Введение

Нетехническое введение в квантовую физику, книга Дэвида Дж. Гриффитса

Квантовая механика – это изучение материи и ее взаимодействия с энергией в масштабе атомных и субатомных частиц. В отличие от нее, классическая физика объясняет материю и энергию только в масштабе, знакомом человеческому опыту, включая поведение астрономических тел, таких как Луна. Классическая физика до сих пор используется во многих областях современной науки и техники. Однако к концу XIX века ученые обнаружили явления как в макро-, так и в микромире, которые классическая физика не могла объяснить. Стремление разрешить несоответствия между наблюдаемыми явлениями и классической теорией привело к революции в физике, к сдвигу в первоначальной научной парадигме: к развитию квантовой механики. Многие аспекты квантовой механики противоречат интуиции и могут казаться парадоксальными, поскольку они описывают поведение, существенно отличающееся от наблюдаемого в больших масштабах. По словам квантового физика Ричарда Фейнмана, квантовая механика имеет дело с «природой такой, какая она есть, – абсурдной». Особенности квантовой механики часто не поддаются простым объяснениям обыденным языком. Одним из примеров является принцип неопределенности: точные измерения положения не могут быть совмещены с точными измерениями скорости. Другой пример – это квантовая запутанность. При определенных обстоятельствах две частицы с общей историей могут стать взаимосвязанными, в этом случае измерение, проведенное над одной частицей (например, электроном, измеренным как имеющим спин вверх), будет статистически коррелировать с результатом эквивалентного измерения над другой частицей (что другая частица с большей вероятностью будет иметь спин вниз). Это справедливо, даже если частицы находятся на таком расстоянии друг от друга, что результат первого измерения невозможно передать второй частице до проведения второго измерения. Квантовая механика помогает нам понять химию, поскольку она объясняет, как атомы взаимодействуют друг с другом и образуют молекулы. Многие замечательные явления можно объяснить с помощью квантовой механики, например, сверхтекучесть. Жидкий гелий в сосуде, охлажденный до температуры, близкой к абсолютному нулю, спонтанно течет вверх и переливается через край сосуда – эффект, который не может быть объяснен классической физикой.

История

Объединение Максвелла электричества, магнетизма и света в 1880-х годах привело к экспериментам по исследованию взаимодействия света и материи. Некоторые из этих экспериментов содержали явления, которые не поддавались объяснению. Квантовая механика возникла в начале XX века в результате попыток объяснить эти результаты.

Доказательство квантов из фотоэлектрического эффекта

Семена квантовой революции проявились в открытии Дж. Дж. Томсона в 1897 году, что катодные лучи не были непрерывными, а состояли из "корпускул", которые теперь называются электронами. Электроны были названы всего за шесть лет до этого, как часть формирующейся теории атомов. В 1900 году Макс Планк, консервативный физик, не убежденный в атомной теории, обнаружил, что ему необходимы дискретные сущности, подобные атомам или электронам, чтобы объяснить излучение абсолютно черного тела. Горячие объекты излучают тепло; очень горячие объекты – раскаленные докрасна, белые – выглядят одинаково при нагревании до одной и той же температуры. Этот температурно-зависимый "вид" является результатом общей кривой интенсивности света на разных частотах (цветах). Эта общая кривая называется излучением абсолютно черного тела. Наименьшие частоты – это невидимые тепловые лучи, то есть инфракрасный свет. Белые горячие объекты имеют интенсивность во многих цветах видимого спектра. Непрерывные волновые теории света и материи не могут объяснить кривую излучения абсолютно черного тела. Планк распределил тепловую энергию между отдельными "осцилляторами" неопределенного характера, но с дискретной емкостью энергии: поведение излучения абсолютно черного тела было предсказано этой моделью. В то время электроны, атомы и дискретные осцилляторы были экзотическими идеями, призванными объяснить экзотические явления. Но в 1905 году Альберт Эйнштейн предположил, что свет также имеет корпускулярную природу, состоит из "энергетических квантов", что, казалось бы, противоречило устоявшейся науке о свете как о непрерывной волне, уходящей корнями на сто лет назад к работам Томаса Юнга по дифракции. Его революционное предложение началось с повторного анализа теории черного тела Планка, придя к тем же выводам, используя новые "энергетические кванты". Эйнштейн затем показал, как энергетические кванты связаны с электроном, открытым Дж. Дж. Томсоном. В 1902 году Филипп Ленард направил свет от дуговой лампы на свежеочищенные металлические пластины, помещенные в вакуумную стеклянную трубку. Он измерял электрический ток, отдаваемый металлической пластиной, при разной интенсивности света и для разных металлов. Это и есть фотоэффект. Ленард показал, что величина тока – число электронов – зависит от интенсивности света, но скорость этих электронов не зависит от интенсивности. Непрерывные волновые теории того времени предсказывали, что большая интенсивность света ускорит то же количество тока до более высокой скорости, что противоречило эксперименту. Энергетические кванты Эйнштейна объяснили увеличение числа электронов: на каждый квант выбивается один электрон, а значит, больше квантов – больше электронов. Эксперимент подтвердил предсказание Эйнштейна. В то время многие ученые отвергали революционную идею квантов. Но концепция Планка и Эйнштейна витала в воздухе и вскоре начала влиять на другие области физики и квантовые теории.

