نظریه ی کوانتوم به زبان ساده

در پایان قرن نوزدهم میلادی، فیزیک  از مکانیک کلاسیک نیوتنی و نظریه الکترومغناطیس ماکسول ( Maxwell )تشکیل شده بود.

از مکانیک کلاسیک برای پیش بینی دینامیک اجسام مادی و بررسی اون و از نظریه الکترومغناطیس برای مطالعه "تابش" استفاده می شد. ماده و تابش بر حسب "ذرات" و "امواج" توصیف می شدند و رابطه و برهم کنش های بین موج و ذره با استفاده از نیروی لورنتز یا ترمودینامیک تشریح     می شد.
در آن زمان فکر می کردن که با استفاده از این مکانیک نیوتنی، نظریه الکترومغناطیس ماکسول و ترمودینامیک تمام پدیده های فیزیک در جهان رو می تونن توضیح بدن.
اما در آغاز قرن بیستم، فیزیک کلاسیک در دو حوزه (یا به قول کتاب کوانتوم دو جبهه) با مشکل مواجه شد :
1- در حوزه نسبیتی : تئوری نسبیت اینشتین در ابتدای قرن بیستم(1905) نشان داد که مکانیک کلاسیک در سرعت های بسیار بالا (نزدیک به نور) حرفی برای گفتن نداره.
2- در حوزه میکروسکپی : با پیشرفت تکنولوژی و توانایی انسان در بررسی دنیای اتمی و زیر اتمی، معلوم شد که مکانیک کلاسیک نمی تونه چندین پدیده تازه کشف شده رو توضیح بده. پس لازم بود که مفهوم جدیدی بوجود بیاد که در دنیای میکروسکوپی کاربرد داشته باشه و مثلا بتونه ساختار اتم و ملکول و برهم کنش نور رو با اون ها توصیف کنه.
ناتوانی فیزیک کلاسیک در توصیف چندین پدیده میکروسکوپی مانند تابش جسم سیاه، اثر فتوالکتریک، پایداری اتم و طیف سنجی اتم باعث شد تا نیاز به نظریه های جدیدی خارج از محدوده فیزیک کلاسیک احساس بشه.
اولین قدم رو ماکس پلانک در سال 1900 با معرفی مفهوم کوانتوم یا گسستگی انرژی برداشت. اون تنها زمانی تونست پدیده تابش جسم سیاه رو توصیف کنه که فرض کرد مبادله انرژی بین تابش و محیط با مقدارهای گسسته یا کوانتیزه انجام می شه. این ایده پلانک باعث کشف های جدیدی شد که نتیجه اون ارائه راه حل هایی برای برجسته ترین مسئله های اون زمان بود.
در سال 1905 اینشتین که می خواست اثر فتوالکتریک رو توضیح بده، فهمید که نظریه پلانک در مورد کوانتیزیشن امواج الکترومغتاطیسی، باید در مورد نور هم درست باشه. پس با استفاده از راه حل پلانک، فرض کرد که نور از تکه های گسسته انرژی که فوتون نامیده میشن تشکیل شده. اینشتین با استفاده از این فرض تونست توضیح قانع کننده ای در مورد اثر فتوالکتریک ارائه بده.
گام اصلی بعدی با ارائه مدل اتمی بور برداشته شد.
پس از اون در سال 1923 کامپتون کشف مهمی کرد که تایید دیگری بر خاصیت ذره ای نور بود. به طور خیلی خلاصه کشف اون که به اثر کامپتون معروفه مربوط می شه به پراکنده شدن اشعه ایکس در اثر برخورد فوتون به الکترونها.
این کشف ها و کارهای پلانک، اینشتین، بور و کامپتون به طور تئوری و تجربی نشان داد که امواج در مقیاس میکروسکوپی، مانند ذرات رفتار می کنند.
در سال 1923 دوبروی یک مفهوم تازه را بیان کرد : نه تنها امواج رفتار ذره مانند دارند، بلکه ذره های مادی نیز رفتار موج مانند دارند. این فرضیه در سال 1927 بوسیله آزمایش Davisson و Germer به طور تجربی تایید شد.

اگرچه مدل بور کاملا با نتایج تجربی سازگار بود اما از یک تئوری خاص پیروی نمی کرد. فرض ها و طرح های پلانک و بور نیز کاملا اختیاری بودن یعنی چیزیایی بودن که اونا از خودشون درآورده بودن!  نه چیزایی که مثلا دیده باشن. یا بوسیله ریاضی بشه بیانشون کرد.
پس لازم بود که این فرضیه ها و طرح ها در قالب یک تئوری که همه اونا رو در بر بگیره و توضیح بده بیان بشن. در سال 1925 این کار انجام شد و تئوری مکانیک کوانتومی بوسیله شرودینگر و هایزنبرگ ارائه شد. این تئوری به 25 سال کارهای جسته و گریخته که بوسیله پلانک و بور ارائه شد و بعد ها به تئوری کوانتوم قدیم معروف شد پایان داد.

از نظر تاریخی دو فرمول بندی برای مکانیک کوانتومی وجود داره. اولی که مکانیک ماتریسی نامیده می شه، بوسیله هایزنبرگ در سال 1925 برای توصیف ساختار اتمی مشاهده شده از طیف ها توسعه یافت. با الهام از پلانک و بور، هایزنبرگ فهمید که تنها مقادیر گسسته انرژی بین سیستم های میکروفیزیکی مبادله میشن. او کمیت های دینامیکی مانند انرژی، مکان، تکانه و تکانه زاویه ای را با استفاده از ماتریس ها بیان کرد. مکانیک ماتریسی در توصیف نور تابش شده یا جذب شده بوسیله اتم بسیار موفق بود.
فرمولبندی دوم که به مکانیک موجی معروفه، در سال 1926 بوسیله شرودینگر ارائه شد که حالت کلی اصل موضوع دوبروی است. این روش با استفاده از یک معادله موج، که معادله شرودینگر نامیده می شه و به جای ماتریس یک معادله دیفرانسیلی است، دینامیک مواد میکروسکوپی را توضیح می ده.
دیراک با ارائه یک فرمولبندی کلی تر نشان داد که این دو فرمولبندی جداگانه، معادل هستند. نمایش فرمول دیراک در مورد کمیت های پیوسته به معادله شرودینگر و در کمیت های گسسته به فرمولبندی ماتریسی هایزنبرگ منجر می شود.
دیراک در سال 1928 با ترکیب نسبیت خاص با مکانیک کوانتومی، معدلی ای به دست آورد که حرکت الکترون ها را توصیف می کرد.

به طور خلاصه مکانیک کوانتومی تئوریی است که دینامیک ماده در مقیاس میکروسکوپی رو توصیف می کنه. ولی آیا مهمه که ما اونو یاد بگیریم؟ اصلا به دردمون می خوره؟
بهتره یادمون باشه که مکانیک کوانتومی تنها چارچوب معتبر برای توصیف دنیای میکروسکپی است. بنابر این یاد گرفتن اون برای فهمیدن و درک کردن فیزیک جامدها، لیزر، نیم رساناها و ابر رساناها، پلاسما و... حیاتیه.
خلاصه این که مکانیک کوانتومی اساس همه بخش های فیزیک مدرن مانند : فیزیک حالت جامد، ملکولی، اتمی، هسته ای، فیزیک ذرات، اپتیک، ترمودینامیک، مکانیک آماری و ... هست.
علاوه بر این اساس و بنیاد شیمی و زیست شناسی نیز مکانیک کوانتومیه.