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Sur l'interprétation de la mécanique quantique. IV. Observation et réalité

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Submitted on 1 Jan 1961

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Sur l’interprétation de la mécanique quantique. IV.

Observation et réalité

A.B. Datzeff

To cite this version:

A.B. Datzeff. Sur l’interprétation de la mécanique quantique. IV. Observation et réalité. J. Phys.

Radium, 1961, 22 (2), pp.101-112. �10.1051/jphysrad:01961002202010100�. �jpa-00236410�

(2)

SUR L’INTERPRÉTATION DE LA

MÉCANIQUE

QUANTIQUE IV.

OBSERVATION ET RÉALITÉ.

par A. B.

DATZEFF,

Chaire de Physique Théorique à l’Université de Sofia, Bulgarie.

Résumé. 2014 On a attribué aux relations d’incertitude le sens objectif suivant, l’observation n’est pas un facteur décisif : En accord avec [1], [2] les valeurs de chaque grandeur physique dans

le domaine du microcosmos sont soumises à des variations chaotiques avec le temps. Les disper-

sions d’un couple quelconque de variables canoniquement conjuguées ne sont pas indépendantes, mais il existe entre elles une relation exprimée par la relation d’incertitude correspondante.

Abstract. 2014 The following objective sense has been ascribed to the relations of uncertainty,

with which observation is not a decisive factor. In accordance with [1], [2] the values of each

physical quantity in the field of the microworld are subjected to chaotic changes in the course of

time.

The dispersions of each couple of canonically conjugated quantities are not independent but

there exists a dependence between them expressed by the corresponding relation of uncertainty.

LE JOURNAL DE PHYSIQUE ET LE RADIUM 22, MAI 1961,

C. Relations d’incertitude. Observation et rda- lit6. - 1. RELATIONS D’INCERTITUDE. DIFFI- CULTÉS LIÉES AU PASSAGE A LA MÉCANIQUE CLAS-

SIQUE. - Un resultat

important

et

singulier

de la

m6canique quantique

est

repr6sent6

par les rela- tions bien connues d’incertitude

(relations

d’Hei-

senberg).

Toutes les tentatives

d’interprétation

de la

mecanique quantique

y touchent inevitable- ment.

L’interprétation

d3 ces relations est liee au

role

d6ja soulign6

de l’observateur

pendant

cha-

que

experience,

ainsi que au cc

principe

d’indéter-

mination »

d’Heisenberg

et au «

principa

de

complé-

mentarit6 » de Bohr. On peut dire la meme chose

des différentes conclusions

philosophiques,

devenues assez

populaires,

tir6es de la

mecanique quantique.

Pour cette raison nous nous occuperons

plus

en detail de ces relations et d’autre part, de la

question

du rapport entre observation et reality posee souvent au cours

d’interprétation

des diff6-

rentes

experiences

ayant pour but la v6rification des diff6rentes

consequences

de la

mecanique quantique.

Ces

questions

souvent discut6es 6tant

evidemment assez délicates, nous

d6velopperons

nos considerations

plus

en

detail,

meme en prenant

le

risque

de répéter

quelques

fois des choses

connus avec l’intention de donner un peu

plus

de

clarte au probleme pose.

Les relations d’incertitude

s’imposent

d’une facon naturelle

quand

on veut former par super-

position

d’ondes planes

monochromatiques

un paquet d’onde

repr6sentant

le mouvement d’un

microcorpuscule ti

(afin de fixer l’id6e on parlera

souvent d’un electron). Admettons que la fonction d’onde en cas de mouvement sur OX a un mo-

ment donne est essentiellement différente de zero dans un domaine

dependant

de la coordonnée x et

due. l’impulsion

p,, x variant dans un intervalle

Az = X2 - Xl et px dans l’intervalle

a px

= p 2x - p 1x. On trouve entre eux la relation

simple

que leur

produit

est de l’ordre de

grandeur

de la constante de Planck

[3], [4]

Si le mouvement est a trois dimensions et le

paquet limit6 suivant y et z, on trouve de m6me

et d’une

faqon analogue

ou E est la variation de

1’energie

sur les ondes

formant le paquet et 0394t le temps d’existence du paquet a un endroit fixe.