Квантизация связанных электронов в атомах

Эксперименты со светом и материей в конце 1800-х годов выявили воспроизводимую, но необъяснимую закономерность. Когда свет пропускали через очищенные газы, определенные частоты (цвета) не проходили. Эти темные линии поглощения следовали характерному рисунку: расстояния между линиями постоянно уменьшались. К 1889 году формула Ридберга предсказала линии для газообразного водорода, используя лишь постоянную величину и целые числа для нумерации линий. Схожей концепцией является теорема Эренфеста, которая показывает, что средние значения, полученные из квантовой механики (например, координаты и импульс), подчиняются классическим законам.

Квантизация спина

В 1922 году Отто Штерн и Уолтер Герлах продемонстрировали, что магнитные свойства атомов серебра не соответствуют классическому объяснению, что внесло вклад в присуждение Штерну Нобелевской премии по физике в 1943 году. Они направили пучок атомов серебра через магнитное поле. Согласно классической физике, атомы должны были образовать спрей с непрерывным распределением направлений. Вместо этого пучок разделился на два, и только два, расходящихся потока атомов. В отличие от других известных на тот момент квантовых эффектов, этот удивительный результат относится к состоянию отдельного атома. В 1924 году Вольфганг Паули назвал это явление "двузначностью, не описываемой классически" и связал его с электронами во внешней оболочке. Эксперименты привели к формулировке теории, согласно которой это явление возникает из-за спина электрона, что было предложено в 1925 году Сэмюэлем Годсмитом и Джорджем Уленбеком под руководством Пола Эренфеста.

Квантование материи

В 1924 году Луи де Бройль предположил, что электроны в атоме ограничены не "орбитами", а стационарными волнами. Его конкретное решение оказалось неработоспособным, но его гипотеза о том, что электронная "частица" движется в атоме как волна, побудила Эрвина Шрёдингера разработать волновое уравнение для электронов; при применении к водороду была точно воспроизведена формула Ридберга. Его последующие работы включали разработку моделей квантовых столкновений; в сноске к статье 1926 года он предложил правило Борна, связывающее теоретические модели с экспериментом. В 1927 году в лабораториях Белла Клинтон Дэвиссон и Лестер Гермер обстреливали медленно движущимися электронами кристаллическую мишень из никеля, что привело к появлению дифракционной картины, указывающей на волновую природу электрона, теория которой была полностью объяснена Гансом Бете. Аналогичный эксперимент, проведенный Джорджем Пейджетом Томсоном и Александром Ридом, заключался в обстреле электронами тонких целлюлоидных пленок, а затем металлических фольг, с наблюдением колец, что независимо подтвердило волновую природу электронов.

