Gibanje. Na prvi pogled, nešto veoma neinteresantno i trivijalno. Ljudi su proučavali gibanje tisućama godina, ali tek su ga 1687., kada je Isaac Newton formulirao svoja tri zakona, počeli dublje razumjeti. Newtonovi zakoni gibanja bili su toliko izvan svoga vremena da neki fizičari današnjice i dalje smatraju Newtona revolucionarom svih vremena. No čak ni Newtonovi zakoni nisu savršeni, pa se 1905. pojavila posebna teorija relativnosti, koja izvrsno opisuje gibanja predmeta jako velikim brzinama, koju je formulirao Albert Einstein. No još se jedna teorija počela razvijati u to vrijeme. Teorija koja je iz temelja promijenila naš doživljaj stvarnosti. 1900. godine, polegnut je kamen temeljac kvantne mehanike.

Kvantna mehanika bavi se predmetima iz takozvanog mikrosvijeta, poput čestica i atoma, koji se ne ponašaju poput predmeta “klasičnih” proporcija iz takozvanog makrosvijeta kakve obično susrećemo te ih klasična fizika niti ne može opisati.

Ako se u bilo kojem trenutku budete mučili da shvatite neki neobični fenomen, ne brinite, niste jedini. Richard Feynman, jedan od najvećih znanstvenika kvantne mehanike, jednom je rekao:

Podrijetlo kvantne mehanike

Kvantizacija energije

Ova se rečenica često pripisuje slavnom škotskom fizičaru Williamu Thomsonu (poznatijem pod imenom Lord Kelvin). On vjerojatno nikad nije izrekao te riječi, ali taj citat nesumnjivo prikazuje mišljenje fizičara s početka 20. stoljeća. Teorije klasične fizike ispitane su mnogo puta i činilo se kako adekvatno opisuju stvarnost. Tek se kasnije, kad su se te teorije počele redom raspadati, shvatilo koliko je Thomson bio u krivu. Prvi fenomen koji klasična fizika nije uspjela objasniti zove se zračenje crnog tijela. alt=|mini|Vruća kovinaNarančasta boja je dio toplinskog elektromagnetskog zračenja koje se emitira zbog visoke temperature. Sve ostalo na slici također emitira elektromagnetsko zračenje, no na frekvencijama koje ljudsko oko ne vidi. Kamera osjetljiva na daleko-infracrveni spektar može detektirati i to zračenje. Kako bismo razumjeli taj fenomen moramo znati da sva tijela u svemiru emitiraju energiju u obliku elektromagnetskog zračenja (svjetla). Količina energije koju tijelo emitira ovisi o više faktora, kao što su npr. temperatura ili boja tijela. Što je veća temperatura tijela, veća je i prosječna frekvencija (i time energija) svjetla koje to tijelo emitira. Razlog zašto ne vidimo svjetlo je taj što tijela pri sobnoj temperaturi najčešće emitiraju svjetlo s infracrvenog kraja spektra koje golo oko ne može percipirati. Metali emitiraju vidljivu svjetlost pri taljenju, kad im temperatura dostigne nekoliko stotina stupnjeva Celzijevih, što nam omogućuje da ih vidimo kako svijetle.

Fizičari 19. stoljeća pokušali su ustanoviti spektralni sastav kojeg tijelo emitira u odnosu na temperaturu. Kako bi im to uspjelo, koristili su pojednostavljeni model tijela – crno tijelo. Crno tijelo je hipotetsko tijelo koje mora ispunjavati sljedeća dva uvjeta:

Crno tijelo apsorbira sve elektromagnetsko zračenje koje ga pogodi (druga tijela apsorbiraju samo određeni dio cijelog spektra, a ostatak reflektiraju). Crno tijelo mora ostati u temperaturnoj ravnoteži s okolinom (tj. mora imati istu temperaturu kao i druga tijela u istom sustavu).

Ovi uvjeti osiguravaju da spektar koji crno tijelo emitira određuje samo njegova temperatura. Međutim, kada su fizičari pokušali utvrditi sastav takvog spektra pomoću klasične fizike, dobiveni rezultat se uopće nije podudarao sa stvarnošću.

Prema klasičnoj fizici, crno tijelo će emitirati istu količinu svjetla svake frekvencije. Međutim, što je veća frekvencija svjetlosti, više energije svjetlo ima. Crno bi tijelo stoga emitiralo beskonačne količine energije u obliku visoke frekvencije zračenja. To, međutim, ima strašne posljedice - klasična fizika time u osnovi navodi da bi apsolutno svaki predmet u svemiru trebao odjednom emitirati svu svoju energiju u obliku ultraljubičastog svjetla. Srećom, svemir ne radi na taj način jer u suprotnom ne bi bilo nas.

