bélyegkép|692x692px| A kvantummechanika történetének 10 legmeghatározóbb alakja. Balról jobbra: Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Louis de Broglie, Max Born, Paul Dirac, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Erwin Schrödinger, Richard Feynman A kvantummechanika története alapvető része a modern fizika történetének. Az elmélet kifejlődésének története egyes fizikai jelenségek – feketetest-sugárzás, fotoelektromos jelenség, napemissziós spektrumok – a Planck-féle kvantumhipotézisre alapuló magyarázatával kezdődött, amit régi kvantumelméletnek nevezünk. A klasszikus mechanikában kifejlesztett technológiára építve fejlesztette ki a hullámmechanikát Erwin Schrödinger, az ő és mások munkája alapján indult el a kvantummechanika modern korszaka 1925-ben. Paul Dirac relativisztikus kvantumelméleti munkája alapján dolgozták ki a sugárzás kvantumelméletét, amely a kvantum-elektrodinamikában, az első kvantumtérelméletben csúcsosodott ki. A kvantummechanika története a kvantumtérelmélet történetében folytatódik tovább. Illetve, a kvantumkémia története, a kémiai szerkezet, a reakcióképesség és a kötés elméleti alapja szorosan összefonódik a cikkben tárgyalt eseményekkel.
A "kvantummechanika" (németül Quantenmechanik) kifejezést először német fizikusok egy csoportja – köztük Max Born, Werner Heisenberg és Wolfgang Pauli – alkotta meg az 1920-as évek elején a Göttingeni Egyetemen. Először Born és Jordan 1925-ös, Zur Quantenmechanik című tanulmányukban használták.Max Born, My Life: Recollections of a Nobel Laureate, Taylor & Francis, London, 1978. ("We became more and more convinced that a radical change of the foundations of physics was necessary, i.e., a new kind of mechanics for which we used the term quantum mechanics. This word appears for the first time in physical literature in a paper of mine...")
A kvantum magyar szó a latin "quantum" szóból (jelentése: „mekkora, mennyi, mennyit, mennyire”) származik. Egy mennyiség akkor kvantált, ha csak meghatározott értékeket vehet fel, erre jó példa a Planck-féle harmonikus oszcillátor energiája. Például a legtöbb országban a pénz effektíve kvantált, és a pénz kvantuma a forgalomban lévő legalacsonyabb értékű érme. A kvantummechanika a mechanikának azon része, amely olyan objektumokkal foglalkozik, amelyekre vonatkozó meghatározott tulajdonságok kvantálnak.
A klasszikus fizika diadalmenete és a kezdeti problémák megjelenése A 19. század végén tett elméleti és kísérleti felfedezések jelentős eredményeket értek el a klasszikus fizika keretein belül. Azonban az 1800-as évek vége felé felmerült néhány olyan probléma, amelyek megoldása a klasszikus fizika keretein belül nem látszott megoldhatónak, ez vezetett a kvantummechanika megszületéséhez.
A fény hullámelmélete 1670-től kezdődően, Isaac Newton csaknem három évtizeden keresztül dolgozta ki és népszerűsítette a tudományos gondolkodásban a fény korpuszkuláris elméletét (más néven a fény részecskeelmélete). Azzal érvelt, hogy a tökéletesen egyenes visszaverődési vonalak a fény részecsketermészetét mutatják, mivel akkoriban egyetlen hullámelmélet sem volt képes a lineáris terjedés megmagyarázására. A fénytörést azzal magyarázta, hogy a fényrészecskék oldalirányban felgyorsulnak, amikor sűrűbb közegbe lépnek. Körülbelül ugyanebben az időben, Newton kortársai, Robert Hooke és Christiaan Huygens, majd Augustin-Jean Fresnel matematikailag finomították a hullámelméleti leírást, megmutatva, hogy ha a fény különböző sebességgel halad különböző közegekben, a fénytörés könnyen magyarázható a közegtől függő fény terjedési sebességével. Az így létrejött Huygens–Fresnel-elv rendkívül sikeres volt a fény viselkedésének reprodukálásában, és összhangban volt Thomas Young 1801-es kétrés-kísérletével és a fény hulláminterferenciájára vonatkozó felfedezésével. A hullámszemlélet természetesen nem szorította ki azonnal a részecskeszemléletet, hanem a 19. század közepén kezdte el uralni a fénnyel kapcsolatos tudományos gondolkodást, mivel olyan polarizációs jelenségeket tudott megmagyarázni, amelyekre az alternatívák nem voltak képesek.