Дальнейшее развитие событий

В 1928 году Пол Дирак опубликовал свое релятивистское волновое уравнение, которое одновременно учитывало теорию относительности, предсказывало антиматерию и давало полное объяснение результату эксперимента Штерна — Герлаха. Несмотря на свою роль практически на всех этапах квантовой революции, явной модели для световых квантов не существовало до 1927 года, когда Пол Дирак приступил к разработке квантовой теории излучения, ставшей квантовой электродинамикой. В последующие десятилетия эта работа эволюционировала в квантовую теорию поля, которая является основой современной квантовой оптики и физики частиц.

Дуальность волны и частицы

Концепция волно-частичного дуализма утверждает, что ни классическое понятие "частицы", ни "волны" не могут полностью описать поведение объектов квантового масштаба, будь то фотоны или материя. Волно-частичный дуализм является примером принципа дополнительности в квантовой физике. Элегантным примером волно-частичного дуализма служит эксперимент с двумя щелями. В эксперименте с двумя щелями, впервые проведенном Томасом Янгом в 1803 году, а затем Огюстеном Френелем десятилетие спустя, наблюдается один и тот же тип интерференционной картины. Таким образом, было продемонстрировано, что вся материя обладает волновыми свойствами. Если интенсивность источника уменьшить, та же интерференционная картина будет медленно формироваться, по одному "отсчету" или частице (например, фотону или электрону) за раз. Квантовая система ведет себя как волна, проходя через двойные щели, но как частица, когда происходит ее регистрация. Это типичная черта квантовой дополнительности: квантовая система проявляет волновые свойства в эксперименте, предназначенном для измерения этих свойств, и свойства частицы в эксперименте, предназначенном для измерения последних. Точка на экране детектора, в которой регистрируется отдельная частица, является результатом случайного процесса. Однако распределение множества отдельных частиц воспроизводит дифракционную картину, создаваемую волнами.

Принцип неопределенности

Предположим, что требуется измерить положение и скорость объекта, например, автомобиля, проходящего контроль скорости с помощью радара. Можно предположить, что в определенный момент времени автомобиль имеет определенное положение и скорость. Точность измерения этих величин зависит от качества измерительного оборудования. Улучшение точности оборудования позволяет получить результат, более близкий к истинному значению. Можно было бы предположить, что скорость и положение автомобиля можно операционно определить и измерить одновременно с любой желаемой точностью. Однако в 1927 году Гейзенберг доказал, что это предположение неверно. Квантовая механика показывает, что определенные пары физических свойств, например, положение и скорость, нельзя одновременно измерить или операционно определить с произвольной точностью: чем точнее измеряется одно свойство или определяется операционно, тем менее точно можно измерить другое. Это утверждение известно как принцип неопределенности. Принцип неопределенности – это не просто утверждение о точности измерительных приборов, но, в более глубоком смысле, о концептуальной природе измеряемых величин – предположение о том, что автомобиль одновременно имеет определенное положение и скорость, не работает в квантовой механике. В масштабах автомобилей и людей эти неопределенности пренебрежимо малы, но при работе с атомами и электронами они становятся критическими. Гейзенберг привел в качестве примера измерение положения и импульса электрона с помощью фотона света. При измерении положения электрона чем выше частота фотона, тем точнее определяется положение точки столкновения фотона с электроном, но тем сильнее возмущается электрон. Это происходит потому, что при столкновении с фотоном электрон поглощает случайное количество энергии, что делает полученное измерение его импульса все более неопределенным, поскольку фактически измеряется его импульс после столкновения, искаженный продуктами столкновения, а не его первоначальный импульс (который должен измеряться одновременно с положением). При использовании фотона с более низкой частотой возмущение (и, следовательно, неопределенность) импульса меньше, но и точность измерения положения точки столкновения снижается. В основе принципа неопределенности лежит тот факт, что при любом математическом анализе в области положения и скорости повышение резкости (точности) кривой в области положения возможно только за счет более пологой (менее точной) кривой в области скорости, и наоборот. Большая резкость в области положения требует вклада большего числа частот в области скорости для создания более узкой кривой, и наоборот. Это фундаментальный компромисс, присущий любым связанным или дополнительным измерениям, но он становится заметным только в самых малых (планковских) масштабах, близких к размерам элементарных частиц. Принцип неопределенности математически показывает, что произведение неопределенностей положения и импульса частицы (импульс – это скорость, умноженная на массу) никогда не может быть меньше определенного значения, и это значение связано с постоянной Планка.