D’un autre cote en cherchant le

produit

des

6carts moyens

quadratiques

des variables x et px,

on trouve de maniere connue

et de meme pour les axes OY, OZ. Les relations (28) (28’),

(28"),

resp. (29) sont les relations celebres

d’Heisenberg

ou relations d’incertitude

qui

appa- raissent

chaque

fois

quand

on veut 6tudier le

mouvement du corpuscule dans un domaine limite par rapport aux coordonn6es et a

l’impulsion,

c’est-à-dire

toujours quand

on veut localiser le

corpuscule. (On pourrait

des maintenant

souligner

le fait que les relations d’incertitude ont deux

representations

tout a fait diff6rentes : par les difiérences Ax, etc., et par leurs carr6s moyens

Az2,... etc. Nous y reviendrons

plus tard).

L’interprétation

orthodoxe de ces relations

qui

est

largement

accept6e en

rnécanique quantique,

est la suivante. Pendant

chaque experience

l’ob-

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:01961002202010100

(3)

servateur (ses moyens d’observation) introduit

des

perturbations

non contr6lables dans le mou-

vement 6tudi6 du

corpuscule,

d’ou il suit une in-

certitude Ax sur la

position

et

Ap,

sur

l’impulsion

du

corpuscule,

leur

produit

6tant soumis à la

relation (28). D’ici on tire la conclusion que l’on

ne peut pas mesurer simultanement, avec une

pr6ei-

sion arbitraire la

position

et la vitesse du corpus-

cule, et que meme le

corpuscule

n’a pas de

position

et de vitesse simultan6es. Ces derni6res sont pour ainsi dire virtuellement distribuées dans

1’espace

avec une

probabilité

donn6e

qui s’exprime

par la fonction d’onde T. On peut

s’imaginer

que 03C8 corres-

pond

à un certain paquet d’onde. Ces dimensions

d’espace

dans un certain domaine V donnent une

expression

de l’information que nous

poss6dons

sur la condaite du corpuscule. Si une

experience

effectuee d6eouvre avec surete le

corpuscule

dans

un domaine

VI,

contenu dans V, alors le paquet se

r6duit instantanément dans le domaine V,, c’est-

a-dire que la

probabilité

de presence

IT12

s’annu-

lera hors du domaine

V1,

et aura, a l’int6rieur de

VI,

une nouvelle distribution

correspondant

à

nos nouvelles connaissances sur le

corpuscule, données

par la derniere

experience.

De l’affirma-

tion que notre connaissance

plus precise

sur la

position

du

corpuscule

fait

plus

incertaine notre connaissance sur sa vitesse et inversement (cc

prin- cipe

d’indetermination ))

d’Heisenberg),

on a essay6

d.e tirer la conclusion que nos

possibilités

de

connaissance dans le microcosmos sont limitees

en

principe.

Bohr

complete

cette

interpretation

par le

principe

de

complementarite qui pourrait

etre resume ainsi. La

description

des

ph6nom6nes

dans le microcosmos contient deux cotes :

descrip-

tion dans

1’espace-temps

et par

1’energie-impul-

sion,

qui

se

compl6tent

mutuellement. Notre connaissance totale sur l’un des cotes exclut la

possibilite

de connaitre I’autre c6t6.

Dans

1’expos6 qui

suit nous nous arrêterons

plus

en detail et

prendrons position

sur les affir-

mations mentíonnées. Mais il serait bien de sou-

ligner

ici encore la difficulté de

principe

fondamen-

tale dressee par la

m6eanique quantique

devant les

physiciens.

