Mekanika kuantum
Mekanika kuantum penting untuk menjelaskan perilaku sistem pada skala atom atau lebih kecil. Jika sifat fisika atom hanya dijelaskan oleh mekanika klasik, elektron tidak akan mengorbit nukleus, karena elektron yang mengorbit melepas radiasi (akibat gerak melingkar) dan akhirnya akan bertabrakan dengan nukleus karena kehilangan energi ini. Kerangka ini tidak dapat menjelaskan stabilitas
atom. Pada nyatanya, elektron mengelilingi nukleus dengan orbital gelombang-partikel yang tak tentu, tak pasti dan probabilistik, melawan asumsi lama mekanika klasik dan elektromagnetisme.
Mekanika kuantum pada awalnya dikembangkan untuk memberikan penjelasan dan deskripsi yang lebih baik tentang atom, terutama perbedaannya dalam spektrum cahaya yang dilepaskan oleg isotop dari elemen kimia yang berbeda, juga partikel subatomik. Singkatnya, model atom mekanika kuantum dengan sukses yang tidak dapat dijelaskan mekanika klasik dan elektromagnetisme.
Penelitian radiasi benda hitam antara 1850 dan 1900, yang tidak dapat dijelaskan tanpa konsep kuantum. Henri Becquerel menemukan radioaktivitas (1896) Joseph John Thomson- eksperimen tabung sinar kathoda (menemukan elektron dan muatan negatifnya) (1897) Robert Millikan- eksperimen tetesan minyak, membuktikan bahwa muatan listrik terjadi dalam kuanta, (1909) Ernest Rutherford- eksperimen lembaran emas
menggagalkan model puding plum atom yang menyarankan bahwa muatan positif dan masa atom tersebar dengan rata. (1911) Otto Stern dan Walter Gerlach melakukan eksperimen Stern-Gerlach, yang menunjukkan sifat kuantisasi partikel spin (1920) Clyde L. Cowan dan Frederick Reines meyakinkan keberadaan neutrino dalam eksperimen neutrino (1955)
Perumusan matematis mekanika kuantum dikembangkan oleh Paul Dirac, David Hilbert, John von Neumann, dan Hermann Weyl. Keadaan yang mungkin dari suati sistem mekanika kuantum dilambangkan sebagai vektor satuan (disebut vektor keadaan).
Dalam mekanika kuantum, keadaan sebuah sistem pada waktu tertentu dijelaskan dengan fungsi gelombang kompleks, juga disebut dengan vektor keadaan pada vektor ruang kompleks. Prinsip ketidakpastian Heisenberg mengkuantifisasi ketidakmampuan dalam mencari lokasi partikel secara presisi.
Selama pengukuran, di sisi lain, perubahan fungsi gelombang awal ke fungsi gelombang berikutnya tak dapat ditentukan, tak dapat diprediksi (acak). Simulasi evolusi-waktu dapat dilihat disini.
Persamaan gelombang berubah seiring waktu. Persamaan Schrödinger menjelaskan bagaimana fungsi gelombang berubah terhadap waktu, mirip seperti hukum kedua Newton pada mekanika klasik. Persamaan Schrödinger memprediksi bahwa pusat paket gelombang akan berpindah melalui ruang pada kecepatan konstan (seperti partikel klasik tanpa gaya yang bekerja padanya). Namun, paket gelombang juga menyebar seiring waktu, berarti posisi menjadi tak tentu.
Mekanika kuantum telah sukses dalam menjelaskan berbagai fitur di alam semesta. Mekanika kuantum seringkali menjadi satu-satunya alat yang ada yang dapat menjelaskan perilaku individu dari partikel subatomik yang membentuk segala bentuk zat (elektron, proton, neutron, foton, dsb). Mekanika kuantum mempengaruhi teori dawai, kandidat untuk teori segala sesuatu (lihat reduksionisme).
Mekanika kuantum juga sangat penting untuk memahami bagaimana atom individu bergabung secara kovalen membentuk molekul. Aplikasi mekanika kuantum ke kimia dikenal dengan kimia kuantum. Mekanika kuantum relativistik secara matematis dapat menjelaskan sebagian besar kimia. Mekanika kuantum dapat memberikan penjelasan kuantitatif pada proses ikatan ion dan ikatan kovalen dengan secara eksplisit menunjukkan molekul mana
yang secara energi lebih menarik ke yang lain beserta besaran energinya. Lebih jauh lagi, sebagian besar perhitungan kimia komputasi modern mengandalkan mekanika kuantum.
