Kwantum mekaniks
Mula sa Tagalog Wikipedia, ang malayang ensiklopedya.

Ang kwantum mekaniks o quantum mechanics (Kastila: mecánica cuántica o física cuántica) ay isang pundamental na hinuang pisikal na pumapalit sa mekanikang Newtoniano (Newtonian mechanics) at klasikong elektromagnetismo sa nibel atomika at subatomika. Ito ang balangkas sa ibabaw sa maraming larangan ng pisika at kimika kasama ang pisika ng kondensadong materya (condensate matter), kimika kwantika at pisika ng mga partikula. Ang katagang kwanto (quantum sa Latin, “magkano, gaano”) ay tumutukoy sa mga hiwalay at maliwanag na yunit na itinatakda ng hinua sa kantidad tulad ng enerhiya ng isang atomong nakahimpil (tingnan ang Larawan 1, sa kanan). Ang pundasyon ng quantum mechanics ay itinatag noong unang kalahati ng siglo 20 nina Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Max Born, John von Neumann, Paul Dirac, Wolfgang Pauli at ng iba pa. Ang ilang aspetong pundamental ng hinuang ito ay patuloy na pinag-aaralan magpahanggang ngayon.
Sinasabing ang quantum mechanics ay mas pundamental na hinua kaysa mekanikang Newtoniano at klasikong elektromagnetismo dahil nagpapakita ito ng tama at tumpak na paliwanag sa maraming kababalaghan na hindi maipapaliwanag ng mga “klasikong” hinua. Halimbawa, hindi maipakita ng mekanikang Newtoniano ang pag-inog ng mga panatag na atomo. Kinakailangan itong gumamit ng quantum mechanics upang lubos na maunawaan ang ugali ng mga sistema sa nibel atomika o mas maliit pa rito. Ginagamit rin ang quantum mechanics upang maipaliwanag ang ilang “makroskopyong kwantikong sistema” tulad ng mga superkonduktor at superfluids. Hindi pa napabubulaanan ang mga hula ng quantum mechanics makaraan ang daang taong pananaliksik rito. Maraming mga pisiko ang naniniwala na ang quantum mechanics ang nagbibigay ng tamang paliwanag sa pisikal na mundo na halos matatagpuan sa lahat ng kalagayan. Kung saan maaring pumalya ang isang katayuan sa quantum mechanics ay kung saan ang epekto ng hinua ng pangmalawakang pagkakaugnay-ugnay (theory of general relativity), ang nananaig na hinua ng grabedad (balani) ay mahalaga tulad na mararamdaman malapit sa mga itim na butas (black holes) ng kalawakan o kaya’y nagpapakita sa kabuuan ng sankalawakan. Sinasabing magkataliwas ang hinua ng quantum mechanics at hinua ng pangmalawakang pagkakaugnay-ugnay, dalawang pinakamahalagang tuklas sa pisika ng siglo 20. Kung papaano malulutas ang kontradiksyon ng dalawa ay saklaw ng masusing pananalisik hanggang sa kasalukuyan. Sa malawak na kaisipan, sumasaklaw ang quantum mechanics sa apat na uri ng kababalaghan na hindi maipakikita ng klasikong pisika: (i) ang kwantisasyon (hiwalay at maliwanag na pagpapakita) ng ilang pisikang kantidad, (ii) dualidad ng onda-partikula (wave-particle duality), (iii) ang prinsipyo ng walang katiyakan (uncertainty principle), at (iv) kwantikong pagkakabuhol-buhol (quantun entanglement). Ipaliliwanag ito sa mga susunod ang bahagi.
Sa ilang situwasyon, ang mga batas ng klasikong pisika ay malapit na nagtataya sa mga batas ng quantum mechanics. Kalimitang sinasabi na pinaliit na quantum mechanics ang klasikong mekanika at klasikang elektromagetismo. Klasikong hanggahan o pagkakaayon ang tawag rito kung saan sila nagtatagpo.
Maaring balangkasin ang quantum mechanics sa makaugnay (relativistic) at di-makaugnay (non-relativistic) na paraan. Ang makaugnay na quantum mechanics (hinua sa kwatikong larangan) ay nagpapakita ng balangkasin sa mga tumpak ng hinua. Ang di-makaugnay na quantum mechanics naman ay kalimitang ginagamit dahil madali itong gamitin. Ang mga katagang quantum mechanics, pisika kwatika at hinuang kwantika ay mapapagpalit-palit na tumutukoy sa makaugnay at di-makaugnay na quantum mechanics. Dapat tandaan na may ilang autor ang gumagamit ng katagang “quantum mechanics” sa mas makitid ng di-makaunay ng quantum mechanics. Gayundin, ang gamit ng partikula sa quantum mechanics ay tumutukoy sa isang elementaryo o subatomikong partikula.
