Kuva 1. Elektronimikroskoopilla kuvattu musta kärpänen on yhtä hirviömäinen kuin mikä tahansa scifi-olento. (luotto: U.S. Department of Agriculture via Wikimedia Commons)
Kvanttimekaniikka on fysiikan osa-alue, jota tarvitaan submikroskooppisten kohteiden käsittelyyn. Koska nämä kohteet ovat pienempiä kuin mitä voimme havaita suoraan aisteillamme ja niitä on yleensä havainnoitava instrumenttien avulla, kvanttimekaniikan osat tuntuvat yhtä vierailta ja oudoilta kuin suhteellisuusteorian osat. Mutta kuten suhteellisuusteoria, myös kvanttimekaniikka on osoittautunut päteväksi – totuus on usein fiktiota oudompaa.
Kuva 2. Atomit ja niiden alarakenne ovat tuttuja esimerkkejä kohteista, joiden täydellinen selittäminen edellyttää kvanttimekaniikkaa. Tietyt niiden ominaisuudet, kuten erilliset elektronikuoret, ovat klassisen fysiikan selityksiä. Kvanttimekaniikassa käsitteellistämme ytimen ympärillä olevat erilliset ”elektronipilvet”.
Kvanttimekaniikan tietyt piirteet ovat meille tuttuja. Hyväksymme tosiasiana, että aine koostuu atomeista, alkuaineen pienimmästä yksiköstä, ja että nämä atomit yhdistyvät muodostaen molekyylejä, yhdisteen pienintä yksikköä. (Ks. kuva 2.) Vaikka emme voi nähdä yksittäisiä vesimolekyylejä esimerkiksi purossa, olemme tietoisia siitä, että tämä johtuu siitä, että molekyylit ovat niin pieniä ja niin lukuisia kyseisessä purossa. Kun esittelemme atomeja, sanomme yleensä, että elektronit kiertävät atomeja erillisissä kuorissa pienen ytimen ympärillä, joka puolestaan koostuu pienemmistä hiukkasista eli protoneista ja neutroneista. Tiedämme myös, että sähkövaraus on pieninä yksikköinä, joita elektronit ja protonit kantavat lähes kokonaan. Kuten vesimolekyylejä virrassa, emme huomaa yksittäisiä varauksia hehkulampun läpi kulkevassa virrassa, koska varaukset ovat niin pieniä ja niin lukuisia suoraan aistimissamme makroskooppisissa tilanteissa.
Yhteyksien luominen: Realms of Physics
Klassinen fysiikka on hyvä approksimaatio modernista fysiikasta olosuhteissa, joita käsiteltiin ensimmäisen kerran The Nature of Science and Physics. Kvanttimekaniikka pätee yleisesti, ja sitä on käytettävä klassisen fysiikan sijasta kuvaamaan pieniä kohteita, kuten atomeja.
Atomit, molekyylit ja elektronin ja protonin perusvaraukset ovat kaikki esimerkkejä fysikaalisista entiteeteistä, jotka ovat kvantittuneita – eli ne esiintyvät vain tiettyinä diskreetteinä arvoina, eikä niillä ole kaikkia ajateltavissa olevia arvoja. Kvantisoitu on jatkuvan vastakohta. Meillä ei voi olla esimerkiksi murto-osaa atomista tai osaa elektronin varauksesta tai 14-1/3 senttiä. Pikemminkin kaikki rakentuu näiden osarakenteiden kokonaiskertoimista. Kvanttifysiikka on fysiikan haara, joka käsittelee pieniä kohteita ja erilaisten kokonaisuuksien, kuten energian ja kulmamomentin, kvantittumista. Kuten klassisessa fysiikassa, myös kvanttifysiikassa on useita osa-alueita, kuten mekaniikka ja sähkömagneettisten voimien tutkimus. Vastaavuusperiaatteen mukaan klassisessa raja-arvossa (suuret, hitaasti liikkuvat kappaleet) kvanttimekaniikka vastaa klassista fysiikkaa. Tässä luvussa aloitetaan kvanttimekaniikan kehittäminen ja sen kuvaus oudosta submikroskooppisesta maailmasta. Myöhemmissä luvuissa tarkastelemme monia alueita, kuten atomi- ja ydinfysiikkaa, joissa kvanttimekaniikalla on ratkaiseva merkitys.