בעיה נוספת צצה בהסבר לספקטרום של קרינת גוף שחור. חוק ריילי-ג'ינס תיאר את התופעה היטב באורכי גל ארוכים (אינפרה אדום) אך חישוב סה"כ הקרינה הנפלטת נתן ערך אינסופי באורכי גל קצרים (אולטרה סגול). קושי זה, שנקרא "האסון האולטרה סגול" נפתר ב-1901 על ידי מקס פלאנק שכתב באמצעות קבוע פלנק נוסחה האומרת שבתדרים הקצרים יחסית לקבוע החדש ולטמפרטורה עוצמת הקרינה תהיה נמוכה. כדי להגיע לנוסחה נדרשה הנחה שבתדרים קצרים הקרינה באה במנות קבועות – ה"אטומים" של הקרינה. ב-1905 אלברט איינשטיין השתמש גם הוא במושג של מנות אור, אשר כיום מכונות פוטונים כדי להסביר את האפקט הפוטואלקטרי וב-1922 גילה ארתור קומפטון את אפקט קומפטון, בו אור מתפזר מחומר תוך כדי שאורך הגל גדל, והראה שכדי להסביר אותו צריך ליחס לאור אופי חלקיקי.
מושג המנות, או קוונטים, שימש ב-1913 את נילס בוהר כדי לבנות מודל למבנה האטום בו האלקטרונים נעים במסלולים סביב הגרעין אך רק מסלולים שבהם התנע הזוויתי של האלקטרון הוא כפולה שלמה של קבוע פלנק מותרים. הפורמליזם המתמטי פותח על ידי ורנר הייזנברג שהציג ב-1927 את עקרון האי-ודאות הטוען שלא ניתן לדעת את התנע ואת המיקום של חלקיק בו זמנית בדיוק שרירותי. הרעיון של בוהר הוביל גם את לואי דה ברויי להציג את השערת דה ברויי שאומרת שלחומר יש תכונות גליות שנקבעות על פי אורך גל דה ברויי.
גל מול חלקיק - תכונות ודרכי תיאור.
גל הוא התקדמות של הפרעה בתווך במרחב, אשר משוואת התנועה שלה היא משוואת גלים והוא מתואר על ידי פונקציית גל שהיא פתרון של המשוואה. ההפרעה היא רציפה, באופן כללי, ולכן גם עוצמת הגל רציפה. פונקציית הגל מוגדרת בכל מקום במרחב לכן מושג כמו מיקום הגל אינו בהכרח מוגדר וגם המשמעות של מהירות הגל אינה כמו מהירות של חלקיק למשל. מעבר לזה, למשוואת הגלים יכולים להיות מספר פתרונות ולפי עקרון הסופרפוזיציה, כל סכום של פונקציות גל הוא גם פתרון, כלומר פונקציית גל בעצמו. התפתחות הגל תלויה במשוואת הגלים וקשורה במספר תופעות ייחודיות לגלים כמו שבירה, החזרה, עקיפה, נפיצה והתאבכות. תופעות אלו תלויות בעיקר באורך הגל ולכן זהו הגודל החשוב לתיאור ההתפתחות.
חלקיק.
אינטואיטיבית, ניתן לחשוב על חלקיק כעל גולה או פשוט אבן קטנה. לחלקיק נקודתי יש מיקום מוגדר, תנע מוגדר, יכולים להיות לו מסה או מטען חשמלי אך אין לו מבנה פנימי ובכל מערכת ישנו מספר טבעי של חלקיקים. זהו מודל קל יחסית לתפיסה מכיוון שהוא תואם דברים רבים בסביבה הטבעית שלנו, אך מבחינה מתמטית הוא מציב מספר בעיות. תנועת החלקיק מושפעת רק מכוחות הפועלים עליו לכן בהיעדר כוחות הוא ינוע במהירות קבועה ובקו ישר (או יישאר במקום) לכן הגודל החשוב לתיאור התנועה הוא התנע.
השערת דה ברויי - חיבור בין תנע לאורך גל.
לואי דה ברויי מצא כי ניתן לייחס אורך גל לכל חלקיק, לפי הנוסחה: formula_1 כאשר: formula_2 - אורך הגל; formula_3 - קבוע פלאנק; formula_4 - התנע של החלקיק. באופן דומה ניתן לייחס תנע לגל, לפי הנוסחה: formula_5
בנוסחה זאת ניתן להשתמש לא רק לגבי חלקיקים אלא גם לעצמים גדולים יותר. ניתן לראות שלעצם עם מסה גדולה יהיה אורך גל קצר ולכן יהיה קשה להבחין בתופעות גליות. לגל עם אורך גל קצר, ולכן תדירות גבוהה, יהיה תנע גדול והרבה אנרגיה.