Mga nilalaman |
[baguhin] Pagpapaliwang sa Hinua
May ilang magkakatumbas sa balangkas matematika ng quantum mechanics. Isa sa pinakamatanda at gamiting balangkas na ito ay ang hinua ng transpormasyon na inimbento ni Paul Dirac na nagsanib at nagpaliwanag ng dalawang naunang balangkas ng quantum mechanics, mekanikang matrix (imbento ni Werner Heisenberg) at mekanikang onda (inimbento ni Erwin Schrödinger).
Sa balangkas na ito, ang sumandaling katayuan ng isang sistema kwantika ay nagpapakita ng probabilidad ng kanyang katangianng nasusukat o “natutunghayan”. Ang enerhiya, posisyon, momento at momentong angular ay mga halimbawa ang mga “natutunghayang” katangian. Maaring tuluyan (hal. posisyon ng isang partikula) o hiwalay at maliwanag (hal. enerhiya na isang elektron na nakabigkis sa isang atomo ng hidroheno) ang mga natutunghayan.
Karaniwan, hindi nagtatakda ng tiyak na halaga sa mga “natutunghayan”. Sa halip, humuhula ito sa probabilidad ng distribusyon nito, yaong, probabilidad na mákukuha ang bawat resulta mula sa pagsukat ng isang natutunghayan. Katunayan, ang mga probabilidad na ito ay depende sa katayuang kwantika sa saglit ng pagsukat nito. Gayunpaman, may ilang katayuang laging kaagabay ng tiyak na halaga ng isang natutunghayan. Ito ay tinatawag na “eigen-estado” (eigenstate, sariling katayuan) ng isang natutunghayan (ang “eigen” ay “sarili”sa Aleman,.)
Mainam na gumamit ng isang halimbawa rito. Ating tingnan ang isang libreng partikula. Maipakikita ito bilang isang onda (alon) na tinatawag na punsiyong-onda (wavefunction) sa kanyang estado kwantiko anuman ang itsura ito sa kalawakan. Ang posisyon at momento ng partikulang ito ay mga matutunghayan (o masusukat). Sinasaad ng Prinsipyo ng Walang Katiyakan ng mga katuyuan sa quantum mechanics na ang posisyon at momento ay hindi magkasabay na malalaman ng walang mali. Ngunit atin lamang masusukat ang posisyon ng isang tumatakbong partikula na nagdudulot ng eigen-estado ng posisyon na kung saan ang eigen-estado ng posisyon ay lubhang malaki kung saan ang punsiyong-onda ay nasa posisyong x, at sero (wala) naman sa lahat ng lugar. Kung ating susukatin ang posisyon nito sa punsiyong-onda, ating mákukuha ang resultang x nang may 100% probabilidad. Ito ang tinatawag na eigen-estado ng posisyon. Kapag ang isang partikula ay nasa eigen-estado ng position, ang kanyang momento ay tunay na di-tiyak. Ang eigen-estado ng momento sa kabilang dako ay may porma ng isang patag na onda. Maipakikita ito na ang haba ng onda (wavelength) ay katumbas sa h/p, kung saan ang h ay Planck’s constant at p ay momento ng eigen-estado. Dahil dito, kung ang isang partikula ay nasa eigen-estado ng momento, ang kanyang posisyon ay lubos na malabong matunghayan.
Karaniwan, ang isang sistema ay wala sa eigen-estado kahit gaano tayo kainteresado sa mga natutunghayan dito. Gayunman, kung masukat natin ang natutunghayan, ang kanyang punsiyong-onda ay agad-agad nagiging eigen-estado ng natutunghayan. Ang prosesong ito ay tinatawag na pagkagibâ ng punsiyong-onda (wavefunction collapse). Kung ating alam ang punsiyong-onda nito saglit bago sukatin ito, ating makakalkula ang probabilidad ng pagkagibâ ng bawat posibleng eigen-estado. Halimbawa, ang malayang partikula sa ating naunang halimbawa ay magkakaroon ng isang punsiyong-onda na isang bugso ng onda na nakasentro sa gitnang posisyong x0, na hindi eigen-estado ng posisyon o ng momento. Kapag ating sinukat ang posisyon ng partikula, imposible nating matiyak ang makukuha nating resulta. Malamang, ngunit di-tiyak, na ito ay malapit sa x0, kung saan ang amplitud ng punsiyong-onda ay malaki. Matapos nating sukatin at kunin ang resultang x, agad magigibâ ang punsiyong-onda sa posisyong eigen-estado na nakagitna sa x.
