Mekanikang quantum

Ang Mekanikang quantum (mula sa Ingles na Quantum Mechanics, Quantum Theory o Quantum Physics) ay isang pundamental na hinuhang pisikal (physics) na pumapalit sa mekanikang Newtonian at klasikong elektromagnetismo sa lebel na atomika at subatomika. Ito ang balangkas sa ibabaw sa maraming larangan ng pisika at kimika kasama ang pisika ng kondensadong materya (condensate matter), kimikang kwantika at pisikang partikulo. Ang katagang quantum (quantum sa Latin, “magkano, gaano”) ay tumutukoy sa mga hiwalay at maliwanag na unit na itinatakda ng hinuha sa kantidad tulad ng enerhiya ng isang atomong nakahimpil (tingnan ang Larawan 1, sa kanan). Ang pundasyon ng mekanikang quantum ay itinatag noong unang kalahati ng siglo 20 nina Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Max Born, John von Neumann, Paul Dirac, Wolfgang Pauli at ng iba pa. Ang ilang aspetong pundamental ng hinuang ito ay patuloy na pinag-aaralan magpahanggang ngayon.

Larawan. 1: Ang mga alongpunsiyon ng isang elektron sa isang atomo ng hidroheno na mayroong tiyak na enerhiya(papalaki pababa: n=1,2,3,...) at angular na momentum(pataas pahalang: s, p, d,...). Ang mga maliwanag na lugar ay katumbas ng mataas na densidad ng probabilidad sa pagsukat ng posisyon nito. Kwantisado ang angular na momentum at enerhiya at malinaw na nagpapakita na halaga tulad ng nakalarawan.

Sinasabing ang mekanikang quantum ay mas pundamental na hinuha kaysa mekanikang Newtonian at klasikong elektromagnetismo dahil nagpapakita ito ng tama at tumpak na paliwanag sa maraming kababalaghan na hindi maipapaliwanag ng mga “klasikong” paghihinuha. Halimbawa, hindi maipakita ng mekankang Newtonian ang pag-inog ng mga panatag na atomo. Kinakailangan itong gumamit ng mekanikang quantum upang lubos na maunawaan ang ugali ng mga sistema sa atomika o mas maliit pa rito. Ginagamit rin ang mekanikang upang maipaliwanag ang ilang “makroskopyong kwantikong sistema” tulad ng mga superkonduktor at superpluido. Hindi pa napabubulaanan ang mga hula ng kwantum mekaniks makaraan ang daang taong pananaliksik rito. Maraming mga pisiko ang naniniwala na ang mekanikang quantum ang nagbibigay ng tamang paliwanag sa pisikal na mundo na halos matatagpuan sa lahat ng kalagayan. Kung saan maaring pumalya ang isang katayuan sa mekanikang quantum ay kung saan ang epekto ng hinuha ng pangkalahatang relatibidad, ang nananaig na hinuha ng grabidad ay mahalaga tulad na mararamdaman malapit sa mga itim na butas ng kalawakan o kaya’y nagpapakita sa kabuuan ng uniberso. Sinasabing magkataliwas ang hinuha ng mekanikang quantum at hinuha ng pangkalahatang relatibidad na dalawang pinakamahalagang tuklas sa pisika sa ika-20 siglo. Kung papaano mapagkakasundo ang kontradiksiyon ng dalawa ay saklaw ng masusing pananalisik hanggang sa kasalukuyan.

Sa malawakg kaisipan, sumasaklaw ang mekanikang quantum sa apat na uri ng kababalaghan na hindi maipakikita ng klasikong pisika: (i) ang kwantisasyon (hiwalay at maliwanag na pagpapakita) ng ilang pisikang kantidad, (ii) dualidad ng alon-partikulo (wave-particle duality), (iii) ang prinsipyo ng walang katiyakan (uncertainty principle), at (iv) pagkakabuhol na quantum (quantun entanglement). Ipaliliwanag ito sa mga susunod ang bahagi.

Sa ilang sitwasyon, ang mga batas ng klasikong pisika ay malapit na nagtataya sa mga batas ng mekanikang quantum. Kalimitang sinasabi na pinaliit ng mekanikang quantum ang klasikong mekanika at klasikang elektromagetismo. Klasikong hanggahan o pagkakaayon ang tawag rito kung saan sila nagtatagpo.

Pagpapaliwang sa Hinuha

May ilang magkakatumbas sa balangkas matematika ng mekanikang quantum. Isa sa pinakamatanda at gamiting balangkas na ito ay ang hinuha ng transpormasyon na inimbento ni Paul Dirac na nagsanib at nagpaliwanag ng dalawang naunang balangkas ng mekanikang quantum, matriks na mekaniks na inimbento ni Werner Heisenberg at punsiyong alon na inimbento ni Erwin Schrödinger.

