En raison de limitations techniques, la typographie souhaitable du titre, « Signaux physiques (PCSI) : Introduction au monde quantique : oscillateur harmonique Signaux physiques (PCSI)/Introduction au monde quantique : oscillateur harmonique », n'a pu être restituée correctement ci-dessus.
En compléments : opérateurs linéaires « énergie potentielle », « énergie cinétique non relativiste » et « hamiltonien », équation de Schrödinger (applicable en mécanique quantique non relativiste)
À la grandeur « énergie potentielle » de la particule « quantique », on associe l'opérateur linéaire « énergie potentielle » «»,
l'action de cet opérateur linéaire sur la fonction d'onde qui modélise l'état de la particule « quantique » l'action de cet opérateur linéaire donnant la valeur à l'énergie potentielle de la particule dont l'état est décrit par la fonction d'onde [1],
soit «».
Opérateur linéaire « énergie cinétique non relativiste » d'une particule quantique massique
À la grandeur « énergie cinétique non relativiste » de la particule « quantique » massique où est la masse de la particule et À la grandeur « énergie cinétique non relativiste » de la particule « quantique » massique où sa quantité de mouvement non relativiste [2], on associe À l'opérateur linéaire « énergie cinétique non relativiste » défini selon «» [3] soit ou «» [4],
l'action de cet opérateur linéaire sur la fonction d'onde décrivant un état de la particule « quantique » non relativiste [5] pour lequel l'énergie cinétique est fixée l'action de cet opérateur linéaire donnant toutes les valeurs possibles d'énergie cinétique non relativiste de la particule dont l'état est décrit par la fonction d'onde particulière [6], soit
Dans le cadre de la mécanique classique, le lagrangien d'une particule squelette de la mécanique lagrangienne est une fonction de sa position , de et du temps , toutes variables supposées indépendantes [9], défini par «» [10] ;
à partir du lagrangien de la particule, on obtient les équations du mouvement de cette dernière en écrivant que l'« action » sur définie par «» [11] à partir du lagrangien de la particule, on obtient les équations du mouvement de cette dernière en écrivant que l'« action » sur est stationnaire sur la trajectoire [12], plus exactement à partir du lagrangien de la particule, on obtient d'abord les équations d'Euler-Lagrange[13],[8] «» voir l'établissement dans l'encart ci-dessous,
établissement des équations d'Euler-Lagrange[13],[8] : Envisageant une perturbation infinitésimale définie selon avec un infiniment petit d'ordre un et une fonction vectorielle différentiable telle que et établissement des équations d'Euler-Lagrange : écrivant que l'action perturbée l'action non perturbée à l'ordre zéro en c.-à-d. en annulant le terme d'ordre un en de l'approximation linéaire de l'action perturbée [14] dans le but de traduire le caractère stationnaire de l'action soit ou, en explicitant la dérivée de l'action perturbée par rapport à , «» ; établissement des équations d'Euler-Lagrange : or ou, en explicitant les dérivées relativement à , établissement des équations d'Euler-Lagrange : or et, par report dans l'intégrale on en déduit établissement des équations d'Euler-Lagrange : puis, en permutant l'intégration et l'addition discrète l'intégrale d'une somme de fonctions étant la somme des intégrales de chaque fonction, établissement des équations d'Euler-Lagrange : , établissement des équations d'Euler-Lagrange : les dernières intégrales donnant chacune par i.p.p. intégration par parties[15]nullité du 1er terme car d'où, en regroupant les termes de , établissement des équations d'Euler-Lagrange : dont on déduit, établissement des équations d'Euler-Lagrange : «» [16] puis établissement des équations d'Euler-Lagrange : par « lemme fondamental du calcul des variations (cas d'une intégrale simple et d'une fonction réelle) » [17] appliqué à chaque intégrale établissement des équations d'Euler-Lagrange : «» c.-à-d. les équations d'Euler-Lagrange[13],[8].
à partir du lagrangien de la particule, puis on déduit les équations du mouvement en explicitant les équations d'Euler-Lagrange[13],[8] «» dans lesquelles «» ainsi que «» d'où «» soit à partir du lagrangien de la particule, finalement l'équation vectorielle du mouvement de la particule «» [18] dans laquelle est le vecteur accélération de la particule ou, en utilisant le lien entre la force appliquée à la particule et l'énergie potentielle dont elle dérive «» [19], à partir du lagrangien de la particule, finalement l'équation différentielle du 2ème ordre régissant le mouvement de la particule «».
En mécanique hamiltonienne la variable [20] est remplacée par la variable appelée « moment conjugué » correspondant aux composantes «» appelées « moments conjugués » ou encore, quand les coordonnées correspondent à des coordonnées cartésiennes, « impulsions » [21] s'identifiant, en repérage cartésien, à celles de la quantité de mouvement pour un mouvement réel le long de la trajectoire réellement suivie [22] c.-à-d. « en cartésien » ;
dans le cas où la variable correspond à un mouvement réel le long de la trajectoire réellement suivie permettant de remplacer par «» ou encore dans le cas où la variable correspond à un mouvement réel le long de la trajectoire réellement suivie permettant de remplacer par «» [26] soit dans le cas où la variable correspond à un mouvement réel le long de la trajectoire réellement suivie permettant de remplacer par «» [27] ;
établissement des équations canoniques de Hamilton[7] : Envisageant la différentielle de l'hamiltonien «» [28] et établissement des équations canoniques de Hamilton : explicitant indépendamment cette dernière à partir de sa définition «» établissement des équations canoniques de Hamilton : Envisageant la différentielle «» établissement des équations canoniques de Hamilton : soit, après simplification utilisant la définition du moment conjugué «», la réécriture de la différentielle de , établissement des équations canoniques de Hamilton : Envisageant la différentielle de l'hamiltonien «», établissement des équations canoniques de Hamilton : on obtient, en identifiant les deux expressions de la différentielle de l'hamiltonien, « établissement des équations canoniques de Hamilton : » établissement des équations canoniques de Hamilton : on obtient les équations canoniques de Hamilton[7] par identification des cœfficients des éléments différentiels des variables indépendantes établissement des équations canoniques de Hamilton : identification des cœfficients de les 1èreséquations canoniques de Hamilton[7] «», établissement des équations canoniques de Hamilton : identification des cœfficients de «» et, établissement des équations canoniques de Hamilton : identification en utilisant les équations d'Euler-Lagrange[13],[8] par définition de , établissement des équations canoniques de Hamilton : identification des cœfficients de les 2èmeséquations canoniques de Hamilton[7] «», établissement des équations canoniques de Hamilton : identification des cœfficients de «» et, établissement des équations canoniques de Hamilton : identification en utilisant «» les équations d'Euler-Lagrange se réécrivent avec la définition du moment conjugué permettant la simplification de deux des trois termes de la différentielle de l'hamiltonien déduite de sa définition selon d'où établissement des équations canoniques de Hamilton : identification des cœfficients de la 3èmeéquation canonique de Hamilton[7] «» ; établissement des équations canoniques de Hamilton : finalement les équations canoniques de Hamilton[7] s'écrivent selon «».
