Kvántna mehánika je fizikalna znanost zelo majhnega. Pojasni obnašanje snovi in njenih interakcij z energijo na ravni atomov in osnovnih delcev. Za razliko od tega klasična fizika pojasni snov in energijo le na velikostih, ki so domače. Zgled je obnašanje astronomskih teles, na primer Lune. Klasična fizika se še vedno uporablja v moderni znanosti in tehnologiji. A proti koncu 19. stoletja so znanstveniki odkrili razne nepredvidljive pojave tako v velikem (makro) in majhnem (mikro) svetu, ki jih klasična fizika ni mogla razložiti. Da pa bi razrešili nejasnosti med temi pojavi, sta kasneje sledili dve največji revoluciji v fiziki, ki sta ustvarili dve novi veliki teoriji: teorijo relativnosti in teorijo kvantne mehanike.Kuhn, Thomas S. The Structure of Scientific Revolutions. Fourth ed. Chicago; London: The University of Chicago Press, 2012. Print. Članek opisuje, kako so fiziki odkrivali napake v klasični fiziki in izoblikovali glavni koncept kvantne teorije, ki je zamenjala staro teorijo. Opisuje koncepte v grobem vrstnem redu odkritja. Za bolj natančno zgodovino kvantne mehanike glej zgodovina kvantne mehanike.
Svetloba se v nekaterih pogledih obnaša kot delci, v nekaterih pogledih pa kot valovanje. Snov – »sestavnost« vesolja, ki je sestavljena iz delcev, kot so elektroni in atomi – se tudi obnaša kot valovanje. Nekateri viri svetlobe, kot so neonske luči, podajo le določene specifične frekvence svetlobe, majhen nabor različnih čistih barv, ki jih določa neonova atomska struktura. Kvantna mehanika pokaže, da prihaja svetloba, skupaj z ostalimi oblikami elektromagnetnega sevanja, v nezveznih enotah, imenovanih fotoni in napove njihove spektralne energije (ki so čiste barve) in jakosti svetlobnih žarkov. En foton je kvant, oziroma najmanjši opazljiv delec elektromagnetnega polja. Deleža fotona (npr. polovice) se ne da nikoli eksperimentalno opazovati. Širše rečeno, kvantna mehanika pokaže, da veliko značilnosti teles, kot so lega, hitrost in vrtilna količina, izgleda v klasični mehaniki zveznih. A če se poveča in približa pogled, se razkrije, da so te značilnosti kvantizirane. Takšne značilnosti osnovnih delcev morajo zavzeti eno izmed majhnih, nezveznih dovoljenih vrednosti. A ker so te razdalje med vrednostmi tako majhne, se teh značilnosti na makroskopskem svetu ne opazi.
Veliko spoznanj kvantne mehanike je protiintiutivnih in se lahko zdijo paradoksalna, saj opišejo obnašanje narave nekoliko drugače od videnega na večjih razdaljah. Z besedami fizika Richarda Feynmana, kvantna mehanika obravnava »naravo, takšno, kot je – absurdno«.
Na primer: načelo nedoločenosti kvantne mehanike pove, da vse bolj kot se bo točno izvedlo merjenje (kot lego delca), vse manj točno bo druga, komplementarna meritev, ki se nanaša na isti delec (kot njegova gibalna količina ali hitrost).
Drugi primer je kvantna prepletenost, kjer meritev delca, pri katerem sta možni le dve stanji (kot svetloba, polarizirana gor ali dol), narejena na kateremkoli izmed dveh »prepletenih« delcev, ki sta zelo daleč stran, povzroči, da bo merjenje na drugem delcu vedno obratno (kot polarizacija v obratni smeri).
Končni primer je supertekočnost, kjer tekoči helij v posodi, če se ga ohladi na skoraj absolutno ničlo, spontano (počasi) leze navzgor in skozi odprtino posode, kar je v nasprotju s splošnim gravitacijskim zakonom.
Prva kvantna teorija: Max Planck in sevanje črnega telesa
levo|sličica|Vroči kovinski izdelek. Rumenooranžen sij je viden v vidnem delu elektromagnetnega sevanja zaradi visoke temperature. Vse ostale stvari na sliki tudi sijejo, a manj močno, saj sijejo na večjih valovnih dolžinah, ki jih človeško oko ne zaznava. Infrardeča kamera te valovne dolžine lahko zazna.