Sa balangkas na ito, ang sumandaling katayuan ng isang sistemang kwantika ay nagpapakita ng probabilidad ng kanyang katangiang diskreto nasusukat o “natutunghayan”. Ang enerhiya, posisyon, momentum at angular na momentum ay mga halimbawa ang mga “natutunghayang” katangian. Maaring tuluyan (hal. posisyon ng isang partikulo) o hiwalay at maliwanag (hal. enerhiya na isang elektron na nakabigkis sa isang atomo ng hidroheno) ang mga natutunghayan.

Karaniwan, hindi nagtatakda ng tiyak na halaga sa mga “natutunghayan”. Sa halip, humuhula ito sa probabilidad ng distribusyon nito, yaong, probabilidad na mákukuha ang bawat resulta mula sa pagsukat ng isang natutunghayan. Katunayan, ang mga probabilidad na ito ay depende sa katayuang kwantika sa saglit ng pagsukat nito. Gayunpaman, may ilang katayuang laging kaagapay ng tiyak na halaga ng isang natutunghayan. Ito ay tinatawag na “eigen-estado” (eigenstate, sariling katayuan) ng isang natutunghayan (ang “eigen” ay “sarili”sa Aleman,.)

Mainam na gumamit ng isang halimbawa rito. Ating tingnan ang isang malayang partikulo. Maipakikita ito bilang isang alon na tinatawag na alongpunsiyon (wavefunction) sa kanyang estado kwantiko anuman ang itsura ito sa kalawakan. Ang posisyon at momentum ng partikulong ito ay mga matutunghayan (o masusukat). Sinasaad ng Prinsipyo ng walang katiyakan ng mga katuyuan sa kwantum mekaniks na ang posisyon at momentum ay hindi magkasabay na malalaman ng walang mali. Ngunit atin lamang masusukat ang posisyon ng isang tumatakbong partikulo na nagdudulot ng eigen-estado ng posisyon na kung saan ang eigen-estado ng posisyon ay lubhang malaki kung saan ang alongpunsiyon ay nasa posisyong x, at sero (wala) naman sa lahat ng lugar. Kung ating susukatin ang posisyon nito sa alongpunsiyon, ating mákukuha ang resultang x nang may 100% probabilidad. Ito ang tinatawag na eigen-estado ng posisyon. Kapag ang isang partikulo ay nasa eigen-estado ng position, ang kanyang momentum ay tunay na di-tiyak. Ang eigen-estado ng momentum sa kabilang dako ay may anyo ng isang patag na alon. Maipakikita ito na ang haba ng alon(wavelength) ay katumbas sa h/p, kung saan ang h ay konstante ni Planck at ang p ay momentum ng eigen-estado. Dahil dito, kung ang isang partikulo ay nasa eigen-estado ng momentum, ang kanyang posisyon ay lubos na malabong matunghayan.

Karaniwan, ang isang sistema ay wala sa eigen-estado kahit gaano tayo kainteresado sa mga natutunghayan dito. Gayunman, kung masukat natin ang natutunghayan, ang kanyang alongpunsiyon ay agad-agad nagiging eigen-estado ng natutunghayan. Ang prosesong ito ay tinatawag na pagkagiba ng alongpunsiyon (wavefunction collapse). Kung ating alam ang alongpunsiyon nito saglit bago sukatin ito, ating makukwenta ang probabilidad ng pagkagibâ ng bawat posibleng eigen-estado. Halimbawa, ang malayang partikulo sa ating naunang halimbawa ay magkakaroon ng isang alongpunsiyon na isang bugso ng alon na nakasentro sa gitnang posisyong x0, na hindi eigen-estado ng posisyon o ng momentum. Kapag ating sinukat ang posisyon ng partikulo, imposible nating matiyak ang makukuha nating resulta. Malamang, ngunit di-tiyak, na ito ay malapit sa x0, kung saan ang amplitud ng alongpunsiyon ay malaki. Matapos nating sukatin at kunin ang resultang x, agad magigibâ ang alongpunsiyon sa posisyong eigen-estado na nakagitna sa x.

