Figuur 1. Een zwarte vlieg, afgebeeld door een elektronenmicroscoop, is net zo monsterlijk als elk ander sciencefictionwezen. (credit: U.S. Department of Agriculture via Wikimedia Commons)
Kwantummechanica is de tak van de natuurkunde die nodig is om met submicroscopische objecten om te gaan. Omdat deze objecten kleiner zijn dan wij direct met onze zintuigen kunnen waarnemen en over het algemeen met behulp van instrumenten moeten worden waargenomen, lijken delen van de kwantummechanica even vreemd en bizar als delen van de relativiteit. Maar, net als de relativiteit, is aangetoond dat de kwantummechanica geldig is – de waarheid is vaak vreemder dan fictie.
Figuur 2. Atomen en hun substructuren zijn bekende voorbeelden van objecten waarvoor een volledige verklaring van de kwantummechanica nodig is. Bepaalde van hun kenmerken, zoals de discrete elektronenschillen, zijn verklaringen uit de klassieke natuurkunde. In de kwantummechanica conceptualiseren wij discrete “elektronenwolken” rond de kern.
Zekere aspecten van de kwantummechanica zijn ons bekend. Wij aanvaarden als feit dat materie bestaat uit atomen, de kleinste eenheid van een element, en dat deze atomen combineren tot moleculen, de kleinste eenheid van een verbinding. (Zie figuur 2.) Hoewel wij bijvoorbeeld de afzonderlijke watermoleculen in een stroom niet kunnen zien, zijn wij ons ervan bewust dat dit komt doordat de moleculen in die stroom zo klein en zo talrijk zijn. Wanneer we atomen introduceren, zeggen we gewoonlijk dat elektronen rond atomen draaien in discrete schillen rond een kleine kern, die zelf is samengesteld uit kleinere deeltjes, protonen en neutronen genaamd. Wij weten ook dat de elektrische lading bestaat uit kleine eenheden die bijna volledig door elektronen en protonen worden gedragen. Net als bij watermoleculen in een stroom, merken we geen individuele ladingen op in de stroom door een gloeilamp, omdat de ladingen zo klein en zo talrijk zijn in de macroscopische situaties die we direct waarnemen.
Making Connections: Realms of Physics
De klassieke natuurkunde is een goede benadering van de moderne natuurkunde onder omstandigheden die voor het eerst besproken zijn in de The Nature of Science and Physics. De kwantummechanica is algemeen geldig, en moet in plaats van de klassieke natuurkunde worden gebruikt om kleine objecten, zoals atomen, te beschrijven.
Atomen, moleculen, en fundamentele ladingen van elektronen en protonen zijn allemaal voorbeelden van fysische entiteiten die gekwantiseerd zijn – dat wil zeggen dat ze alleen in bepaalde discrete waarden voorkomen en niet elke denkbare waarde hebben. Gekwantiseerd is het tegendeel van continu. We kunnen geen fractie van een atoom hebben, of een deel van de lading van een elektron, of 14-1/3 cent, bijvoorbeeld. Integendeel, alles is opgebouwd uit integrale veelvouden van deze substructuren. Kwantumfysica is de tak van de natuurkunde die zich bezighoudt met kleine objecten en de kwantisering van verschillende entiteiten, waaronder energie en impulsmoment. Net als de klassieke natuurkunde kent de kwantumfysica verschillende deelgebieden, zoals mechanica en de studie van elektromagnetische krachten. Het correspondentieprincipe stelt dat in de klassieke limiet (grote, langzaam bewegende objecten), de kwantummechanica gelijk wordt aan de klassieke natuurkunde. In dit hoofdstuk beginnen we met de ontwikkeling van de kwantummechanica en haar beschrijving van de vreemde submicroscopische wereld. In latere hoofdstukken zullen wij vele gebieden onderzoeken, zoals atoom- en kernfysica, waarin de kwantummechanica van cruciaal belang is.