de la différentielle de l'hamiltonien puis on tire des équations canoniques de Hamilton[7], dans la mesure où correspond à un mouvement réel le long de la trajectoire réellement suivie [29] : de la différentielle de l'hamiltonien puis on tire la définition de la quantité de mouvement de la particule car «» d'où de la différentielle de l'hamiltonien puis on tire la définition de la quantité de mouvement la réécriture des 1èreséquations canoniques de Hamilton[7] «» «», de la différentielle de l'hamiltonien puis on tire la relation fondamentale de la dynamique car «» [30] d'où de la différentielle de l'hamiltonien puis on tire la relation fondamentale de la dynamique la réécriture des 2èmeséquations canoniques de Hamilton[7] «» «» et de la différentielle de l'hamiltonien puis on tire la conservation de l'énergie mécanique de la particule si son énergie potentielle ne dépend pas explicitement du temps[31] de la différentielle de l'hamiltonien puis on tire la conservation de l'énergie mécanique de la particule si «» «» d'où de la différentielle de l'hamiltonien puis on tire la conservation de l'énergie mécanique la réécriture de la 3èmeéquation canonique de Hamilton[7] «».
Construction de l'opérateur linéaire « hamiltonien » d'une particule quantique massique non relativiste
En utilisant la forme de l'hamiltonien d'une particule non relativiste «» [32] nous en déduisons En utilisant l'« opérateur linéairehamiltonien » d'une particule « quantique » massique non relativiste à partir des opérateurs linéaires « énergie cinétique non relativiste » [33] et « énergie potentielle » [34],
l'action de cet opérateur linéaire sur la fonction d'onde qui décrit un état stationnaire de la particule « quantique » non relativiste pour lequel l'énergie mécanique est fixée l'action de cet opérateur linéaire donnant toutes les valeurs possibles d'énergie mécanique de « la particule en état stationnaire de composante spatiale de fonction d'onde » [35],[36], soit
L'équation de Schrödinger[37] permet de décrire l'évolution temporelle de la fonction d'onde de la particule « quantique » massique non relativiste selon
Recherche des états propres de l'opérateur linéaire « hamiltonien » à énergie potentielle ne dépendant pas explicitement du temps, équation de Schrödinger indépendante du temps
Introduction : Dans le cas où l'énergie potentielle de la particule « quantique » ne dépend pas explicitement du temps, Introduction : Dans le cas où l'énergie potentielle de la particule peut être dans un état stationnaire voir la note « 35 » plus haut dans ce chapitre et, Introduction : dans l'hypothèse où cette possibilité devient réalité, « la fonction d'onde de la particule se met sous la forme d'un produit avec fonction réelle » [38].
Exposé : L'équation de Schrödinger[37] d'une particule « quantique » dans un état stationnaire de fonction d'onde associée « avec fonction réelle » [38] Exposé : L'équation de Schrödinger se réécrit «» dans laquelle
Exposé : L'équation de Schrödinger se réécrit «» [39] et
Exposé : L'équation de Schrödinger se réécrit «» [40] d'où, par report
Exposé : L'équation de Schrödinger se réécrit «» puis Exposé : L'équation de Schrödinger se réécrit après simplification par , «» soit, Exposé : L'équation de Schrödinger se réécrit en supposant non identiquement nulle et en divisant chaque membre par , Exposé : L'équation de Schrödinger se réécrit «» dans laquelle le 1er membre de l'équation étant une fonction de et Exposé : L'équation de Schrödinger se réécrit «» dans laquelle le 2ndmembre de l'équation étant une fonction de , Exposé : L'équation de Schrödinger se réécrit «» dans laquelle ceci n'est possible que si la fonction commune à chaque membre est une fonction constante ; Exposé : L'équation de Schrödinger se réécrit «» dans laquelle notant cette fonction constante nous obtenons less deux équations suivantes Exposé : L'équation de Schrödinger se réécrit «» ;
Exposé : L'équation de Schrödinger la 1ère équation «» s'intègre en « avec une constante réelle d'intégration » d'où la partie temporelle de la fonction d'onde de la particule « quantique » dans un état stationnaire « avec une constante complexe d'intégration » ;
Exposé : L'équation de Schrödinger la 2ème équation se réécrit, en multipliant chaque membre par , «» appelée Exposé : L'équation de Schrödinger la 2ème équation se réécrit, en multipliant chaque membre par , « équation de Schrödinger[37] indépendante du temps » ou, Exposé : L'équation de Schrödinger la 2ème équation se réécrit, à l'aide de l'« opérateur linéairehamiltonien » «» [41], Exposé : L'équation de Schrödinger la 2ème équation se réécrit, en multipliant chaque membre par , «» représentant Exposé : L'équation de Schrödinger la 2ème équation se réécrit, en multipliant chaque membre par , l'équation de recherche des états propres de l'« opérateur linéairehamiltonien ».