Ainsi une affirmation fondamentale en

mecanique quantique,

basee sur les relations (28) -

(28"),

est que le

microcorpuscule

ne

poss6de

pas simultanement une

position

3t une vitesse, et que la notion de vitesse et de

position

simultanées,

qui

n’a pas de sens ici.

appartiendrait

à un do-

maine

plus primitif

- la

m6canique classique

et

serait sugg6r6e par

1’emploi d’images

naives. Mais,

d’un autre cote, le

language

de la

mecanique

quan-

tique

se sert couramment de notions

classiques parmi lesquelles

celles de

position

et de vitesse,

meme aussi de la notion

d’expérience

[6],

qui

n’ont

pas ici un sens determine. Voila

pourquoi

meme

le ,contenu da la notion de

microcorpuscule

est tr6s

peu clair. Le

microcorpuscule

n’est

qu’un f antom.e qui apparait

une fois avec’des

proprietes corpus-

culaires, une autre fois avec des

propri6t6s

ondu-

latoires et

qui

ne peut etre conçu par aucun

physicien

doue d’une

imagination

humaine ordi-

naire (si l’on peut supposer

qu’il

en existe une autre). 11ais peut-on dire que cette diniculte de concevoir la double nature du

corpuscule,

repre-

sent6e comme une nouveauté

physique

r6volu- tionnaire, r6sulte

uniquement

de nos habitudes

acquises

grace a une education

classique

et de notre

imagination

barnee

qui

doit donc etre

rééduquée

afin de devenir

capable

de

comprendre

cette nou-

velle

6tape

de notre connaissance ? En

principe,

bien entendu, cela n’est nullement exclu et la

phy- sique

connait de

pareils

cas. Mais il y a aussi une

autre

possibility :

que

l’image

du

corpuscule

d6crite

par la m6canique quantique contemporaine

et serait

due d’un cote a nos nouvelles

conquotes

scien-

tifiques qui

se sont 6lev6es au-dessus des connais-

sances

classiques,

mais en meme temps aussi a

nos connaissances limit6es dans ce domaine et à notre

ignorance

totale sur la

dynamique

intime

des

phenomenes

du monde

atomique.

Nous sommes

de ce dernier avis.

Pour

plusieurs physiciens qui appliquent

avec

succes le formalisme

math6matique

de la m6ca-

nique quantique

et de la theorie du

champ

à

beaucoup

de

probl6mes

concrets, la

question

se

pose ainsi. La

mecanique quantique

contempo- raine nous donne des recettes

mathématiques

pour calculer la

probabilité correspondant

a un

grand

nombre de

phénomènes

d’interaction entre cor-

puscules

elementaires et

l’expérience

en

general

confirme ces calculs. Pour cette raison la

question

d’une certaine essence

physique plus profonde

de

ces

phenomenes

est d6elar6e comme 6tant

privee

d’intérêt. Mais une telle

position

du

probleme

n’est

pas satisfaisante pour tout le monde. D’un cote il serait raisonnable de donner an

physicien

le droit

de penser que la

physique

est

plus

facile a com-

prendre

que ne le

permet

la

physique quantique contemporaine

et de poser des

questions

sur

1’essence meme des

phenomenes correspondants

sans avoir peur de

« l’ opinion publique

» para-

lysante

en

physique th6orique.

D’un autre cote il

est fort

probable

que c’est 1’eclaircissement du cote

physique

intime de ces

phénomènes qui,

non

seulement écartera les difficult6s existantes de nature

physique

et

logique,

mais permettra aussi

de voir et de p6n6trer

plus profond6ment

dans

le domaine du microcosmos.

En relation avec la creation en son temps de la

m6canique quantique,

le

corpuscule-electron qui jusqu’alors

a ete decrit par la

m6eanique classique

et

1’electrodynamique,

a, reçu des

propri6t6s

ondu-

latoires

exprimees

par un

appareil mathematique appartenant

a un autre domaine. 11 est clair donc

que les difficult6s li6es a la double nature de Felec- tron comme

onde-corpuscule

seront tres marquees

dans le cas ou la

mecanique

parait avoir le

droit

s’appliquer, c’est-à-díre -dans

le cas limite h- ’0.

