Obrázek 1. Černá moucha zobrazená elektronovým mikroskopem je stejně obludná jako jakákoli vědeckofantastická bytost. (kredit: U.S. Department of Agriculture via Wikimedia Commons)
Kvantová mechanika je obor fyziky potřebný pro práci se submikroskopickými objekty. Protože tyto objekty jsou menší, než můžeme pozorovat přímo svými smysly, a zpravidla je musíme pozorovat pomocí přístrojů, zdají se části kvantové mechaniky stejně cizí a bizarní jako části teorie relativity. Ale stejně jako relativita se i kvantová mechanika ukázala jako platná – pravda je často podivnější než fikce.
Obrázek 2. Atomy a jejich substruktura jsou známým příkladem objektů, jejichž úplné vysvětlení vyžaduje kvantová mechanika. Některé jejich vlastnosti, například diskrétní elektronové obaly, jsou vysvětlitelné klasickou fyzikou. V kvantové mechanice si představujeme diskrétní „elektronová mračna“ kolem jádra.
Některé aspekty kvantové mechaniky jsou nám známé. Přijímáme jako fakt, že hmota se skládá z atomů, nejmenší jednotky prvku, a že tyto atomy se spojují do molekul, nejmenší jednotky sloučeniny. (Viz obrázek 2.) I když například nevidíme jednotlivé molekuly vody v proudu, jsme si vědomi, že je to proto, že molekuly jsou v tomto proudu tak malé a tak početné. Při představování atomů běžně říkáme, že elektrony obíhají kolem atomů v diskrétních slupkách kolem malého jádra, které se samo skládá z menších částic zvaných protony a neutrony. Jsme si také vědomi toho, že elektrický náboj přichází v malých jednotkách nesených téměř výhradně elektrony a protony. Stejně jako u molekul vody v proudu nevnímáme jednotlivé náboje v proudu procházejícím žárovkou, protože náboje jsou tak malé a v makroskopických situacích, které přímo vnímáme, tak početné.
Vytváření souvislostí:
Klasická fyzika je dobrou aproximací moderní fyziky za podmínek, které byly poprvé probrány v knize Povaha vědy a fyziky. Kvantová mechanika platí obecně a pro popis malých objektů, jako jsou atomy, se musí používat spíše než klasická fyzika.
Atomy, molekuly a základní náboje elektronů a protonů jsou příklady fyzikálních entit, které jsou kvantované – to znamená, že se vyskytují pouze v určitých diskrétních hodnotách a nemají všechny myslitelné hodnoty. Kvantovaný je opakem spojitého. Nemůžeme mít například zlomek atomu nebo část náboje elektronu nebo 14-1/3 centu. Vše je spíše sestaveno z integrálních násobků těchto dílčích struktur. Kvantová fyzika je odvětví fyziky, které se zabývá malými objekty a kvantováním různých entit, včetně energie a momentu hybnosti. Stejně jako klasická fyzika má i kvantová fyzika několik podoborů, například mechaniku a studium elektromagnetických sil. Princip korespondence říká, že v klasické limitě (velké, pomalu se pohybující objekty) se kvantová mechanika stává stejnou jako klasická fyzika. V této kapitole začneme s vývojem kvantové mechaniky a jejím popisem zvláštního submikroskopického světa. V dalších kapitolách se budeme zabývat mnoha oblastmi, například atomovou a jadernou fyzikou, v nichž má kvantová mechanika zásadní význam.