Cơ học lượng tử
Lịch sử

Cơ học lượng tử được phát triển vào những thập kỷ đầu của thế kỷ 20, được thúc đẩy bởi nhu cầu giải thích các hiện tượng, trong một số trường hợp, đã được quan sát thấy trong thời gian trước đó. Nghiên cứu khoa học về bản chất sóng của ánh sáng bắt đầu vào thế kỷ 17 và 18, khi các nhà khoa học như Robert Hooke, Christiaan Huygens và Leonhard Euler đề xuất lý thuyết sóng của ánh sáng dựa trên các quan sát thực nghiệm. Năm 1803 nhà bác học Thomas Young người Anh miêu tả thí nghiệm hai khe nổi tiếng. Thí nghiệm này đóng vai trò quan trọng trong việc chấp nhận chung lý thuyết sóng của ánh sáng.
Vào đầu thế kỷ 19, các nghiên cứu khoa học của John Dalton và Amedeo Avogadro đã giúp củng cố thuyết nguyên tử của vật chất, một ý tưởng mà về sau được James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann và nhiều nhà khoa học khác tiếp tục xây dựng để hình thành nên thuyết động học chất khí. Những kết quả của thuyết động học đã phần nào làm sáng tỏ quan điểm rằng vật chất được cấu tạo bởi nguyên tử, song, lý thuyết này vẫn còn những thiếu sót chỉ có thể giải quyết được nhờ sự phát triển của cơ học lượng tử. Dù khái niệm ban đầu về nguyên tử từ triết học Hy Lạp cho rằng chúng là đơn vị không thể chia nhỏ – cụm từ "nguyên tử" lấy từ nguyên gốc trong tiếng Hy Lạp có nghĩa là "không cắt nhỏ được" – nhưng thế kỷ 19 đã chứng kiến sự xuất hiện các giả thuyết về cấu trúc hạ nguyên tử. Một thành tựu quan trọng liên quan vấn đề này là quan sát của Michael Faraday năm 1838 về một lớp sáng được tạo ra nhờ phóng điện bên trong một ống thủy tinh chứa khí ở áp suất thấp. Công trình của Faraday sau đó tiếp tục được phát triển bởi Julius Plücker, Johann Wilhelm Hittorf và Eugen Goldstein dẫn đến sự nhận diện tia âm cực, vốn được J. J. Thomson phát hiện có chứa các hạt hạ nguyên tử mà về sau được gọi là electron.
Vấn đề bức xạ vật đen được Gustav Kirchhoff khám phá vào năm 1859. Đến năm 1900, Max Planck đưa ra giả thuyết rằng năng lượng được bức xạ và hấp thụ trong các "lượng tử" (hay gói năng lượng) rời rạc khớp chính xác với các dạng bức xạ vật đen quan sát được. Từ lượng tử bắt nguồn từ tiếng Latinh, có nghĩa là "lớn như thế nào" hoặc "bao nhiêu". Theo Planck, các đại lượng năng lượng có thể được coi chia thành các "phần tử" có độ lớn (E) tỷ lệ với tần số (ν) của chúng:
với h là hằng số Planck. Planck thận trọng nhấn mạnh rằng đây chỉ là một khía cạnh của quá trình hấp thụ và phát xạ bức xạ và không phải là thực tại vật lý của bức xạ. Trên thực tế, ông coi giả thuyết lượng tử của mình là một thủ thuật toán học để có được câu trả lời đúng hơn là một khám phá lớn. Tuy nhiên, vào năm 1905, Albert Einstein đã giải thích giả thuyết lượng tử của Planck một cách thực tế và sử dụng nó để giải thích hiệu ứng quang điện, trong đó việc chiếu ánh sáng vào một số vật liệu nhất định có thể đẩy electron ra khỏi vật liệu. Niels Bohr sau đó đã phát triển ý tưởng của Planck về bức xạ thành một mô hình nguyên tử hydro mà đã dự đoán thành công các vạch quang phổ của hydro. Einstein phát triển thêm ý tưởng này để chỉ ra rằng một sóng điện từ như ánh sáng cũng có thể được mô tả như dạng hạt (sau này được gọi là photon), với một lượng năng lượng rời rạc phụ thuộc vào tần số của nó. Trong bài báo của ông "Về lý thuyết lượng tử của bức xạ," Einstein đã mở rộng sự tương tác giữa năng lượng và vật chất để giải thích sự hấp thụ và phát xạ năng lượng của các nguyên tử. Mặc dù vào thời điểm đó, thuyết tương đối rộng của ông đã làm lu mờ vấn đề này, bài báo này đã trình bày rõ cơ chế cơ bản của sự phát xạ kích thích, mà trở thành cơ chế cơ bản của laser về sau.
