|
'''Kvantfüüsika''' ehk '''kvantteooria''' on 20. ja 21. sajandi [[füüsika]] haru, mis hõlmab teooriad[[teooria]]d, mis võtavad arvesse mikromaailma omadused, mis pole [[klassikaline füüsika|klassikalise füüsika]] raames ennustatavad ega seletatavad.
[[Molekul]]ide ja neist väiksemate [[osake]]ste puhul annavad [[mõõtmine|mõõtmised]] [[klassikaline mehaanika|klassikalise mehaanikaga]] vastuolulisi tulemusi. Muu hulgasMuuhulgas osutub, et teatud [[füüsikaline suurus|füüsikalistel suurustel]] on [[diskreetsus|diskreetne]] iseloom: neil ei ole mitte pidevnende [[väärtus (matemaatika)|väärtus]]te skaala ei ole pidev, vaid nende väärtused saavad erineda vaid kindlate suuruste – nn [[kvant]]ide – võrra, ehk teiste sõnadega, nad on [[kvanditud suurus|kvanditud]]. Samuti osutub, et [[osake]]si ja [[laine]]id ei saa mõttekalt eristada, sest üks ja seesama [[füüsikaline objekt]] käitub olenevalt uurimisviisist kas lainena või osakesena (seda nimetatakse [[laine-osakese dualism]]iks). Kvantfüüsika teooriad taotlevad nende nähtuste selliseid [[seletus]]i, mis võimaldavad [[vahemaa]]de ja [[mass]]ide väikestes mastaapides saadavaid mõõtmistulemusi tõepäraselt [[ennustus (teadus)|ennustada]].
Väljendit "kvantfüüsika" on esmakordselt kasutatud [[1931]] [[Max Planck]]i raamatus "The Universe in the Light of Modern Physics".
Poolklassikalisteks, vanadeks ehk varajasteks kvantteooriateks nimetatakse teooriaid, mis küll postuleerivad teatavate suuruste kvanditust ning mõnikord ka annavad seletuse [[lainelis-korpuskulaarne dualism|lainelis-korpuskulaarsele dualismile]], kuid ei võimalda siiski kirjeldatavaid nähtusi kuigi sügavalt mõista. Need teooriaid ei andnud ka ennustusi väljaspool mõne kitsa nähtusteklassi raame.
Aastal [[1900]] tuletas [[Max Planck]] [[Plancki kiirgusseadus]]e – [[valem]]i, mis kirjeldab [[absoluutselt must keha|absoluutselt musta keha]] [[kiirgus]]e vaadeldud [[sagedusjaotus]]t. Planck lähtus eeldusest, et must keha koosneb diskreetselt jaotunud [[energianivooenergiatase]]degametega [[ostsillaator]]itest. Valgust kiiratakse väikeste [[kvant]]idena, mille energia on võrdeline valguse [[sagedus]]ega, kusjuures võrdeteguriks on [[Plancki konstant]] ''h''. See asjaolu oli tolleaegsete teooriate abil seletamatu. Planck pidas sellist [[energia]] kvanditust [[aine (füüsika)|aine]], mitte [[valgus]]e enda omaduseks. Tema meelest puutus valgus asjasse ainult nii palju, et valgus saab ainega energiat vahetada ainult kvantide kaupa sellepärast, et aine võimaldab ainult teatud kindlaid energianivoosid.
[[Albert Einstein]] laiendas seda kontseptsiooni, tulles [[fotoefekt]]i seletuseks välja teooriaga, et valguse energia on ise kvantiseeritudkvanditud. Lähtudes vaadeldud asjaolust, et energiahulgad, mis valguskiir saab ainele ära anda, on võrdelised valguse [[sagedus]]ega, seega valguse enda omadusega, leidis Einstein, et energianivood ei ole kvantiseeritudkvanditud ainult aines, vaid valgus ise koosnebki ainult teatud energiaportsjonitest. Selline kontseptsioon ei ole ühitatav valguse puhtlainelise iseloomuga. Seega tuli välja, nagu ei käituks valgus ei klassikalise valgusena ega ka klassikalise osakeste vooga.