Maaring magbago ang alongpunsiyon habang lumalakad ang mga panahon. Ang ekwasyong tinatawag na ekwasyong Schrödinger ang nagpapakita kung papaano nagbabago ang alongpunsiyon sa paglakad ng panahon na kawangki sa ikalawang mga batas ng mosyon ni Newton ng klasikong mekanika. Hinuhulaan na ang sentro ng bugso ng alon na ipinakikita ng ekwasyong Schrödinger na ginagamit sa ating malayang partikulo ay gagalaw lamang sa lugar sa tuwing di-nagbabago tulad ng isang klasikong partikulo na walang pwersang nagpapakilos rito. Gayunman, ang bugso ng alon ay kakalat din habang lumalakad ang panahon na nangangahulugang lalong walang katiyakan ang posisyon nito. May epekto rin ito upang baguhin ang mga eigen-estado ng posisyon (na para bang lubos na matinis na mga bugso ng alon) upang maging malawak na bugsong alon na wala na eigen-estado ng posisyon.

May ilang alongpunsiyon ang nagbubunga ng probabilidad ng pagkakamudmod nito na di-nagbabago sa panahon. Maraming sistema na itinituring na dinamiko sa klasikong mekaniks ang ipinakikita ng “nakapirmeng” alongpunsiyon. Halimbawa, ang isang elektron sa isang di-maliksing (non-excited) atomo ay ipinakikitang umiikot ng pabilog sa palibot ng nukleyo ng atomo. Sa kwantum mekaniks, ito ay ipililiwanag na isang simetrikong at nakapirmeng alongpunsiyon sa palibot ng nukleyo (Larawang 1). Tandaan na ang pinakamababang estado at angular na momentum na may ngalang s ay simetrikong spero (parang bola).

Natutunton ang panahong pag-inog ng mga alongpunsiyon dahil sa ang isang alongpunsiyon sa simula ng oras nito ay tapat na humuhula kung ano ang alongpunsiyon nito sa kalaunan. Sa isang pagsukat nito, ang pagbabago ng alongpunsiyon mula sa isa ay di-matutunton, sa halip ito’y di-mahuhulaan, i.e., walang ayos.

Kaya ang malamang (probabilistic) na likas ng kwantum mekaniks ay galing sa pagsukat nito. Ito ang pinakamahirap na aspeto ng sistema kwantiko na mahirap ding unawain. Ito ang pinakapunong paksa ng bantog na debate ni Neils Bohr at Albert Einstein na kung saan ang dalawang bantog na siyentipiko ay sumubok na linawin ang mga pundamental na prinsipyo sa pamamagitan ng mga eksperimento ng pag-iisip. Sa maraming dekada matapos ang pagbalangkas ng kwantum mekaniks, masusing pinag-aralan kung ano ba talaga ang “isang pag-sukat”. Ang interpretasyon ng kwantum mekaniks ay binalangkas na nagwawangki sa konsepto ng “pagkagibâ ng alongpunsiyon”. Ang ugat na ideya rito ay ang pagkakabuhol(entanglement) ng kanya-kanyang alongpunsiyon kapag nakipagniig na ang isang sistema kwantika sa aparatong sumusukat rito at dahil dito ang paghinto sa pag-inog ng orihinal na sistema kwantika bilang isang independyenteng entidad.

Mga Kwantum Mekanikong Epekto

Kagaya ng nabanggit sa simula pa man, maraming klase ng kababalaghan sa loob ng kwantum mekaniks ang walang kagaya sa klasikong pisika. Ito ay minsang tinatawag na mga "epektong kwantum".

Ang unang uri ng kwantikong epekto ay ang kwantisasyon ng ilang pisikal na kantidad. Unang lumitaw ang kwantisasyon sa matematikang balangkas ni Max Planck noong 1900. Pinag-aaralan ni Max Planck kung ano ang kinalaman sa temperatura ng bugang radiasyon mula sa isang katawan, sa madaling salita, kanyang sinusuri ang enerhiya ng isang alon. Sinasabing may katapusan din ang enerhiya ng alon, kaya gumamit si Planck ng isang bahagi nito na may prekwensiyang may takdang enerhiya. Kanyang natagpuan ang isang konstante na kapag minultiplika sa prekwensiya ng anumang alon ay nabibigay ng enerhiya ng alon. Ang konstanteng ito ay ipinakikita bilang letrang h sa matematikang balangkas. Ito ay isang batong-panulukan sa pisika. Dahil sa pagsukat ng enerhiya bilang isang hiwalay at malinaw na bahagi ng isang di-tuluyang alon, ang alon ay nagpapakita bilang isang tipak o bugso ng enerhiya. Ang tipak na ito ng enerhiya ay katumbas ng mga partikulo. Kaya sinasabing ang enerhiya ay kwantisado dahil sila ay nakikitang hilawalay at malinaw na bugso sa halip na tuloy-tuloy na agos ng enerhiya.