Conclusion : Dans le cas où l'énergie potentielle de la particule « quantique » ne dépend pas explicitement du temps, cette dernière peut être dans un état stationnaire avec une fonction d'onde sous la forme forme «» dans laquelle est une valeur propre de l'« opérateur linéairehamiltonien » de la particule c.-à-d. telle que «», la partie spatiale «» de la fonction d'onde étant une fonction propre associée à la valeur propreces valeurs propres de l'« opérateur linéairehamiltonien » de la particule s'identifient aux valeurs possibles de l'énergie mécanique de cette dernière [42] ;
Conclusion : pour un niveau d'énergie connu de la particule « quantique » dans un état stationnaire, la partie spatiale «» de la fonction d'onde de la particule est solution de l'« équation de Schrödinger[37] indépendante du temps » équation aux dérivées partielles linéaire du 2ndordre «».
Principaux résultats : Les valeurs de l'énergie de la particule « quantique » dans un état stationnaire peuvent être discrètes ou continues et Principaux résultats : à une valeur d'énergie fixée il peut correspondre plusieurs composantes spatiales de la fonction d'onde on dit dans ce cas que le niveau d'énergie est « dégénéré » :
Principaux résultats :dans le cas où le spectre d'énergie propre est discret et « pour un niveau d'énergie proprenon dégénéréquantification des niveaux d'énergie, usuellement pour lequel la partie spatiale de la fonction d'onde propre s'écrit » solution de l'équation de Schrödinger[37] indépendante du temps «», la fonction d'onde propre complète de la particule dans cet état stationnaire s'écrit «» ;
Principaux résultats :dans le cas où le spectre d'énergie propre est discret et pour un niveau d'énergie propredégénéréle caractère « dégénéré » des niveaux d'énergie n'engendrant usuellement aucune modification sur leur quantification pour lequel les parties spatiales des fonctions d'onde propres s'écrivent la dégénérescence d'un niveau d'énergie entraînant l'intervention d'au moins un 2ème paramètre discret usuellement permettant de distinguer les parties spatiales des fonctions d'onde entre elles» solutions indépendantes les unes des autres de l'équation de Schrödinger[37] indépendante du temps «», la fonction d'onde propre complète de la particule dans cet état propre du niveau d'énergie dégénéré s'écrivant «», la fonction d'onde propre complète de la particule dans l'état stationnaire de niveau d'énergie dégénéré est alors une C.L. [43] de chaque fonction d'onde propre complète correspondant à l'état propre du niveau d'énergie dégénéré[44] soit
«» où le scalaire « est l'amplitude de l'état stationnaire sur l'état propre » [45] dont « représente la probabilité de l'état propre dans l'état » [46].
Expression de la fonction d'onde décrivant un état quelconque de la particule quantique massique non relativiste à énergie potentielle ne dépendant pas explicitement du temps en utilisant les fonctions propres de l'opérateur linéaire « hamiltonien »
Dans le cas d'un spectre discret d'énergie propre de l'« opérateur linéairehamiltonien » d'une particule « quantique » non relativiste à énergie potentielle ne dépendant pas explicitement du temps Dans le cas d'un spectre discret d'énergie chaque niveau d'énergie étant considéré comme pouvant être dégénéré[47] Dans le cas d'un spectre discret d'énergie avec, pour fonctions d'onde propres complètes de la particule dans les états propres correspondants «», Dans le cas d'un spectre discret d'énergie la fonction d'onde complète décrivant un état quelconque de la particule peut être décomposée sur tous ces états propres et on obtient l'expression suivante
«» où « est l'amplitude de l'état décrit par dans l'état propre » [48], « étant la probabilité de trouver l'énergie lors d'une mesure de l'énergie de la particule » [49].
Conséquence du confinement spatial d'un oscillateur harmonique unidimensionnel dans le cadre de la mécanique quantique, l'impossibilité théorique d'être dans un état d'immobilité : notion d'énergie minimale de l'oscillateur harmonique quantique
Un oscillateur harmonique unidimensionnel quantique est une particule « quantique » non relativiste de masse restant localisée au voisinage d'un point sur un axe et Un oscillateur harmonique unidimensionnel quantique est une particule « quantique » non relativiste de masse possédant une énergie potentielle de forme parabolique Un oscillateur harmonique unidimensionnel quantique est une particule « quantique » telle que l'« amplitude d'oscillations [50] devant un ordre de grandeur de la longueur d'onde dede Broglie » [51] ;
on réalise une réduction canonique en posant «» correspondant à sa pulsation propre [50] d'où une réécriture de l'énergie potentielle «» et par suite on réalise une réduction canonique en posant «» correspondant à sa pulsation propre d'où une réécriture de l'hamiltonien[52] «» dans lequel l'énergie cinétique non relativiste s'écrit « étant la grandeur conjuguée de [53]» soit, après report dans l'expression de l'hamiltonien[52] on réalise une réduction canonique en posant «» correspondant à sa pulsation propre d'où une réécriture de l'hamiltonien «».
La liste d'exemples choisis n'est évidemment pas exhaustive :
vibrations des atomes dans un solide : si les atomes sont alignés suivant trois directions, il y a un oscillateur harmonique unidimensionnel sur chacune d'elles traduisant les vibrations entre atomes voisins une façon schématique de représenter les interactions entre atomes est de les supposer reliées par un ressort de longueur à vide égale à la distance séparant les atomes voisins à l'équilibre et à spires non jointives, la compression du ressort traduisant une force répulsive et son allongement une force attractive ; les atomes dans un solide vibrant dans l'infra-rouge, l'amplitude de vibration peut correspondre effectivement à un oscillateur harmonique unidimensionnel quantique[54] ;
vibrations des atomes dans une molécule diatomique comme la molécule de chlorure d'hydrogène : le système étant écarté légèrement de sa position d'équilibre stable oscille pour retrouver cette dernière, comme, par exemple, dans une molécule diatomique de chlorure d'hydrogène dans laquelle on a éloigné modérément les atomes et ;
Commentaires : dans les exemples ci-dessus on considère deux objets en interaction assimilable à l'action d'un ressort Commentaires : dans les exemples ci-dessus mais la définition d'un oscillateur harmonique unidimensionnel évoquée au chap. intitulé oscillateur harmonique de la leçon « Signaux physiques (PCSI) » Commentaires : dans les exemples ci-dessus mais la définition d'un oscillateur harmonique unidimensionnel concerne un objet soumis à l'action d'un ressort ;
Commentaires : dans les exemples ci-dessus mais la définition d'un oscillateur harmonique unidimensionnel on peut effectivement s'y ramener car Commentaires : dans les exemples ci-dessus l'étude d'un système de deux points matériels se réduit à l'étude du mouvement de son « C.D.I. [55] » [56] et Commentaires : dans les exemples ci-dessus l'étude d'un système de deux points matériels se réduit à celle d'un autre point fictif « le mobile réduit » [57] dans le « référentiel barycentrique » [58], Commentaires : dans les exemples ci-dessus l'étude d'un système de deux points matériels se réduit à celle d'un autre point de masse dite réduite «» dont le mouvement barycentrique s'identifie au mouvement relatif de l'objet par rapport à l'objet s'il est soumis à la force que l'objet exerce sur l'objet [59]c.-à-d., dans le cas présent, à l'action du ressort Commentaires : dans les exemples ci-dessus on est ramené à l'étude d'un oscillateur harmonique unidimensionnel évoquée au chap.oscillateur harmonique de la leçon « Signaux physiques (PCSI) ».