Колапс волновой функции

Коллапс волновой функции означает, что измерение вынудило или преобразовало квантовое (вероятностное или потенциальное) состояние в определенное измеренное значение. Это явление наблюдается только в квантовой механике, а не в классической механике. Например, до того как фотон фактически "зарегистрирован" на экране детектора, его можно описать лишь набором вероятностей того, где он может появиться. Когда он появляется, например, в ПЗС-матрице электронной камеры, время и место его взаимодействия с устройством определены с высокой точностью. Однако фотон исчезает в процессе регистрации (измерения), и вместе с ним исчезает его квантовая волновая функция. Вместо этого в детекторе происходит некоторое макроскопическое физическое изменение, например, проявление пятна на листе фотопленки или изменение электрического потенциала в одной из ячеек ПЗС-матрицы.

Эгенные величины и собственные значения

Из-за принципа неопределенности, утверждения о положении и импульсе частиц могут присваивать только вероятность того, что положение или импульс имеют определенное числовое значение. Поэтому необходимо четко разграничивать состояние неопределенности, например, электрона в облаке вероятностей, и состояние с определенным значением. Когда объект можно однозначно "зафиксировать" в каком-либо отношении, говорят, что он находится в собственном состоянии. В эксперименте Штерна — Герлаха, описанном выше, квантовая модель предсказывает два возможных значения спина атома относительно магнитной оси. Эти два собственных состояния произвольно называют "вверх" и "вниз". Квантовая модель предсказывает, что эти состояния будут измерены с равной вероятностью, но промежуточные значения не будут наблюдаться. Это и демонстрирует эксперимент Штерна — Герлаха. Собственные состояния спина относительно вертикальной оси не являются одновременно собственными состояниями спина относительно горизонтальной оси, поэтому вероятность обнаружить атом с любым из значений спина относительно горизонтальной оси одинакова. Как описано в предыдущем разделе, измерение спина относительно горизонтальной оси может привести к изменению спина атома с "вверх" на "вниз": измерение его спина относительно горизонтальной оси приводит к коллапсу его волновой функции в одно из собственных состояний этого измерения, что означает, что он больше не находится в собственном состоянии спина относительно вертикальной оси и может принимать любое из этих значений.

Принцип исключения Паули

В 1924 году Вольфганг Паули предложил новую квантовую степень свободы (или квантовое число), принимающую два возможных значения, для разрешения противоречий между наблюдаемыми молекулярными спектрами и предсказаниями квантовой механики. В частности, в спектре атома водорода наблюдался дублет – пара линий, различающихся на небольшую величину, хотя ожидалась лишь одна линия. Паули сформулировал свой принцип исключения, утверждая: "Не может существовать атом в таком квантовом состоянии, в котором два электрона имели бы один и тот же набор квантовых чисел". Год спустя Уленбек и Годсмит соотнесли новую степень свободы Паули со свойством, называемым спином, эффекты которого были обнаружены в эксперименте Штерна — Герлаха.