Sa halimbawang ibinigay, ang isang malayang partikulo sa isang lugar na walang kalaman-laman, patuloy na matutunghayan ang posisyon at momentum nito. Ngunit kung ating patitigilin ang partikulong ito sa isang rehiyon ng lugar na ito (na tinatawag problema ng na nakabilanggong partikulo), ang momentum na natutunghayan ay magiging malinaw. Ito ay may halagang $n{\frac {h}{2L}}$, kung saan L ang haba ng kahon, h ang Planck’s constant, at n isang arbitraryo at di-negatibong numero. Ang mga nasabing natutunghayang ito ay sinasabing kwantisado at may mahalagang papel sa maraming sistemang pisikal. Ang mga halimbawa ng kwantisadong natutunghayan ay ang mga sumusunod: angular na momentum, ang buong enerhiya ng isang sistemang binigkis, at ang enerhiyang nakapaloob sa isang elekromagnetikong alon kung alam ang prekwensiya nito.

Ang isa pang kwantikong epekto ay ang prinsipyo ng walang katiyakan kung saan ang kababalaghan ng magkakasunod na pagsukat ng dawal o higit pang natutunghayan ay may angking limitasyon sa katumpakan nito. Sa ating halimbawa ng malayang partikulo, imposibleng matagpuan nang magkasabay ang alongpunsiyon na nasa eigen-estado ng posisyon at momentum nito. Nagpapahiwatig ito na ang posisyon at momentum ay hindi masusukat ng may katiyakan ng magkasabay kahit sa prinsipyo man lang: sa dahilang habang lumalapit ang pagsukat sa tamang posisyon nito, lumalayo o bumababa naman ang maksimong katamaan sa pagsukat ng momentum, at bise bersa. Ang mga pagsukat na ito (e.g. momentum at posisyon, o enerhiya at panahon) ay mga itinakdang sukat sa klasikong pisika.

Ang isang pang kwantikong epekto ay ang dualidad ng partikulo-alon. Ipinakita ng mga eksperimento sa ilalim ng mga itinakdang mga kondisyon, ang mga mikroskopyong bagay tulad ang mga atomo o elektron ay nagpapakita ng ugali na isang parang-bang partikulo tulad ng pagkakalat nito ng liwanag. (Ang parang-bang partikulong kaisipan ng isang bagay ay napipigilan sa isang partikulor na rehiyon sa kalawakan.) Sa ibang kondisyones, ito ay may ugaling parang-bang alon (alon) tulad ng interperensiya (paghadlang). Atin lamang matutunghayan ang katangian ito nang isa-isa.

Ang isa pang kwantikong epekto ay ang pagkakabuhol na kwantum. Sa ilang kaso, ang alongpunsiyon ng isang sistema ay binubuo ng maraming partikulo ang hindi mapaghihiwalay sa kanya-kanyang alongpunsiyon. Sa kasong ito, sinasabing nagkabuhol-buhol ang mga partikulo. Kung tama ang kwantum mekaniks, ang isang nabuhol ng partikulo ay maaring magpakita ng kanyang kamangha-manghang katangiang na labag sa takbo ng isip. Halimbawa, ang pagsukat sa isang partikulo ay nagdudulot ng pagkagibâ ng kabuuang alongpunsiyon nito, na isang saglit na epekto sa ibang partikulo kung saan nabuhol ito kahit magkalayo sila. (Ito ay di-laban sa espesyal na hinua ng pagkakaugnay-ugnay dahil sa ang impormasyon ay di maipadadala sa paraang ito.) ok

Balangkas Matematika

Sa masalimuot na balangkas matematika na dinebelop ni Paul Dirac at John von Neumann, ang mga posibleng estado ng isang sistema kwantiko ay ipinakikita sa pamamagitan ng mga bektor na unit (na tinatawag na estadong bektor) na nanahan sa isang mapaghihiwalay na lugar ni Hilbert complex (tinatawag na lugar ng estado o asosyadong lugar ni Hilbert ng isang sistema). Ang tunay na naturalesa ng lugar ito ay depende sa sistema. Halimbawa, ang lugar ng estado para sa mga estado ng posisyon at momentum ay ang lugar ng mga punsiyon ng square-integrable; habang ang lugar ng estado para sa ikot ng isang elektron ay resulta ng dalawang kumplikadong kapatagan (complex planes). Ang bawat eigen-estado ng isang natutunghayan ay may katugong eigenvector ng operador, at ang kasangkot na eigenvalue ay may katugon na halaga ng natutunghayan sa eigen-estadong iyon. Kung ang spectrum ng operador ay hiwalay at malinaw, hanggang dito lamang nito maaabot ng natutunghayang hiwalay at malinaw na mga eigenvalues.