En complément : équation de Schrödinger de l'oscillateur harmonique unidimensionnel quantique indépendante du temps
À partir de l'expression de l'équation de Schrödinger[37] indépendante du temps à laquelle satisfait cet oscillateur harmonique unidimensionnel quantique À partir de l'expression de l'équation de Schrödinger indépendante du temps «» avec À partir de l'expression de l'équation de Schrödinger indépendante du temps « la partie spatiale de la ou de l'une des fonction(s) d'onde de cet oscillateur d'énergie », ou encore, À partir de l'expression de l'équation de Schrödinger indépendante du temps «» soit À partir de l'expression de l'équation de Schrödinger indépendante du temps une équation différentielle linéaire homogène du 2ème ordre en sans terme du 1er ordre [62].
Utilisation du confinement spatial d'un oscillateur harmonique unidimensionnel quantique
nous allons déduire de l'inégalité de Heisenberg[64] spatiale [65] l'impossibilité théorique que l'oscillateur reste à l'équilibre c.-à-d. soit dans un état quantique d'immobilité, en effet
l'hypothèse de l'oscillateur quantique restant à sa position d'équilibre supposerait d'une part son abscisse parfaitement déterminée c.-à-d. à incertitude quantique nulle soit et
l'hypothèse de l'oscillateur quantique restant à sa position d'équilibre supposerait d'autre part sa quantité de mouvement exactement fixée c.-à-d. à incertitude quantique nulle soit ,
or la simultanéité des deux est en contradiction avec l'inégalité de Heisenberg[64] spatiale c.-à-d. en contradiction avec «»
or la simultanéité des deux est en contradiction avec l'inégalité de Heisenberg spatiale d'où l'impossibilité théorique que l'oscillateur harmonique unidimensionnel quantique soit à l'équilibre ;
les valeurs d'énergies propres de l'oscillateur harmonique unidimensionnel quantique étant a priori[66], l'impossibilité d'un état quantique d'immobilité à l'équilibrel'interdiction d'une valeur nulle en effet, pour que l'oscillateur harmonique unidimensionnel quantique ait une valeur nulle d'énergie il faudrait qu'il soit dans un état où simultanément et , ceci correspondant aussi à un état où simultanément et c.-à-d. un état quantique d'immobilité à l'équilibre, état interdit par inégalité de Heisenberg[64] spatiale [65].
Ordre de grandeur de l'énergie minimale de l'oscillateur harmonique unidimensionnel quantique
Toujours en utilisant l'inégalité de Heisenberg[64] spatiale [65] on se propose de déterminer un ordre de grandeur de l'énergie minimale de l'oscillateur harmonique unidimensionnel quantique c.-à-d. Toujours en utilisant l'inégalité de Heisenberg spatiale on se propose de déterminer un ordre de grandeur de l'énergie de son état fondamental ; Toujours en utilisant l'inégalité de Heisenberg spatiale on se propose de déterminer un ordre de grandeur de pour cela on détermine les propriétés ci-dessous [67] :
oscillateur invariant par symétrie centrale de centre énergie potentielle paire valeur moyenne de sa position [50] «» soit une même probabilité [68] d'avoir la valeur et ; compte-tenu du lien [50] entre et [69], la valeur moyenne de sa quantité de mouvement est aussi «» [70] correspondant à une même probabilité [68] d'avoir la valeur et ;
l'écart quadratique moyen sur les valeurs [50] de est donc «» [71],[72] ainsi que l'écart quadratique celui sur les valeurs [50] de défini par «» [71],[72], l'écart quadratique moyen surces valeurs [68] « et » étant respectivement l'incertitude « quantique » [73] sur la position et la quantité de mouvement ;
l'énergie de l'oscillateur à valeur fixée [50] s'identifie à sa valeur moyenne [68] soit «» [71] ou encore, avec , l'énergie de l'oscillateur à valeur fixée s'identifie à la valeur d'énergie suivante «» [71] ;
l'inégalité de Heisenberg[64] spatiale [65] liant les deux incertitudes « quantiques » [73] selon «» pour une incertitude « quantique » [73] sur la position fixée égale à , l'inégalité de Heisenberg spatiale liant les deux incertitudes « quantiques » selon «» une valeur minimale de l'incertitude « quantique » [73] sur sa quantité de mouvement l'inégalité de Heisenberg spatiale liant les deux incertitudes « quantiques » selon «» une valeur minimale «» soit, l'inégalité de Heisenberg spatiale liant les deux incertitudes « quantiques » selon «» en reportant dans l'expression de l'énergie ci-dessus «», l'inégalité de Heisenberg spatiale liant l'expression « optimale » [74] de l'énergie exprimée uniquement en fonction de l'incertitude « quantique » [73] sur la position «» l'inégalité de Heisenberg spatiale liant l'expression « optimale » de l'énergie «» ;
on cherche alors la valeur d'incertitude « quantique » [73] sur la position rendant minimale l'expression optimale de l'énergie , valeur notée «», on cherche alors la valeur d'incertitude « quantique » sur la position rendant minimale l'expression optimale de l'énergie , «» [75] on cherche alors la valeur d'incertitude « quantique » sur la position rendant minimale l'expression optimale de l'énergie , avec «» dont on cherche alors la valeur d'incertitude « quantique » sur la position rendant minimale l'expression optimale de l'énergie , l'annulation donne «» [76] ;
la valeur minimale de l'expression optimale de l'énergie vaut donc «» soit finalement «».