Maaring magbago ang punsiyong-onda habang lumalakad ang mga panahon. Ang ekwasyong tinatawag na ekwasyong Schrödinger ang nagpapakita kung papaano nagbabago ang punsiyong-onda sa paglakad ng panahon na kawangki sa ikalawang batas ni Newton ng klasikong mekanika. Hinuhulaan na ang sentro ng bugso ng onda na ipinakikita ng ekwasyong Schrödinger na ginagamit sa ating malayang partikula ay gagalaw lamang sa lugar sa tuling di-nagbabago tulad ng isang klasikong partikula na walang pwersang nagpapakilos rito. Gayunman, ang bugso ng onda ay kakalat din habang lumalakad ang panahon na nangangahulugang lalong walang katiyakan ang posisyon nito. May epekto rin ito upang baguhin ang mga eigen-estado ng posisyon (na para bang lubos na matinis na mga bugso ng onda) upang maging maging malawak na bugsong onda na wala na eigen-estado ng posisyon.
May ilang punsiyong-onda ang nagbubunga ng probabilidad ng pagkakamudmod nito na di-nagbabago sa panahon. Maraming sistema na itinituring na dinamiko sa klasikong mekanika ang ipinakikita ng “nakapirmeng” punsiyong-onda. Halimbawa, ang isang elektron sa isang di-maliksing (non-excited) atomo ay ipinakikitang umiikot ng pabilog sa palibot ng nukleyo ng atomo. Sa quantum mechanics, ito ay ipililiwanag na isang simetrikong at nakapirmeng punsiyong-onda sa palibot ng nukleyo (Larawang 1). (Tandaan na ang pinakamababang estado at momentong angular na may ngalang s ay simetrikong espero (parang bola).
Natutunton ang panahong pag-inog ng mga punsiyong-onda dahil sa ang isang punsiyong-onda sa simula ng oras nito ay tapat na humuhula kung ano ang punsiyong-onda nito sa kalaunan. Sa isang pagsukat nito, ang pagbabago ng punsiyong-onda mula sa isa ay di-matutunton, sa halip ito’y di-mahuhulaan, i.e., walang ayos.
Kaya ang malamang (probabilistic) na likas ng quantum mechanics ay galing sa pagsukat nito. Ito ang pinakamahirap na aspeto ng sistema kwantiko na mahirap ding unawain. Ito ang pinakapunong paksa ng bantog na debate ni Bohr at Einstein na kung saan ang dalawang bantog na siyentipiko ay sumubok na linawin ang mga pundamental na prinsipyo sa pamamagitan ng mga kaisipang eksperimento. Sa maraming dekada matapos ang pagbalangkas ng quantum mechanics, masusing pinag-aralan kung ano ba talaga ang “isang pag-sukat”. Ang interpretasyon ng quantum mechanics ay binalangkas na nagwawangki sa konsepto ng “pagkagibâ ng punsyong-onda”. Ang ugat na ideya rito ay ang pagbubuhol-buhol ng kanya-kanyang punsiyong-onda kapag nakipagniig na ang isang sistema kwantika sa aparatong sumusukat rito at dahil dito ang paghinto sa pag-inog ng orihinal na sistema kwantika bilang isang independyenteng entidad.
[baguhin] Mga Kwantiko’t Mekanikong Epekto
Gagaya ng nabanggit sa simula pa man, maraming klase ng kababalaghan sa loob ng quantum mechanics ang walang kagaya sa klasikong pisika. Ito ay minsang tinatawag na mga “kwantikong epekto”.
Ang unang uri ng kwantikong epekto ay ang kwantisasyon ng ilang pisikal na kantidad. Unang limitaw ang kwantisasyon sa matematikang balangkas ni Max Planck noong 1900. Pinag-aaralan ni Max Planck kung ano ang kinalaman sa temperatura ng bugang radyasyon mula sa isang katawan, sa madaling salita, kanyang sinusuri ang enerhiya ng isang onda (alon). Sinasabing may katasupan din ang enerhiya ng onda, kaya gumamit si Planck nang isang bahagi nito na may prekwensyang may takdang enerhiya. Kanyang natagpuan ang isang constant na kapag minultiplika sa prekwensya ng anumang onda ay nabibigay ng enerhiya ng onda. Ang constant na ito ay ipinakikita bilang letrang h sa matematikang balangkas. Ito ay isang batong-panulukan sa pisika. Dahil sa pagsukat ng enerhiya bilang isang hiwalay at malinaw na bahagi ng isang di-tuluyang onda, ang onda ay nagpapakita bilang isang tipak o bugso ng enerhiya. Ang tipak na ito ng enerhiya ay katumbas ng mga partikula. Kaya sinasabing ang enerhiya ay kwantisado dahil sila ay nakikitang hilawalay at malinaw na bugso sa halip na tuloy-tuloy na agos ng enerhiya.