(4)

Voila

pourquoi

nous allons

rappeler

et

d6velopper plus

en detail les difficult6s li6es au passage de la

m6canique

ondulatoire a la

m6canique classique

mentionnees en [1].

la) On sait

qu’en

effectuant dans

1’equation

de

Schrodinger .

la substitution

on trouve

L’equation

(32) se

deduit,

dans les cours de

mecanique quantique

de Fanirmation que pour ---> 0 on trouve

1’equation

de Hamilton-Jacobi

[S] =

0,

c’est-a-dire le mouvement

classique

de

1’electron avec ses

trajectoires.

Cela parait vrai

pour h

= 0,

quand

le terme en h de (32) disparait

en

effet,

mais alors la transformation

(31)

pour T

perd

son sens. D’un autre cote, pour valeur donnee ? >

0, 1’6quation

de

Schrodinger

(30)

ne permet pas l’introduction de

trajectoires

clas-

siques.

On doit en outre tenir compte du fait que la solution S de

l’équation

(32)

depend

du para-

m6tre E

(1’6nergie),

tandis que

1’equation

(32)

ne

poss6de

pas de solution pour chaque E. 11

s’ensuit que le passage a la limit,e 1ï --> 0 ne peut

pas 6treeffectu6 sans

precautions.

Consid6rons par

exemple

le cas ou

1’equation

de

Schrodinger

a un spectre discontinu En. Alors pour h - 0 la diff6-

rence entre deux niveaux voisins

E,, - E,,-, I-> 0

et simultanement

chaque

valeur de n --> 0. Mais pour

chaque

valeur E,, de

1’6nergie

pour

laquelle

En >

E,,

> En_1

1’equation

de

Schrodinger

n’a

pas de solution et la valeur

E’n

n’est pas

permise.

On n’aura donc ni le spectre

classique

continu, ni

les

trajectoires classiques.

En d’autres mots, la

m6canique quantique

ne donne pas comme cas

particulier

pour h --> 0 la

m6canique classique,

contrairement a

l’opinion

repandue.

D’un autre cote

1’6quation

de

Schrodinger

d6- pend du

parametre

continu m, masse du cor-

puscule,

et il est tout a fait naturel

d’exiger qu’une

variation continua de m

jusqu’aux

valeurs macros-

copiques

aboutisse au mouvement

classique

du corpuscule.

Cependant

cela n’a pas lieu du fait que pour m ---> oo dans

Fequation

(30) on se

heurte a des difficult6s de la meme nature que celles

accompagnant le

passage A

--> 0. (En effet les para- m6tres h et m dans

1’equation

(30) ont en general

un effet

oppose).

Prenons, pour fixer les

id6es,

le

cas bien connu de l’oscillateur

harmonique

M sur

OX

d’energie potentielle

U = kx2/2. Admettons

que m a une valeur

macroscopique (par

exemple

I

gramme).

Alors la

mécanique classique

donne pour le mouvement de M la loi

x = A sin wt, v = x’ = A w cos wt. Consid6rons le mouvement

quantique

de M dans un 6tat sta-

tionnaire n

d’energie

En. La sclution

03C8(x,

t) de

1’equation

correspondante de

Schrodinger

sera

ou

Hn(x)

est le

polyn6me

d’Hermite d’ordre n et

An une constante de normal’sation. La

probabilité

de distribution wq des

positions

de NI et la

proba-

bilit6 «

classique

» Wel seront donn6es

respective-

ment par

11 est clair que les deux fonctions (34), (34’) sont

tout a fait diff erentes pour

chaque n

donne (Pour

n = 10 les

graphiques

de ces deux fonctions sont

donn6es en [7],

chap.

4) - la

probabilité

de

pr6-

sence de M en

chaque

racine de Hn(x) = 0 est nulle, tandis que (34’)

correspond

a un mouvement

continu. 11 est bien clair que

l’image

donn6e par (34)

ast

incompatible

avec

l’image classique

(34’).

(L’affirmation, par

exemple

en [7] que pour n

grand

on doit considerer les fonctions (34) et (34’)

comme

identiques

en ayant en vue une certaine moyenne de w, (34), est arbitraire et non fondee.)