Ta spoznaja bila je velika prekretnica za razvoj moderne znanosti. Fizičari su napokon, nevoljko, bili prisiljeni priznati da je klasična teorija jednostavno u krivu. Danas imamo prikladan naziv za ovaj veliki neuspjeh klasične fizike – ultraljubičasta katastrofa.

Kvantiziranjem energije harmoničkih oscilatora, njemački fizičar Max Planck je riješio problem zračenja crnog tijela te je rješenje 14. prosinca 1900. godine predstavio članovima Njemačkog fizikalnog društva. Ovaj se datum često uzima kao početak kvantne mehanike jer je tada po prvi puta kvantizirana neka fizikalna veličina. Planck je došao na ideju da tijela ne emitiraju stalno elektromagnetsko zračenje, već emitiraju malene „paketiće“ – kvante.

Veličina kvanta definirana je Planckovom jednadžbom: (h=6.626⋅10−34 Js)

Elektromagnetski val se u suštini može shvatiti kao set vrlo malih „paketića“ energije (kvanta) čija ukupna energija određuje energiju samog vala.

Veličina kvanta određena je za svaku frekvenciju. Iz gornje jednadžbe očito je da je zračenje više frekvencije sastavljeno od većih kvanta nego zračenje niže frekvencije. Ovo rješava problem zračenja crnog tijela – crnom tijelu je sve teže emitirati zračenje viših frekvencija jer ne može “nahraniti” kvante visokih energija, pa se drži niskoenergeskog svjetla. Kvantizacija energije je tek uvod u cijeli novi svijet fizike. Ona predstavlja temeljno pravilo u kvantnoj mehanici.

Bohrov model atoma desno|mini|250x250px|Bohrov model atoma koji prikazuje najveći broj elektrona po ljuskama.

Zamislite da imate predmet koji počnete dijeliti na sve manje i manje komadiće. Biste li mogli predmet tako dijeliti zauvijek, ili biste došli do čudesnih, nedjeljivih građevnih tvari? Već su starogrčki mislioci tražili odgovor na to pitanje i došli do točnog zaključka: sva tvar u svemiru sačinjena je od vrlo malih "zrna" koje su nazvali atomima (grč. atomos = nedjeljiv).

Kasnije, kad su znanstvenici navodno otkrili te gradivne tvari, preuzeli su grčki naziv. Tada je otkriveno kako atomi nisu nedjeljivi, nego se sastoje od još manjih tvari: pozitivno nabijenih protona, negativno nabijenih elektrona i nenabijenih neutrona. Međutim, postojala je određena nesigurnost u vezi atomske strukture, koju su fizičari s početka 20. stoljeća pokušavali razriješiti.

Godine 1911., Ernest Rutherford je predložio tzv. planetarni model atoma. Prema tom modelu, svaki atom se sastoji od pozitivno nabijene jezgre oko koje kruže negativno nabijeni elektroni poput planeta oko zvijezde. Međutim, ovaj model ima jednu veliku manu – kada bi se atomi ponašali sukladno modelu bili bi iznimno nestabilni jer bi elektroni emitirali svu svoju energiju zbog stalnog ubrzanja te bi gotovo odmah upali u jezgru.

Danski fizičar Niels Bohr 1913. godine predstavio je svoj model atoma. Bohrov model je veoma sličan Rutherfordovom planetarnom modelu, međutim, Bohr je utvrdio tri pravila kojih se potrebno strogo držati kako bi atom ostao stabilan:

