Mechanika kwantowa

Mechanika kwantowa – teoria fizyczna rozszerzająca mechanikę klasyczną, konieczna do poprawnego opisu mikroświata, tj. pojedynczych cząstek elementarnych i ich układów jak atomy czy jony. Jest też konieczna do wyjaśnienia niektórych zjawisk makroskopowych jak nadprzewodnictwo i nadciekłość. Termin ten bywa synonimem fizyki kwantowej, jednak ta druga nazwa obejmuje też teorie pól kwantowych, którym mechanika kwantowa bywa przeciwstawiana – jako model zachowań cząstek w zadanych, zwykle klasycznych polach, ignorujący ich kwantową naturę.

Charakterystyczną cechą mechaniki kwantowej jest to, że nie opisuje ona wprost zmienności (ewolucji) mierzalnych wielkości fizycznych jak położenie ciała czy jego prędkość. Zamiast tego opisuje zachowanie abstrakcyjnego wektora stanu oraz jak on wpływa na wyniki pomiarów, które są częściowo losowe, inaczej indeterministyczne. Prowadzi to do paradoksalnych zjawisk jak:

• dualizm korpuskularno-falowy – związana z wektorem stanu funkcja falowa, używana do obliczania położeń, zachowuje się jak fala; konsekwencją tego jest m.in. skwantowanie poziomów energetycznych w atomie;
• kwantowa superpozycja – teoria ta w ogóle nie przypisuje własności obserwacyjnych ciałom przed pomiarem, co ilustruje eksperyment myślowy z kotem Schrödingera;
• zasada nieoznaczoności – znajomość niektórych parametrów jest wykluczona przy pomiarze innych; przykładowo nie da się jednocześnie poznać położenia i prędkości ciała, co przeczy mechanistycznej wizji świata, ilustrowanej koncepcją demona Laplace’a;
• istnienie spinu – cząstki elementarne wykazują wewnętrzny moment pędu, którego nie da się wyjaśnić obrotem wokół własnej osi^{[potrzebny przypis]}.

Bezpośredni twórcy podstawowej mechaniki kwantowej, nieuwzględniającej efektów relatywistycznych to:

• Werner Heisenberg, który w 1925 roku opublikował mechanikę macierzową (równanie Heisenberga);
• Erwin Schrödinger, który rok później niezależnie sformułował mechanikę falową (równanie Schrödingera);
• Max Born, który w 1926 roku podał poprawny, probabilistyczny sens funkcji falowej obecnej w powyższym równaniu^[a].

Jednolitą i ścisłą postać nadali tej teorii Paul Dirac i John von Neumann w latach 30., odwołując się do analizy funkcjonalnej – konkretniej teorii spektralnej operatorów na przestrzeni Hilberta. Ten poczet uczonych budował na pracach szeregu poprzedników jak Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Arnold Sommerfeld i Louis de Broglie, których wyniki bywają nazywane wczesną teorią kwantów. Relatywistyczną wersję mechaniki kwantowej stworzyli między innymi Oskar Klein, Walter Gordon i Paul Dirac, a Richard Feynman podał nowy, lagranżowski i wariacyjny formalizm, który okazał się skuteczny w kwantowaniu pól.

Mimo kontrowersji interpretacyjnych i swojej nieintuicyjności mechanika kwantowa okazała się zgodna z obserwacjami. Wyjaśniła stabilność atomów i pomiary spektroskopowe, np. rozwiązała problem katastrofy w nadfiolecie; stała się paradygmatem i podstawą fizyki atomowej, molekularnej, materii skondensowanej oraz chemii. Stworzyła nowe kierunki badań jak chemia kwantowa, kwantowa biologia czy inżynieria, np. kwantowa informatyka i kryptografia. Została też fundamentem fizyki cząstek elementarnych – w wersji relatywistycznej przewidziała istnienie antycząstek oraz doprowadziła do stworzenia kwantowych teorii pola. Te ostatnie próbuje się też stosować do opisu grawitacji w warunkach ekstremalnych, np. czarnych dziur czy Wielkiego Wybuchu. Mechanika kwantowa doprowadziła też bezpośrednio do pewnych spekulacji kosmologicznych – niektóre z jej interpretacji opisują rozgałęziony przyczynowo Wieloświat. Za przewidzenie i potwierdzenie zjawisk kwantowych przyznano co najmniej kilkanaście Nagród Nobla w dziedzinie fizyki.

Otwartą kwestią pozostaje, czy mechanika kwantowa jest teorią ostateczną i fundamentalną. Albert Einstein żywił nadzieje na zastąpienie jej teorią klasyczną, pozbawioną wspomnianych paradoksów; John Stewart Bell udowodnił, że wiązałoby się to z częściową rewizją – twierdzenie nazwane jego nazwiskiem opisuje, jak w pewnych warunkach teorie tego typu nie mogą się zgadzać z przewidywaniami kwantowymi. Doświadczenia Alaina Aspecta i innych fizyków potwierdziły skuteczność kwantowego opisu, falsyfikując wspomniane hipotezy. Mimo to nigdy nie wykluczono koncepcji superdeterminizmu, teorii fali pilotującej ani modyfikacji równania Schrödingera, choć podejrzenia te mogą nie być sprawdzalne.