Sa halimbawang na-ibigay, ang isang malayang partikula sa isang lugar na walang kalaman-laman, patuloy na matutunghayan ang posisyon at momento nito. Ngunit kung ating patitigilin ang partikulang ito sa isang rehiyon ng lugar na ito (na tinatawag problema ng na nakabilanggong partikula), ang momentong natutunghayan ay magiging malinaw. Ito ay may halagang , kung saan L ang haba ng kahon, h ang Planck’s constant, at n isang arbitraryo at di-negatibong numero. Ang mga nasabing natutunghayang ito ay sinasabing kwantisado at may mahalagang papel sa maraming sistemang pisikal. Ang mga halimbawa ng kwantisadong natutunghayan ay ang mga sumusunod: momentong angular, ang buong enerhiya ng isang sistemang binigkis, at ang enerhiyang nakapaloob sa isang elekromagnetikong onda kung alam ang prekwensya nito.
Ang isa pang kwantikong epekto ay ang prinsipyo ng walang katiyakan kung saan ang kababalaghan ng magkakasunod na pagsukat ng dawala o higit pang natutunghayan ay may angking limitasyon sa katumpakan nito. Sa ating halimbawa ng malayang partikula, imposibleng matagpuan nang magkasabay ang punsiyong-onda na nasa eigen-estado ng posisyon at momento nito. Nagpapahiwatig ito na ang posisyon at momento ay hindi masusukat nang may katiyakan ng magkasabay kahit sa prinsipyo man lang: sa dahilang habang lumalapit ang pagsukat sa tamang posisyon nito, lumalayo o bumababa naman ang maksimong katamaan sa pagsukat ng momento, at vice versa. Ang mga pagsukat na ito (e.g. momento at posisyon, o enerhiya at panahon) ay mga itinakdang sukat sa klasikong pisika.
Ang isang pang kwantikong epekto ay ang dualidad ng onda-partikula. Ipinakita ng mga eksperimento sa ilalim ng mga itinakdang kondisyones, ang mga mikroskopyong bagay tulad ang mga atomo o elektron ay nagpapakita ng ugali na isang parang-bang partikula tulad ng pagkakalat nito ng liwanag. (Ang parang-bang partikulang kaisipan ng isang bagay ay napipigilan sa isang partikular na rehiyon sa kalawakan.) Sa ibang kondisyones, ito ay may ugaling parang-bang onda (alon) tulad ng interference (paghadlang). Ating lamang matutunghayan ang katangian ito nang isa-isa.
Ang isa pang kwantikong epekto ay ang kwantikong pagkakabuhol-buhol. Sa ilang kaso, ang punsiyong-onda ng isang sistema ay binubuo ng maraming partikula ang hindi mapaghihiwalay sa kanya-kanyang punsyong-onda. Sa kasong ito, sinasabing nagkabuhol-buhol ang mga partikula. Kung tama ang quantum mechanics, ang isang nabuhol ng partikula ay maaring magpakita ng kanyang kamangha-manghang katangiang na labag sa takbo ng isip. Halimbawa, ang pagsukat sa isang partikula ay nagdudulot ng pagkagibâ ng kabuuang punsyong-onda nito, na isang saglit na epekto sa ibang partikula kung saan nabuhol ito kahit magkalayo sila. (Ito ay di-laban sa espesyal na hinua ng pagkakaugnay-ugnay dahil sa ang impormasyon ay di maipadadala sa paraang ito.)
[baguhin] Balangkas Matematika
Sa masalimuot na balangkas matematika na dinebelop ni P.A.M. Dirac at John von Neumann, ang mga posibleng estado ng isang sistema kwantiko ay ipinakikita sa pamamagitan ng mga yunit vector (na tinatawag na estadong vector) na nanahan sa isang mapaghihiwalay na lugar ni Hilbert complex (tinatawag na lugar ng estado o asosyadong lugar ni Hilbert ng isang sistema). Ang tunay na naturalesa ng lugar ito ay depende sa sistema. Halimbawa, ang lugar ng estado para sa mga estado ng posisyon at momento ay ang lugar ng mga punsiyon ng square-integrable; habang ang lugar ng estado para sa ikot ng isang elektron ay resulta ng dalawang kumplikadong kapatagan (complex planes). Ang bawat eigen-estado ng isang natutunghayan ay may katugong eigenvector ng operador, at ang kasangkot na eigenvalue ay may katugon na halaga ng natutunghayan sa eigen-estadong iyon. Kung ang spectrum ng operador ay hiwalay at malinaw, hanggang dito lamang nito maaabot ng natutunghayang hiwalay at malinaw na mga eigenvalues.
