1. ábra. Az elektronmikroszkóppal leképezett fekete légy olyan szörnyű, mint bármelyik sci-fi lény. (credit: U.S. Department of Agriculture via Wikimedia Commons)
A kvantummechanika a fizikának az az ága, amely a szubmikroszkopikus objektumok kezeléséhez szükséges. Mivel ezek az objektumok kisebbek annál, mint amit közvetlenül érzékszerveinkkel megfigyelhetünk, és általában műszerek segítségével kell megfigyelni őket, a kvantummechanika egyes részei ugyanolyan idegennek és bizarrnak tűnnek, mint a relativitáselmélet egyes részei. De a relativitáselmélethez hasonlóan a kvantummechanikáról is bebizonyosodott, hogy érvényes – az igazság gyakran furcsább, mint a fikció.
2. ábra. Az atomok és szubstruktúrájuk jól ismert példái azoknak a tárgyaknak, amelyek teljes megmagyarázásához a kvantummechanikára van szükség. Bizonyos tulajdonságaik, mint például a diszkrét elektronhéjak, klasszikus fizikai magyarázatok. A kvantummechanikában az atommag körül diszkrét “elektronfelhőket” fogalmazunk meg.
A kvantummechanika bizonyos aspektusai ismerősek számunkra. Tényként fogadjuk el, hogy az anyag atomokból, az elemek legkisebb egységeiből áll, és hogy ezek az atomok egyesülve molekulákat, a vegyületek legkisebb egységét alkotják. (Lásd a 2. ábrát.) Bár például egy patakban nem látjuk az egyes vízmolekulákat, tisztában vagyunk vele, hogy ez azért van, mert a molekulák olyan kicsik és olyan sokan vannak a patakban. Az atomok bemutatásakor általában azt mondjuk, hogy az elektronok különálló héjakban keringenek az atomok körül egy apró mag körül, amely maga is kisebb részecskékből, protonokból és neutronokból áll. Azzal is tisztában vagyunk, hogy az elektromos töltés apró egységekben érkezik, amelyeket szinte teljes egészében elektronok és protonok hordoznak. Akárcsak a vízmolekulák esetében egy áramlatban, a villanykörtén áthaladó áramban sem veszünk észre egyedi töltéseket, mert a töltések olyan kicsik és olyan nagy számban vannak jelen az általunk közvetlenül érzékelt makroszkopikus helyzetekben.
Kapcsolatok létrehozása: A fizika birodalmai
A klasszikus fizika jó közelítése a modern fizikának olyan feltételek mellett, amelyeket először A tudomány és a fizika természete című könyvben tárgyaltak. A kvantummechanika általánosságban érvényes, és a klasszikus fizika helyett inkább azt kell használni a kis objektumok, például az atomok leírására.
Az atomok, a molekulák és az alapvető elektron- és protontöltések mind olyan fizikai entitások példái, amelyek kvantáltak – vagyis csak bizonyos diszkrét értékekben jelennek meg, és nem minden elképzelhető értékük van. A kvantált a folytonos ellentéte. Nem rendelkezhetünk például egy atom töredékével, vagy egy elektron töltésének egy részével, vagy 14-1/3 centtel. Inkább minden ezen részstruktúrák integrális többszöröseiből épül fel. A kvantumfizika a fizikának az az ága, amely a kis objektumokkal és a különböző entitások, köztük az energia és a szögimpulzus kvantálásával foglalkozik. A klasszikus fizikához hasonlóan a kvantumfizikának is több részterülete van, például a mechanika és az elektromágneses erők vizsgálata. A megfelelési elv szerint a klasszikus határértékben (nagy, lassan mozgó objektumok) a kvantummechanika megegyezik a klasszikus fizikával. Ebben a fejezetben kezdjük a kvantummechanika fejlődését és a különös szubmikroszkopikus világ leírását. A későbbi fejezetekben számos olyan területet fogunk megvizsgálni, például az atom- és atomfizikát, amelyekben a kvantummechanika kulcsfontosságú.