Mecanica cuantică (sau Teoria cuantică) este o știință a fizicii care se ocupă cu comportamentul materiei și a energiei la scară atomică și a particulelor subatomice / undelor.Particulele și undele sunt același lucru; sau mai degrabă, ceea ce considerăm ca fiind "particule" prezintă proprietățile atât ale "particulelor" cât și ale "undelor", în funcție de modul în care ele sunt observate. Acest concept se numește dualismul undă-particulă. Mecanica cuantică este esențială în înțelegerea forțelor fundamentale din natură cu excepția gravitației.

Mecanica cuantică stă la baza mai multor discipline înrudite, incluzând fizica materiei condensate, electromagnetism, fizica particulelor sau parțial al cosmologiei și este instrumentul principal de investigare în biologia structurală. Tot ea stă la baza explicării proprietăților chimice ale atomilor. În cadrul ștințelor inginerești, mecanica cuantică joacă un rol foarte important în dezvoltarea nanotehnologiei si electronicii.

Bazele mecanicii cuantice au fost puse la începutul secolului 20 de ideile inovatoare ale lui Max Planck și Niels Bohr. Termenul "mecanică cuantică" a fost inventat de către Max Born în 1924. Acceptarea mecanicii cuantice de către marea colectivitate a fizicienilor s-a realizat datorită acurateții predicțiilor sale asupra comportamentului sistemelor fizice, incluzând sisteme pentru care Mecanica Newtoniană eșuează. Chiar și relativitatea generală are limitări—în moduri în care mecanica cuantică nu le are—în sistemele care descriu structura materiei la nivel atomic sau mai scăzut, cu nivele ale energiei foarte joase sau forte înalte, sau cele aflate la temperaturi extrem de mici. De-a lungul unui secol de experiențe și știință aplicată, mecanica cuantică s-a dovedit a fi acurată.

Privire generală

Impasul Către finalul secolului al XIX-lea părea că fizica devenise aproape perfectă, însă apoi teoria acceptată a început să genereze paradox după paradox fapt ce a dus la modificări radicale ale concepțiilor legate de fundamentele fizicii. Modelul după care oamenii explicau fenomenele ce aveau loc la scara lor de spațiu și de timp eșua în a explica fenomenele ce au loc la scară foarte mică, foarte mare sau cele care au loc cu o viteză extrem de ridicată. Modul de a privi universul prin ochii unui observator uman obișnuit a fost transformat în observații și teorii care preziceau corect fenomene care explicate prin fizica clasică generau rezultate imposibile. Însă astfel s-a creat imaginea unui univers care intra puternic în contradicție cu tot ceea ce oamenii știau până atunci.

La nivelul macrocosmosului, teoria relativității le-a arătat oamenilor că timpul nu se scurge cu aceași viteză pentru toți observatorii, că materia poate fi transformată în energie și vice-versa, că două obiecte care fiecare se mișcă cu o viteză mai mare decât jumătate din viteza luminii nu se pot apropia unul de altul cu o viteză egală sau mai mare decât viteza luminii, că timpul se scurge mult mai încet în apropierea obiectelor masive, etc. Lucrurile în univers pur și simplu nu funcționează în modul în care experiențele noastre cotidiene ne fac să credem ci într-un mod cu totul diferit.

La nivelul microcosmosului, surprizele sunt și mai multe. Un obiect precum un foton sau un electron nu au o locație precisă sau o traiectorie detectabilă între punctul în care au fost emise și punctul în care au fost detectate. Punctele în care astfel de particule pot fi detectate nu sunt cele la care ne-am aștepta în conformitate cu experiența noastră de zi cu zi. Există o probabilitate destul de mică (dar nu nulă!) ca punctul de detectare să se găsească de cealaltă parte a unei bariere solide. Probabilitatea se dovedește a juca un rol extrem de important în toate interacțiunile care au loc la această scară. Traiectoria oricărui obiect de nivel atomic este extrem de neclară în sensul în care orice măsurătoare efectuată cu intenția de a afla poziția unei particule face ca informațiile despre viteza sa să devină foarte nesigure și vice-versa.

