lei pus importantas foguèron lo modèl d'atòm imaginat per Niels Bohr (1885-1962) en 1913, la dualitat onda-corpuscul descubèrta en 1923 per Louis de Broglie (1892-1987) e la descubèrta de l'efiech Compton entre 1923 e 1925. En particular, lo concèpte de la dualitat onda-corpuscul venguèt un element centrau de la fisica modèrna car permetèt d'amaisar la controvèrsia sus la natura de la lutz.
La mecanica ondulatòria
La mecanica ondulatòria es una consequéncia de l'idèa de Louis de Broglie d'associar una onda a cada particula. D'efiech, après l'aparicion de la nocion de foncion d'onda, l'otís matematic permetent de descriure aqueleis ondas, aquò permetèt de considerar l'espaci coma un ensemble de camps quantics engendrant de fòrças entre objèctes. Erwin Schrödinger (1887-1961) foguèt un dei pioniers dau desvolopament d'aquela teoria en remplaçant lei nivèus d'energia dei premierei teorias quanticas per de configuracions ondulatòrias. En particular, en 1926, l'eqüacion que pòrta son nom e que tèn dins la mecanica quantica un ròtle similar au principi fondamentau de la dinamica en mecanica classica.
Pasmens, la teoria aviá encara de dificultats per tractar lei paquets d'ondas. Per faciar aquela dificultat, lo fisician alemand Max Born (1882-1970) prepausèt d'adoptar de metòdes estatistics per estudiar leis atòms. Aquò permetèt de defugir un calcul per cada atòm e menèt au desvolopament d'un important trabalh sus lei probabilitats estatisticas de l'energia d'un sistèma.
La mecanica matriciala
La mecanica matriciala marca la fin dau periòde de formacion de la mecanica quantica. D'efiech, prepausada per lo premier còp en 1925 per Werner Heisenberg (1901-1976), Pascual Jordan (1902-1980) e Max Born, èra sa premiera definicion complèta. Per aquò, melhorèt lo modèl de Bohr en depintant lei proprietats fisicas dei particulas coma dei matriças en evolucion dins lo temps. De mai, es similara a la formulacion de Schrödinger e prefigura la notacion bra-ket de Paul Dirac (1902-1984).
Heisenberg foguèt lo promotor principau d'aquela teoria que li venguèt durant de recèrcas sus lei rais espectraus de l'idrogèn. Suggeriguèt d'abandonar l'idèa d'orbita per descriure lo movement deis electrons. Donèt son article a legir a plusors fisicians e Born i reconoguèt una situacion adaptada a l'usatge de matriças, un objècte matematic encara pauc utilizat en fisica. Jordan, un ancian estudiant de Born, ajudèt fòrça a la formulacion definitiva de la teoria car èra estat l'assistent de Richard Courant (1888-1972), autor d'un obratge publicat en 1924 que conteniá la màger part deis otís necessaris au foncionament de la mecanica matriciala.
Lei teorias quanticas modèrnas
La mecanica quantica modèrna
thumb|right|Fotografia de Niels Bohr e d'Albert Einstein en 1925.
Dempuei 1925, la mecanica quantica « modèrna » contunia son desvolopament gràcias a de perfeccionaments dei principis edictats per la mecanica matriciala. Lo concèpte de foncion d'onda de Schrödinger i tèn un ròtle centrau. Aquò permetèt de formular l'important principi d'exclusion de Wolfgang Pauli (1900-1958) e de concebre de teorias per representar lei liasons quimicas (Heitler en 1927), leis orbitalas molecularas (Mulliken e Hund en 1927), l'estructura generala dei moleculas (Pauling en 1928), la combinason lineara d'orbitalas atomicas en vista de calcular d'orbitalas molecularas (Lennard-Jones en 1929) ò per explicar certanei fòrças observablas au nivèu de l'atòm (Heisenberg).
Aqueu periòde foguèt marcat per doas evolucions distintas. La premiera es lo debat entre Albert Einstein e Niels Bohr a prepaus de l'interpretacion de donar a la mecanica quantica. Lo premier èra opausat a la vision probabilista qu'apareguèt a partir deis ans 1920-1930. Pasmens, foguèt lo ponch de vista de Niels Bohr que prevauguèt. Dich Escòla de Copenaga, car l'institut de Bohr èra situat dins aquela vila, aqueu corrent fa totjorn autoritat a l'ora d'ara. La basa de sa pensada es fondada sus lo fach que lei relacions d'incertitud d'Heisenberg serián la consequéncia d'una interaccion entre lo fenomèn observat e l'instrument de mesura. De mai, es en favor dau caractèr probabilista de la mecanica quantica. La segonda evolucion foguèt lo desvolopament de teorias quanticas centradas sus un domeni particular de la fisica coma l'electrodinamica quantica ò la cromodinamica quantica.
