Kuantum mekaniği
Tarihçe

Klasik mekanik, her ne kadar başarılı olsa da, 1800'lü yılların sonlarına doğru kara cisim ışıması, tayf çizgileri, fotoelektrik etki gibi birtakım olayları açıklamada yetersiz kalmıştır. Klasik fizik, evreni bir "süreklilik" olarak modelliyordu; ancak Max Planck bazı deneysel gözlemleri açıklayabilmek adına, 1900'de enerjinin paketçiklerden oluştuğunu; 5 yıl sonra da Albert Einstein ışığın aynı şekilde paketçiklerden oluştuğunu, yani ışığın da, enerjinin de, süreksizlik gösterdiğini buldular. Bilim insanları, her ne kadar bu süreksizlik varsayımlarını klasik mekanik kuramlarından türetmek için uğraşsa da, bu bir sonuç vermedi. Aynı yıllarda, Ernest Rutherford'un atomun iç yapısı üzerine yaptığı deneyler, bir gerçeği daha gün yüzüne çıkardı: Atom, aslında küçük bir çekirdeğe sahipti.
Elektronun varlığı, 1897 yılında J. J. Thomson tarafından ispat edilmiştir. Bu durumda, eğer negatif yüklü elektronlar pozitif çekirdeğin etrafında dairesel hareket yapıyorlarsa, klasik fiziğe göre, çok kısa bir zaman diliminde enerji kaybederek çekirdeğe düşmeleri beklenirdi. Bunun sebebini elektromanyetik teori şöyle açıklar: İvmelenen yükler ışıma yapar, dairesel hareket de (ivmeli) bir hareket olduğundan, elektron bu ışımayla enerji kaybeder ve çekirdeğe düşer; Sonuçta, güneş sistemine benzeyen klasik model çöker.
Geçici bir çözüm Niels Bohr’dan gelmiştir: "Elektronlar belli kuantizasyon kurallarınca, belli yörüngelerde hareket ederler, enerjileri belli bir değere ulaşmadıkça ışıma yapamazlar; bu sayede sistem dengede durabilir." Bu geçici çözüm Hidrojen gibi küçük elementlerde işe yaramakta; fakat daha büyük kütleli elementlerde işe yaramamaktadır. Bohr atom modeli'nin deneylerle uyumlu hale gelmesi için modelde birçok düzenleme yapılmıştır. Ancak, Bohr'un atom modeli 1920'lere gelindiğinde artık iş görmemekte, deneylerde gözlenen tayf çizgilerinin yoğunluğunu yanlış vermekte, çok elektronlu atomlarda salınım ve emilim dalga boylarını tahmin etmede başarısız olmakta, atomik sistemlerin zamana bağlı hareket denklemini verememekte ve birkaç konuda daha deneysel gerçeklere uymamaktaydı.
Kuantum mekaniğinin önemli geliştiricilerinden biri de, Fransız fizikçi De Broglie'dir. Louis de Broglie; birçok elçi, bakan ve Dük yetiştirmiş, aristokrat bir Fransız ailesinin çocuğuydu. Tarih eğitimi gördükten sonra fiziğe geçmiş ve 1923'te verdiği doktora tezinde, ışığın hem dalga hem de parçacık karakteri olmasından esinlenerek, aslında bütün madde çeşitlerinin aynı özelliği gösterebileceğini önermiştir. Ortaya koyduğu fikir, Bohr'un "gizemli" yörüngelerini açıklamada başarılı oluyordu.
Işığın girişim ve kırınım yaptığı, yani dalga özelliği gösterdiği, Thomas Young'ın yaptığı çift yarık deneyi ile gösterilmişti. Ancak tüm madde parçacıklarının, su dalgaları ile aynı matematiksel özellikleri gösterebileceği beklenmiyordu.
Max Planck 1900 yılında kara cisim ışınımı problemini (morötesi facia diye de anılır) çözmek için  E=hf\,	
denklemini kullanmıştı. Bu denklem, foton kavramının başlangıcı oldu; çünkü  f frekansındaki elektron salınımından oluşan ışığın, klasik mekanikle uyuşmayan bir şekilde, sadece  hf nun tam sayı katlarında kesikli enerjiler (E) taşıyabileceğini varsaymıştı ('h', günümüzde Planck sabiti adıyla anılır). Fotonlar dalga özelliği gösteriyorsa, madde de bu dualiteyi (ikiliği) gösterebilir analojisi çok kuvvetli bir fikir idi. Bunun yanında önemli bir ipucu da Einstein'ın birkaç yıl önce özel görelilik ispatında kullandığı Lorentz Dönüşümleri idi.