מכניקת הקוונטים – הכל זה פונקציית גל.
במכניקת הקוונטים הסטנדרטית, כל מערכת מתוארת על ידי וקטור מצב, שהוא וקטור במרחב הילברט, המכונה לרוב פונקציית גל והוא פתרון של משוואת שרדינגר. דרך תיאור זו היא המשך לעקרונות המכניקה האנליטית שם מערכת מתוארת על ידי קואורדינטות מוכללות. לפונקציית הגל יש תכונות גליות אך גם תכונות שמבדלות אותה מסוגים אחרים של גלים כמו גלי קול או גלי מים. ההבדל העיקרי הוא שבעוד הגלים האחרים מיצגים גודל פיזיקלי מדיד (גובה המים או צפיפות האוויר לדוגמה) לא ניתן ליחס לפונקציית הגל של מכניקת הקוונטים גודל כזה, ולכן גם לא ניתן למדוד אותה ישירות. הערך המוחלט של פונקציית הגל בריבוע הוא הסתברות (או צפיפות הסתברות), למצוא את המערכת במצב מסוים. אם על פי פונקציית הגל המערכת היא בסופרפוזיציה קוונטית של שני מצבים, תיאור שמתאים למערכת גלית, ומבצעים מדידה על המערכת ומוצאים אותה באחד מהמצבים, הסופרפוזיציה תיהרס ונוכל להתייחס למערכת כנמצאת רק במצב אחד, תיאור המתאים לחלקיק. לפי פרשנות קופנהגן התופעה מכונה קריסת פונקציית הגל.
תורת שדות – הכל זה שדה.
תורת השדות הקוונטית נותנת, נכון להיום, את התיאור המדויק ביותר של חומר ואנרגיה בסדרי גודל הקטנים ביותר. התיאור של תופעות אלקטרומגנטיות, לדוגמה, על ידי אלקטרודינמיקה קוונטית, שהיא תורת שדה, נתן תחזיות שאומתו לדיוק חסר תקדים. בסוג זה של תאוריות כל דבר מתואר על ידי שדה, ישות רציפה המתאימה לתיאור גלים, אך בדומה לפונקציית הגל אינה מדידה באופן ישיר. ההבדלים בין "חומר" ל"אנרגיה" מיטשטשים בפורמליזם זה, והחלוקה היא לפרמיונים ובוזונים.
וויליאם מאורנז'
פרנסיס ביקון
פרנסיס בקון
קוויקרים
שניות הגל-חלקיק
שניות הגל/חלקיק
מערכת הצוללות במלחמת העולם הראשונה
מערכת הצוללות במלחמת העולם הראשונה הייתה מערכה צבאית ימית, שהתחוללה במלחמת העולם הראשונה, בעיקר בין הקיסרות הגרמנית לאימפריה הבריטית. מטרת הצי הגרמני הייתה לפגוע בבסיס הכלכלי של בריטניה שהייתה תלויה במידה רבה בייבוא כדי שתוכל לכלכל את אוכלוסייתה ולצייד את צבאה ואת הצי שלה. מטרת הצי הגרמני הייתה להטיל הסגר ימי על בריטניה, וכך למנוע את האספקה אליה, למוטט את צבאה, ואף להרעיב את תושביה. המערכה התנהלה ברובה סביב האיים הבריטיים ובאוקיינוס האטלנטי, אך גם בים התיכון ובאוקיינוס ההודי.
הקרבות הימיים הגדולים שהתנהלו במלחמת העולם הראשונה, כגון קרב יוטלנד, קרב קורונל, קרב איי פוקלנד וקרבות ימיים אחרים, התנהלו בין ציי המלחמה העיקריים של המעצמות ונועדו להביא להכרעה צבאית קלאסית על ידי השמדת צי האויב. בקרבות אלה השתתפו כלי השיט הגדולים של הציים, ובעיקר אוניות מערכה וסיירות כבדות. מערכת הצוללות הייתה שונה בעיקרה: מטרתה הייתה, כאמור, פגיעה בקווי האספקה הכלכליים של האויב, והיא התנהלה בעיקרה באמצעות כלים שנחשבו משניים ואף נחותים יחסית לכלי השיט הגדולים. כלי הנשק העיקריים במערכה זו היו הצוללות. הן הופעלו על ידי הצי הגרמני, והיוו חידוש טכנולוגי צבאי שמולו התמודדו הבריטים בקשיים מרובים באמצעות אוניות שטח. בנוסף לצוללות הפעילו הגרמנים אוניות פשיטה, ושני הצדדים עשו שימוש נרחב במוקשים ימיים.
