Abbildung 1. Eine schwarze Fliege, die mit einem Elektronenmikroskop aufgenommen wurde, ist so monströs wie jede Science-Fiction-Kreatur. (credit: U.S. Department of Agriculture via Wikimedia Commons)
Die Quantenmechanik ist der Zweig der Physik, der für den Umgang mit submikroskopischen Objekten erforderlich ist. Da diese Objekte kleiner sind, als wir sie direkt mit unseren Sinnen wahrnehmen können, und im Allgemeinen mit Hilfe von Instrumenten beobachtet werden müssen, erscheinen Teile der Quantenmechanik ebenso fremd und bizarr wie Teile der Relativitätstheorie. Aber wie die Relativitätstheorie hat sich auch die Quantenmechanik als gültig erwiesen – die Wahrheit ist oft seltsamer als die Fiktion.
Abbildung 2. Atome und ihre Substruktur sind bekannte Beispiele für Objekte, die eine vollständige Erklärung durch die Quantenmechanik erfordern. Bestimmte ihrer Eigenschaften, wie die diskreten Elektronenschalen, sind Erklärungen der klassischen Physik. In der Quantenmechanik stellen wir uns diskrete „Elektronenwolken“ um den Atomkern vor.
Einige Aspekte der Quantenmechanik sind uns vertraut. Wir akzeptieren als Tatsache, dass die Materie aus Atomen besteht, der kleinsten Einheit eines Elements, und dass sich diese Atome zu Molekülen verbinden, der kleinsten Einheit einer Verbindung. (Siehe Abbildung 2.) Auch wenn wir die einzelnen Wassermoleküle in einem Fluss nicht sehen können, wissen wir, dass dies daran liegt, dass die Moleküle in diesem Fluss so klein und so zahlreich sind. Wenn wir Atome vorstellen, sagen wir üblicherweise, dass Elektronen die Atome in diskreten Schalen um einen winzigen Kern kreisen, der wiederum aus kleineren Teilchen, den Protonen und Neutronen, besteht. Wir wissen auch, dass die elektrische Ladung in winzigen Einheiten fast ausschließlich von Elektronen und Protonen getragen wird. Wie bei den Wassermolekülen in einem Strom bemerken wir auch beim Strom durch eine Glühbirne keine einzelnen Ladungen, weil die Ladungen in den makroskopischen Situationen, die wir direkt wahrnehmen, so klein und so zahlreich sind.
Verbindungen herstellen: Realms of Physics
Die klassische Physik ist eine gute Annäherung an die moderne Physik unter den Bedingungen, die zuerst im Buch The Nature of Science and Physics diskutiert wurden. Die Quantenmechanik ist allgemein gültig und muss anstelle der klassischen Physik verwendet werden, um kleine Objekte wie Atome zu beschreiben.
Atome, Moleküle und fundamentale Elektronen- und Protonenladungen sind Beispiele für physikalische Entitäten, die gequantelt sind – das heißt, sie treten nur in bestimmten diskreten Werten auf und haben nicht jeden denkbaren Wert. Quantisiert ist das Gegenteil von kontinuierlich. Wir können nicht einen Bruchteil eines Atoms, einen Teil der Ladung eines Elektrons oder beispielsweise 14-1/3 Cent haben. Vielmehr ist alles aus ganzzahligen Vielfachen dieser Teilstrukturen aufgebaut. Die Quantenphysik ist der Zweig der Physik, der sich mit kleinen Objekten und der Quantisierung verschiedener Größen, einschließlich Energie und Drehimpuls, beschäftigt. Wie in der klassischen Physik gibt es auch in der Quantenphysik mehrere Teilgebiete, wie z. B. die Mechanik und das Studium der elektromagnetischen Kräfte. Das Korrespondenzprinzip besagt, dass die Quantenmechanik im klassischen Grenzbereich (große, sich langsam bewegende Objekte) mit der klassischen Physik identisch ist. In diesem Kapitel beginnen wir mit der Entwicklung der Quantenmechanik und ihrer Beschreibung der seltsamen submikroskopischen Welt. In späteren Kapiteln werden wir viele Bereiche untersuchen, wie z. B. die Atom- und Kernphysik, in denen die Quantenmechanik von entscheidender Bedeutung ist.