La mecànica quàntica és l'estudi de la matèria i les seves interaccions amb l'energia a escala de partícules atòmiques i subatòmiques. Per contra, la física clàssica explica la matèria i l'energia només a una escala familiar a l'experiència humana, inclòs el comportament dels cossos astronòmics com la Lluna. La física clàssica encara s'utilitza en gran part de la ciència i la tecnologia modernes. Tanmateix, cap a finals del segle XIX, els científics van descobrir fenòmens tant al món gran (macro) com al petit (micro) món que la física clàssica no podia explicar. El desig de resoldre les incoherències entre els fenòmens observats i la teoria clàssica va portar a una revolució en la física, un canvi en el paradigma científic original: el desenvolupament de la mecànica quàntica.

Molts aspectes de la mecànica quàntica són contraris a la intuïció i poden semblar paradoxals perquè descriuen un comportament força diferent del que es veu a escales més grans. En paraules del físic quàntic Richard Feynman, la mecànica quàntica tracta de "la natura tal com Ella és: absurd". Les característiques de la mecànica quàntica sovint desafien les explicacions senzilles en el llenguatge quotidià. Un exemple d'això és el principi d'incertesa: no es poden combinar mesures precises de posició amb mesures precises de velocitat. Un altre exemple és l'entrellat: una mesura feta en una partícula (com ara un electró que es mesura que té un gir "amunt") es correlacionarà amb una mesura en una segona partícula (es trobarà que un electró té un gir "avall") si les dues partícules tenen una història compartida. Això s'aplicarà encara que sigui impossible que el resultat de la primera mesura s'hagi transmès a la segona partícula abans de la segona mesura.

La mecànica quàntica ens ajuda a entendre la química, perquè explica com els àtoms interactuen entre ells i formen molècules. Molts fenòmens notables es poden explicar mitjançant la mecànica quàntica, com la superfluidesa. Per exemple, si l'heli líquid refredat a una temperatura propera al zero absolut es col·loca en un recipient, flueix espontàniament cap amunt i per la vora del seu recipient; aquest és un efecte que no es pot explicar amb la física clàssica.

Història La unificació de James C. Maxwell de les equacions que governen l'electricitat, el magnetisme i la llum a finals del va donar lloc a experiments sobre la interacció de la llum i la matèria. Alguns d'aquests experiments tenien aspectes que no es podien explicar fins que va sorgir la mecànica quàntica a principis del segle XX.

Evidència de quanta a partir de l'efecte fotoelèctric Les llavors de la revolució quàntica apareixen en el descobriment de JJ Thomson el 1897 que els raigs catòdics no eren continus sinó "corpúscles" (electrons). Els electrons havien estat nomenats només sis anys abans com a part de la teoria emergent dels àtoms. El 1900, Max Planck, no convençut per la teoria atòmica, va descobrir que necessitava entitats discretes com àtoms o electrons per explicar la radiació del cos negre. miniatura|Intensitat de radiació del cos negre vs color i temperatura. La barra de l'arc de Sant Martí representa la llum visible; Els objectes de 5000 K són "calents" en barrejar diferents colors de llum visible. A la dreta hi ha l'infraroig invisible. La teoria clàssica (corba negra per a 5000 K) no aconsegueix predir els colors; les altres corbes les prediuen correctament les teories quàntiques. Els objectes molt calents, vermells o blancs, tenen un aspecte semblant quan s'escalfen a la mateixa temperatura. Aquest aspecte resulta d'una corba comuna d'intensitat de llum a diferents freqüències (colors), que s'anomena radiació del cos negre. Els objectes blancs calents tenen intensitat en molts colors en el rang visible. Les freqüències més baixes per sobre dels colors visibles són la llum infraroja, que també emeten calor. Les teories d'ones contínues de la llum i la matèria no poden explicar la corba de radiació del cos negre. Planck va repartir l'energia tèrmica entre "oscil·ladors" individuals de caràcter indefinit però amb capacitat energètica discreta; aquest model explicava la radiació del cos negre.

En aquell moment, els electrons, els àtoms i els oscil·ladors discrets eren idees exòtiques per explicar fenòmens exòtics. Però el 1905 Albert Einstein va proposar que la llum també era corpuscular, que consistia en "quants d'energia", en contradicció amb la ciència establerta de la llum com una ona contínua, que es remuntava cent anys al treball de Thomas Young sobre la difracció.

La proposta revolucionària d'Einstein va començar reanalitzant la teoria del cos negre de Planck, arribant a les mateixes conclusions utilitzant els nous "quants d'energia". Aleshores, Einstein va mostrar com els quants d'energia es connecten a l'electró de Thomson. El 1902, Philipp Lenard va dirigir la llum d'un llum d'arc cap a plaques metàl·liques acabades de netejar allotjades en un tub de vidre evacuat. Va mesurar el corrent elèctric que sortia de la placa metàl·lica, a intensitats més i més baixes de llum i per a diferents metalls. Lenard va demostrar que la quantitat de corrent, el nombre d'electrons, depenia de la intensitat de la llum, però que la velocitat d'aquests electrons no depenia de la intensitat. Aquest és l'efecte fotoelèctric. Les teories d'ones contínues de l'època van predir que més intensitat de llum acceleraria la mateixa quantitat de corrent a una velocitat més alta, contràriament a aquest experiment. Els quants d'energia d'Einstein van explicar l'augment de volum: s'expulsa un electró per cada quàntic: més quants signifiquen més electrons.