Consid6rons d’un autre cote un ’intervalle E’ E E" et admettons que

1’equation

de

l’oscillateur a un certain nombre de valeurs pro- pres El (l =

1,

2, ...) dans cet intervalle. Pour

chaque

valeur de E dans l’intervaile

E’,

E" 1’oscil-

lateur

classique poss6de

un mouvement determine

de

probabilité classique correspondante

semblable

a

(34’). Quant

a l’oscillateur

quantique,

pour E = El il aura une

probabilité

de

presence

de la

forme (34). Mais pour E * E¿

1’6quation

de l’oscil-

lateur n’a pas de solution, et a cette valeur de

1’energie

ne

correspond

aucune

probabilité,

done

rien ne

correspond

a la

probabilité classique.

Cet

exemple

montre que si la masse m a des valeurs

macroscopiques,

ou si m -> oo, on ne trouvera pas la

mecanique classique

comme cas

particulier

de

la mecamque

quantique.

Une des demonstrations souvent

employee

pour etablir le passage en

question

est celle du paquet d’onde, dont le mouvement imite celui d’un cor-

puscule classique. Supposons qu’on

ait forme Ie paquet

correspondant

a un oscillateur

harmonique

dans le cas ou sa masse et son

energie

ont des

valeurs de l’ordre des valeurs

classiques

corres- pondantes.

Compte

tenu de la

grande

masse du

corpuscule,

les dimensions du paquet,

qui

peuvent

etre

appr6ci6es

facilement, seront tres

petites.

Mais au cours du temps, comme il est bien connu, le paquet s’etale et le mouvement

qu’il

repre-

sente ressemblera de moins en moins au mouvement

(5)

classique x

= A sin wt, pour t sufflsamment

grand.

L’objection,

que pour un tel 6tat des choses on

doit attendre des dur6es de temps d’ordre astrono-

mique,

ce

qui

n’aurait pas de sens

pratique,

n’a pas de valeur demonstrative. En effet la

m6canique classique,

comme la

m6canique quantique aussi,

dans leurs

representations mathematiques,

corres-

pondent

a certaines abstractions de la réalité

qui,

une fois

faites,

doivent etre suivies

jusqu’au

bout.

Le temps dans ces deux theories est variable de

- oo a oo. Voila

pourquoi chaque

limitation de la variation du temps ou d’une autre

grandeur dyna- mique

est une

operation

arbitraire non

permise

en

mecanique quantique contemporaine.

(Si l’on pou- vait

l’accepter,

toutes les

divergences

en theories

des

champs

auraient tout de suite

disparu grace

a des limitations convenables aux variables corres-

pondantes.) L’exemple

considéré montre (et de

meme pour les autres cas

pareils) qu’a

1’aide d’un paquet d’onde on ne peut non

plus

r6aliser un

passage

mathematiquement rigoureux,

valable pour

chaque

valeur de t, de la

mecanique quantique

a la

mecanique classique.

Nous

ajouterons

encore la remarque suivante. Il suit de la formule de de

Broglie X

=

h;mv

que pour

une masse m

grande

on aura une

petite longueur ),

de

l’onde attachee, ce

qui

est necessaire pour le passage a la

m6canique classique.

Mais dans le cas de masse

assez

grande

(par

exemple m

= 1 g) choisissons sa vitesse v suffisamment

petite,

done

pratiquement

un

corpuscule

au repos. (On peut aussi bien rap-

porter le mouvement a un

systeme

d’inertie de vitesse v, ou la vitesse relative du

corpuscule

est

6gale

a zero, ce

qui

est un resultat tres banal de la

mecanique classique.)

Pour ce

corpuscule

clas-

sique

au repos, la

m6canique quantique

d6ter-

mine une onde de

longueur

illimitee (donc rem-

plissant 1’espace),

ce

qui

n’a aucun sens. Ces consi-

d6rations ramenent a la

pensee

que pour éviter de

pareilles consequences,

repr6sentant evidemment

des

paradoxes,

on doit determiner les limites de validite des formules de la

mecanique quantique

du cote de la

m6canique classique.

1b)

Rappelons

aussi

l’objection

connue d’Eins-

tein [1].