Giai đoạn này được biết đến như là thuyết lượng tử cũ. Không bao giờ hoàn chỉnh hoặc tự nhất quán, lý thuyết lượng tử cũ đúng hơn là một tập hợp các hiệu chỉnh heuristic đối với cơ học cổ điển. Lý thuyết hiện nay được hiểu là một phép gần đúng bán cổ điển đối với cơ học lượng tử hiện đại. Các kết quả đáng chú ý từ thời kỳ này bao gồm, ngoài công trình của Planck, Einstein và Bohr đã đề cập ở trên, công trình của Einstein và Peter Debye về nhiệt dung riêng của chất rắn, chứng minh của Bohr và Hendrika Johanna van Leeuwen rằng vật lý cổ điển không thể giải thích cho hiện tượng nghịch từ, và sự mở rộng của Arnold Sommerfeld về mô hình Bohr để bao gồm các hiệu ứng tương đối tính đặc biệt.
Vào giữa những năm 1920, cơ học lượng tử đã được phát triển để trở thành lý thuyết tiêu chuẩn cho vật lý nguyên tử. Năm 1923, nhà vật lý người Pháp Louis de Broglie đưa ra lý thuyết của mình về sóng vật chất bằng cách phát biểu rằng các hạt có thể biểu hiện các đặc tính của sóng và ngược lại. Dựa trên cách tiếp cận của de Broglie, cơ học lượng tử hiện đại ra đời vào năm 1925, khi các nhà vật lý người Đức Werner Heisenberg, Max Born, và Pascual Jordan phát triển cơ học ma trận và nhà vật lý người Áo Erwin Schrödinger phát minh ra cơ học sóng. Born đã giới thiệu cách giải thích xác suất của hàm sóng Schrödinger vào tháng 7 năm 1926. Do đó, toàn bộ lĩnh vực vật lý lượng tử đã xuất hiện, dẫn đến việc nó được chấp nhận rộng rãi hơn tại hội nghị Solvay lần thứ năm vào năm 1927.
Đến năm 1930, cơ học lượng tử đã được David Hilbert, Paul Dirac và John von Neumann thống nhất và toán học hóa hơn nữa với sự nhấn mạnh nhiều hơn vào phép đo, bản chất thống kê của kiến thức về thực tế của chúng ta và suy đoán triết học về 'người quan sát'. Kể từ đó, nó đã thâm nhập vào nhiều ngành, bao gồm hóa học lượng tử, điện tử lượng tử, quang học lượng tử và khoa học thông tin lượng tử. Nó cũng cung cấp một khuôn khổ hữu ích cho nhiều đặc điểm của bảng tuần hoàn các nguyên tố hiện đại, và mô tả hành vi của các nguyên tử trong quá trình liên kết hóa học và dòng electron trong chất bán dẫn máy tính, và do đó đóng vai trò quan trọng trong nhiều công nghệ hiện đại. Trong khi cơ học lượng tử được xây dựng để mô tả thế giới rất nhỏ, nó cũng cần thiết để giải thích một số hiện tượng vĩ mô chẳng hạn như chất siêu dẫn và siêu lỏng.