Figur 1. En svart fluga som avbildas av ett elektronmikroskop är lika monstruös som vilken science fiction-varelse som helst. (kredit: U.S. Department of Agriculture via Wikimedia Commons)
Kvantmekanik är den gren av fysiken som behövs för att hantera submikroskopiska objekt. Eftersom dessa objekt är mindre än vad vi kan observera direkt med våra sinnen och i allmänhet måste observeras med hjälp av instrument, verkar delar av kvantmekaniken lika främmande och bisarra som delar av relativitetsteorin. Men liksom relativiteten har kvantmekaniken visat sig vara giltig – sanningen är ofta konstigare än fiktionen.
Figur 2. Atomer och deras understruktur är välkända exempel på objekt som kräver kvantmekanik för att förklaras fullständigt. Vissa av deras egenskaper, t.ex. de diskreta elektronskalen, är förklaringar inom den klassiska fysiken. I kvantmekaniken konceptualiserar vi diskreta ”elektronmoln” runt kärnan.
Vissa aspekter av kvantmekaniken är bekanta för oss. Vi accepterar som ett faktum att materia består av atomer, den minsta enheten i ett grundämne, och att dessa atomer kombineras för att bilda molekyler, den minsta enheten i en förening. (Se figur 2.) Även om vi till exempel inte kan se de enskilda vattenmolekylerna i en ström är vi medvetna om att detta beror på att molekylerna är så små och så många i strömmen. När vi presenterar atomer brukar vi säga att elektroner kretsar kring atomer i diskreta skal runt en liten kärna, som i sin tur består av mindre partiklar som kallas protoner och neutroner. Vi är också medvetna om att elektrisk laddning kommer i små enheter som nästan uteslutande bärs av elektroner och protoner. Precis som med vattenmolekyler i en ström märker vi inte enskilda laddningar i strömmen genom en glödlampa, eftersom laddningarna är så små och så många i de makroskopiska situationer som vi känner direkt.
Skapa samband: Den klassiska fysiken är en god approximation av den moderna fysiken under förhållanden som först diskuterades i The Nature of Science and Physics. Kvantmekaniken är giltig i allmänhet, och den måste användas snarare än den klassiska fysiken för att beskriva små objekt, t.ex. atomer.
Atomer, molekyler och grundläggande elektron- och protonladdningar är alla exempel på fysikaliska enheter som är kvantiserade – det vill säga att de bara förekommer i vissa diskreta värden och inte har alla tänkbara värden. Kvantiserad är motsatsen till kontinuerlig. Vi kan till exempel inte ha en bråkdel av en atom, eller en del av en elektrons laddning, eller 14-1/3 cent. Snarare är allting uppbyggt av integrerade multiplar av dessa substrukturer. Kvantfysik är den gren av fysiken som handlar om små objekt och kvantisering av olika enheter, inklusive energi och vinkelmoment. Precis som inom den klassiska fysiken har kvantfysiken flera delområden, t.ex. mekanik och studiet av elektromagnetiska krafter. Korrespondensprincipen säger att i den klassiska gränsen (stora, långsamt rörliga objekt) blir kvantmekaniken densamma som den klassiska fysiken. I det här kapitlet påbörjar vi utvecklingen av kvantmekaniken och dess beskrivning av den märkliga submikroskopiska världen. I senare kapitel kommer vi att undersöka många områden, t.ex. atom- och kärnfysik, där kvantmekaniken är avgörande.