L'electrodinamica quantica
L'electrodinamica quantica es una teoria destinada a conciliar l'electromagnetisme e la mecanica quantica per lo mejan dau formalisme lagrangian relativista. Son principi de basa es de considerar que lei cargas electricas interagisson per cambi de fotons virtuaus. Es adaptada a la descripcion de fòrça fenomèns levats d'aquelei liats a la gravitacion ò a la radioactivitat.
Son origina se situa dins lei trabalhs menats per Paul Dirac durant leis ans 1920. D'efiech, lo fisician britanic establiguèt per lo premier còp lo coefficient de l'emission espontanèa d'un atòm. Puei, modelizèt lo camp electromagnetic en utilizant un ensemble d'oscillators armonics discrèts (quantificacion) e en associant d'operators d'escala ai particulas. Aquò foguèt completat per lei resultats dei resultats de Wolfgang Pauli, de Pascual Jordan, de Werner Heisenberg, d'Eugene Wigner (1902-1995) e d'Enrico Fermi (1901-1954). Aqueu darrier introduguèt una formulacion fòrça estetica de l'electrodinamica quantica.
Pasmens, entre 1937 e 1937, divèrseis estudis menats per Félix Bloch (1905-1983), Arnold Nordsieck (1911-1971) e Victor Weisskopf (1908-2002) mostrèron que la validitat de la formulacion de Fermi èra unicament veraia au premier òrdre dins la teoria de la perturbacion. Aquela teoria es un otís matematic desvolopat per l'analisi de fenomèns quantics. Son principi es de partir d'un sistèma fisic simple qu'es pauc a pauc trebolat per d'elements perturbators. La solucion apareguèt amb lo calcul de l'escart de Lamb – un fenomèn pas previst per l'eqüacion de Dirac – realizat per Hans Bethe (1906-2005) en 1947. Melhorat per Richard Feynman (1918-1988), Julian Schwinger (1918-1994) e Sin-Itiro Tomonaga (1906-1979), aqueu trabalh entraïnèt la mesa en plaça de la definicion modèrna de l'electrodinamica quantica dins leis ans 1950-1960.
La teoria quantica dei camps
La teorica quantica dei camps es un quadre teoric larg que recampa un ensemble de teorias basadas sus la nocion classica de camp e sus lei principis e otís de la mecanica quantica. L'objectiu es de desvolopar de modèls permetent de descriure l'aparicion, l'evolucion e la disparicion dei particulas. Pasmens, coma l'indica lo nom de la teoria, l'atencion principala es pas portada sus lei particulas mai sus lei camps. Principalament desvolopada entre leis ans 1920 e 1950 per de fisicians coma Paul Dirac, Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger, Richard Feynman, Vladimir Fock (1898-1974) ò Freeman Dyson (1923-2020), aquela teoria es uei un element centrau de la descripcion modèrna de l'Univèrs.
La teoria obtenguèt sei premiers succès dins leis ans 1930, especialament amb la premiera descripcion de l'efiech Compton. Pasmens, coma per l'electrodinamica quantica, lei limits dei matematicas alentiguèron son desvolopament fins ais ans 1950. Dins aquò, a partir d'aquela data, sei progrès li permetèron de prepausar de modèls explicatius per l'interaccion fòrta. De mai, la teoria foguèt tanben implicada dins lo desvolopament de la teoria de la mesura prepausada per Murray Gell-Mann (1929-2019). Dins leis ans 1960, la teoria quantica dei camps aguèt tanben un ròtle major dins la definicion de l'interaccion electrofebla, concèpte permetent d'unificar la fòrça electrostatica e l'interaccion febla. Ansin, foguèt donc integrada dins lo modèl estandard de la fisica.
La cromodinamica quantica
La cromodinamica quantica es una branca de la teoria quantica dei camps. Foguèt prepausada en 1973 per Hugh David Politzer (nascut en 1949), Frank Wilczek (nascut en 1951) e David J. Gross (nascut en 1941) per descriure l'interaccion fòrta. Permet ansin d'explicar leis interaccions entre lei quarks e lei gluons ò la coesion dau nuclèu atomic. Es venguda una partida important dau modèl estandard.
Lei recèrcas en cors
Lei recèrcas en cors dins lo domeni de la mecanica quantica regardan principalament l'establiment d'un liame amb la teoria de la relativitat, l'autra teoria majora dau periòde actuau. D'efiech, se la mecanica quantica es ben adaptada ai sistèmas microscopics, es pauc eficaça per descriure lei sistèmas macroscopics. La relativitat generala presenta de limits opausats. La descubèrta d'una teoria capabla d'unificar aquelei dos modèls es donc un objectiu centrau de la fisica modèrna. Per aquò, lei recèrcas se concentran mai que mai sus lo desvolopament d'una teoria quantica de la gravitacion. Pasmens, en 2022, lei resultats obtenguts èran encara febles.
Postulats fondamentaus