量子力学は、非常に小さなものに関連する物理学の枝です。
これは、物理的な世界についてのいくつかの非常に奇妙な結論のように見えるかもしれません。 原子と電子のスケールでは、物事が日常の大きさと速度でどのように動くかを記述する古典力学の方程式の多くは役に立たなくなります。 古典力学では、オブジェクトは特定の時間に特定の場所に存在します。, しかし、量子力学では、オブジェクトは代わりに確率の曇りの中に存在し、点Aにいる可能性があり、点Bにいる可能性があります。
三つの革命的な原則
量子力学（QM）は、古典力学の数学が説明できなかった実験の論争の数学的説明のセットとして始まり、何十年にもわた, それは、アルバート-アインシュタインが相対性理論、高速で物事の動きを記述する物理学の別の数学的革命の彼の理論を発表したのと同じ頃、20世紀の変わり目に始まりました。 しかし、相対性理論とは異なり、QMの起源は誰の科学者にも帰せられません。 むしろ、複数の科学者は、1900年から1930年の間に徐々に受け入れられ、実験的検証を得た三つの革命的な原則の基礎に貢献しました。, それらは次のとおりです。
量子化されたプロパティ：位置、速度、色などの特定のプロパティは、数字から数字へ”クリック”するダイヤルのように、特定の設定された量でのみ発生することがあります。 これは古典力学の基本的な仮定に挑戦し、そのような特性は滑らかで連続的なスペクトル上に存在するはずであると述べた。 言うのは一部のプロパティ”をクリック”のようなダイアルを特定の設定、研究者の造語で、”量.”
光の粒子：光は時々粒子として振る舞うことができます。, これは、光が波のように振る舞うことを示す200年の実験に反していたため、最初は厳しい批判を受けました。 光は、壁から跳ね返り、角の周りに曲がり、波の山や谷が追加またはキャンセルできるという点で同様に動作します。 加えられた波の山はより明るいライトで起因し、取り消す波は暗闇を作り出す。 光源は、湖の中心にリズミカルに浸されている棒の上のボールと考えることができます。, 放出される色は、ボールのリズムの速度によって決定される紋章の間の距離に対応する。
物質の波：物質は波としても振る舞うことができます。 これは、物質（電子など）が粒子として存在することを示す約30年の実験に反していました。
量子化されたプロパティ？
1900年、ドイツの物理学者Max Planckは、電球フィラメントのような赤熱および白熱の物体の輝きにおいて、スペクトル上で放出される色の分布を説明, 彼がこの分布を記述するために導いた方程式の物理的な意味を作るとき、プランクはそれが（それらの多くはあるが）特定の色のみの組み合わせが放出されたことを暗示し、具体的にはいくつかの基本値の整数倍であったものを実現しました。 なんだか、色が変わってきましたね！ これは、光が波として作用すると理解されていたため、色の値は連続的なスペクトルでなければならないことを意味します。 これらの整数倍数の間に原子が色を生成することを禁じるものは何でしょうか？, これはとても奇妙に思えたので、プランクは量子化を数学的なトリックに過ぎないと考えました。 ヘルゲ-クラーによると、2000年のPhysics World magazineの記事”Max Planck,the消極的な革命家”によると、”1900年に物理学に革命が起こった場合、誰もそれに気づかなかったようである。 Planckも例外ではありませんでした…”
Planckの方程式には、後にQMの将来の開発にとって非常に重要になる数も含まれていました。”
量子化は物理学の他の謎を説明するのに役立ちました。, 1907年、アインシュタインはプランクの量子化仮説を用いて、同じ量の熱を材料に入れても開始温度を変えた場合、固体の温度が異なる量だけ変化する理由を説明した。
