Кретање. На први поглед, нешто сасвим незанимљиво и тривијално. Људи су проучавали кретање хиљадама година, али су га тек 1687. године, када је Исак Њутн формулисао своја три закона, почели дубље разумевати. Њутнови закони кретања били су толико испред свог времена да неки физичари данашњице и даље сматрају Њутна револуционаром у физици. Али чак ни Њутнови закони нису савршени, па се 1905. појавила специјална теорија релативности, која изврсно описује кретања предмета јако великим брзинама, коју је формулисао Алберт Ајнштајн. Но још се једна теорија почела развијати у то време. Теорија која је из корена променила наш доживљај стварности. 1900. године, постављен је камен темељац квантне механике.

Квантна механика бави се предметима из такозваног микросвета, попут честица и атома, који се не понашају попут предмета „класичних” димензија из такозваног макросвета какве обично сусрећемо те их класична физика не може ни описати.

Ако се у било ком тренутку budete mučili да схватите неки необични феномен, не брините, нисте једини. Ричард Фајнман, један од најистакнутијих научника квантне механике, једном је рекао:

Порекло квантне механике

Квантизација енергије

Ова се реченица често приписује славном шкотском физичару Вилијаму Томсону (познатијем под именом Лорд Келвин). Он вероватно никада није изговорио те речи, али тај цитат несумњиво приказује мишљење физичара с почетка 20. века. Теорије класичне физике испитане су много пута и чинило се како адекватно описују стварност. Тек се касније, кад су се те теорије почеле редом распадати, схватило колико је Томсон био у криву. Први феномен који класична физика није успела да објасни зове се зрачење црног тела. alt=|мини|Врућ металНаранџаста боја је део топлотног електромагнетног зрачења које се емитује због високе температуре. Све остало на слици такође емитује електромагнетно зрачење, но на фреквенцијама које људско око не види. Камера осетљива на далеко-инфрацрвени спектар може детектовати и то зрачење. Како бисмо разумели тај феномен морамо знати да сва тела у свемиру емитују енергију у облику електромагнетног зрачења (светлости). Количина енергије коју тело емитује зависи од више фактора, као што су нпр. температура или боја тела. Што је већа температура тела, већа је и просечна фреквенција (и тиме енергија) светлости коју то тело емитује. Разлог зашто не видимо светлост је тај што тела при собној температури најчеšće емитују светлост са инфрацрвеног дела спектра које голо око не може опазити. Метали емитују видљиву светлост при топљењу, кад им температура достигне неколико стотина степени Целзијуса, што нам омогућава да их видимо како светле.

Физичари 19. века покушали су да установе спектрални састав који тело емитује у односу на температуру. Како би им то успело, користили су поједностављени модел тела – црно тело. Црно тело је хипотетичко тело које мора да испуњава следећа два услова:

Црно тело апсорбује све електромагнетно зрачење које га погоди (друга тела апсорбују само одређени део целог спектра, а остатак рефлектују). Црно тело мора остати у температурној равнотежи са околином (тј. мора имати исту температуру као и друга тела у истом систему).

Ови услови осигуравају да спектар који црно тело емитује одређује само његова температура. Међутим, када су физичари покушали да утврде састав таквог спектра помоћу класичне физике, добијени резултат се уопште није подударао са стварношћу.

Према класичној физици, црно тело ће емитовати исту количину светлости сваке фреквенције. Међутим, што је већа фреквенција светлости, више енергије светлост има. Црно би тело стога емитовало бесконачне количине енергије у облику високе фреквенције зрачења. То, међутим, има страшне последице – класична физика тиме у основи наводи да би апсолутно сваки предмет у свемиру требало одједном да емитује сву своју енергију у облику ултраљубичасте светлости. Срећом, свемир не функционише на тај начин, јер у супротном не би било нас.

Та спознаја била је велика прекретница за развој модерне науке. Физичари су најзад, нерадо, били присиљени да признају да је класична теорија једноставно погрешна. Данас имамо прикладан назив за овај велики неуспех класичне физике – ултраљубичаста катастрофа.

Квантовањем енергије хармонијских осцилатора, немачки физичар Макс Планк је решио проблем зрачења црног тела те је решење 14. децембра 1900. године представио члановима Немачког физичког друштва. Овај се датум често узима као почетак квантне механике јер је тада по први пут квантована нека физичка величина. Планк је дошао на идеју да тела не емитују стално електромагнетно зрачење, већ емитују мале „пакетиће” – кванте.

Величина кванта дефинисана је Планковом једначином: (h = 6,626 · 10−34 Js)

Електромагнетни талас се у суштини може схватити као скуп врло малих „пакетића” енергије (кванта) чија укупна енергија одређује енергију самог таласа.

Величина кванта одређена је за сваку фреквенцију. Из горње једначине очигледно је да је зрачење више фреквенције састављено од већих кваната него зрачење ниже фреквенције. Ово решава проблем зрачења црног тела – црном телу је све теже да емитује зрачење виших фреквенција јер не може „нахранити” кванте високих енергија, па се држи нискоенергетске светлости. Квантовање енергије је тек увод у цео нови свет физике. Оно представља темељно правило у квантној механици.

Боров модел атома десно|мини|250x250px|Боров модел атома који приказује највећи број електрона по љускама.

Замислите да имате предмет који почнете да делите на све мање и мање делове. Да ли бисте могли предмет тако делити заувек, или бисте дошли до чудесних, недељивих градивних материја? Већ су старогрчки мислиоци тражили одговор на то питање и дошли до тачног закључка: сва материја у свемиру сачињена је од врло малих „зрна” која су назвали атомима (грч. atomos = недељив).

