Figura 1. O muscă neagră imaginată de un microscop electronic este la fel de monstruoasă ca orice creatură de science-fiction. (credit: U.S. Department of Agriculture via Wikimedia Commons)
Mecanica cuantică este ramura fizicii necesară pentru a se ocupa de obiectele submicroscopice. Deoarece aceste obiecte sunt mai mici decât cele pe care le putem observa direct cu simțurile noastre și, în general, trebuie observate cu ajutorul unor instrumente, unele părți ale mecanicii cuantice par la fel de străine și bizare ca și unele părți ale relativității. Dar, ca și relativitatea, mecanica cuantică s-a dovedit a fi validă – adevărul este adesea mai ciudat decât ficțiunea.
Figura 2. Atomii și substructura lor sunt exemple familiare de obiecte care necesită mecanica cuantică pentru a fi explicate pe deplin. Anumite caracteristici ale acestora, cum ar fi învelișurile discrete de electroni, sunt explicații ale fizicii clasice. În mecanica cuantică conceptualizăm „nori de electroni” discreți în jurul nucleului.
Certe aspecte ale mecanicii cuantice ne sunt familiare. Acceptăm ca un fapt că materia este compusă din atomi, cea mai mică unitate a unui element, și că acești atomi se combină pentru a forma molecule, cea mai mică unitate a unui compus. (A se vedea figura 2.) Deși nu putem vedea moleculele individuale de apă dintr-un curs de apă, de exemplu, suntem conștienți de faptul că acest lucru se datorează faptului că moleculele sunt atât de mici și atât de numeroase în acel curs de apă. Atunci când prezentăm atomii, spunem în mod obișnuit că electronii orbitează în jurul atomilor în învelișuri discrete în jurul unui mic nucleu, la rândul său compus din particule mai mici numite protoni și neutroni. Suntem, de asemenea, conștienți de faptul că sarcina electrică vine în unități minuscule purtate aproape în întregime de electroni și protoni. Ca și în cazul moleculelor de apă dintr-un curent, nu observăm sarcinile individuale în curentul care trece printr-un bec, deoarece sarcinile sunt atât de mici și atât de numeroase în situațiile macroscopice pe care le percepem direct.
Facerea de conexiuni: Tărâmurile fizicii
Fizica clasică este o bună aproximare a fizicii moderne în condițiile discutate pentru prima dată în volumul The Nature of Science and Physics. Mecanica cuantică este valabilă în general și trebuie folosită mai degrabă decât fizica clasică pentru a descrie obiecte mici, cum ar fi atomii.
Atomii, moleculele și sarcinile fundamentale ale electronilor și protonilor sunt toate exemple de entități fizice care sunt cuantificate – adică apar doar în anumite valori discrete și nu au toate valorile imaginabile. Cuantizat este opusul lui continuu. Nu putem avea o fracțiune de atom, sau o parte din sarcina unui electron, sau 14-1/3 cenți, de exemplu. Mai degrabă, totul este construit din multipli întregi ai acestor substructuri. Fizica cuantică este ramura fizicii care se ocupă de obiectele mici și de cuantificarea diferitelor entități, inclusiv a energiei și a momentului unghiular. La fel ca în cazul fizicii clasice, fizica cuantică are mai multe subdomenii, cum ar fi mecanica și studiul forțelor electromagnetice. Principiul corespondenței afirmă că, în limita clasică (obiecte mari, care se deplasează lent), mecanica cuantică devine identică cu fizica clasică. În acest capitol, începem dezvoltarea mecanicii cuantice și descrierea de către aceasta a ciudatei lumi submicroscopice. În capitolele ulterioare, vom examina multe domenii, cum ar fi fizica atomică și nucleară, în care mecanica cuantică este crucială.
.