רקע.
הצוללות.
הצוללת הייתה אחד מהחידושים המהפכניים שהביאה עימה מלחמת העולם הראשונה, יחד עם המטוס והטנק. בתחילת 1914 נחשבה עדיין הצוללת ככלי שיט מוזר, שתועלתו מוטלת בספק.
רעיון הפעלת כלי שיט תת-ימי עלה כבר במאה ה-17. צוללת ראשונה הופעלה באופן ידני כבר במלחמת האזרחים האמריקנית (וטבעה עם הפעלתה הראשונה). אך רק בתחילת המאה ה-20 הצליחו ממציאים ומהנדסים להתגבר על הבעיות הסבוכות שהתעוררו בהפעלת צוללות, בעיקר סביב המנועים המתאימים והדרך הנכונה לצלילה ולשיט תת-מימי. צרפת הייתה הראשונה שייצרה דגם אופרטיבי של צוללת, ואחריה ארצות הברית ובריטניה. גרמניה נכנסה מאוחר יותר לייצור צוללות, אך התחלה מאוחרת זו הועילה לגרמנים: הם למדו מניסיונם של אחרים והתחילו מנקודה טובה יותר.
הצוללות נתפסו במחשבה הצבאית הימית ככלי שיט שנועדו בעיקר להגנת חוף, אם כי הייתה גם מחשבה על שילובן בצי המלחמה הרגיל. כך נוצרו שני סוגי צוללות, ולאחר מכן שלושה: צוללות "מים כחולים", שנועדו להפליג בלב ים, וצוללות חופים, שסומנו בצי הגרמני כ-UB. סוג שלישי שהתפתח היה צוללות להנחת מוקשים ימיים, שסימנן היה UC. לטיפוסים אלה היו גם תתי דגמים.
מספר הטורפדות שנשאו הצוללות היה קטן יחסית - עד שנים עשר בדגמים המתקדמים יותר שהושקו במהלך המלחמה. בשל כך העדיפו מפקדי הצוללות לירות בתותח על ספינות הסוחר הלא חמושות, ולשמור את הטורפדות למטרות משוריינות.
הערכת יכולתן של הצוללות.
לראשי הציים בעולם היה ברור שהצוללת היא נשק חדש בעל יכולת ייחודית, אך יכולת זו לא הייתה ברורה להם לגמרי. לורד הים הראשון, ג'קי פישר, זעזע את עמיתיו ב-1913 כאשר קבע שהצוללת תצלח ללוחמה בלתי מוגבלת ואכזרית כנגד אוניות סוחר, לוחמה שתחרוג מכללי המלחמה המקובלים מכיוון שאינה יכולה לקחת שבויים ולא תוכל להשתלט על אוניות סוחר בדרך המקובלת. "זוהי שיטה ברברית של לחימה, אך מלחמה במהותה היא אלימה, ומי שנוהג אחרת הוא סכל". עמיתיו של פישר לא קיבלו את תחזיתו, וגם אדריכל הצי הגרמני המתחדש, אלפרד פון טירפיץ, התייחס בספקנות לצוללות, למרות המלצות של קצינים בצי הגרמני, שניתנו כבר בשנת 1908, שהציעו בניית צוללות לתקיפת אוניות סוחר, וחזו הטלת מצור על בריטניה באמצעות צוללות. תומכי לוחמת הצוללות בצי הגרמני חישבו שיזדקקו ל-222 צוללות כדי להגיע לתוצאה חיובית מבחינת הגרמנים, ואולם טירפיץ המשיך לדבוק בדעתו שהצוללות נועדו בעיקר להגנת מי החופים. עם פתיחת המלחמה היו בידי הגרמנים רק 28 צוללות, לעומת 55 צוללות שהיו לצי הבריטי ו-77 בצי הצרפתי.
המערכה הימית וההסגר הימי.