Kvanttimekaniikka on fysiikan haara, jossa tutkitaan maailmankaikkeuden kaikista pienimpiä osia. Nämä pienimmät osat sisältävät atomit ja muut niistä pienemmät hiukkaset eli subatomiset hiukkaset. Kvanttimekaniikan suurimpina eroina klassiseen fysiikkaan voidaan pitää esimerkiksi epätarkkuusperiaatetta, aalto-hiukkasdualismia ja kvantittumista. Epätarkkuusperiaatteen mukaan on mahdotonta tietää täysin tarkasti samaan aikaan hiukkasen paikan ja liikemäärän. Aalto-hiukkasdualismilla tarkoitetaan sitä, että sähkömagneettisella säteilyllä ja aineella on sekä aaltoliikkeen että hiukkasten ominaisuuksia. Kvantittuminen taas tarkoittaa sitä, että jokin fysikaalinen suure voi saada vain diskreettejä arvoja. Nämä kaikki ovat olennaisesti ristiriidassa klassisen fysiikan kanssa. Miten näin poikkeava ja erilainen haara on voinut syntyä?
Kvanttimekaniikka on tullut esiin 1900-luvun alkupuolella. Tähän vaikutti se, että klassinen fysiikka ei enää riittänyt selittämään kaikkia ilmiöitä. Vuosia 1900–1925 kutsutaan kvanttimekaniikassa vanhan kvanttiteorian ajaksi. Teorian perusajatus on, että liike atomijärjestelmässä on diskreettiä. Vanhan teorian aikana esitettiin mm., että valo koostuu kvanteista selittäen valosähköisen ilmiön ja Bohrin atomimalli tuotiin esille. Spin on alkeishiukkasten ominaisuus, joka voidaan ymmärtää hiukkasten sisäisenä pyörimismääränä. Se havaittiin vuonna 1922 Sternin-Gerlachin kokeessa. Spinin ymmärtäminen on erittäin keskeistä kvanttimekaniikassa sekä sen soveltamisessa esimerkiksi lääketieteessä ja teknologiassa. Viimeisimmiksi saavutuksiksi vanhan teorian aikakaudelta muodostui jaksollisen järjestelmän nykymuodon määrittely sekä Paulin kieltosääntö, jotka molemmat perustuivat Bohrin atomimallin parannuksiin. Niels Bohr, Werner Heisenberg, Max Planck ja Albert Einstein voidaan lukea merkittävimmiksi kvanttimekaniikan alullepanijoiksi.
Matriisimekaniikka oli ensimmäinen käsitteellisesti itsenäinen ja loogisesti johdonmukainen kvanttimekaniikan teoria. Sen käsitys kvanttihypyistä syrjäytti Bohrin atomimallin elektroniradat. Se teki niin tulkitsemalla hiukkasten ominaisuudet ajan myötä kehittyvinä matriiseina. Se on kvanttimenkaniikassa samanarvoinen Erwin Schrödingerin aaltoteorian kanssa. Paul Dirac johti Wolfgang Paulin työn pohjalta elektronia kuvaavan Diracin yhtälön Vuonna 1928. Tämä johti elektronin antihiukkasen olemassaolon ennustamiseen.
Vuonna 1935 julkaistiin konsepti lomittuneiden hiukkasten täydellisestä korrelaatiosta. Tämä siis käytännössä tarkoittaa sitä, että kaksi tai useampi hiukkanen ovat yhteydessä toisiinsa riippumatta niiden etäisyyksistä. Eli jos yhden lomittuneen hiukkasen tilaa tutkitaan, niin toisen hiukkasen tila määräytyy samanaikaisesti. Tämä konsepti on nykyään yleisesti hyväksytty ja empiirisin keinoin varmistettu.
1940-luvulla muodostunut QED eli kvanttielektrodynamiikka selittää sähkömagneettisen vuorovaikutuksen kvanttitasolla, mikä siis tapahtuu fotonien välityksellä. Se kuvaa erityisen tarkasti elektronin poikkeavan magneettimomentin arvon ja vedyn energiatasojen Lambin siirtymän. Tämä teoria on perusta monille teknologisille innovaatioille tänäkin päivänä.
Hiukkasfysiikan standardimalli on vuosina 1970–1973 kehitetty kvanttikenttäteoria, joka ei ole ristiriidassa kvanttimekaniikan eikä suppean suhteellisuusteorian kanssa. Se kuvaa heikon, vahvan ja sähkömagneettisen vuorovaikutuksen sekä alkeishiukkaset. Siinä yhdistyy sähkömagneettisen ja heikon vuorovaikutuksen kuvaava teoria.
Nopean kehityksen kohteena on ja tulee olemaan kvanttimekaniikan soveltaminen tietotekniikkaan. Näitä ovat esimerkiksi kvanttikryptografia, kvanttitietokoneet, erilaiset kvanttialgoritmit ja datan siirto hyödyntäen kvanttimekaniikan periaatteita. Niiden periaatteiden avulla on jo saatu kehitettyä erittäin laskentatehokkaita tietokoneita, jotka peittoavat klassiset tietokoneet selkeästi. Tämä sovellusalue on vielä suhteellisen alkuvaiheessa, joten voidaan odottaa merkittäviä askeleita tulevaisuudessa jopa yleiseen käyttöön asti.
Teksti: Olavi Tuominen 22D