Волновое уравнение Дирака

В 1928 году Пол Дирак расширил уравнение Паули, описывающее электроны со спином, с учетом специальной теории относительности. В результате появилась теория, корректно описывающая явления, такие как скорость обращения электрона вокруг ядра, происходящие на значительной доле скорости света. Используя простейшее электромагнитное взаимодействие, Дирак смог предсказать значение магнитного момента, связанного со спином электрона, и обнаружил, что экспериментально наблюдаемое значение превышает то, которое должно быть у вращающейся заряженной сферы, описываемой классической физикой. Ему удалось решить задачу о спектральных линиях атома водорода и, исходя из фундаментальных физических принципов, воспроизвести успешную формулу Зоммерфельда для тонкой структуры спектра водорода. Уравнения Дирака иногда давали отрицательные значения энергии, для объяснения чего он предложил новаторское решение: он постулировал существование антиэлектрона и динамического вакуума. Это стало основой для развития квантовой теории поля с участием множества частиц.

Квантовая запутанность

В квантовой физике группа частиц может взаимодействовать или создаваться вместе таким образом, что квантовое состояние каждой частицы группы нельзя описать независимо от состояния других, в том числе когда частицы разделены большим расстоянием. Это называется квантовой запутанностью. Ранним важным этапом в изучении запутанности был парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена (EPR), мысленный эксперимент, предложенный Альбертом Эйнштейном, Борисом Подольским и Натаном Розеном, который утверждает, что описание физической реальности, предоставляемое квантовой механикой, неполно. В 1935 году в статье под названием «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?» они утверждали о существовании «элементов реальности», которые не являлись частью квантовой теории, и предположили, что должно быть возможно построить теорию, содержащую эти скрытые переменные. Мысленный эксперимент включает в себя пару частиц, подготовленных в состоянии, которое позже стало известно как запутанное состояние. Эйнштейн, Подольский и Розен указали, что в этом состоянии, если измерить положение первой частицы, можно предсказать результат измерения положения второй частицы. Если же вместо этого измерить импульс первой частицы, то можно было бы предсказать результат измерения импульса второй частицы. Они утверждали, что никакое воздействие на первую частицу не может мгновенно повлиять на другую, поскольку это подразумевало бы передачу информации быстрее скорости света, что запрещено теорией относительности. Они выдвинули принцип, позже известный как «критерий реальности EPR», утверждая: «Если, без какого-либо возмущения системы, мы можем с уверенностью предсказать (то есть с вероятностью, равной единице) значение физической величины, то существует элемент реальности, соответствующий этой величине». Исходя из этого, они заключили, что вторая частица должна иметь определенное значение как положения, так и импульса до измерения любой из этих величин. Однако квантовая механика считает эти две наблюдаемые несовместимыми и, следовательно, не связывает одновременные значения для обеих с какой-либо системой. Эйнштейн, Подольский и Розен, таким образом, пришли к выводу, что квантовая теория не дает полного описания реальности. В том же году Эрвин Шрёдингер использовал слово «запутанность» и заявил: «Я бы не назвал это единичным, а скорее характерной чертой квантовой механики». Ирландский физик Джон Стюарт Белл значительно продвинул анализ квантовой запутанности. Он вывел, что если измерения выполняются независимо друг от друга на двух разделенных частицах запутанной пары, то предположение о том, что результаты зависят от скрытых переменных в каждой половине, подразумевает математическое ограничение на то, как результаты двух измерений коррелируют. Это ограничение позже было названо неравенством Белла. Затем Белл показал, что квантовая физика предсказывает корреляции, которые нарушают это неравенство. Следовательно, единственный способ, которым скрытые переменные могли бы объяснить предсказания квантовой физики, — это если они «нелокальны», то есть если каким-то образом две частицы способны мгновенно взаимодействовать, независимо от расстояния между ними. Проводя эксперименты, подобные предложенным Беллом, физики обнаружили, что природа подчиняется квантовой механике и нарушает неравенства Белла. Иными словами, результаты этих экспериментов несовместимы с любой теорией локальных скрытых переменных.