Elektroni kruže oko jezgre prateći kružne orbitale bez emisije svjetla Orbitale nisu na proizvoljnim udaljenostima od jezgre, već na „dozvoljenim“ energetskim razinama koje su višekratnici reducirane Planckove konstante (reducirana Planckova konstanta ima vrijednost Planckove konstante podijeljene s 2π). Iz ovog fenomena vidljivo je kako se kvantizacija može primijeniti i na predmete koji imaju masu (u ovom slučaju elektroni) Elektroni mogu skakati s jedne orbitale na drugu. Kad skače s orbitale niže energije na orbitalu više energije elektron absorbira kvant svjetlosti. Ovaj se proces naziva uzbuđenje (ekscitacija). Elektroni koji su prešli na višu orbitalu nazivaju se uzbuđenim elektronima. Suprotno tome, kad elektron skoči na orbitalu niže energije, on otpušta kvant svjetlosti. Elektroni koji su na svojoj osnovnoj razini su u osnovnom stanju mini|Emisijske spektralne linije vodika. Kad je pobuđen energijom, atom vodika emitira kvante elektromagnetskog zračenja (svjetlosti) u ovim valnim duljinama (kao i u brojnim valnim duljinama infracrvenog i ultraljubičastog spektra). Uz pomoć Bohrovog modela lako je objašnjivo postojanje tzv. spektralnih linija. Spekralna linija je tamna ili svijetla linija koja remeti inače kontinuirani slijed elektromagnetskog spektra. Na primjer, ako izložimo atom (uzmimo za primjer helijev atom) cijelom spektru dio spektra će biti filtriran nakon interakcije s atomom jer određene frekvencije u spektru imaju upravo onaj iznos energije koji helijevim eletronima treba kako bi prešli na višu energetsku orbitalnu razinu. Kao posljedica, taj se dio spektra apsorbira. Ovi poremećaji kontinuiranog spektra nazivaju se apsorpcijske linije. Helijevi elektroni ne mogu apsorbirati ostatak spektra jer se energija koju trebaju ne podudara s energijom tih dijelova spektra. Ipak, zračenje koje je elektron absorbirao nakon nekog vremena se emitira, što se dešava kad elektron siđe s orbitale s višom energijom natrag u onu manje energije kada se stvaraju tzv. emisijske linije. Emisijske i absorbcijske linije jedinstvene su za svaki element. Ova činjenica pomaže u određivanju sastava udaljenih svemirskih objekata – znanstvenici usmjere teleskope na neki udaljeni svemirski objekt i utvrde njegov kemijski sastav na temelju spektralnih linija koje primaju.

No čak ni Bohrov model nije savršen, pa se ubrzo nakon objave zamijenio točnijim modelom – kvantnomehaničkim modelom. Unatoč svojim nedostatcima, Bohrov model i dalje predstavlja važan prijelaz iz klasične u kvantnu mehaniku, jer primjenjuje Planckov zakon o kvantizaciji na atome.

Valno-čestična dualnost

alt=|mini|Difrakcijski uzorak svjetla koje svijetli kroz jednu pukotinu (gore) i kroz obje pukotine (dolje). Kompleksniji isprekidani uzorak s donje slike demonstrira širenje svjetlosti kao vala. Fizičari sa svih krajeva svijeta stoljećima su vodili bitku o prirodi svjetlosti i među njima su postojale dvije glavne skupine. Prva je skupina vjerovala da je svjetlost val, dok je druga skupina vjerovala da elektromagnetsko zračenje (svjetlost) ima čestičnu prirodu. No, kvantna mehanika nam je dokazala da niti jedna skupina nije bila potpuno u pravu, i da je pravi odgovor mnogo neobičniji i kompliciraniji nego što su ga mislioci ikad mogli zamisliti.

Youngov pokus mini|Youngov crtež difrakcije dvaju valova

Youngov pokus, poznat i kao pokus s dvostrukom pukotinom je relativno jednostavan pokus s početka 19. stoljeća kako bi se dokazalo da svjetlost pokazuje i valna svojstva. Pokus iskorištava dva svojstva svakog vala: Ako val naiđe na prepreku s malim otvorom, val se savija. Ovaj se fenomen naziva difrakcija. Veličina otvora mora biti slična valnoj duljini vala kako bi difrakcija bila moguća Kada se susretnu dva vala ne sudare se, već se međusobno oslabe ili ojačaju ovisno o amplitudi (“visini”) svakog od valova Taj se fenomen naziva interferencija. Na primjer, kad se susretnu dva vala suprotnih amplituda („brijeg“ jednog vala susreće „dol“ drugog), međusobno se ponište. Ako se valovi oslabe ili ponište, govorimo o destruktivnoj interfereciji. Suprotna tome je konstruktivna interferencija (valovi se međusobno osnažuju) U Youngovom pokusu koriste se dvije pukotine na vrlo malim udaljenostima. Svjetlost prolazi kroz obje pukotine i širi se po mediju iza otvora uz pomoć difrakcije. Zbog male udaljenosti između pukotina, valovi međusobno interferiraju. Ako u medij smjestimo uređaj koji detektira položaj individualnih zraka svjetlosti, stvara se posebni, takozvani interferencijski uzorak, koji se sastoji od svijetlih i tamnih pruga. Svijetle pruge pojavljuju se kada se događa konstruktivna interferencija (valovi se osnažuju, čime se na tim mjestima povećava intenzitet svjetlosti), tamne pruge uzrokuje destruktivna interferencija (valovi se poništavaju, čime se smanjuje intenzitet svjetlosti). Kad svjetlost ne bi imala valna svojstva, ne bi bilo interferencije, a time ni stvorenog uzorka.