1800年代初頭以来、分光学の科学は、異なる要素が”スペクトル線”と呼ばれる光の特定の色を放出し、吸収することを示していました。”遠く離れた星などの天体に含まれる元素を決定するための信頼できる方法は分光でしたが、科学者たちは、そもそもそれぞれの元素がそれらの特定の線を放つ理由について困惑していました。, 1888年,ヨハネス-ポイン由来の方程式に記載のスペクトル線が放出される水素によるもの誰もその理由を説明の式。 これは1913年にニールス-ボーアがプランクの量子化仮説をアーネスト-ラザフォードの1911年の原子の”惑星”モデルに適用したときに変わり、電子は惑星が太陽を周回するのと同じように核を周回すると仮定した。 Physics2000（コロラド大学のサイト）によると、Bohrは電子が原子核の周りの”特別な”軌道に制限されていることを提案しました。, その結果の間に特別の軌道のエネルギーにジャンプに特定の色の光として観測されたスペクトル。 量子化特性は単なる数学的なトリックとして発明されましたが、彼らはQMの創立原理になったほど多くを説明しました。
光の粒子？
1905年、アインシュタインは”光の放出と変換に対するヒューリスティックな視点に関する”という論文を発表し、光が波としてではなく、”エネルギー量子”のある種のものとして移動することを想定した。,”このエネルギーのパケットは、特に原子が量子化された振動速度の間で”ジャンプ”するときに、”全体としてのみ吸収または生成される”ことが示唆されて これは、数年後に示されるように、電子が量子化軌道の間を”ジャンプ”するときにも当てはまります。 このモデルでは、アインシュタインの”エネルギー量子”にはジャンプのエネルギー差が含まれており、プランク定数で割ると、そのエネルギー差がそれらの量子によって運ばれる光の色を決定する。,
光を想像するためのこの新しい方法では、アインシュタインは、プランクが電球フィラメントから放出されていると説明した特定の色を含む九つの異なる現象 また、特定の色の光がどのようにして金属表面から電子を放出することができるかを説明しました。”しかし、アインシュタインは、この飛躍を取ることに完全に正当化されていなかった、スティーブンKlassen、ウィニペグ大学の物理学の准教授は述べています。, 2008年の論文”The Photoelectric Effect:Rehabilitating the Story for the Physics Classroom”で、クラッセンはアインシュタインのエネルギー量子は、これらの九つの現象のすべてを説明するために必要ではないと述べている。 波としての光の特定の数学的処理は、プランクが電球フィラメントから放出されると説明した特定の色と光電効果の両方を記述することができる。, 確かに、1921年のノーベル賞のアインシュタインの論争の勝利では、ノーベル委員会は、特にエネルギー量子の概念に依存していなかった”光電効果の法則の彼
アインシュタインの論文からおよそ二十年後、”光子”という用語は、電子ビームによって散乱された光が色が変化することを示したアーサー-コンプトンの1923年の研究のおかげで、エネルギー量子を記述するために普及した。 これは、光の粒子（光子）が実際に物質の粒子（電子）と衝突していることを示し、アインシュタインの仮説を確認しました。, これまでに、光は波と粒子の両方として振る舞うことができ、光の”波と粒子の双対性”をQMの基礎に置くことが明らかになりました。
物質の波？
1896年に電子が発見されて以来、すべての物質が粒子の形で存在するという証拠はゆっくりと構築されていました。 それでも、光の波と粒子の双対性の実証は、物質が粒子としてのみ作用することに限定されているかどうかを科学者たちに疑問を与えた。 おそらく、波と粒子の双対性は、物質に対しても真になるでしょうか？, この推論で実質的な前進を遂げた最初の科学者は、Louis de Broglieという名前のフランスの物理学者でした。 1924年、ド-ブロイはアインシュタインの特殊相対性理論の方程式を用いて、粒子が波のような特性を示すことができ、波が粒子のような特性を示すことができることを示した。 その後、1925年に、二人の科学者は、独立して作業し、数学的思考の別々のラインを使用して、電子が原子（古典力学の方程式を使用して説明できなかった現象）の周りにwhizzedどのように説明するためにドブロイの推論を適用しました。, ドイツ物理学者ヴェルナー-ハイゼンベルク(組Max生まれ、ルバヨルダン)の発達などの開発による”マトリクス対応している。 オーストリアの物理学者エルヴィン-シュレーディンガーは”波動力学”と呼ばれる同様の理論を開発した。”シュレーディンガーは1926年にこれら二つのアプローチが同等であることを示した（スイスの物理学者ヴォルフガング-パウリは行列力学がより完全であることを示す未発表の結果をヨルダンに送ったが）。,