Ang panahong pag-inog ng isang kwantikong estado ay ipinakikita ng ekwasyong Schrödinger, kung saan ang Hamiltoniano, kalakip na operador sa kabuuang enerhiya ng sistema ay nagbubunga ang ebolusyon ng panahon.

Ang kumplikadong numero na bungang pangloob sa pagitan ng dalawang estadong vectors ay ang probabilidad ng amplitud. Sa isang pagsukat, ang probabilidad na ang isang sistema ay magigibâ mula sa simulang estado nito patungo sa isang eigen-estado ay ipinakikita ng kwadrado ng absolutong halaga ng probabilidad ng amplitud sa pagitan ng simula at huling estado. Ang mga posibleng resulta sa isang pagsukat ay ang eigenvalues ng operador – na nagpapaliwanag sa pagpili ng Hermitian operators, kung saan tunay ang mga eigenvalues. Ating makikita ang probabilidad ng distribusyon ng isang natutunghayan sa isang estado sa pagkalkula sa pagkagiba ng espektum ng kalakip na operador nito. Ipinakikita ng walang katiyakang prinsipyo ni Heisenberg na ang kalakip na operador ng iaasg natutunghayan ay di magtatagpo (commute).

Ang ekwasyong Schrödinger ay gumaganap sa amplitud ng probabilidad hindi lamang sa kanyang absolutong halaga. Kung saan ang absolutong halaga ng amplitud ng probabilidad ang naglalagay ng impormasyon tungkol sa mga probabilidad; ang kanyang katayuan ang nagbibigay ng impormasyon tungkol sa hadlang sa pagitan ng mga kalagayang kwatiko. Ito ang nagdudulot sa para-bang ondang ugali sa katayuang kwantiko.

Pakikipagniig nito sa ibang hinuang maka-agham

Napakalawak ang panuntunang pundamental ng kwantum mekaniks. Sinasabi rito na ang lugar na estado ng isang sistema ay isang Hilbert space at ang natutunghayan ay mga Hermitian operators na gumaganap sa lugar na ito ngunit hindi sinasabi kung aling Hilbert space o aling operador. Kailangang piliin ito nang maayos para makuha ang nasusukat na paliwanag na isang sistemang kwantiko. Ang isang mahalagang gabay sa pagpili rito ay ang prinsipiyo ng karampatan (correspondence principle) na nagsasaad na ang ang prediksiyon ng kwantum mekaniks ay patungo sa klasikong pisika habang lumalawak ang isang sistema. Ang limistasyon ng “malawak na sistema” ay tinatawag na klasikong limitasyon o karampatang limitasyon,. Sa gayon, ang isa ay makapagsisimula sa isang klasikong estabilisadong modelo ng isang partikulor na sistema, at ang anumang pagsubok na humula sa modelong kwantiko na pumapailalim rito na nagbubunga sa modelong klasiko na may karampat na limitasyon.

Mga di-pa nalulutas na suliranin sa pisika: Sa limit ng karampatan ng kwantum mekaniks: Mayroon bang kinikilingang interpretasyon ito sa kwantum mekaniks? Papaano ang kwatikong paliwanag sa realidad kasama rito ang mga elemento ng superposisyon ng mga katayuan at pagkagiba ng alongpunsiyon, ay nagbubunga sa realidad na ating nadarama?

Nang unang binuo ang kwantum mekaniks, ginamit ito sa mga modelo kung saan ang karampatang limitasyon (correspondence limit) ay di-makaugnay na klasikong mekanika. Halimbawa, ang bantog na modelo ng kwantiko at harmonikong osilador (harmonic oscillator) ay malinaw ng gumagamit ng di-makaugnay na ekspresyon para sa sinetikong (kinetic) enerhiya ng osilador at kaya ito’y isang bersyong kwantiko ng klasiko’t harmonikong osilador.

Ang unang pagsubok na isama ang kwantum mekaniks sa espesyal ng pagkakaugnay-ugnay kasangkot ang pagpapalit ng ekwasyong Schrödinger ng ekwasyong covariant tulad ng ekwasyong Klein-Gordon o ng ekwasyong Dirac. Habang matagumpay na ipinaliliwaning ng mga hinuang ito ang maraming resulta ng mga eksperimento, may mga hindi mainam na katangian ang nagmumula sa pagpapabaya sa makaugnay na paglalang at pagkagunaw ng mga partikulo. Ang buong hinuang makaugnay na hinuang kwantiko ay nangangailangang ng pagsulong ng hinuang larangang kwantika na naakma sa kwantisasyon sa isang larangan kaysa isang di-gumagalaw na set ng partikulo. Ang unang kumpletong hinuang larangang kwantika na kwantikang elektrodinamika ay nagpapakita nang buong kwantikong paliwanag ng elektromagetikong pagniniig.