Conclusion : par utilisation de l'inégalité de Heisenberg[64] spatiale [65] on a obtenu un ordre de grandeur de l'énergie minimale d'un oscillateur harmonique unidimensionnel quantique «», Conclusion : pour établir toutes les valeurs d'énergies possibles d'un tel oscillateur, la meilleure méthode est celle de Dirac [77] signalée dans la note « 62 » plus haut dans ce chapitre, en particulier Conclusion : pour établir toutes les valeurs d'énergies possibles d'un tel oscillateur, on y établit celle de son énergie minimale, appelée « énergie du point zéro » c.-à-d. l'énergie de l'état fondamental Conclusion : pour établir toutes les valeurs d'énergies possibles d'un tel oscillateur, on y établit celle de son énergie minimale, qui vaut effectivement «» ;
Conclusion : ce résultat n'est pas uniquement théorique, il explique entre autres, le fait que l'isotope de l'hélium «» reste liquide aux températures proches de [78].
Quantification (admise) de l'énergie d'un oscillateur harmonique unidimensionnel quantique
Nous avons déjà dit que la méthode de Dirac [77] signalée dans la note « 62 » plus haut dans ce chapitre permet d'établir [79] toutes les valeurs d'énergies possibles d'un tel oscillateur ; on obtient
un spectre discret de niveaux d'énergie «» [80] ou encore, à l'aide de la « fréquence propre de l'oscillateur », le spectre discret de niveaux d'énergie «» [81].
En complément : composante spatiale de la « fonction d'onde de l'état fondamental » d'un oscillateur harmonique unidimensionnel quantique
À l'« énergie de l'état fondamental » correspond une “ seule ” [82] composante spatiale de fonction d'onde choisie réelle [83] À l'« énergie de l'état fondamental » correspond «» [84] dont le diagramme en fonction de est représenté ci-contre étant une unité de longueur arbitraire et une valeur particulière, homogène à , pouvant être quelconque et choisie égale à pour le tracé :
on peut vérifier que cette composante est normalisée en évaluant la probabilité de l'état fondamental sur tout l'espace «» [85],[86] donnant lors son évaluation, en utilisant l'intégrale de Gauss[87]«», le résultat attendu dans le cas d'une normalisation «» [88].
En complément : composante spatiale de la « fonction d'onde de l'état correspondant au niveau n » d'un oscillateur harmonique unidimensionnel quantique
À l'« énergie de l'état du niveau à savoir » correspond une “ seule ” [89] composante spatiale de fonction d'onde choisie réelle [83] égale à À l'« énergie de l'état du niveau à savoir » correspond «» [90],[91] dont les diagrammes de , de et de en fonction de sont représentés ci-dessous étant une unité de longueur arbitraire et une valeur particulière, homogène à , pouvant être quelconque et choisie égale à 2 pour le tracé :
En complément : allure des diagrammes de densité linéique de probabilité de présence dans l'« état correspondant au niveau n » d'un oscillateur harmonique unidimensionnel quantique
La densité « linéique » [92] de probabilité de présence est liée à la composante spatiale de la fonction d'onde par «» [86] ; ci-dessous de la gauche vers la droite les tracés, avec les mêmes conventions que précédemment, des diagrammes de :
la densité linéique de probabilité de présence dans l'état fondamental «» [86] et
la densité linéique de probabilité de présence dans l'état du 1er niveau excité «» [86],
Remarques : on constate que « la densité linéique de probabilité de présence est grossièrement maximale pour », ceci étant d'autant mieux vérifié que est grand [93], « cette valeur remplaçant l'amplitude des oscillations de l'oscillateur harmonique unidimensionnel classique » [94] ;
↑ On peut donc affirmer que n'importe quelle valeur est valeur propre de l'opérateur linéaire « énergie potentielle » pour n'importe quelle fonction d'onde décrivant l'état de la particule « quantique », étant alors la fonction propre associée à la valeur propre.
↑ Action qui revient à prendre le laplacien de la fonction d'onde à un facteur multiplicatif près.
↑ Les valeurs d'énergie cinétique non relativiste sont donc les valeurs propres de l'opérateur linéaire « énergie cinétique non relativiste », les fonctions d'onde particulières décrivant l'état de la particule étant les fonctions propres associées.
↑ La variable n'étant, pour l'instant, pas considérée comme la dérivée temporelle de la position il ne s'agit donc, pour l'instant, qu'une simple notation et non, a priori, la vitesse ; toutefois les deux variables et sont supposées être des fonctions indépendantes du temps , la 2ème variable devenant la dérivée temporelle de la 1èrec.-à-.d la vitesse pour un mouvement réel le long de la trajectoire réellement suivie.
↑ Dans laquelle est l'énergie potentielle de la particule, le 1er terme devenant son énergie cinétique dès lors que la variable est interprétée comme sa vitesse.
↑ Qu'on notera simplement, en absence d'ambiguïté, .
↑ C.-à-d. que l'« action » sur l'intervalle ne varie pas à l'ordre un lors d'une perturbation infinitésimale des variables et relativement à leur valeur correspondant à un mouvement réel le long de la trajectoire réellement suivie soit,
pour la 1ère variable étant la perturbation infinitésimale de la 1ère variable et
pour la 2ème étant la perturbation infinitésimale de la 2ème variable, dérivée temporelle de de façon à ce que la 2ème variable devienne la vitesse si ,
étant l'infiniment petit d'ordre un et une fonction vectorielle différentiable telle que assurant que la trajectoire réellement suivie passe par les points extrêmes définis par et , la vitesse en ces points étant alors définie par et .