Buna göre, serbest bir parçacık, yönü k, konumu x, frekansı f ve zaman bağlılığı t olan bir dalga ile ifade edilirse, 2*π*(k*x - f*t), ve bu faz Lorentz dönüşümlerinde sabit kalacaksa, k vektörü ve f frekansı, x vektörü ve t zamanı gibi dönüşmelilerdi. Diğer bir deyişle, p ve E gibi. Bunun mümkün olabilmesi için, k ve f, p ve E ile aynı bağımlılığa sahip olmalılardı, bu yüzden de onlarla doğru orantılı olmalılardı.
Bu şekilde, fotonlar için E=h*f olduğundan, madde için de,
varsayımlarını yapmak 'doğal' gözükmüştür.
Bu varsayıma ek olarak, de Broglie, herhangi bir kapalı yörüngenin 1/|k| nın tam katı olması varsayımını da kullanarak, deneysel olarak gözlenen ve Arnold Sommerfeld ve Bohr tarafından "kuantize olma şartları" olarak anılan şartları, matematiksel olarak kolayca türetti. Bu türetme gayet gizemli bir şekilde doğru sonuçlar verince (Davisson ve Germer, 1927 yılında Bell Laboratuvarlarında gerçekleştirdikleri deneyle, elektronların da aynı ışık gibi girişim yaptığını ortaya koydular. Deney 1924'te de Broglie tarafından önerilmişti) insanlar deneysel olarak başka şeyleri tahmin etmesini de beklediler.
Elbette yanıldılar çünkü bu şartlar serbest ışık parçaları için oluşturulan varsayımların, çekirdeğe bağlı elektronlar için uyarlanmasıydı ve çok ileri götürülmemesi gerekiyordu.
Ama dalga mekaniği için doğru çıkış noktası idi.
Enteresan bir şekilde, 1925-1926 yılları arasında Werner Heisenberg, Max Born, Wolfgang Pauli ve Pascual Jordan, matris mekaniği ile kuantum mekaniğinin formal tanımını yaptılar. Ama formalizmlerinde dalga mekaniğine yer vermediler. Benimsedikleri felsefe ise, tamamen pozitivist idi. Yani sadece deneysel olarak gözlenebilen değerleri göz önüne alan bir yaklaşım kullandılar.
1926 yılında Erwin Schrödinger bir dizi denklemle dalga mekaniğini yeniden canlandırdı. Sonunda kendi dalga mekaniğinden Heisenberg'in matris mekaniğini de türetip iki formalizmin matematiksel olarak denk olduğunu da gösterdi (son makalelerinden birinde Schrödinger, rölativistik bir dalga denklemi de sunar).
Dirac'a göre ise tarih biraz daha farklı işlemiştir. Ona göre, Schrödinger önce rölativistik dalga denklemini geliştirdi, sonra bunu kullanarak hidrojenin spektrumunu hesapladı ve deneylere uymadığını gördü. Ancak bu denklemin, düşük hızlarda geçerli olan versiyonu aslında çalışıyordu ve bildiğimiz Schrödinger dalga denklemine ulaşılıyordu.
Daha sonra rölativistik dalga denklemi Oskar Klein ve Walter Gordon tarafından yayınladı ve hâlâ Klein-Gordon denklemi olarak anılır.
Bu noktadan sonra Dirac; teoriyi özel görelilikle uyumlu hale getirmiş ve bazı deneylerin sonuçlarını teorik olarak üretmiştir. Örneğin pozitron'un varlığını 1932 senesinde Carl David Anderson kanıtlamıştır ve nobel ile ödüllendirilmiştir. Kuantum teorisi, daha sonra 1940'larda Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger ve Richard P. Feynman'ın kuantum elektrodinamiği konusunda önemli çalışmalarıyla gelişimine devam etmiştir. 1950'li ve 60'lı yıllar ise Kuantum renk dinamiğinin gelişimine tanık olmuştur.