James Clerk Maxwell felfedezte, hogy az általa korábban leírt Maxwell-egyenletek, egy kis módosítással alkalmazhatóak az oszcilláló elektromos és mágneses mezők által keltett elektromágneses hullámok terjedésének leírására. Gyorsan világossá vált, hogy a látható fény, az ultraibolya sugárzás, illetve az infravörös sugárzás valójában az elektromágneses hullámok különböző frekvenciájú megvalósulásai.A fény részecske- és hullámtermészete közötti vita a kvantummechanika kezdetének kritikus elemévé vált.
Az atomelmélet térhódítása A 19. század elején John Dalton és Amedeo Avogadro kémiai kutatásai megfelelő alapot kölcsönöztek az anyag atomelméletének, amelyet James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann és mások fejlesztettek ki a gázok kinetikai elméletének megalapozására. A kinetikai elmélet sikerei tovább erősítették azt a gondolatot, hogy az anyag atomokból áll, de az elméletnek voltak hiányosságai is, amelyeket csak a kvantummechanika fejlődése oldott meg a későbbiekben. Az atomok létezése azonban nem volt általánosan elfogadott a fizikusok és a kémikusok körében, ezt jól érzékelteti, hogy például Ernst Mach megrögzött atomellenes volt. alt=Boltzmann's iodine molecule model|bélyegkép| Ludwig Boltzmann 1898-ban alkotott diagramja az I2 molekuláról, amely az atom „érzékeny régióját” ábrázolja. Ludwig Boltzmann 1877-ben azt javasolta, hogy egy fizikai rendszer, például egy molekula energiaszintjei lehetnek diszkrétek (és nem folytonosak). Boltzmann okfejtése – amely statisztikus termodinamikai és a statisztikus mechanikai elméleteken alapult – az volt, hogy olyan molekuláris gázokban, mint a jód, az energiaszintek diszkrétek, ezt matematikai érveléssel támasztotta alá. Az atomelmélet kapcsán egyre sokasodó problémák és kérdések szintén csak körülbelül 20 évvel később a kvantummechanika megszületésével kerültek tisztázásra.
Elektronok Az 1800-as évek utolsó napjaiban J. J. Thomson megállapította, hogy az elektronok töltése ellentétes előjelű, de megegyező nagyságú, mint a hidrogénioné, miközben tömegük több, mint ezerszer kisebb. A Thomson és Robert Millikan által végzett kísérletek meghatározták az elektron töltését, illetve tömegét, amely lehetővé tette az első modern atommodell megszületését. Későbbiekben Julius Plücker, Lénárd Fülöp, William Crookes, George Johnstone Stoney és Karl Ferdinand Braun által a katódsugárzás vizsgálatára irányuló kísérleti munkája jelentősen hozzájárult a kvantummechanika megalapozásához.
Sugárzáselmélet alt=Blackbody radiation curve|bélyegkép| A hőmérséklet csökkenésével a feketetest sugárzási görbéjének csúcsa nagyobb hullámhosszok irányába tolódik el, és intenzitása is csökken. A bal oldali feketetest sugárzási görbéket (1862) szintén összehasonlítjuk a jobb oldalon látható Rayleigh és Jeans (1900) által kidolgozott, klasszikus fizikai elméleti görbével. A görbék kis hullámhosszú közelítését már 1896-ban leírta a Wien-féle eloszlási törvény. Az 1800-as évek során számos olyan tanulmány látott napvilágot, amely a Nap, illetve egyéb izzó tárgyak által kibocsátott fény intenzitás-frekvencia spektrumát vizsgálta. A Rydberg által kidolgozott formula hatékonyan összefoglalta a spektrumban látható sötét vonalakat, de nem adott fizikai modellt ezek magyarázatára. A hőmérsékleti sugárzásra alkotott klasszikus fizikai modellek (Rayleigh–Jeans-törvény, Wien-törvény) nem adtak kielégítő magyarázatot a jelenség leírására.
Régi kvantumelmélet A kvantummechanika fejlődése két jól elkülöníthető korszakra osztható. Az első korszak az 1900-as évek legelején kezdődött, és a tudománytörténetben úgy lett ismeretes, mint a "régi" kvantumelmélet. Ebben a korszakban az 1800-as évek klasszikus fizikája által meg nem értett fizikai jelenségeket radikálisan új megközelítésekkel magyaráztak meg sikeresen.