Toplotno sevanje je elektromagnetno sevanje, ki ga seva površina telesa zaradi notranje energije telesa (toplote). Če je objekt dovolj vroč, začne oddajati sevanje v rdečem delu spektra in postane rdeče barve.
Še nadaljnje segrevanje povzroči, da se začne telesu barva spreminjati od rdeče proti rumeni, beli in modri, saj začne sevati v vse krajših valovnih dolžinah (višjih frekvencah). Popolno izsevno telo je tudi popolni absorber: ko je mrzel, izgleda popolnoma črn, ker absorbira vso svetlobo, ki pade nanj in ne seva ničesar. Zato idealno termalno sevalno telo imenujemo tudi črno telo, sevanje, ki ga oddaja, pa sevanje črnega telesa. sličica|Napovedi količine termalnega sevanja na različnih frekvencah, ki jih seva telo. Pravilne vrednosti, ki jih je predvidi Planckov zakon (zelena) je kot nekakšen kompromis med klasičnimi vrednostmi Rayleigh-Jeansovega približka (rdeča) in Wienovega približka (modra). V poznem 19. stoletju je bilo termalno sevanje zelo dobro opisano, tudi eksperimentalno.A number of formulae had been created that could describe some of the experimental measurements of thermal radiation: how the wavelength at which the radiation is strongest changes with temperature is given by Wien's displacement law, the overall power emitted per unit area is given by the Stefan–Boltzmann law. The best theoretical explanation of the experimental results was the Rayleigh–Jeans law, which agrees with experimental results well at large wavelengths (or, equivalently, low frequencies), but strongly disagrees at short wavelengths (or high frequencies). In fact, at short wavelengths, classical physics predicted that energy will be emitted by a hot body at an infinite rate. This result, which is clearly wrong, is known as the ultraviolet catastrophe. A klasična fizika je vodila do Rayleigh-Jeansovega približka, ki se je, kot na sliki, obnesel pri poskusih na nizkih frekvencah, a se je obnašal zelo nepravilno na višjih frekvencah. Fiziki so iskali enotno teorijo, ki bi opisala vse eksperimentalne rezultate.
Prvi model, ki je bil zmožen opisati polni spekter termalnega sevanja, je podal Max Planck leta 1900.This result was published (in German) as . English translation: Predlagal je matematični model, kjer bi bilo termalno sevanje v ravnotežju z množico harmoničnih oscilatorjev. Da bi opisal eksperimentalne rezultate je sklepal, da vsak oscilator seva le določeno naravno število enot energije, raje kot da seva katerokoli vrednost energije. Z drugimi besedami: energija, ki jo izvrže oscilator, je bila kvantizirana.The word quantum comes from the Latin word for "how much" (as does quantity). Something that is quantized, like the energy of Planck's harmonic oscillators, can only take specific values. For example, in most countries money is effectively quantized, with the quantum of money being the lowest-value coin in circulation. Mechanics is the branch of science that deals with the action of forces on objects. So, quantum mechanics is the part of mechanics that deals with objects for which particular properties are quantized. Kvant energije za vsak oscilator, po Plancku, je premo sorazmeren frekvenci oscilatorja; konstanta je sedaj znana kot Planckova konstanta. Planckova konstanta, največkrat označena s , ima vrednost 6,63 J s. Torej je energija oscilatorja s frekvenco podana z:
Za spremembo barve takšnega sevajočega telesa je nujno, da se spremeni njegova temperatura. Planckov zakon pove zakaj: če se poveča temperaturo telesa, to omogoči, da seva več energije nasploh, kar pomeni, da je večji delež energije na vijoličnem koncu spektra.
Planckov zakon je bil prva kvantna teorija v fiziki, za katerega je Planck leta 1918 dobil tudi Nobelovo nagrado za »napredek k fiziki, ki ga je ustvaril, ko je odkril energijske kvante«. Takrat je bil Planckov pogled popolnoma hevrističen matematičen konstrukt, ne pa tudi (kot se sedaj misli) osnovna sprememba v odkrivanju sveta.