Ang panahong pag-inog ng isang kwantikong estado ay ipinakikita ng ekwasyong Schrödinger, kung saan ang Hamiltoniano, kalakip na operador sa kabuuang enerhiya ng sistema ay nagbubunga ang ebolusyon ng panahon.
Ang kumplikadong numero na bungang pangloob sa pagitan ng dalawang estadong vectors ay ang probabilidad ng amplitud. Sa isang pagsukat, ang probabilidad na ang isang sistema ay magigibâ mula sa simulang estado nito patungo sa isang eigen-estado ay ipinakikita ng kwadrado ng absolutong halaga ng probabilidad ng amplitud sa pagitan ng simula at huling estado. Ang mga posibleng resulta sa isang pagsukat ay ang eigenvalues ng operador – na nagpapaliwanag sa pagpili ng Hermitian operators, kung saan tunay ang mga eigenvalues. Ating makikita ang probabilidad ng distribusyon ng isang natutunghayan sa isang estado sa pagkalkula sa pagkagiba ng espektum ng kalakip na operador nito. Ipinakikita ng walang katiyakang prinsipyo ni Heisenberg na ang kalakip na operador ng isang natutunghayan ay di magtatagpo (commute).
Ang ekwasyong Schrödinger ay gumaganap sa amplitud ng probabilidad hindi lamang sa kanyang absolutong halaga. Kung saan ang absolutong halaga ng amplitud ng probabilidad ang naglalagay ng impormasyon tungkol sa mga probabilidad; ang kanyang katayuan ang nagbibigay ng impormasyon tungkol sa hadlang sa pagitan ng mga kalagayang kwatiko. Ito ang nagdudulot sa para-bang ondang ugali sa katayuang kwantiko.
[baguhin] Pakikipagniig nito sa ibang hinuang maka-agham
Napakalawak ang panuntunang pundamental ng quantum mechanics. Sinasabi rito na ang lugar na estado ng isang sistema ay isang Hilbert space at ang natutunghayan ay mga Hermitian operators na gumaganap sa lugar na ito ngunit hindi sinasabi kung aling Hilbert space o aling operador. Kailangang piliin ito nang maayos para makuha ang nasusukat na paliwanag na isang sistemang kwantiko. Ang isang mahalagang gabay sa pagpili rito ay ang prinsipsyo ng karampatan (correspondence principle) na nagsasaad na ang ang prediksyon ng quantum mechanics ay patungo sa klasikong pisika habang lumalawak ang isang sistema. Ang limistasyon ng “malawak na sistema” ay tinatawag na klasikong limitasyon o karampatang limitasyon,. Sa gayon, ang isa ay makapagsisimula sa isang klasikong estabilisadong modelo ng isang partikular na sistema, at ang anumang pagsubok na humula sa modelong kwantiko na pumapailalim rito na nagbubunga sa modelong klasiko na may karampat na limitasyon.
Mga di-pa nalulutas na suliranin sa pisika: Sa limit ng karampatan ng quantum mechanics: Mayroon bang kinikilingang interpretasyon ito sa quantum mechanics? Papaano ang kwatikong paliwanag sa realidad kasama rito ang mga elemento ng superposisyon ng mga katayuan at pagkagiba ng punsiyong-onda, ay nagbubunga sa realidad na ating nadarama?
Nang unang binuo ang quantum mechanics, ginamit ito sa mga modelo kung saan ang karampatang limitasyon (correspondence limit) ay di-makaugnay na klasikong mekanika. Halimbawa, ang bantog na modelo ng kwantiko at harmonikong osilador (harmonic oscillator) ay malinaw ng gumagamit ng di-makaugnay na ekspresyon para sa sinetikong (kinetic) enerhiya ng osilador at kaya ito’y isang bersyong kwantiko ng klasiko’t harmonikong osilador.
Ang unang pagsubok na isama ang quantum mechanics sa espesyal ng pagkakaugnay-ugnay kasangkot ang pagpapalit ng ekwasyong Schrödinger ng ekwasyong covariant tulad ng ekwasyong Klein-Gordon o ng ekwasyong Dirac. Habang matagumpay na ipinaliliwaning ng mga hinuang ito ang maraming resulta ng mga eksperimento, may mga hindi mainam na katangian ang nagmumula sa pagpapabaya sa makaugnay na paglalang at pagkagunaw ng mga partikula. Ang buong hinuang makaugnay na hinuang kwantiko ay nangangailangang ng pagsulong ng hinuang larangang kwantika na naakma sa kwantisasyon sa isang larangan kaysa isang di-gumagalaw na set ng partikula. Ang unang kumpletong hinuang larangang kwantika na kwantikang elektrodinamika ay nagpapakita nang buong kwantikong paliwanag ng elektromagetikong pagniniig.