Квантовая теория поля

Идея квантовой теории поля зародилась в конце 1920-х годов с британского физика Пола Дирака, когда он попытался квантовать энергию электромагнитного поля; подобно тому, как в квантовой механике энергия электрона в атоме водорода была квантована. Квантизация – это процедура построения квантовой теории на основе классической теории. Merriam Webster определяет поле в физике как «область или пространство, в котором существует данный эффект (например, магнетизм)». Другие эффекты, проявляющиеся в виде полей, – это гравитация и статическое электричество. В 2008 году физик Ричард Хаммонд писал: «Иногда мы проводим различие между квантовой механикой (КМ) и квантовой теорией поля (КФТ). КМ относится к системе, в которой число частиц фиксировано, а поля (например, электромагнитное поле) являются непрерывными классическими объектами. КФТ идет на шаг дальше и допускает создание и аннигиляцию частиц». Однако он добавил, что квантовая механика часто используется для обозначения «всего представления о квантовом мире». В 1931 году Дирак предположил существование частиц, которые позже стали известны как антиматерия. Дирак разделил Нобелевскую премию по физике 1933 года со Шрёдингером «за открытие новых плодотворных форм атомной теории».

Квантовая электродинамика

Квантовая электродинамика (КЭД) – это название квантовой теории электромагнитного взаимодействия. Понимание КЭД начинается с понимания электромагнетизма. Электромагнетизм можно назвать «электродинамикой», поскольку это динамическое взаимодействие между электрическими и магнитными силами. Электромагнетизм начинается с электрического заряда. Электрические заряды являются источниками и создают электрические поля. Электрическое поле – это поле, которое оказывает силу на любые частицы, несущие электрический заряд, в любой точке пространства. Это включает в себя электрон, протон и даже кварки, среди прочего. Под действием силы электрические заряды движутся, возникает электрический ток и создается магнитное поле. Изменяющееся магнитное поле, в свою очередь, вызывает электрический ток (часто – движение электронов). Физическое описание взаимодействующих заряженных частиц, электрических токов, электрических полей и магнитных полей называется электромагнетизмом. В 1928 году Пол Дирак разработал релятивистскую квантовую теорию электромагнетизма. Она стала предшественницей современной квантовой электродинамики, поскольку содержала основные элементы современной теории. Однако в этой релятивистской квантовой теории возникла проблема неразрешимых бесконечностей. Спустя годы ренормализация в значительной степени решила эту проблему. Первоначально некоторые из ее создателей рассматривали ренормализацию как временную и сомнительную процедуру, но в конечном итоге она была признана важным и самосогласованным инструментом в КЭД и других областях физики. Кроме того, в конце 1940-х годов диаграммы Фейнмана предоставили способ делать предсказания с помощью КЭД, находя амплитуду вероятности для каждого возможного способа протекания взаимодействия. Эти диаграммы показали, что электромагнитное взаимодействие – это обмен фотонами между взаимодействующими частицами. Сдвиг Лэмба – это пример предсказания квантовой электродинамики, которое было экспериментально подтверждено. Это эффект, при котором квантовая природа электромагнитного поля приводит к небольшому отклонению энергетических уровней в атоме или ионе от их обычных значений. В результате спектральные линии могут смещаться или расщепляться. Аналогично, в свободно распространяющейся электромагнитной волне ток может быть просто абстрактным током смещения, не связанным с носителями заряда. В КЭД его полное описание требует существенного использования кратковременно существующих виртуальных частиц. Таким образом, КЭД вновь подтверждает более раннюю, довольно загадочную концепцию.