Aleshores, Einstein va predir que la velocitat dels electrons augmentaria en proporció directa a la freqüència de la llum per sobre d'un valor fix que depenia del metall. Aquí la idea és que l'energia en quanta d'energia depèn de la freqüència de la llum; l'energia transferida a l'electró ve en proporció a la freqüència de la llum. El tipus de metall dona una barrera, el valor fix, que els electrons han de pujar per sortir dels seus àtoms, per ser emesos des de la superfície metàl·lica i ser mesurats.

Van passar deu anys abans que l'experiment definitiu de Millikan verifiqués la predicció d'Einstein. Durant aquest temps molts científics van rebutjar la idea revolucionària dels quanta. Però el concepte de Planck i Einstein estava a l'aire i aviat va començar a afectar altres físiques i teories quàntiques.

Quantització dels electrons lligats en àtoms Els experiments amb llum i matèria a finals del segle XIX van descobrir una regularitat reproduïble però desconcertant. Quan es mostrava la llum a través de gasos purificats, determinades freqüències (colors) no passaven. Aquestes "línies" d'absorció fosca van seguir un patró distintiu: els buits entre les línies van disminuir constantment. El 1889, la fórmula de Rydberg va predir les línies del gas hidrogen utilitzant només un nombre constant i els nombres enters per indexar les línies. L'origen d'aquesta regularitat era desconegut. Resoldre aquest misteri es convertiria finalment en el primer pas important cap a la mecànica quàntica.

Al llarg del segle XIX van créixer evidències de la naturalesa atòmica de la matèria. Amb el descobriment de l'electró per part de Thomson el 1897, el científic va començar la recerca d'un model de l'interior de l'àtom. Thomson va proposar electrons negatius nedant en un grup de càrrega positiva. Entre 1908 i 1911, Rutherford va demostrar que la part positiva era només 1/3000 del diàmetre de l'àtom.

Es van proposar models d'electrons "planetaris" orbitant un "Sol" nuclear, però no poden explicar per què l'electró no cau simplement a la càrrega positiva. El 1913 Niels Bohr i Ernest Rutherford van connectar els nous models d'àtoms amb el misteri de la fórmula de Rydberg: el radi orbital dels electrons es va restringir i les diferències d'energia resultants coincideixen amb les diferències d'energia de les línies d'absorció. Això significava que l'absorció i emissió de llum dels àtoms es quantificava l'energia: només s'emetien o s'absorbirien energies específiques que coincideixen amb la diferència d'energia orbital.

El canvi d'un misteri, el patró habitual de la fórmula de Rydberg, per un altre misteri, les restriccions a les òrbites d'electrons, pot no semblar un gran avenç, però el nou model d'àtoms resumeix moltes altres troballes experimentals. La quantificació de l'efecte fotoelèctric i ara la quantificació de les òrbites d'electrons van establir l'escenari per a la revolució final.

Al llarg de la primera i de l'era moderna de la mecànica quàntica, el concepte que la mecànica clàssica ha de ser vàlid restringeix macroscòpicament possibles models quàntics. Aquest concepte va ser formalitzat per Bohr l'any 1923 com a principi de correspondència. Requereix la teoria quàntica per convergir als límits clàssics. Un concepte relacionat és el teorema d'Ehrenfest, que mostra que els valors mitjans obtinguts de la mecànica quàntica (p. ex. posició i moment) obeeixen a les lleis clàssiques.

Quantificació d'espín miniatura|Experiment de Stern–Gerlach : àtoms de plata que viatgen a través d'un camp magnètic no homogeni i es desvien cap amunt o cap avall en funció del seu gir; (1) forn, (2) feix d'àtoms de plata, (3) camp magnètic no homogeni, (4) resultat esperat clàssicament, (5) resultat observat El 1922 Otto Stern i Walther Gerlach van demostrar que les propietats magnètiques dels àtoms de plata desafien l'explicació clàssica, el treball que va contribuir al Premi Nobel de Física de Stern el 1943. Van disparar un feix d'àtoms de plata a través d'un camp magnètic. Segons la física clàssica, els àtoms haurien d'haver sorgit en un esprai, amb un rang continu de direccions. En canvi, el feix es va separar en dos, i només dos, corrents d'àtoms divergents. A diferència dels altres efectes quàntics coneguts en aquell moment, aquest resultat sorprenent implica l'estat d'un sol àtom. El 1927, TE Phipps i JB Taylor van obtenir un efecte similar, però menys pronunciat, utilitzant àtoms d'hidrogen en el seu estat fonamental, eliminant així qualsevol dubte que pogués haver estat causat per l'ús d'àtoms de plata.

L'any 1924, Wolfgang Pauli la va anomenar "doble valor no descriptible clàssicament" i la va associar amb electrons a la capa més externa. Els experiments condueixen a la formulació de la seva teoria descrita com a sorgida del spin de l'electró l'any 1925, per Samuel Goudsmit i George Uhlenbeck, sota el consell de Paul Ehrenfest.

Quantificació de la matèria miniatura|Exemple de fotografia original de difracció d'electrons del laboratori de GP Thomson, gravada entre 1925 i 1927 L'any 1924 Louis de Broglie va proposar que els electrons d'un àtom no estan limitats en "òrbites" sinó com a ones estacionàries. En detall, la seva solució no va funcionar, però la seva hipòtesi, que el "corpúscle" d'electrons es mou a l'àtom com una ona, va estimular Erwin Schrödinger a desenvolupar una equació d'ona per als electrons; quan es va aplicar a l'hidrogen, la fórmula de Rydberg es va reproduir amb precisió.

El document de 1924 de Max Born "Zur Quantenmechanik" va ser el primer ús de les paraules "mecànica quàntica" a la impremta. El seu treball posterior va incloure el desenvolupament de models de col·lisió quàntica; en una nota al peu d'un article de 1926 va proposar la regla de Born que connectava models teòrics amb l'experimentació.