Ang buong aparato ng hinua ng larangang kwantika ay madalas ng di kailangan sa pagpapaliwanag ng mga sistemang elektrodinamiko. Ang isang simpleng paraan na ginagamit mula pa man nang binuo ang quantum mechanics ay ang pagtrato sa mga kargadong partikula bilang bagay ng mekanikong kwantiko na ginagampanan ng isang klasikong larangang elektromagnetiko.
Halimbawa, the modelong elementaryong modelo kwantiko ng atomo ng hidroheno ay nagpapaliwanag ng larangang elektrikal ng atomo na gumagamit ng 1/r Coulomb potential. Ang “semi-klasikong” paraan na ito ay papalya kapag ang kwatikong pabago-bago nito sa larangang elektromagnetiko ay may mahalagang papel katulad nang sa pagsingaw ng mga potons ng mga kargadong partikula. Nadebelop na ang mga hinua sa larangang kwantiko para sa malakas na pwersang nukleyar at mahinang pwersang nukleyar. Ang hinua sa larangang kwantika para sa malakas ng pwersang nukleyar ay tinatawag na kwantikong kromodinamika, at nagpapaliwanag sa mga pagniniig ng mga subnukleyar ng mga partikula: kwarks at gluons. Nagsasama ang mahinang pwersang nukleyar at pwersang elektromagnetiko sa kwantisadong porma sa isang hinua ng larangang kwatikong tinatawag na hinua ng electroweak.
Tunay na mahirap buuin ang modelong kwantiko ng grabedad (balani), ang naiiwang pwersang pundamental. Ang semi-klasikong pagtatanya ay magagamit at nagbunga sa paghula katulad ng radyasyon ni Hawking. Alalaungbaga, ang pagbalangkas sa kumpletong hinua ng kwantikong grabedad sa hindi magka-angkop sa pagitan ng panglahatang hinua ng pagkakaugnay-ugnay, ang pinakatumpak na hinua ng grabedad at ilang pundamental na pakiwari ng hinua ng hinuang kwantika. Ang paglutas sa hindi pagkaka-angkop nila ay sakop ng mga pananaliksik ngayon at ang hinua tulad ng hinua na pisi (string theory) ay posibleng kandidato sa hinua sa kinabukasan ng kwantikong grabedad.
[baguhin] Mga Gamit ng Hinuang Kwantika
Matagumpay na ipinaliwag ng quantum mechanics ang mga pakita ng ating daigdig. Ang ugali ng mga mikroskopyong partikula na bumubuo sa lahat ng porma ng materya – ang elektron, proton, neutron at iba pa – ay maipaliliwanag lamang sa paggamit ng quantum mechanics. Mahalaga ang quantum mechanics upang maunawaan kung papaano nagniniig ang bawat atomo upang makabuo ng isang kimika. Ang aplikasyon ng quantum mechanics sa kimika ay tinatawag ng kimika kwantika. Nagpapakita ang quantum mechanics sa mga prosesong ng pagkakawing (bonding) ng isang kimika upang ipakita kung aling molekula ang mas paborable kaysa iba at kung gaano. Karamihan sa kalkulasyong ginagawa sa kimika ng komputasyon ay umaasa sa quantum mechanics Marami sa mga makabagong teknolohiya ay umiiral kung saan matindi ang kwatikong epekto. Halimbawa: ang laser, transistor, electron microscope at magnetic resonance imaging. Ang pag-aaral ng mga semiconductors ay nagbunga sa pagkakatuklas ng diode at transistor na napakahalaga sa makabagong elektroniks.
Ang mga mananaliksik ay kasalukuyang naghahanap nang makisig ng pamamaraan upang masupil ang kwatikong kalagayan (quantum states). May nagbubuhos ng pagnanaliksik upang makabuo ng quantum cryptography (kwantikong kriptograpiya) upang magarantiyahan ang seguridad ng trasmisyon ng mga impormasyong elektronika. Isang mithiin din ang makabuo ng mga kwantikong kompyuter na tinatayang mabilis nang maraming beses sa mga klasikong kompyuter. Ang isa pang masusing pinagbubuhusan ng atensyon ay ang quantum teleportation (kwantikong telehatid) kung saan ihahatid ang kwantikong kalagayang mula sa isang lugar papunta sa ibang lugar.