Ang buong aparato ng hinua ng larangang kwantika ay madalas ng di kailangan sa pagpapaliwanag ng mga sistemang elektrodinamiko. Ang isang simpleng paraan na ginagamit mula pa man nang binuo ang kwantum mekaniks ay ang pagtrato sa mga kargadong partikulo bilang bagay ng mekanikong kwantiko na ginagampanan ng isang klasikong larangang elektromagnetiko.

Halimbawa, the modelong elementaryong modelo kwantiko ng atomo ng hidroheno ay nagpapaliwanag ng larangang elektrikal ng atomo na gumagamit ng 1/r Coulomb potential. Ang “semi-klasikong” paraan na ito ay papalya kapag ang kwatikong pabago-bago nito sa larangang elektromagnetiko ay may mahalagang papel katulad nang sa pagsingaw ng mga potons ng mga kargadong partikulo. Nadebelop na ang mga hinua sa larangang kwantiko para sa malakas na pwersang nukleyar at mahinang pwersang nukleyar. Ang hinua sa larangang kwantika para sa malakas ng pwersang nukleyar ay tinatawag na kwantikong kromodinamika, at nagpapaliwanag sa mga pagniniig ng mga subnukleyar ng mga partikulo: kwarks at gluons. Nagsasama ang mahinang pwersang nukleyar at pwersang elektromagnetiko sa kwantisadong porma sa isang hinua ng larangang kwatikong tinatawag na hinua ng electroweak.

Tunay na mahirap buuin ang modelong kwantiko ng grabedad (balani), ang naiiwang pwersang pundamental. Ang semi-klasikong pagtatanya ay magagamit at nagbunga sa paghula katulad ng radyasyon ni Hawking. Alalaungbaga, ang pagbalangkas sa kumpletong hinua ng kwantikong grabedad sa hindi magka-angkop sa pagitan ng panglahatang hinua ng pagkakaugnay-ugnay, ang pinakatumpak na hinua ng grabedad at ilang pundamental na pakiwari ng hinua ng hinuang kwantika. Ang paglutas sa hindi pagkaka-angkop nila ay sakop ng mga pananaliksik ngayon at ang hinua tulad ng hinua na pisi (string theory) ay posibleng kandidato sa hinua sa kinabukasan ng kwantikong grabedad.

Mga Gamit ng Hinuhang Kwantika

Matagumpay na ipinaliwag ng kwantum mekaniks ang mga pakita ng ating daigdig. Ang ugali ng mga mikroskopyong partikulo na bumubuo sa lahat ng porma ng materya – ang elektron, proton, neutron at iba pa – ay maipaliliwanag lamang sa paggamit ng kwantum mekaniks. Mahalaga ang kwantum mekaniks upang maunawaan kung papaano nagniniig ang bawat atomo upang makabuo ng isang kimika. Ang aplikasyon ng kwantum mekaniks sa kimika ay tinatawag ng kimika kwantika. Nagpapakita ang kwantum mekaniks sa mga prosesong ng pagkakawing (bonding) ng isang kimika upang ipakita kung aling molekula ang mas paborable kaysa iba at kung gaano. Karamihan sa kalkulasyong ginagawa sa kimika ng komputasyon ay umaasa sa kwantum mekaniks Marami sa mga makabagong teknolohiya ay umiiral kung saan matindi ang kwatikong epekto. Halimbawa: ang laser, transistor, electron microscope at magnetic resonance imaging. Ang pag-aaral ng mga semiconductors ay nagbunga sa pagkakatuklas ng diode at transistor na napakahalaga sa makabagong elektroniks.

Ang mga mananaliksik ay kasalukuyang naghahanap nang makisig ng pamamaraan upang masupil ang kwatikong kalagayan (quantum states). May nagbubuhos ng pagnanaliksik upang makabuo ng kriptograpiyang kwantum (kwantikong kriptograpiya) upang magarantiyahan ang seguridad ng trasmisyon ng mga impormasyong elektronika. Isang mithiin din ang makabuo ng mga kwantikong kompyuter na tinatayang mabilis nang maraming beses sa mga klasikong kompyuter. Ang isa pang masusing pinagbubuhusan ng atensiyon ay ang quantum teleportation (teleportasyong kwantum) kung saan ihahatid ang kwantikong kalagayang mula sa isang lugar papunta sa ibang lugar.

Kahahantungang Pangpilosopiya

Mula sa kanyang simula, marami sa resulta ng kwantum mekaniks na labag sa inaasahang resultang kaisipan ay masigasig na pumukaw ng debateng pangpilosopika at maraming interpretasyon. Kahit na ang mga pundamental na isyu tulad ng panuntunan tungkol sa probabilidad ng amplitud at probabilidad ni Max Born ay inabot nang ilang dekadang taon bago ito mapahalagahan.