În epoca fizicii clasice, Newton și discipolii săi credeau că lumina este constituită din particule în vreme ce alții credeau că lumina este de fapt o serie de fronturi de undă care se propagă printr-un mediu anume. Încercând să descopere un experiment care să dovedească că una dintre cele două opinii este cea corectă, fizicienii au învățat că efectuând un experiment destinat să studieze frecvența luminii sau alte caracteristici "de undă" dovedesc natura sa ondulatorie și că efectuând un experiment destinat să studieze momentul său sau alte caracteristici ale particulelor dovedesc natura sa materială. Mai mult, obiecte de mărimea unui atom sau chiar unele molecule, și-au dovedit natura lor "de undă" atunci când experimentele au fost realizate într-un mod anume.

Cei mai renumiți dintre fizicieni au avertizat că dacă va fi imaginată o explicație a mecanicii cuantice care să aibă sens, atunci acea explicație e foarte probabil să fie imperfectă.

Cum s-a ajuns în impas Primii cercetători erau împărțiți în explicațiile lor despre natura fundamentală a ceea ce azi denumim radiația electromagnetică. Unii susțineau că lumina și alte frecvențe ale radiației electromagnetice sunt compuse din particule, în timp ce alții afirmau că radiația electromagnetică este un fenomen ondulator. În fizica clasică aceste idei sunt mutual contradictorii. Încă din primele zile ale mecanicii cuantice, oamenii de știință au înțeles că nici una dintre concepții prin ea însăși nu poate explica radiația electromagnetică.

În 1690, Christiaan Huygens a explicat legile reflecției și refracției pe baza teoriei undelor.Principiul lui Huygens este explicat în Optics, a lui Francis Weston Sears, Addison-Wesley, 1949, pp. 5f. </ref> Sir Isaac Newton credea că lumina se compune din niște particule infinitezimale pe care el le-a denumit "corpusculi". În 1827 Thomas Young și Augustin Fresnel au efectuat câteva experimente asupra interferențelor care au arătat că o teorie prin care lumina este tratată ca și corpuscul este nepotrivită. Atunci în 1873 James Clerk Maxwell a demonstrat că făcând un circuit electric să oscileze este posibilă crearea de unde electromagnetice. Teoria sa face posibilă calcularea vitezei radiației electromagnetice bazându-se doar pe măsurători electrice și magnetice iar valoarea calculată este foarte asemănătoare cu măsurătorile empirice ale vitezei luminii.Sears, Optics, p. 2f. În 1888, Heinrich Hertz a construit un dispozitiv electric care produce ceea ce azi denumim microunde — care sunt în esență radiație electromagnetică la o frecvență mai mică decât cea a luminii vizibile.Vezi Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, Volumul 36, Ediția 5, pp 830-858. ISSN:0018-9480 Totul până la acel moment sugera că Newton a greșit cu totul atunci când a presupus că lumina e formată din corpusculi.

Experimente ulterioare au arătat că un model bazat pe pachete de energie sau un model cuantic este necesar pentru a explica unele fenomene. Atunci când lumina lovește un conductor electric face ca electronii să se deplaseze din pozițiile lor originale. Fenomenul poate fi explicat doar presupunând că lumina transportă energie doar în pachete bine definite. Într-un dispozitiv fotoelectric precum senzorul de lumină dintr-o cameră foto, lumina care cade pe detectorul metalic face ca electronii să se deplaseze. Cu cât intensitatea razelor de lumină de aceași frecvență crește cu atât mai mulți electroni se deplasează, însă ei nu se vor deplasa mai rapid. Prin contrast, o frecvență crescută a razelor de lumină va face ca electronii să se miște mai repede. De aceea, intensitatea luminii controlează curentul electric, iar frecvența luminii controlează tensiunea electrică. Aceste observații creează o contradicție când sunt comparate cu undele sonore și undele oceanice la care doar cunoașterea intensității este suficientă pentru a prezice energia unei unde. În cazul luminii, frecvența e cea care pare să prezică energia. Era nevoie de ceva care să explice acest fenomen și să pună de acord rezultatele experimentelor care arătau că lumina are caracter corpuscular cu cele care arătau că are caracter de undă.