[baguhin] Kahahantungang Pangpilosopiya
Mula sa kanyang simula, marami sa resulta ng quantum mechanics na labag sa inaasahang resultang kaisipan ay masigasig na pumukaw ng debateng pangpilosopika at maraming interpretasyon. Kahit na ang mga pundamental na isyu tulad ng panuntunan tungkol sa probabilidad ng amplitud at probabilidad ni Max Born ay inabot nang ilang dekadang taon bago ito mapahalagahan.
Ang interpretasyong Copenhagen na sinasabing pinamunuan ni Niels Bohr, ay pamantayang interpretasyon ng quantum mechanics na tanggap mga maraming pisiko. Ayon dito, ang probabilistikong likas ng mga hula ng quantum mechanics ay di maipaliliwanag nang kung anong deterministikong hinua at hindi lamang dahil sa ating limitadong karunungan. Nagpapakita ang quantum mechanics ng probabilistikong resulta dahil sa ang sanlibutang pisikal ay probabilistiko (malamangin) kaysa deterministiko (natitiyak).
Si Albert Einstein (na nagpundar ng hinuang kwantiko) ay ayaw sa pagkawala ng determinismo (katiyakan) sa pagsukat. Kanyang pinanindigan na dapat na mayroong local hidden variable theory sa sumasaklaw sa quantum mechanics at dahil dito hindi kumpleto ang kasalukuyang hinua. Nagpalabas siya ng panlaban niya sa hinuang sikat rito na tinatawag ngayong EPR paradox. Ipanikita ni John Bell na ang EPR paradox ang nagdulot ng kakaibang nakikita sa eksperimento sa pagitan ng quantum mechanics at mga hinua ng local hidden variable theory. Ipinakikita ng mga ginawang mga eksperimento na ang quantum mechanics ay tama at ang realidad ay hindi maipaliliwanag sa pamamagitan sa nasabing natatagong pagbabago. Ang “mga butas” sa mga eksperimento ay nagpapakita na hindi pa rin ito nalulutas.
Ang maraming-daigdig (many-worlds) na interpretasyon na binalangkas ni Everett noong 1956 ay nagbibigay ng mga posibilidad na ipinakikita ng hinuang kwantika na magkakasabay na nagyayari sa magkakasabay na “multiverse” (maraming libutan). Kahit na ang “multiverse” ay deteministiko, atin lamang nararamdaman ang ugaling di-deterministiko na pinamamahalaan ng mga probabilidad dahil ating lamang natutunghayan ang sanlibutang ating tinitirhan.
[baguhin] Kasaysayan
Noong 1900, iminungkahi ni Max Planck ang ideya na kwantisado ang enerhiya para kanyang mahalaw ang pormula nang kanyang natunghayan ang pagiging dependyente ng prekwensya ng enerhiyang ibinubuga ng isang katawang itim. Noong 1905, ipinaliwanag naman ni Einstein ang epektong fotoelektriko nang kanyang imungkahi na ang enerhiya ng liwanag ay dumarating bilang kwanto na tinatawag na mga fotons. Noong 1913, ipinaliwanag ni Bohr ang mga linyang espektral na atomo ng hidroheno na gumagamit din ng kwantisasyon. Noong 1924, iminunkahi ni Louis de Broglie ang kanyang hinua ang ondang materya.
Kahit na matagumpay, ang mga hinuang ito ay istriktong ukol sa kababalagham: walang matibay na pangangatwiran sa kwantisasyon. Tinatawag itong matandang hinuang kwatika. Ang mga katatagang “pisika kwantika” ay unang ginamit sa lathala ni Johnson na may pamagat na Planck's Universe in Light of Modern Physics.
Isinilang ang makabagong quantum mechanics noong 1925 nang idebelop ni Heisenberg ang mekanika matrix ant maimbento ni Schrödinger ang mekanikang onda at ekwasyong Schrödinger. Matapos rito ipinakita ni Schrödinger ang ang dalawang paraang ito ay magkatumbas. Noong 1927, ang prinsipyo ng walang katiyakan ay binalangkas ni Heisenberg, at kasabay din ang pagbubuo ng interpretasyong Copenhagen. Pinag-isa ni Paul Dirac simula nang 1927 ang hinua ng espesyal ng pagkakaugnay-ugnay sa quantum mechanics. Siya rin ang naunang gumamit ng hinuang operador kasama ang maipluwensyang notasyong bra-ket na ipiniliwanag sa kanyang bantog ng araling libro noong 1930. Kasabay noong panahong ito, binalangkas rin ni John von Neumann ang masalimuot na basehang matematika ng quantum mechanics bilang hinua ng tuwid ng operador sa lugar ni Hilberto, na ipinaliwanag rin sa kanyang bantog na librong aralin noon 1932. Ang mga librong na isinulat noong mga panahong ito ay ginagamit hanggang magpahanggang ngayon. Noong 1927, ang larangang ng kimika kwantika ay unang ipinakita nina Walter Heither at Fritz Londo ng kanilang ilathala ang pag-aaral ng kawing kobalente ng molekula ng hidroheno. Sumunod rito ang pagbalangkas sa kimika kwantika ng maraming mananaliksik kasama rito si Linus Pauling, isang kimikong Amerikano.