Banyak peralatan modern didesain menggunakan mekanika kuantum. Beberapa contohnya adalah laser, transistor (juga mikrocip), mikroskop elektron, dan magnetic resonance imaging (MRI). Penelitian semikonduktor mendorong penemuan dioda dan transistor, bagian-bagian yang tak dapat dipisahkan dari sistem elektronika, komputer, dan peralatan telekomunikasi modern. Aplikasi lainnya adalah dioda pancaran cahaya (LED) yang merupakan sumber cahaya dengan efisiensi tinggi.
Banyak peralatan elektronik beroperasi dengan efek quantum tunneling. Bahkan muncul pada saklar lampu yang sederhana. Saklar tidak akan bekerja jika elektron tidak dapat melewati terowongan kuantum melalui lapisan oksidasi pada permukaan kontak logam. Cip memori kilat pada USB drive menggunakan quantum tunneling untuk menghapus sel memorinya. Beberapa peralatan resistansi diferensial negatif juga menggunakan
efek quantum tunneling, seperti resonant tunneling diode. Tidak seperti dioda biasa, arusnya dibawa oleh resonant tunneling melalui 2 hambatan potensial (lihat gambar di samping). Perilaku resistensi negatifnya hanya dapat dipahami dengan mekanika kuantum: Ketika kondisi terbatas naik mendekati tingkat Fermi, arus terowongan meningkat. Ketika sudah lewat, arusnya turun. Mekanika kuantum penting untuk mendesain peralatan seperti ini.
Para ilmuwan saat ini sedang meneliti untuk mencari metode paling baik untuk memanipulasi keadaan kuantum. Usaha yang saat ini dilakukan adalah pengembangan kriptografi kuantum, yang secara teoretis dapat menjamin pengiriman informasi secara aman.
Rencana yang lebih jauh adalah pengembangan komputer kuantum, yang rencananya digunakan untuk melakukan tugas komputasi tertentu dengan kecepatan jauh melebihi komputer biasa. Alih-alih menggunakan bit biasa, komputer kuantum menggunakan qubits, dapat digunakan di keadaan superposisi. Topik penelitian lainnya yang sedang dilakukan adalah teleportasi kuantum yang berkutat dengan teknik untuk mengirim informasi kuantum pada jarak yang bebas.
Meski mekanika kuantum pada umumnya digunakan pada zat dan energi pada tataran atomik, beberapa sistem berperilaku mekanika kuantum pada skala besar. Superfluiditas, aliran fluida tanpa friksi pada temperatur mendekati absolut nol, adalah salah satu contoh yang umum. Begitu juga dengan fenomena superkonduktivitas, aliran elektron gas tanpa friksi pada material berkonduksi (arus listrik) pada temperatur
yang cukup rendah. fractional quantum hall effect is a topological ordered state which corresponds to patterns of long-range quantum entanglement. Keadaan dengan susunan topologi yang berbeda (atau pola yang berbeda dari keterlibatan jarak jauh) tidak dapat berubah menjadi satu sama lain tanpa transisi fase.
Teori kuantum juga memberikan deskripsi akurat bagi banyak fenomena yang sebelumnya tidak dapat dijelaskan, seperti radiasi benda-hitam dan stabilitas orbital elektron pada atom. Ilmu ini juga memberikan gambaran pada banyak sistem biologi seperti reseptor bau dan struktur protein. Penelitian terbaru mengenai fotosintesis telah memberikan bukti bahwa korelasi kuantum memainkan peranan penting pada proses dasar pada tanaman dan
banyak organisme lainnya. Fisika klasik seringkali juga dapat memberikan perkiraan yang baik seperti fisika kuantum, umumnya pada kasus dengan partikel jumlah besar atau bilangan kuantum besar. Karena perumusan klasik jauh lebih sederhana dan mudah untuk dihitung daripada perumusan kuantum, perkiraan klasik digunakan dan lebih dipilih ketika sebuah sistem cukup besar untuk menjadikan efek mekanika kuantum menjadi kecil.
Anggap ada sebuah partikel bebas. Dalam mekanika kuantum, terdapat dualitas gelombang-partikel, sehingga properti partikel dapat dijelaskan seperti properti gelombang. Oleh karena itu, keadaan kuantumnya dapat dinyatakan sebagai gelombang bentuk bebas dan meluas ke segala ruang sebagai fungsi gelombang. Posisi dan momentum partikel dapat diamati. Prinsip ketidakpastian Heisenberg menyatakan bahwa