↑ 13,013,113,213,313,4 et 13,5Leonhard Euler (1707 - 1783) mathématicien et physicien suisse qui passa la plus grande partie de sa vie dans l'Empire russe et en Allemagne, surtout connu pour ses travaux en analyse mathématique ainsi qu'en mécanique des fluides, optique et astronomie, considéré comme l'un des plus grands et plus prolifiques mathématiciens de tous les temps ; en mathématiques il fit d'importantes découvertes dans des domaines aussi variés que le calcul infinitésimal et la théorie des graphes, il introduisit également une grande partie de la terminologie et de la notation des mathématiques modernes, en particulier pour l'analyse mathématique, comme la notion de fonction mathématique ; il est aussi connu pour ses travaux en mécanique, en dynamique des fluides, en optique et en astronomie.
↑ Il s'agit en fait de l'opposé de la transformée de Legendre défini dans l'article transformation de Legendre de wikipedia, la raison étant qu'il n'y a pas de convention de signe dans le choix de la définition, la convention choisie dans l'article précitée aurait donné et aurait été tout aussi licite.
↑ Avec cette convention de signe l'hamiltonien s'écrit encore «».
↑ On rappelle la définition du lagrangien dans laquelle on remplace par .
↑ L'hamiltonien s'identifie donc à l'énergie mécanique, somme de l'énergie cinétique et de l'énergie potentielle si toutefois il représente un mouvement réel le long de la trajectoire réellement suivie.
↑ En utilisant le lien entre la force appliquée à la particule et l'énergie potentielle dont elle dérive «» voir les notes « 18 » et «19 » plus haut dans ce chapitre.
↑ Pour qu'une particule non quantique ait une valeur constante de son hamiltonien, il est nécessaire que son énergie potentielle ne dépende pas explicitement du temps 3èmeéquation canonique de Hamilton, il s'en suit alors la conservation de l'énergie mécanique ; du point de vue quantique, dans la mesure où l'énergie potentielle de la particule ne dépend pas du temps, la particule peut être dans un état stationnaire c.-à-d. que le module de la fonction d'onde qui modélise l'état considéré ne dépend pas non plus du temps la fonction d'onde peut alors être cherchée sous la forme du produit d'une composante spatiale et d'une composante temporelle de module unité dont l'argument dépend de l'état stationnaire considéré, la composante spatiale étant solution de l'équation de Schrödinger indépendante du temps voir le paragraphe « recherche des états propres de l'opérateur linéaire hamiltonien à énergie potentielle ne dépendant pas explicitement du temps, équation de Schrödinger indépendante du temps » plus loin dans ce chapitre, c.-à-d. «» ou «» la composante spatiale de la fonction d'onde associée à un état stationnaire est une fonction propre de l'« opérateur linéairehamiltonien » associée à la valeur proprela constance de l'hamiltonien d'une particule non quantique et par suite la conservation de son énergie mécanique devient, pour une particule « quantique » dans un état stationnaire, le fait que ce dernier est un état propre de l'« opérateur linéairehamiltonien », la valeur propre associée étant l'énergie de la particule énergie restant constante hors influence extérieure.
↑ Dans la mesure où la particule est dans un état stationnaire, ses valeurs d'énergie mécanique non relativiste sont donc les valeurs propres de l'« opérateur linéairehamiltonien », les fonctions d'onde décrivant l'état stationnaire de la particule étant les fonctions propres associées.
↑ 38,0 et 38,1 Ce qui implique effectivement indépendant du temps dans la note « 35 » plus haut dans ce chapitre, « est remplacé par » voir l'établissement de cette expression dans le corps de ce paragraphe mais le caractère stationnaire de l'état de la particule nécessite simplement que soit réel, cette forme particulière résultant de la résolution de l'équation de Schrödinger.
↑ restant constant lors de la prise de laplacien à figé.
↑ L'ensemble des étant le degré de dégénérescence du niveau d'énergie formant une base de l'espace propre associé au niveau d'énergie .
↑ Il s'agit d'une façon raccourcie de dire « amplitude de l'état stationnaire décrit par la fonction d'onde sur l'état propre décrit par » ; chaque scalaire est l'analogue de la composante sur un vecteur de base d'un vecteur d'un espace à dimensions, étant le degré de dégénérescence du niveau d'énergie considéré.
↑ Il s'agit d'une façon raccourcie de dire « probabilité de l'état propre décrit par la fonction d'onde dans l'état de la particule décrit par la fonction d'onde » ; pour des probabilités normalisées quand cela est possible la condition de normalisation s'écrit «» certitude que la particule étudiée est dans le niveau d'énergie .
↑ S'il est dégénéré, chaque état propre est indexé par un paramètre et s'il ne l'est pas ne prend que la valeur .
↑ Il s'agit d'une façon raccourcie de dire « amplitude de l'état décrit par la fonction d'onde sur l'état propre décrit par » ; chaque scalaire est l'analogue de la composante d'un vecteur quelconque sur un vecteur de base du sous-espace à dimensions étant le degré de dégénérescence du niveau d'énergie .
↑ Pour des probabilités normalisées quand cela est possible la condition de normalisation s'écrit «» certitude de trouver une valeur lors de la mesure de l'énergie de la particule dans l'état décrit par la fonction d'onde .
↑ Si est l'amplitude d'oscillations au sens classique on a avec où est l'amplitude de la quantité de mouvement ; la longueur d'onde de de Broglie d'une onde de matière associée à une particule ne peut être définie sans ambiguïté relativement à la quantité de mouvement classique de la particule que si cette dernière est constante or, dans le cas d'un oscillateur harmonique unidimensionnel celle-ci serait, comme l'abscisse , sinusoïdale selon d'où l'impossibilité de définir la longueur d'onde de de Broglie mais, si l'amplitude des oscillations classiques de est de pulsation nous en déduisons l'amplitude des oscillations classiques de selon d'où la condition pour que l'oscillateur harmonique unidimensionnel soit quantique ou ou encore, avec la réécriture de la condition pour que l'oscillateur soit quantique ou enfin une 3ème forme . Louis Victor de Broglie (1892 - 1987)se prononce « Brogle » mathématicien et physicien français, essentiellement connu pour sa proposition de nature ondulatoire des électrons, ce qui lui valut le prix Nobel de physique en .
↑ 52,0 et 52,1 Qui s'identifie à l'énergie mécanique dans le cadre classique d'une particule.