Aastal [[1913]] kasutas [[Niels Bohr]] kvantiseeritudkvanditud energianivoodeenergiatasemete kontseptsiooni [[vesiniku aatom]]i [[spektrijoon]]te seletamiseks. Tema järgi nime saanud [[Bohri aatomimudel]] lähtub sellest, et [[elektron]] tiirleb vesiniku aatomis ümber [[aatomituum|tuum]]a teatud kindlal energianivoolenergiatasemel. Seejuures vaadeldakse elektroni osakesena, mis käitub klassikaliselt, välja arvatud selle poolest, et tema energial võivad olla ainult teatud kindlad väärtused. Teised teoreetikud, eriti [[Arnold Sommerfeld]], täiustasid Bohri aatomimudelit, et seda saaks kasutada ka teiste [[aatom]]ite [[kiirgusspekter|spektrite]] seletamiseks. Muu hulgas postuleeriti elektronide [[ellips]]ikujulised [[trajektoor]]id ([[Bohri-Sommerfeldi aatomimudel]]). Rahuldava seletuseni siiski ei jõutud. Bohri aatomimudeli postulaatidel polnud ka põhjendust, nii et see ei võimaldanud nähtuste olemuseolemust sügavamatsügavamalt mõistmistmõista.
Aastal [[1924]] avaldas [[Louis de Broglie]] [[mateerialained|mateerialainete]] ([[Broglie lained|Broglie lainete]]) teooria. Selle järgi võib igasugune mateeria (aine) ilmutada laineiseloomu ning lained ka osakeseiseloomu. See teooria võimaldas seletada fotoefekti ja Bohri aatomimudelit ühtselt aluselt. Elektronide orbiite aatomituuma ümber vaadeldi [[seisulaine]]tena. Elektroni arvutuslik [[lainepikkus]] ning orbiitide pikkused Bohri aatomimudeli järgi sobisid selle kontseptsiooniga hästi kokku. Teiste aatomite spektrite seletamine ei olnud siiski veel võimalik.
Aastal [[1927]] leidis de Broglie teooria kinnitust kahes sõltumatus [[eksperiment|eksperimendis]], mis tõendasid elektronide [[difraktsioon]]i. Briti füüsik [[George Paget Thomson]] juhtis [[elektronkiir]]e läbi üliõhukese [[metall]]i ning vaatles de Broglie ennustatud [[interferents]]imustrit. Sarnases eksperimendis, mis juba aastal [[1919]] viidi läbi [[Bell Labs]]is, vaatlesid [[Clinton Davisson]] ja tema assistent [[Lester Germer]] [[nikkel|nikli]][[kristall]]ilt [[peegeldumine|peegeldunud]] elektronkiire difraktsioonimustrit. Nähtust õnnestus seletada alles 1927 de Broglie laineteooria abiga.
=== Kvantmehaanika ===
Mõni kuu hiljem leiutas [[Erwin Schrödinger]] hoopis teistmoodi – de Broglie mateerialainete teooriast lähtudes – asjale lähenedes [[lainemehaanika]] ja [[Schrödingeri võrrand]]i. Varsti õnnestus Schrödingeril tõestada, et tema lähenemine on maatriksmehaanikaga ekvivalentne.
Schrödingeri ja Heisenbergi läheneminetööd tõid kaasa uue lähenemise [[mõõdetav suurus|mõõdetavatele suurustele]]. Varem oli neid võetud [[funktsioon (matemaatika)|funktsioon]]idena, mis seavad süsteemi teatud [[olek]]ule vastavusse [[arv]]u või [[vektor]]i, mis väljendab suuruse, näiteks [[koordinaat|koordinaadi]] (või [[kohavektor]]i) või [[impulss|impulsi]] väärtust. Heisenberg ja Schrödinger püüdsid vaadeldava suuruse mõistet niiviisi modifitseerida, et see oleks ühitatav interferentsiga [[kaksikpilu]]s. Nimelt, kui mõõtmisega tehakse kindlaks, läbi kumma pilu osake lendab, siis ei saada mitte kaksikpilu interferentsimustrit, vaid kaks üksikpilumustrit. Seega mõjutab mõõtmine [[osakeste süsteem]]i olekut. Vaadeldavaid suurusi võetakse funktsioonidena ühelt olekult teisele. Nõnda ei saa süsteemi olekut enam määrata näiteks koordinaadi ja impulsi väärtuse kaudu, vaid olek tuleb vaadeldavatest suurustest ja nende väärtustest lahutada. [[Trajektoor]]i mõiste asendus abstraktse [[olek]]u mõistega (olekut kirjeldab [[olekufunktsioon]]). Mõõtmisprotsessis viiakse olekuga vastavusse vaadeldava suuruse üks [[omaväärtus]]test, millele vastab teatud reaalne mõõtmistulemus. See on täiendav "reaalväärtuselisustingimus", mida vaadeldav suurus peab rahuldama.