各電子が原子核の周りの波（時には”雲”と呼ばれる）として作用する原子のハイゼンベルク-シュレーディンガーモデルは、ラザフォード-ボーアモデルに取って代わった。 新しいモデルの一つの規定は、電子を形成する波の端が満たさなければならないということでした。 “化学における量子力学、第3編。”（W.A.Benjamin、1981）、Melvin Hannaは、”境界条件の賦課は、エネルギーを離散値に制限している。,”この規定の結果、山と谷の整数のみが許可されているため、一部のプロパティが量子化されている理由が説明されています。 原子のハイゼンベルク-シュレーディンガー模型では、電子は”波動関数”に従い、軌道ではなく”軌道”を占める。 ラザフォード-ボーアモデルの円軌道とは異なり、原子軌道は球からダンベル、ヒナギクまで様々な形状を持っている。,
1927年、Walter HeitlerとFritz Londonは、原子軌道がどのように結合して分子軌道を形成できるかを示すために波動力学をさらに発展させ、原子が互いに結合して分子を形成する理由を効果的に示した。 これは、古典力学の数学を使用して解決できなかったさらに別の問題でした。 これらの知見は、”量子化学”の分野を生み出しました。”
不確定性原理
また、1927年に、ハイゼンベルクは量子物理学にもう一つの大きな貢献をしました。, 彼は、物質が波として作用するので、電子の位置や速度などのいくつかの特性は”相補的”であり、それぞれの特性の精度をどれだけうまく知ることができるかについて（プランクの定数に関連する）限界があることを意味すると推論した。 “ハイゼンベルクの不確定性原理”と呼ばれるものの下で、電子の位置がより正確に知られているほど、その速度はより正確に知ることができず、その逆もまた同様であると推論された。 この不確実性の原則は、日常サイズのオブジェクトにも当てはまりますが、精度の欠如が非常に小さいため、目立たないです。, モーニングサイド大学（スーシティ、IA）のデイブSlavenによると、野球の速度が0.1mphの精度で知られている場合、ボールの位置を知ることができる最大精度は0.000000000000000000000000008ミリメートルです。
以降
量子化原理、波-粒子双対性、不確定性原理は、QMの新しい時代を迎えました。, 1927年、ポール-ディラックは電場と磁場の量子的理解を応用して、粒子（光子や電子など）を基礎となる物理場の励起状態として扱う”場の量子理論”（QFT）の研究を生み出した。 Qftの多くの方程式は、無限の結果を生み出したため、物理的な意味をなさなくなりました。 停滞の十年後、ハンス-ベーテは”くりこみ”と呼ばれる技術を使用して1947年に突破口を作った。,”ここで、Betheは、観測された電子質量と電子電荷の値を使ってすべての無限大を消すことができるように、二つの現象（特に”電子自己エネルギー”と”真空分極”）に関連するすべての無限の結果を実現しました。
くりこみのブレークスルー以来、QFTは自然の四つの基本的な力についての量子理論を開発するための基礎として役立ってきました：1）電磁気、2）弱い核力、3）強い核力、4）重力。, QFTによって提供された最初の洞察は、1940年代後半から1950年代初頭にかけて進歩した”量子電磁力学”(QED)による電磁気の量子記述であり、次に1960年代を通じて”電弱理論”(EWT)を構築するために電磁気と統一された弱い核力の量子記述であり、1960年代から1970年代にかけて”量子色力学”(QCD)を用いた強い核力の量子処理が来た。QED、EWT、QCDの理論は一緒に素粒子物理学の標準模型の基礎を形成している。, 残念ながら、QFTはまだ重力の量子論を作り出していません。 その探求は、弦理論とループ量子重力の研究において今日も続いています。
ロバート-クールマンはウィスコンシン大学マディソン校の大学院研究員で、化学工学の博士号を取得しています。 彼は数学、科学、そして歴史との相互作用について書いています。 ロバート@PrimeViridianに従ってください。 私たちに従ってください@LiveScience,Facebook&Google+.