Касније, кад су научници наводно открили те градивне материје, преузели су грчки назив. Тада је откривено како атоми нису недељиви, него се састоје од још мањих честица: позитивно наелектрисаних протона, негативно наелектрисаних електрона и ненаелектрисаних неутрона. Међутим, постојала је одређена несигурност у вези са атомском структуром, коју су физичари с почетка 20. века покушавали да разреше.

Године 1911., Ернест Радефорд је предложио планетарни модел атома. Према том моделу, сваки атом се састоји од позитивно наелектрисаног језгра око којег круже негативно наелектрисани електрони попут планета око звезде. Међутим, овај модел има једну велику ману – када би се атоми понашали у складу са моделом, били би изузетно нестабилни јер би електрони емитовали сву своју енергију због сталног убрзања те би готово одмах упали у језгро.

Дански физичар Нилс Бор 1913. године представио је свој модел атома. Боров модел је веома сличан Радефордовом планетарном моделу, међутим, Бор је утврдио три правила којих се потребно строго држати како би атом остао стабилан:

Електрони круже око језгра пратећи кружне орбитале без емисије светлости. Орбитале нису на произвољним удаљеностима од језгра, већ на „дозвољеним” енергетским нивоима који су умношци редуковане Планкове константе (редукована Планкова константа има вредност Планкове константе подељене са 2π). Из овог феномена видљиво је како се квантовање може применити и на предмете који имају масу (у овом случају електрони). Електрони могу скакати са једне орбитале на другу. Кад скаче са орбитале није енергије на орбиталну више енергије, електрон апсорбује квант светлости (фотон). Овај се процес назива побуђивање (ексцитација). Електрони који су прешли на вишу орбиталну називају се побуђеним електронима. Насупрот томе, кад електрон скочи на орбиталу ниже енергије, он отпушта квант светлости. Електрони који су на свом основном нивоу су у основном стању. мини|Емисионе спектралне линије водоника. Кад је побуђен енергијом, атом водоника емитује кванте електромагнетног зрачења (светлости) на овим таласним дужинама (као и на бројним таласним дужинама инфрацрвеног и ултраљубичастог спектра). Уз помоћ Боровог модела лако је објаснити постојање такозваних спектралних линија. Спектрална линија је тамна или светла линија која ремети иначе континуирани след електромагнетног спектра. На пример, ако изложимо атом (узмимо за пример атом хелијума) целом спектру, део спектра ће бити филтриран након интеракције са атомом јер одређене фреквенције у спектру имају управо онај износ енергије који хелијумовим електронима треба како би прешли на виши енергетски орбитални ниво. Као последица, тај се део спектра апсорбује. Ови поремећаји континуираног спектра називају се апсорпционе линије. Хелијумови електрони не могу апсорбовати остатак спектра јер се енергија коју требају не подудара са енергијом тих делова спектра. Ипак, зрачење које је електрон апсорбовао након неког времена се емитује, што се дешава кад електрон сиђе са орбитале са вишом енергијом назад у ону мање енергије када се стварају емисионе линије. Емисионе и апсорпционе линије јединствене су за сваки хемијски елемент. Ова чињеница помаже у одређивању састава узаљених свемирских објеката – научници усмере телескопе на неки удаљени свемирски објекат и утврде његов хемијски састав на основу спектралних линија које примају.

Но чак ни Боров модел није савршен, па се убрзо након објаве заменио тачнијим моделом – квантномеханичким моделом. Упркос својим недостацима, Боров модел и даље представља важан прелаз из класичне у квантну механику, јер примењује Планков закон о квантовању на атоме.

Таласно-честични дуализам

alt=|мини|Дифракциона слика светлости која пролази кроз једну пукотину (горе) и кроз обе пукотине (доле). Комплекснија испрекидана слика са доње слике демонстрира ширење светлости као таласа. Физичари са свих крајева света вековима су водили битку о природи светлости и међу њима су постојале две главне групе. Прва је група веровала да је светлост талас, док је друга група веровала да електромагнетно зрачење (светлост) има честичну природу. Но, квантна механика нам је доказала да ни једна група није била потпуно у праву, и да је прави одговор много необичнији и компликованији него што су га мислиоци икад могли замислити.

Јангов експеримент mini|Јангов цртеж дифракције два таласа

Јангов експеримент, познат и као експеримент са двоструком пукотином је релативно једноставан експеримент с почетка 19. века како би се доказало да светлост показује и таласна својства. Експеримент користи два својства сваког таласа: Ако талас наиђе на препреку са малим отвором, талас се савија. Овај се феномен назива дифракција. Величина отвора мора бити слична таласној дужини таласа како би дифракција била могућа Када се сусретну два таласа не сударе се, већ се међусобно ослабе или ојачају у зависности од амплитуде („висине”) сваког од таласа. Тај се феномен назива интерференција таласа. На пример, кад се сусретну два таласа супротних амплитуда („брег” једног таласа сусреће „дољу” другог), међусобно се пониште. Ако се таласи ослабе или пониште, говоримо о деструктивној интерференцији. Супротна томе је конструктивна интерференција (таласи се међусобно ојачавају) У Јанговом експерименту користе се две пукотине на врло малим растојањима. Светлост пролази кроз обе пукотине и шири се по медијуму иза отвора уз помоћ дифракције. Због малог растојања између пукотина, таласи међусобно интерферирају. Ако у медијум сместимо уређај који детектује положај појединачних зрака светлости, ствара се посебна, такозвана интерференциона слика, која се састоји од светлих и тамних пруга. Светле пруге појављују се када се догађа конструктивна интерференција (таласи се ојачавају, чиме се на тим местима повећава интензитет светлости), тамне пруге узрокује деструктивна интерференција (таласи се поништавају, чиме се смањује интензитет светлости). Кад светлост не би имала таласна својства, не би било интерференције, а тиме ни створене слике.