Vaadeldavate suuruste säärasest uuelaadsest mõistestmõistmisest tuleneb, et mitme mõõtmise puhul on oluline mõõtmiste järjekord, sest ilma kindla järjekorrata ei saa kaks vaadeldavat suurust mingile olekule mõjuda. Tulemus võib oleneda mõõtmiste järjekorrast sellest võib oleneda mõõtmise tulemus. Kui kahe vaadeldava suuruse puhul on lõpptulemused erineva mõõtmiste järjekorra puhul erinevad, siis tekib [[määramatuse relatsioon]]. Koordinaadi ja impulsi puhul kirjeldas seda esimesena Werner Heisenberg [[1927]]. Määramatuse relatsioonid kirjeldavad kvantitatiivselt lõppolekute erinemisterinevust vaasdeldavatevaadeldavate suuruste järjekorra äravahetamisel.
Aastal [[1927]] sõnastasid Bohr ja Heisenberg [[Kopenhaageni interpretatsioon]]i, mida nimetatakse ka kvantmehaanika ortodoksseks interpretatsiooniks. See tugines Borni ettepanekule võttakäsitada süsteemi olekut kirjeldava [[olekufunktsioon]]i ehk [[lainefunktsioon]]i väärtuse [[moodul (absoluutväärtus)|moodul]]i [[ruut (algebra)|ruut]]u [[tõenäosustihedus]]ena ([[Borni interpretatsioon]]). Kuigi vahepeal on ilmunud arvukalt muid kvantmehaanika interpretatsioone, pooldab seda tänini enamik füüsikuid.
Umbes 1927 hakkas [[Paul Dirac]] töötama kvantmehaanika ja [[erirelatiivsusteooria]] ühendamise kallal. Samuti võttis ta [[1930]] ilmunud raamatus kasutusele [[bra-ket-tähistus]]e. Samal ajal formuleeris [[John von Neumann]] kvantmehaanika range [[matemaatika|matemaatilise]] baasi, mida ta kirjeldas [[1932]] ilmunud raamatus. Ta kasutas muu hulgas [[lineaarne operaator|lineaarseid operaatoreid]] [[Hilberti ruum]]idel.
Alates [[1927]]. aastast on tehtud katseid rakendada kvantmehaanikat mitte ainult osakestele, vaid ka [[väli|väljadele]]. Nõnda on tekkinud väljade kvantteooriad. Esimesed tulemused selles valdkonnas said [[Paul Dirac]], [[Wolfgang Pauli]], [[Victor Weisskopf]] ja [[Pascual Jordan]]. Lainete, osakeste ja [[väli|väljade]] kirjeldamiseks vaadeldakse neid [[kvantväli|kvantväljadena]] (vaadeldavate suuruste sarnaste objektidena). Kvantväljad ei pea rahuldama "reaalväärtuselisuse" nõuet ega ole tingimata seotud mõõdetavate suurustega. Kvantväljade puhul on osutunud probleemiks, et keeruliste hajumisprotsesside arvutamisel saadakse lõpmatud väärtused, lihtsate protsesside puhul aga saadakse sageli vaadeldavatest väärtustest väga erinevaid tulemusi.
1940. aastate lõpus leiutati lõpmatute väärtuste probleemi lahendamiseks [[renormeerimine]]. See võimaldas [[Richard Feynman]]il, [[Freeman Dyson]]il, [[Julian Schwinger]]il ja (ka [[Shin'ichirō Tomonaga]]l formuleerida [[kvantelektrodünaamika]]. See teooria kirjeldab [[elektron]]e, [[positron]]e ja [[elektromagnetväli|elektromagnetvälja]] esimest korda ühtsest vaatekohast ning ennustab mõõtmistulemusi väga täpselt. Kvantelektrodünaamika oli eeskujuks teistele väljade kvantteooriatele.
[[Kvantkromodünaamika]] töötati välja 1960ndate alguses. Teooria tänapäeval tuntud kuju formuleerisid [[1975]] [[David Politzer]], [[David Gross]] ja [[Frank Wilczek]]. [[Julian Schwinger]]i, [[Peter Higgs]]i, [[Jeffrey Goldstone]]'i ja [[Sheldon Glashow]]' teedrajavatele töödele toetudes näitasid [[Steven Weinberg]] ja [[Abdus Salam]] teineteisest sõltumatult, kuidas [[nõrk vastastikmõju]] ja kvantelektrodünaamika on võimalik ühendada [[elektronõrk vastastikmõju|elektronõrga vastastikmõju]] teooriaks.
| 