↑ À signification de quantité de mouvement pour une particule classique.
↑ En effet nous avons précisé dans la note « 51 » plus haut dans ce chapitre que la condition pour que l'oscillateur soit quantique est que l'amplitude de vibrations satisfasse «» ou, avec dans laquelle est la fréquence de vibration, «» soit, avec et , «», les atomes étant séparés de quelques les uns des autres, l'amplitude de vibration devrait être à une fraction de cette distance tout à fait envisageable.
↑ N'est pas au programme de physique de P.C.S.I. mais c'est pourtant fondamental dans l'étude des systèmes de deux points, lesquels sont au programme voir le paragraphe « notion de mobile réduit » du chap. de la leçon « Mécanique des systèmes de points ».
↑ Référentiel en translation par rapport au référentiel d'étude et tel que le C.D.I. centre d'inertie y soit immobile voir le paragraphe « définition (du référentiel barycentrique d'un système de deux points matériels) » du chap. de la leçon « Mécanique des systèmes de points ».
↑ Cette équation n'étant pas à cœfficients constants, sa résolution ne relève pas de la recherche de solutions de forme exponentielle et par conséquent de la résolution de l'équation caractéristique correspondante ; de toute façon l'équation de Schrödinger étant un complément, nous ne chercherons pas à la résoudre, la résolution mathématique du type d'équation différentielle suivie par l'oscillateur harmonique unidimensionnel quantique serait d'ailleurs, hors de portée au niveau de la présentation, car nécessitant de connaître les développements de fonctions en séries entières, elle ne présente toutefois pas de difficultés majeures mais conduit à des calculs un peu laborieux ; d'autre part la méthode de résolution par développement en séries entières étant peu explicite physiquement, une autre approche, impulsée par Paul Adrien Maurice Dirac, lui est préférable, elle fournit les valeurs propres de l'« opérateur linéairehamiltonien » , c.-à-d. les valeurs d'énergie sans résoudre explicitement l'équation différentielle. Paul Adrien Maurice Dirac (1902 - 1984) physicien et mathématicien britannique : voir la note « 77 » plus bas dans ce chapitre pour plus de détails. Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger (1887 - 1961) physicien, philosophe et théoricien scientifique autrichien : voir la note « 37 » plus haut dans ce chapitre pour plus de détails.
↑ 64,064,164,264,364,4 et 64,5Werner Heisenberg (1901 - 1976) physicien allemand, l'un des fondateurs de la mécanique quantique, a obtenu le prix Nobel de physique en pour la création d'une forme de mécanique quantique connue sous le nom de mécanique matricielle, dont l’application a mené, entre autres, à la découverte des variétés allotropiques de l'hydrogène le dihydrogène existe sous deux formes allotropiques « ortho » où les spins sont parallèles et « para » où ils sont antiparallèles, le dihydrogène ortho étant présent à à température élevée et sa proportion diminuant quand sa température diminue.
↑ 73,073,173,273,373,4 et 73,5 On parle d'incertitude « quantique » car c'est une incertitude théorique contenue dans les principes de la mécanique quantique, et non une incertitude « expérimentale ».
↑ Au sens où l'incertitude quantique sur la quantité de mouvement est la plus faible, du point de vue théorique, relativement à l'incertitude quantique sur la position.
↑ L'expression optimale de l'énergie étant une fonction de il suffit d'assurer la nullité de la dérivée par rapport à cette variable.
↑ L'expression optimale de l'énergie «» est effectivement minimale pour cette valeur «» car L'expression optimale de l'énergie «» est effectivement minimale la dérivée calculée «» est
pour les valeurs de à elle tend vers quand donc y est et
pour les valeurs de à elle tend vers quand donc y est .
↑ 77,0 et 77,1Paul Adrien Maurice Dirac (1902 - 1984) physicien et mathématicien britannique, colauréat du prix Nobel de physique en , on lui doit des avancées cruciales dans le domaine de la mécanique statistique et de la physique quantique des atomes, il démontra l'équivalence physique entre la mécanique ondulatoire de Schrödinger et la mécanique matricielle de Heisenberg, deux présentations de la même mécanique quantique et enfin, pour les besoins du formalisme quantique, il inventa la notion, sans fondement mathématique précis, connue de nos jours sous le nom de distribution de Dirac et dont la description rigoureuse fut établie par le mathématicien français Laurent Schwartz dans sa théorie des distributions ; Paul Dirac fut colauréat du prix Nobel de Physique en pour la découverte de formes nouvelles et utiles de la théorie atomique, l'autre moitié du prix Nobel étant décernée à Erwin Schrödinger pour la formulation de l'équation d'onde dite de Schrödinger. Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger (1887 - 1961) physicien, philosophe et théoricien scientifique autrichien : voir la note « 37 » plus haut dans ce chapitre pour plus de détails. Werner Heisenberg (1901 - 1976) physicien allemand, l'un des fondateurs de la mécanique quantique : voir la note « 64 » plus haut dans ce chapitre pour plus de détails. Laurent Schwartz (1915 - 2002) mathématicien français, ayant été le 1er français à obtenir la médaille Fields équivalent du prix Nobel en mathématiques en pour ses travaux sur la théorie des distributionssorte de prolongement des fonctions dans des domaines avec discontinuité .
↑ Au voisinage de une approche classique conduirait à une énergie nulle avec absence de mouvements relatifs entre molécules et par suite une impossibilité de phase liquide à l'absence de mouvements relatifs entre molécules ou atomes ne s'observant que dans une phase solide, ce qui n'est pas ce qu'on observe, d'où la nécessité de faire une approche quantique conduisant à une « énergie non nulle quand l'hélium s'approche de » et permettant l'explication de la phase liquide de ce dernier aux températures voisines de .
