מכניקת הקוונטים
היסטוריה

ההשערה אודות קוונטיזציה של גדלים פיזיקליים הופיעה לראשונה במאמר של מקס פלאנק משנת 1900, העוסק בקרינת גוף שחור. פלנק ניסה במשך שנים להסביר את אופן הנצפה של התפלגות אורכי הגל של הקרינה, עד שלבסוף מצא נוסחה מדויקת לאחר שהניח שהאנרגיה הכוללת של המערכת עשויה ממנות בדידות (כלומר מקוונטות). פלנק, כפי שהעיד במכתבים מאוחרים יותר, חשב שהנחה זו מועילה לפתרון הבעיה ותו לא, ולא ייחס לה בתחילה חשיבות רבה.
בשנת 1905 פרסם אלברט איינשטיין מאמר אודות תכונותיו של האור. במאמר שיער שקרינה אלקטרומגנטית איננה גלים רציפים, כפי שהיה מקובל לחשוב בתקופה זו, אלא עשויה ממנות בדידות של אנרגיה, שמאוחר יותר קיבלו את השם פוטונים. הוא הראה כיצד ההשערה מסבירה תופעות שונות, בין השאר את האפקט הפוטואלקטרי. בניגוד לפלנק, איינשטיין הבין מיד שמדובר בהשערה מהפכנית.
רעיון הקוונטיזציה הוסיף להתפשט בהדרגה ובאיטיות, ופורסמו תאוריות נוספות בתחומים שונים שעשו בו שימוש. לדוגמה, מודל האטום של בוהר משנת 1913 אימץ את המודל הפלנטרי לפיו האלקטרונים סובבים את גרעין האטום באופן הדומה לכוכבי לכת במערכת השמש, אך בתוספת אילוץ קוונטי: רמת האנרגיה שלהם ניתנת לאפיון על ידי מספר קוונטי טבעי, ולכן הם יכולים לנוע רק באחד מבין אוסף בדיד של מסלולים אפשריים. המודל הצליח להסביר תופעות שונות של אטום המימן, אך המאמצים המוקדמים להכלילו לאטומים נוספים נתקלו בקשיים.
התאוריות השונות שהתפרסמו עד שנת 1925 מכונות באופן קולקטיבי בשם "תיאורית הקוונטים הישנה". הן התאפיינו בשילוב בין פיזיקה קלאסית עם תוספת של עקרונות קוונטים, שנראה שנוספו באופן אד הוק וחסר הצדקה, והיה קשה להכלילן מעבר לבעיה הנקודתית אותה הן פתרו. הדבר חידד את ההבנה שדרושה תאוריה חדשה שתחליף כליל את הפיזיקה הקלאסית, ותשנה את המושגים הפיזיקליים באופן רדיקלי. כמו כן הלך והתברר שהתאוריה החדשה עתידה לזנוח את הדימויים הוויזואליים השאולים מהפיזיקה הקלאסית, כגון חלקיק הנע במסלול בעל צורה גאומטרית נתונה, ולהסתמך במקום זאת על מושגים מתמטיים מופשטים כגון מספר קוונטי והסתברות מעבר.
המונח "מכניקת הקוונטים" נטבע ב-1924 על ידי מקס בורן, ושנה לאחר מכן פרסם יחד עם ורנר הייזנברג ופסקואל יורדן תאוריה מלאה של מכניקת קוונטים המבוססת על חשבון מטריצות. במקביל פיתח פול דיראק תאוריה שקולה בשיטות מתמטיות אחרות. בשנת 1926 פרסם ארווין שרדינגר תאוריה נוספת, שהתגלתה גם היא כשקולה, המבוססת על גלים, ובבסיסה משוואת שרדינגר. שרדינגר הושפע בעבודתו זו מהשערת דה ברויי של לואי דה ברויי משנת 1924, לפיה כל חלקיק מתנהג כגל בתנאים מסוימים, והקשר בין התנע ואורך הגל זהה לזה שגילה איינשטיין במאמרו מ-1905 אודות חלקיקי האור. זמן קצר לאחר פרסומה הציע בורן את הפרשנות לפיה גודל הגל במיקום נתון מייצג את ההסתברות למצוא את החלקיק באותו מיקום, וטען שהפיזיקה של האטום היא אינדטרמינסיטית.
בשנים שלאחר מכן התגבשו עקרונות שקבעו בוהר ואחרים ונודעו באופן קולקטיבי כפרשנות קופנהגן. לפי פרשנות זו, אם חוקי מכניקת הקוונטים אינם מנבאים תוצאת מדידה של תכונה מסוימת באופן חד משמעי, הרי שהתכונה הזו אינה מוגדרת כלל. למשל, אם החוקים אינם מנבאים מיקום מדויק לחלקיק, אלא רק באופן הסתברותי, הרי שלחלקיק אכן אין מיקום מוגדר. איינשטיין התנגד לפרשנות זו, וראה באי הוודאות של מכניקת הקוונטים עדות להיותה תיאור לא שלם של הטבע, ולא תכונות של הטבע עצמו. בשנת 1926 כתב למקס בורן מכתב, ממנו צוטטה לאחר מכן בפרפרזה האימרה אלוהים לא משחק בקוביות. בעקבות איינשטיין, ניסה גם שרדינגר להראות שפרשנות קופנהגן עלולה להוביל לאבסורד, על ידי ניסוי מחשבתי שנודע כחתול של שרדינגר. בניסוי זה חתול מוחזק בכלוב ליד חומר רדיואקטיבי, ועל פי פרשנות קופנהגן לכאורה החתול ייכנס למצב שהוא תערובת של חי ומת בו זמנית. הניסיונות לערער על מעמדה הפופולרי של פרשנות קופנהגן כשלו, אך ויכוחים סביב המשמעויות והפרשנויות של מכניקת הקוונטים נמשכים עד ימינו.