Ang interpretasyong Copenhagen na sinasabing pinamunuan ni Niels Bohr, ay pamantayang interpretasyon ng kwantum mekaniks na tanggap mga maraming pisiko. Ayon dito, ang probabilistikong likas ng mga hula ng kwantum mekaniks ay di maipaliliwanag nang kung anong deterministikong hinuha at hindi lamang dahil sa ating limitadong karunungan. Nagpapakita ang kwantum mekaniks ng probabilistikong resulta dahil sa ang sanlibutang pisikal ay probabilistiko (malamangin) kaysa deterministiko (natitiyak).

Si Albert Einstein (na nagpundar ng hinuhang kwantiko) ay ayaw sa pagkawala ng determinismo (katiyakan) sa pagsukat. Kanyang pinanindigan na dapat na mayroong lokal na nakatagong bariabulong teoriya(local hidden variable theory) na sumasaklaw sa kwantum mekaniks at dahil dito hindi kumpleto ang kasalukuyang hinua. Nagpalabas siya ng panlaban niya sa hinuang sikat rito na tinatawag ngayong EPR paradox. Ipanikita ni John Bell na ang EPR paradox ang nagdulot ng kakaibang nakikita sa eksperimento sa pagitan ng kwantum mekaniks at mga hinuha ng local hidden variable theory. Ipinakikita ng mga ginawang mga eksperimento na ang kwantum mekaniks ay tama at ang realidad ay hindi maipaliliwanag sa pamamagitan sa nasabing natatagong pagbabago. Ang “mga butas” sa mga eksperimento ay nagpapakita na hindi pa rin ito nalulutas.

Ang teoriyang maraming-daigdig (many-worlds) na interpretasyon na binalangkas ni Hugh Everett III noong 1956 ay nagbibigay ng mga posibilidad na ipinakikita ng hinuhang kwantika na magkakasabay na nagyayari sa magkakasabay na multiberso(multiverse). Kahit na ang “multiberso” ay deteministiko, atin lamang nararamdaman ang ugaling di-deterministiko na pinamamahalaan ng mga probabilidad dahil ating lamang natutunghayan ang sanlibutang ating tinitirhan.

Kasaysayan

Noong 1900, iminungkahi ni Max Planck ang ideya na kwantisado ang enerhiya para kanyang mahalaw ang pormula nang kanyang natunghayan ang pagiging dependyente ng prekwensiya ng enerhiyang ibinubuga ng isang katawang itim. Noong 1905, ipinaliwanag naman ni Einstein ang epektong potoelektrika nang kanyang imungkahi na ang enerhiya ng liwanag ay dumarating bilang kwanto na tinatawag na mga poton(photon). Noong 1913, ipinaliwanag ni Bohr ang mga linyang espektral na atomo ng hidroheno na gumagamit din ng kwantisasyon. Noong 1924, iminunkahi ni Louis de Broglie ang kanyang hinuha ang along materya.

Kahit na matagumpay, ang mga hinuhang ito ay istriktong ukol sa kababalagham: walang matibay na pangangatwiran sa kwantisasyon. Tinatawag itong matandang hinuhang kwatika. Ang mga katatagang “pisika kwantika” ay unang ginamit sa lathala ni Johnson na may pamagat na Planck's Universe in Light of Modern Physics.

Isinilang ang makabagong kwantum mekaniks noong 1925 nang likhain ni Werner Heisenberg ang matriks na mekaniks at maimbento ni Schrödinger ang along mekaniks at ekwasyong Schrödinger. Matapos rito ipinakita ni Schrödinger ang ang dalawang paraang ito ay magkatumbas.

Noong 1927, ang prinsipyo ng walang katiyakan ay binalangkas ni Werner Heisenberg, at kasabay din ang pagbubuo ng interpretasyong Copenhagen. Pinag-isa ni Paul Dirac simula nang 1927 ang hinuha ng espesyal ng pagkakaugnay-ugnay sa kwantum mekaniks. Siya rin ang naunang gumamit ng hinuhang operador kasama ang maipluwensiyang notasyong bra-ket na ipiniliwanag sa kanyang bantog ng araling libro noong 1930. Kasabay noong panahong ito, binalangkas rin ni John von Neumann ang masalimuot na basehang matematika ng kwantum mekaniks bilang hinuha ng tuwid ng operador sa espasyo ni Hilbert, na ipinaliwanag rin sa kanyang bantog na librong aralin noon 1932. Ang mga librong na isinulat noong mga panahong ito ay ginagamit hanggang magpahanggang ngayon.