Supposons qu’un

electron passe par un orifice 0

perce

sur Fecran A derriere

lequel

sa

trouve un autre écran B de forme

spherique,

de

centre 0 et de rayon R (une

plaque photogra- phique).

La

description

du mouvement de 1’61ec-

tron entre 0 et B se fait a 1’aide de l’onde V dif- fract6e par 0, donnant la

probabilité

de presence

de 1’electron dans tout le domaine entre A et B

(c’est-a-dire l’ électron est virtuellement distribué dans tout

1’espace

derriere A). Mais si a un mo-

ment t == t1 une

experience

fixe 1’61ectron en un

point

C sur 1’6cran B, la

probabilité

de presence

devient instantanement l’unit6 aux environs de C et nulle partout ailleurs. (La destruction pour ainsi dire de l’onde T dans

1’espace

a lieu instantan6-

ment, done avec une vitesse

infinie.)

Mais bien

que nous connaissions surement la

position

de

1’61ectron au

point

C au moment t = t1, nous

n’aurions pas le droit d’affirmer

qu’en

des mo-

ments

qui precedent t,

1’electron aurait eu des

positions

certaines entre les

points

0 et C. Cela

doit avoir lieu pour des valeurs arbitrair3s du rayon R, donc pour des

experiences

tout a fait

macroscopiques

(meme

cosmologiques,

avec un

peu

plus d’imagination

de la part de l’observateur).

Une telle conclusion est en conflit non seulement

avec la

m6canique classique qui

a des échelles

pareilles

a le droit

légitime

d’etre consideree comme

valable. Elle contredit aussi toutes nos id6es

logiques

du mouvement. Une reponse satisfai-

sante a cette

objection

d’Einstein n’a pas ete donn6e

jusqu’a

present pour la

simple

raison

qu’elle

ne peut pas etre donn6e dans les cadres actuels de la

m6canique quantique.

1c) Un autre

exemple

interessant de telles diffi- cult6s est 1’oscillateur

harmonique

(et d’autres

problemes analogues aussi).

Soit 1’electron en mou- vement sur OX en

presence

du

potentiel

U =

kx2/2.

Admettons

qu’il

se trouve en etat stationnaire determine n

d’énergie

En = (n +

1/2)hv.

11 existe

alors une

probabilité

w(x) # 0,

quoique

tres

petite,

de trouver l’élactron a une distance

ixi

arbitraire

de 0. Si 1’61ectron est une

particule

de type clas-

sique

de

n’importe quelle

vitesse v (même avec

v =

0),

son

energie

y sera E y

U(x) = kX2/2.

Alors

on peut faire

l’énergie E fantastiquement grande

avec un choix de

lxl convenable ;

et en tout cas

E » En, bien que nous ayons admis que

Fenergie

totale est constante,

6gale A

l§. C’est une contra- diction,

qui

ne peut pas etre 6cart6e en utilisant les relations d’incertitude

[3],

ce

qui repr6sente

ici

une

operation

arbitraire. Elle est li6e a la

question

de 1’essence

physique

du

phenomene

en cause, entre autre a la

question

de la limite entre les domaines

d’application

de la

m6canique quantique

et

classique.

On peut donner encore

beaucoup d’exemples

de la nature des

precedents,

mais ceux

qui

ont ete

cites sont suffisants pour

prendre position

sur la

question

6tudi6e.

Remarque.

- En liaison avec le passage h --> 0

nous ferons encore la remarque suivante. Nous

avons montre

plus

haut que la substitution immé- diate h -> 0 dans

1’appareil

de la

m6canique

quan-

tique

ne conduit pas a la

m6canique classique.

Mais cela ne veut nullement dire que ce passage a la limite ne peut recevoir un sens si 1’on

impose

des conditions

mathematiques supplémentaires.

De telles recherches ont ete faites par MASLOV

[8]

qui

trouve un type de

representation

(en

élargis-

sant d’une mani6re convenable 1’espace L,), ou le

passage h -> 0 devient

rigoureusement

fond6 du

point

de vue

mathematique.

Ceci

cependant

est

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