Rysunek 1. Czarna mucha zobrazowana przez mikroskop elektronowy jest tak monstrualna, jak każde stworzenie science-fiction. (credit: U.S. Department of Agriculture via Wikimedia Commons)
Mechanika kwantowa jest gałęzią fizyki potrzebną do zajmowania się obiektami submikroskopowymi. Ponieważ obiekty te są mniejsze niż te, które możemy obserwować bezpośrednio za pomocą naszych zmysłów i generalnie muszą być obserwowane za pomocą instrumentów, części mechaniki kwantowej wydają się tak samo obce i dziwaczne jak części teorii względności. Ale, podobnie jak względność, mechanika kwantowa okazała się ważna – prawda jest często dziwniejsza od fikcji.
Rysunek 2. Atomy i ich podstruktura są dobrze znanymi przykładami obiektów, które wymagają pełnego wyjaśnienia mechaniki kwantowej. Niektóre z ich cech, takie jak dyskretne powłoki elektronowe, są wyjaśnieniami fizyki klasycznej. W mechanice kwantowej konceptualizujemy dyskretne „chmury elektronowe” wokół jądra.
Część aspektów mechaniki kwantowej jest nam znana. Przyjmujemy za fakt, że materia składa się z atomów, najmniejszej jednostki pierwiastka, i że atomy te łączą się ze sobą tworząc cząsteczki, najmniejszą jednostkę związku. (Patrz rysunek 2.) Chociaż na przykład nie widzimy poszczególnych cząsteczek wody w strumieniu, jesteśmy świadomi, że dzieje się tak dlatego, że cząsteczki są tak małe i tak liczne w tym strumieniu. Przedstawiając atomy, zwykle mówimy, że elektrony krążą wokół atomów w dyskretnych powłokach wokół maleńkiego jądra, które samo składa się z mniejszych cząsteczek zwanych protonami i neutronami. Wiemy również, że ładunek elektryczny występuje w maleńkich jednostkach przenoszonych prawie wyłącznie przez elektrony i protony. Podobnie jak w przypadku cząsteczek wody w strumieniu, nie zauważamy pojedynczych ładunków w prądzie płynącym przez żarówkę, ponieważ ładunki są tak małe i tak liczne w makroskopowych sytuacjach, które odczuwamy bezpośrednio.
Making Connections: Realms of Physics
Fizyka klasyczna jest dobrym przybliżeniem współczesnej fizyki w warunkach po raz pierwszy omówionych w The Nature of Science and Physics. Mechanika kwantowa obowiązuje w ogólności i musi być stosowana raczej niż fizyka klasyczna do opisu małych obiektów, takich jak atomy.
Atomy, cząsteczki i podstawowe ładunki elektronów i protonów są przykładami bytów fizycznych, które są skwantowane – to znaczy, że pojawiają się tylko w pewnych dyskretnych wartościach i nie mają każdej możliwej wartości. Kwantyzacja jest przeciwieństwem ciągłości. Nie możemy mieć ułamka atomu, części ładunku elektronu, czy na przykład 14-1/3 centa. Raczej wszystko jest zbudowane z integralnych wielokrotności tych podstruktur. Fizyka kwantowa to dziedzina fizyki zajmująca się małymi obiektami i kwantowaniem różnych bytów, w tym energii i pędu. Podobnie jak w przypadku fizyki klasycznej, fizyka kwantowa ma kilka poddziedzin, takich jak mechanika i badanie sił elektromagnetycznych. Zasada korespondencji mówi, że w granicy klasycznej (duże, wolno poruszające się obiekty) mechanika kwantowa staje się taka sama jak fizyka klasyczna. W tym rozdziale rozpoczynamy rozwój mechaniki kwantowej i jej opis dziwnego submikroskopowego świata. W późniejszych rozdziałach przeanalizujemy wiele dziedzin, takich jak fizyka atomowa i jądrowa, w których mechanika kwantowa jest kluczowa.