Kvantmehaanika

Kvantmehaanika on füüsika haru, mis uurib mikromaailma objektide liikumist.

Mikromaailma objekte nimetatakse sageli mikroosakesteks, mõeldes nende all näiteks aatomeid, prootoneid, neutrone ja teisi väikesi osakesi – elementaarosakesi ning neist koosnevaid süsteeme. Kuid nagu kvantmehaanika näitab, ei saa aine kõige väiksemaid osi tavamõttes osakestena mõista, nende omadused on märksa keerulisemad.

Kaks kõige olulisemat punkti kvantmehaanikas on järgmised:

  • aineosakestel on kõrvuti osakese-omadustega ka laineomadused;
  • mikroosakeste käitumine on tõenäosuslik.

Need kaks väidet on pealtnäha erineva sisuga, kuid sisuliselt seotud. Osakesega seotud laine (ainelaine ehk leiulaine) matemaatilises kirjelduses esineva amplituudi ruut määrab tõenäosuse osakese leidmiseks antud ruumiosas. Ehk veidi üldisemalt: kui oleme kirjeldanud, missugune laine osakesele vastab, saab selle põhjal arvutada antud osakese liikumise puhul olulisi tõenäosusi.

Klassikalise mehaanika võrrandid ning neist järelduvad ennustused vaadeldavate suurust kohta on deterministlikud. See tähendab, et kui me teame algtingimusi, siis on osakese liikumine kindlalt määratud. Täpsemalt, kui teame osakese kiirust ja asukohta suvalisel ajahetkel ning osakest mõjutavaid jõude, saame põhimõtteliselt leida osakese asukoha ning impulsi suvalisel ajahetkel. Sõna “põhimõtteliselt” on siin oluline, sest mõnelgi juhul võib vastav matemaatiline ülesanne olla ülikeeruline või veel lahendamata.

Kvantmehaanikas kehtib aga määramatuse printsiip: mikroosakese asukohta ning impulssi ei ole võimalik samaaegselt ja ühesuguse täpsusega teada. See on omamoodi nokk-kinni-saba-lahti olukord. Mida täpsemalt teame mingil hetkel osakese asukohta, seda suurem on impulsi määramatus. Seda ebatäpsemad on siis ka meie teadmised selle kohta, milline on osakese kiirus, ning siis ei tea me kuigi täpselt ka seda, kus osake saab järgmisel ajahetkel asuma.

Kui klassikalises mehaanikas on osakese või keha liikumise kirjeldamisel väga oluline trajektoor, siis kvantmehaanikas on teisiti. Rääkida kindlast teest, mida mikroobjekt läbib, on raske, kui see objekt (näiteks prooton või elektron) mõnikord käitub osakesena, mõnikord aga lainena, olenevalt sellest, milline eksperimendiolukord on vaatluse all. Üheks väga selgeks näiteks niisuguse kahetisuse ehk duaalsuse kohta on valguse erinev käitumine erinevais katsetes. Fotoefekti nähtuses, kus valgus lööb ainele langedes sellest elektrone välja, on valgus kaheldamatult pigem footonite ehk valgusosakeste kogum, seevastu valguse peegeldumisel ning murdumisel tuleb valgust käsitleda lainena.

Klassikalises mehaanikas saavad füüsikaliste suuruste väärtused muutuda pidevalt: nad võivad omandada ükskõik missuguseid väärtusi nende lubatud vahemikus. Kui võtta näide, siis kineetiline energia ei saa küll olla negatiivne arv, kuid võib olla ükskõik milline arv vahemikus nullist kuni lõpmatuseni. (Kui arvestaksime ka piirkiiruse olemasolu, siis mitte lõpmatuseni, vaid suuruseni fraction numerator m c squared over denominator 2 end fraction. Ent kuidas ka oleks piirkiirusega, kõik vahepealsed väärtused on ikkagi lubatud. )

Kvantmehaanikas nii pole. Paljudel juhtudel saavad füüsikalistel suurustel olla ainult teatud kindlad väärtused: mõõdetavad suurused on kvantiseeritud. Nii saab vesiniku aatomis paiknev elektron omada vaid kindlaid diskreetseid (üksteisest keelatud vahemikega lahutatud) energiaväärtusi. Klassikalise füüsika seisukohalt on selline olukord arusaamatu.

Ja lõpuks, leidub mõningaid füüsikalisi suurusi, millele klassikalises mehaanikas ei leidu ühtki head analoogi. Üheks selliseks suuruseks on spinn, mida on püütud mõista impulsimomendi analoogina, kuid tegelikult siiski nii mõista ei saa.

INGLISKEELSED TERMINID
kvantmehaanika – quantum mechanics
ainelaine, de Broglie laine – matter wave, de Broglie wave
aine-osakese duaalsus – wave-particle duality