Simula noong 1927, sinimulang gamitin ang quantum mechanics sa mga larangan sa halip na isang partikula na nagbunga sa mga hinua na tinatawag ngayong hinua ng kwatikong larangan. Kasama sa mga siyentipiko bumalangkas rito ay sina Dirac, Pauli, Weisskopf at Jordan. Ang lugar na ito ng pananaliksik ay nagbunga sa pagbalangkas ng elektrodinamikang kwantika ni Feyman, Dynman, Dyson, Schwinger at Tomonaga noong mga taon ng 1940. Ang kwantikong elektrodinamika ay hinuang kwantika ng mga elektron, positron at ang larangan elekromagnetiko at nagsilbing modelo sa mga sumunod na mga hinua ng kwantikong larangan.
Unang binalangkas noong simula 1960 ang hinua ng kwantikong kromodinamika na ngayon ay alam natin na binalangkas ni Politzer, Gross at Wilzcek noong 1975. Binuo buhat sa unang gawa sa kanya-kanyang gawa nina Schwinger, Higgs, Goldstone, Glashow, Weinberg at Salam ipinakita kung papaano mapasasama upang maging isang pwersang mahinang elektroniko ang mahinang pwersang nukleyar at ang kwantikong elekrodinamika.
[baguhin] Mga Pundasyong Eksperimento
• Ekperimento ng double-slit (dalwahing-hiwa) ni Thomas Young na nagpakita ng ondang (alon) likas ng liwanag (c 1805)
• Pagkatuklas ni Henri Becquerel ng radyaktibidad (1896)
• Mga eksperimento sa cathode ray tube ni Joseph John Thomson (pagkatuklas sa elektron at kanyang negatibong karga) (1897)
• Ang mga pag-aaral sa radyasyon ng katawang itim noong 1850 hanggang 1900 na hindi maipaliliwanag nang hindi gagamit ng mga kwantikong konsepto.
• Ang epekto ng potoelektrika: Ipinaliwanag ito ni Einstein noong 1905 (at nagbigay sa kanya ng Premyong Nobel) na gumagamit ng konsepto ng potons, mga partikula ng liwanag na may kwantisadong enerhiya.
• Eksperimento sa patak ng langis ni Robert Millikan na nagpakita ang ang karga ng elektrika ay lumilitaw bilang quanta (bugso, buong yunit). (1909)
• Eksperimento sa papel na ginto ni Ernest Rutherford na nagpabula sa plum pudding model ng atomo nagmungkahi ang ang bigat at positibong karga ng isang atomo ay nakakalat ng maayos. (1911)
• Eksperimento ni Stern-Gerlach na nagpapakita ng kwantisadong likas ng ikot ng partikula (1920)
• Ipinakita nina Clinton Davisson at Lester Germer ang ondang likas ng elektron sa electron diffraction experiment (1927)
• Kinumpirma ni Clyde L. Cowan at Frederick Reines ang pag-inog ng neutrino sa kanilang neutrino experiment. (1955)
[baguhin] Mga Batayan
Mackey, George Whitelaw (2004). The mathematical foundations of quantum mechanics. Dover Publications. ISBN 0486435172.
Richard P. Feynman, Robert B. Leighton and Matthew Sands (1965). The Feynman Lectures on Physics, Addison-Wesley.
Albert Messiah, Quantum Mechanics, English translation by G. M. Temmer of Mécanique Quantique, 1966, John Wiley and Sons, vol. I, chapter IV, section III.
Marvin Chester, Primer of Quantum Mechanics, 1987, John Wiley, N.Y. ISBN 0486428788
P. A. M. Dirac, The Principles of Quantum Mechanics (1930) -- the beginning chapters provide a very clear and comprehensible introduction
Richard P. Feynman, QED: The Strange Theory of Light and Matter -- a popular science book about quantum mechanics and quantum field theory that contains many enlightening insights that are interesting for the expert as well
Quantum Physics The first of 8 linked pages on the historical evolution of quantum physics, 1895-1928, at the high-school level (no math).