Стандартная модель

Стандартная модель физики частиц – это квантовая теория поля, описывающая три из четырех известных фундаментальных сил (электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия – исключая гравитацию) во Вселенной и классифицирующая все известные элементарные частицы. Она разрабатывалась поэтапно на протяжении второй половины XX века благодаря работе многих ученых по всему миру, а современная формулировка была завершена в середине 1970-х годов после экспериментального подтверждения существования кварков. С тех пор доказательства существования топ-кварка (1995), тау-нейтрино (2000) и бозона Хиггса (2012) укрепили доверие к Стандартной модели. Кроме того, Стандартная модель с высокой точностью предсказала различные свойства слабых нейтральных токов и W- и Z-бозонов. Хотя Стандартная модель считается теоретически непротиворечивой и успешно предоставляет экспериментальные прогнозы, она не объясняет некоторые физические явления и поэтому не является полной теорией фундаментальных взаимодействий. Например, она не полностью объясняет барионную асимметрию, не включает в себя полную теорию гравитации, как описано в общей теории относительности, и не учитывает ускоряющееся расширение Вселенной, которое может быть описано темной энергией. Модель не содержит ни одной жизнеспособной частицы темной материи, обладающей всеми необходимыми свойствами, выведенными из наблюдательной космологии. Она также не учитывает нейтринные осцилляции и их ненулевую массу. Соответственно, она используется в качестве основы для построения более экзотических моделей, включающих гипотетические частицы, дополнительные измерения и сложные симметрии (такие как суперсимметрия) для объяснения экспериментальных результатов, противоречащих Стандартной модели, например, существования темной материи и нейтринных осцилляций.

Интерпретации

Физические измерения, уравнения и предсказания, относящиеся к квантовой механике, все согласуются и имеют очень высокий уровень подтверждения. Однако на вопрос о том, что эти абстрактные модели говорят о фундаментальной природе реального мира, даны различные ответы. Эти интерпретации сильно различаются и порой весьма абстрактны. Например, копенгагенская интерпретация утверждает, что до проведения измерения утверждения о свойствах частицы лишены всякого смысла, в то время как интерпретация множества миров описывает существование мультивселенной, состоящей из каждой возможной вселенной. Свет в одних аспектах проявляет себя как частицы, а в других – как волны. Материя – "вещество", составляющее Вселенную и состоящее из частиц, таких как электроны и атомы, – также демонстрирует волновое поведение. Некоторые источники света, например, неоновые лампы, излучают лишь определенные частоты света, небольшой набор различных чистых цветов, определяемых атомной структурой неона. Квантовая механика показывает, что свет, наряду со всеми другими формами электромагнитного излучения, приходит в дискретных единицах, называемых фотонами, и предсказывает его спектральные энергии (соответствующие чистым цветам) и интенсивность световых пучков. Отдельный фотон – это квант, или наименьшая наблюдаемая частица электромагнитного поля. Частичного фотона никогда не наблюдалось экспериментально. В более широком смысле, квантовая механика показывает, что многие свойства объектов, такие как положение, скорость и угловой момент, которые казались непрерывными в классической механике, оказываются (в очень малом, увеличенном масштабе квантовой механики) квантованными. Эти свойства элементарных частиц должны принимать одно из множества небольших, дискретных допустимых значений, и поскольку разрыв между этими значениями также мал, разрывы становятся заметными только в очень малых (атомных) масштабах.

Повседневные приложения

Связь между частотой электромагнитного излучения и энергией каждого фотона объясняет, почему ультрафиолетовый свет может вызвать солнечные ожоги, а видимый или инфракрасный – нет. Фотоны ультрафиолетового света несут в себе большое количество энергии – достаточное для повреждения клеток, как это происходит при солнечных ожогах. Фотоны инфракрасного света несут меньше энергии – лишь достаточное для нагревания кожи. Таким образом, инфракрасная лампа может нагреть большую поверхность, возможно, достаточно большую, чтобы обеспечить комфорт в холодной комнате, но она не может вызвать солнечный ожог.

Технологические приложения

Приложения квантовой механики включают в себя лазер, транзистор, электронный микроскоп и магнитно-резонансную томографию. Особый класс квантово-механических приложений связан с макроскопическими квантовыми явлениями, такими как сверхжидкий гелий и сверхпроводники. Изучение полупроводников привело к изобретению диода и транзистора, которые незаменимы в современной электронике. Даже в простом выключателе света квантовое туннелирование абсолютно необходимо, поскольку в противном случае электроны в электрическом токе не смогли бы преодолеть потенциальный барьер, образованный слоем оксида. Чипы флэш-памяти, используемые в USB-накопителях, также применяют квантовое туннелирование для стирания ячеек памяти.