↑ Néanmoins nous ne le ferons pas, bien que la construction du spectre des valeurs propres de l'énergie soit sans difficultés majeures mais toutefois un peu délicate pour les raisons suivantes :
d'une part leur établissement n'est pas au programme de physique de PCSI seul le résultat admis l'étant et
↑ 83,0 et 83,1 Il s'agit effectivement d'un choix car seul son module a une signification physique la multiplication par avec de la composante spatiale de la fonction d'onde solution de l'équation de Schrödinger indépendante du temps «» la composante spatiale de la fonction d'onde obtenue est aussi solution de l'équation de Schrödinger indépendante du temps Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger (1887 - 1961) physicien, philosophe et théoricien scientifique autrichien : voir la note « 37 » plus haut dans ce chapitre pour plus de détails.
↑ Là encore, bien que la résolution de l'équation de Schrödinger indépendante du temps de l'oscillateur harmonique unidimensionnel quantique dans son état fondamental ne présente pas de difficultés majeures tout en étant un peu délicate nous ne la présenterons pas pour les raisons suivantes :
d'une part la résolution n'est pas au programme de physique de PCSI même le résultat ne l'est pas, bien qu'intéressant à observer et
↑ Il s'agit d'une intégrale généralisée voir le paragraphe « intégrale généralisée sur un ouvert dont au moins une des bornes est infinie » du chap. de la leçon « Outils mathématiques pour la physique (PCSI) » pour laquelle théoriquement on calcule l'intégrale sur et on vérifie qu'elle admet une limite finie quand , mais la fonction à intégrer ici n'admettant pas de primitives parmi les fonctions usuelles, cette façon de vérifier la convergence ne pourra être faite toutefois elle converge ; on utilise alors le résultat de l'intégrale «» connue sous le nom d'« intégrale de Gauss », très utilisée en statistique et probabilité. Carl Friedrich Gauss (1777 - 1855), mathématicien, astronome et physicien allemand, est considéré comme l'un des plus grands mathématiciens de tous les temps il fut surnommé « le prince des mathématiciens » : voir la note « 87 » plus bas dans ce chapitre pour plus de détails.
↑Carl Friedrich Gauss (1777 - 1855), mathématicien, astronome et physicien allemand, est considéré comme l'un des plus grands mathématiciens de tous les temps il fut surnommé « le prince des mathématiciens », on lui doit d'importantes contributions dans les trois domaines « mathématiques, astronomie et physique » : en , Gauss, à l'âge de dix-neuf ans, caractérisa presque complètement tous les polygones réguliers constructibles à la règle et au compas et il demanda par la suite qu'un heptadécagonepolygone régulier de côtés soit gravé sur son tombeau ; bien d'autres découvertes de mathématiques lui sont dues dont, en particulier, en la 1ère démonstration de la loi de réciprocité quadratique conjecturée par Euler en un nombre premier est congru à un carré de nombre entier modulo un autre nombre premier, par exemple ou ou encore de même que Leonhard Euler (1707 - 1783) mathématicien et physicien suisse qui passa la plus grande partie de sa vie dans l'Empire russe et en Allemagne : voir la note « 13 » plus haut dans ce chapitre pour plus de détails ; dans le domaine de l'astronomie Gauss publia un travail très important sur le mouvement des corps célestes contenant le développement de la méthode des moindres carrés ; auparavant, en , il développa une nouvelle méthode de calcul lui permettant de prédire où doit se trouver Cérèsune planète naine de la ceinture des astéroïdes entre Mars et Jupiter ; dans le domaine de la physique il est l'auteur de deux des quatre équations de Maxwell gérant l'électromagnétisme James Clerk Maxwell (1831 - 1879) physicien et mathématicien écossais, principalement connu pour ses équations unifiant l'électricité, le magnétisme et l'induction ainsi que pour l'établissement du caractère électromagnétique des ondes lumineuses, mais aussi pour sa distribution des vitesses utilisée dans une description statistique de la théorie cinétique des gaz ; le tire-bouchon fictif permettant de déterminer l'orientation à droite d'un espace tridimensionnel ou le caractère direct d'un triplet de vecteurs a été baptisé « tire-bouchon de Maxwell » en son honneur ; certaines des contributions de Gauss n'ont été mises à jour qu'à titre posthume, à la fin du XIXème siècle, Gauss n'ayant publié qu'une partie de ses découvertes.
↑ Là encore, bien que la résolution de l'équation de Schrödinger indépendante du temps de l'oscillateur harmonique unidimensionnel quantique dans l'état de niveau ne présente pas de difficultés majeures tout en étant un peu délicate nous ne la présenterons pas pour les raisons suivantes :
d'une part la résolution n'est pas au programme de physique de PCSI même le résultat ne l'est pas, bien qu'intéressant à observer et
↑ Pratiquement est obtenue, à un facteur multiplicatif près, en appliquant fois successivement l'opérateur à la composante spatiale de la fonction d'onde de l'état fondamental , le facteur multiplicatif arbitraire de pouvant être déterminé par normalisation de la fonction d'onde.
↑ Remplace la densité volumique pour un objet à une dimension.
↑ Voir les tracés ci-après de et de le cas a été choisi comme suffisamment grand pour vérifier la propriété énoncée sans toutefois l'être trop sachant que « plus est grand plus la durée nécessaire pour obtenir le tracé l'est ».
↑ En effet à cet endroit, l'oscillateur harmonique unidimensionnel classique ayant une vitesse minimale en fait nulle pour un oscillateur purement classique c'est l'endroit où la probabilité de le trouver à un instant choisi au hasard est la plus grande ; c'est aussi l'endroit où sa quantité de mouvement est minimale en fait nulle si l'oscillateur est purement classique et sa longueur d'onde de de Broglie maximale en fait infinie si l'oscillateur est purement classique, donc l'endroit où les phénomènes quantiques seront les plus apparents, la condition d'inobservation sur l'amplitude de des phénomènes quantiques étant ayant un risque quasi nul d'être réalisée voir la note « 51 » plus haut dans ce chapitre. Louis Victor de Broglie (1892 - 1987)se prononce « Brogle » mathématicien et physicien français : voir la note « 51 » plus haut dans ce chapitre pour plus de détails.
↑ La non proportionnalité de à assurant que n'est pas fonction propre de , s'il y avait eu proportionnalité, le cœfficient de proportionnalité aurait été la valeur propre correspondant à la fonction propre, on retrouve ainsi que la quantité de mouvement n'a pas de valeur fixée dans cet état.