Max Planck-féle kvantumhipotézis és a feketetest-sugárzás balra|bélyegkép| Planck fiatal felnőtt portréja, kb. 1878 balra|bélyegkép| Forró fém. A sárga-narancssárga izzás a magas hőmérséklet miatt kibocsátott hőmérsékleti sugárzás szabad szemmel látható része. A képen minden más is hőmérsékleti sugárzástól izzik, de kevésbé fényesen és nagyobb hullámhosszon, mint azt az emberi szem képes érzékelni. Egy infravörös kamera segítségével viszont megfigyelhető ez is. A hőmérsékleti sugárzás olyan elektromágneses sugárzás, amely a tárgy belső energiája következtében, az objektum felületéről bocsátódik ki. Ha egy tárgyat megfelelőképpen felmelegítenek, akkor a keletkező hőmérsékleti sugárzás intenzitásának maximuma eltolódik az infravörös tartományból a látható fény tartományába.
Tovább melegítve a színe vörösről sárgára, fehérre, majd kékre változik, mivel az intenzitás maximuma egyre kisebb hullámhosszak (ezáltal magasabb frekvenciák) felé tolódik. Fontos megjegyezni, hogy egy ideális sugárzó anyag (emitter) egyben tökéletes elnyelő (abszorber) is. Hidegben egy ilyen tárgy tökéletesen feketének tűnik, mert elnyeli az összes ráeső fényt, és nem bocsát ki semmit. Következésképpen az ideális hősugárzót fekete testnek nevezzük, az általa kibocsátott sugárzást pedig feketetest-sugárzásnak. bélyegkép|Egy test által kibocsátott különböző frekvenciájú hősugárzás mennyiségének előrejelzése. A Planck-törvény által megjósolt helyes értékek (zöld) szemben álltak a Rayleigh–Jeans-törvény (piros) és a Wien-közelítés (kék) klasszikus értékeivel. A 19. század végére a feketetest-sugárzást kísérletileg részletesen megvizsgáltak. A kísérleti eredmények leírására alapján számos elméleti modell született. A sugárzás intenzitásmaximumának hullámhossz-függését adott hőmérsékleten jól megadta a Wien-féle eltolódási törvény, míg az egységnyi felületen kibocsátott összteljesítményt a Stefan–Boltzmann-törvény írta le. A kísérleti eredmények legjobb (klasszikus termodinamikán, illetve statisztikus fizikán alapuló) elméleti magyarázata a Rayleigh–Jeans-törvény volt, amely nagy hullámhosszon (illetve alacsony frekvencián) jól egyezik a kísérleti eredményekkel, azonban kis hullámhosszakon (vagy nagy frekvenciákon) nagy eltérést mutatott. Kis hullámhosszokon a klasszikus fizika azt jósolta, hogy egy forró test végtelen mennyiségben bocsát ki energiát, amely nem lehet fizikai. Ezt a téves eredményt ultraibolya katasztrófának nevezik. Ezt követően a cél az lett, hogy kidolgozzanak egy egységes elméletet, amely megmagyarázza az összes kísérleti eredményt. bélyegkép|A fekete test sugárzási intenzitása a szín és a hőmérséklet függvényében. A szivárványsáv a látható fényt jelenti. Az 5000 K objektumok által kibocsátott látható fény fehér, mivel keveredik benne az összes szín. Az 5000 K görbéhez tartozó Rayleigh–Jeans-görbe jól láthatóan nem írja le a kísérletileg mért görbét Az első modellt, amely képes volt megmagyarázni a hőmérsékleti sugárzás teljes spektrumát, Max Planck német fizikus terjesztette elő 1900-ban.Ez az eredmény németül publikálva: . Angol fordítás: Olyan matematikai modellt javasolt, amelyben a hőmérsékleti sugárzás egyensúlyban van egy sor harmonikus oszcillátorral. A kísérleti eredmények reprodukálásához azt feltételezte, hogy minden oszcillátor egész számú egységnyi energiát tud kibocsátani egy adott jellemző frekvenciáján, nem pedig a klasszikus fizikában feltételezett tetszőleges mennyiségű energiát. Más szóval azt mondjuk, hogy a harmonikus oszcillátor által kibocsátott energia kvantált. Planck továbbá feltette, hogy a harmonikus oszcillátorokhoz tartozó energiakvantum arányos az oszcillátor frekvenciájával, az arányossági állandót ma Planck-állandónak nevezik. Ezt nevezzük a Planck-féle kvantumhipotézisnek.