Noong 1927, ang larangang ng kimika kwantika ay unang ipinakita nina Walter Heither at Fritz Londo ng kanilang ilathala ang pag-aaral ng kawing kobalente ng molekula ng hidroheno. Sumunod rito ang pagbalangkas sa kimika kwantika ng maraming mananaliksik kasama rito si Linus Pauling, isang kimikong Amerikano.

Simula noong 1927, sinimulang gamitin ang kwantum mekaniks sa mga larangan sa halip na isang partikulo na nagbunga sa mga hinua na tinatawag ngayong hinua ng kwatikong larangan. Kasama sa mga siyentipiko bumalangkas rito ay sina Dirac, Pauli, Weisskopf at Jordan. Ang lugar na ito ng pananaliksik ay nagbunga sa pagbalangkas ng elektrodinamikang kwantika ni Feyman, Dynman, Dyson, Schwinger at Tomonaga noong mga taon ng 1940. Ang kwantikong elektrodinamika ay hinuang kwantika ng mga elektron, positron at ang larangan elekromagnetiko at nagsilbing modelo sa mga sumunod na mga hinua ng kwantikong larangan.

Unang binalangkas noong simula 1960 ang hinua ng kwantikong kromodinamika na ngayon ay alam natin na binalangkas ni Politzer, Gross at Wilzcek noong 1975. Binuo buhat sa unang gawa sa kanya-kanyang gawa nina Schwinger, Higgs, Goldstone, Glashow, Weinberg at Salam ipinakita kung papaano mapasasama upang maging isang pwersang mahinang elektroniko ang mahinang pwersang nukleyar at ang kwantikong elekrodinamika.

Mga Pundasyong Eksperimento

• Eksperimento ng dalawang hiwa ni Thomas Young na nagpakita ng along likas ng liwanag (c 1805)

• Pagkatuklas ni Henri Becquerel ng radioaktibidad(1896)

• Mga eksperimento sa katodong sinag na tubo ni Joseph John Thomson (pagkatuklas sa elektron at ng negatibong karga nito) (1897)

• Ang mga pag-aaral sa radiasyon ng katawang itim noong 1850 hanggang 1900 na hindi maipaliliwanag nang hindi gagamit ng mga kwantikong konsepto.

• Ang epektong potoelektrika: Ipinaliwanag ito ni Albert Einstein noong 1905 (at nagbigay sa kanya ng Gantimapalang Nobel) na gumagamit ng konsepto ng poton, mga partikulo ng liwanag na may kwantisadong enerhiya.

• Eksperimento sa patak ng langis ni Robert Millikan na nagpakita ang ang karga ng elektrika ay lumilitaw bilang kwanta (bugso, buong yunit). (1909)

• Eksperimento sa papel na ginto ni Ernest Rutherford na nagpabula sa plum pudding model ng atomo nagmungkahi ang ang bigat at positibong karga ng isang atomo ay nakakalat ng maayos. (1911)

• Eksperimento ni Stern-Gerlach na nagpapakita ng kwantisadong likas ng ikot ng partikulo (1920)

• Ipinakita nina Clinton Davisson at Lester Germer ang ondang likas ng elektron sa electron diffraction experiment (1927)

• Kinumpirma ni Clyde L. Cowan at Frederick Reines ang pag-inog ng neutrino sa kanilang neutrino experiment. (1955)

Mga alternatibong katawagan

• kwantum mekaniks
• mekanikang/pisikang kwantiko (batay sa baybay katawagan sa Kastila na isina-Filipino)

Mga Batayan

• Mackey, George Whitelaw (2004). The mathematical foundations of quantum mechanics. Dover Publications. ISBN 0-486-43517-2.
• Richard P. Feynman, Robert B. Leighton and Matthew Sands (1965). The Feynman Lectures on Physics, Addison-Wesley.
• Albert Messiah, Quantum Mechanics, English translation by G. M. Temmer of Mécanique Quantique, 1966, John Wiley and Sons, vol. I, chapter IV, section III.
• Marvin Chester, Primer of Quantum Mechanics, 1987, John Wiley, N.Y. ISBN 0-486-42878-8
• P. A. M. Dirac, The Principles of Quantum Mechanics (1930) -- the beginning chapters provide a very clear and comprehensible introduction
• Richard P. Feynman, QED: The Strange Theory of Light and Matter—a popular science book about quantum mechanics and quantum field theory that contains many enlightening insights that are interesting for the expert as well
• Quantum Physics. The first of 8 linked pages on the historical evolution of quantum physics, 1895–1928, at the high-school level (no math).