Fotoni: kvantizacija svetlobe sličica|Albert Einstein 1905
Leta 1905 je Albert Einstein naredil velik korak. Predlagal je, da kvantizacija ni le matematična struktura, ampak da se energija v žarku svetlobe sešteva iz posameznih svetlobnih paketkov, imenovanih fotoni., translated into English as On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light . The term "photon" was introduced in 1926. Energija enega fotona svetlobe je izračunana kot zmnožek frekvence in Planckove konstante (zelo majhno pozitivno število):
Več stoletij so znanstveniki razglabljali o naravni svetlobe: je valovanje ali jo sestavlja tok majhnih delcev? Z 19. stoletjem je bil svet precej bolj naklonjen valovni teoriji svetlobe, saj je lahko pojasnila opazovane pojave, kot so lom, uklon, interferenca in polarizacija. James Clerk Maxwell je pokazal, da za elektriko, magnetizmom in svetlobo stoji isti pojav: elektromagnetno polje. Maxwellove enačbe, ki so popolni nabor zakonov klasičnega elektromagnetizma, opisuje svetlobo kot valovanje: kombinacija nihajoče elektrike in magnetnih polj. Zaradi naklonjenosti svetlobi, kot valovanju, so bile Einsteinove teorije sprejete z velikim neodobravanjem. A sčasoma je postal model s fotoni priljubljen. Eden bolj opaznih dokazov v njegovo prednost je zmožnost razložiti več spoznanj iz fotoelektričnega pojava, ki je opisan v naslednjem poglavju. A za popolno razumevanje narave je potrebna tudi valovna analogija, saj je ta ustrezno razložila ostale značilnosti svetlobe: uklon, lom in interferenco.
Fotoelektrični pojav
sličica|Svetloba (rdeče puščice, leva) seva na kovino. Če je frekvenca svetlobe dovolj velika (zadostna energija), potem so elektroni izvrženi (modre puščice, desna).
Leta 1887 je Heinrich Hertz opazoval, da ko svetloba z dovolj veliko frekvenco zadene kovinsko ploščo, površina odda elektrone. Leta 1902 je Philipp Lenard odkril, da je maksimalna možna energija izvrženega elektrona odvisna od frekvence svetlobe, ne od njene jakosti: če je frekvenca prenizka, ni izvržen niti eden elektron, ne glede na jakost. Močni žarki blizu rdečega dela spektra morda ne bodo proizvedli nič električne potencialne energije, toda šibki žarki blizu vijoličnega dela spektra lahko proizvedejo višje in višje napetosti. Najnižja frekvenca svetlobe, da izvrže elektrone, imenovana frekvenčni prag, je različna za vsako kovino posebej. To opazovanje je drugačno od klasičnega elektromagnetizma, ki napove, da je energija elektrona premo sorazmerna jakosti vpadne svetlobe. Torej, ko so fiziki prvič odkrili naprave, ki proizvedejo fotoelektrični pojav, so sprva pričakovali, da bo višja jakost svetlobe povzročila višjo napetost.
Einstein je ta pojav pojasnil tako, da je obravnaval žarek svetlobe kot curek delcev (»fotonov«) in torej, če je frekvenca žarka enaka , je energija vsakega fotona enaka . Foton lahko zadene elektron, na katerega nato prenese največ energije. Torej jakost žarka nima učinka, maksimalno energijo, ki pa se prenese na elektron, pa določa le frekvenca.
Da bi pojasnil ta pojav, je Einstein trdil, da potrebuje elektron določeno vrednost energije, imenovano delovna funkcija, označeno s , da odstrani elektron s kovine. Ta vrednost energije je za vsako kovino drugačna. Če je energija fotona manj kot delovna funkcija, potem ne prenaša dovolj energije za zbitje elektrona iz kovine. Mejna frekvenca je frekvenca fotona, katerega energija je enaka delovni funkciji:
Če je večji kot , potem je energija dovolj za odstranitev elektrona. Izvrženi elektron ima kinetično energijo , ki je največkrat enaka energiji fotona minus energiji, ki je potrebna za zbitje elektrona s kovine: