Figur 1. En sort flue afbilledet af et elektronmikroskop er lige så uhyrlig som ethvert science fiction-væsen. (credit: U.S. Department of Agriculture via Wikimedia Commons)
Kvantemekanik er den gren af fysikken, der er nødvendig for at beskæftige sig med submikroskopiske objekter. Fordi disse objekter er mindre, end vi kan observere direkte med vores sanser, og generelt skal observeres ved hjælp af instrumenter, virker dele af kvantemekanikken lige så fremmed og bizar som dele af relativitetsteorien. Men ligesom relativitetsteorien har kvantemekanikken vist sig at være gyldig – sandheden er ofte mærkeligere end fiktion.
Figur 2. Atomer og deres understruktur er velkendte eksempler på objekter, som kræver kvantemekanikken for at blive fuldt forklaret. Visse af deres karakteristika, som f.eks. de diskrete elektronskaller, kan forklares med klassisk fysik. I kvantemekanikken konceptualiserer vi diskrete “elektronskyer” omkring atomkernen.
Visse aspekter af kvantemekanikken er velkendte for os. Vi accepterer som en kendsgerning, at stof består af atomer, den mindste enhed i et grundstof, og at disse atomer kombineres for at danne molekyler, den mindste enhed i en forbindelse. (Se figur 2.) Selv om vi f.eks. ikke kan se de enkelte vandmolekyler i en strøm, er vi klar over, at det skyldes, at molekylerne er så små og så talrige i den pågældende strøm. Når vi præsenterer atomer, siger vi almindeligvis, at elektroner kredser om atomerne i diskrete skaller omkring en lille kerne, der selv består af mindre partikler kaldet protoner og neutroner. Vi er også klar over, at elektrisk ladning kommer i små enheder, der næsten udelukkende bæres af elektroner og protoner. Ligesom med vandmolekyler i en strøm lægger vi ikke mærke til individuelle ladninger i strømmen gennem en pære, fordi ladningerne er så små og så talrige i de makroskopiske situationer, som vi fornemmer direkte.
Sammenhænge: Fysikkens områder
Klassisk fysik er en god tilnærmelse til moderne fysik under forhold, der først blev diskuteret i The Nature of Science and Physics. Kvantemekanikken gælder generelt, og den skal bruges frem for den klassiske fysik til at beskrive små objekter, såsom atomer.
Atomer, molekyler og fundamentale elektron- og protonladninger er alle eksempler på fysiske enheder, der er kvantiserede – det vil sige, at de kun optræder i bestemte diskrete værdier og ikke har alle tænkelige værdier. Kvantiseret er det modsatte af kontinuert. Vi kan f.eks. ikke have en brøkdel af et atom, eller en del af en elektrons ladning, eller 14-1/3 cent. Alt er snarere opbygget af integrerede multipla af disse understrukturer. Kvantefysik er den gren af fysikken, der beskæftiger sig med små objekter og kvantisering af forskellige enheder, herunder energi og vinkelbevægelse. Ligesom inden for den klassiske fysik har kvantefysikken flere underområder, f.eks. mekanik og studiet af elektromagnetiske kræfter. Korrespondanceprincippet siger, at i den klassiske grænse (store, langsomt bevægelige objekter) bliver kvantemekanikken den samme som den klassiske fysik. I dette kapitel begynder vi udviklingen af kvantemekanikken og dens beskrivelse af den mærkelige submikroskopiske verden. I senere kapitler vil vi undersøge mange områder, f.eks. atom- og kernefysik, hvor kvantemekanikken er afgørende.