Czym jest kwantowa teoria materii?

Kwantowa teoria materii jest wspólczesną teorią struktury i własności materii opartą na mechanice kwantowej. Problem budowy i trwałości atomów, oraz zagadnienia związane absorpcją i emisją promieniowania elektromagnetycznego przez układy atomowe i molekularne (czyli problemy należące do fizyki mikroświata) nie znajdowały sensownego wyjaśnienia w ramach teoretycznej fizyki XIX w., której filarami były mechanika klasyczna, termodynamika oraz teoria elektryczności i magnetyzmu stworzona przez Jamesa C. Maxwella. Za datę narodzin kwantowej teorii materii przyjąć można dzień 14 grudnia 1900, w którym Max Planck przedstawił wyniki swych prac nad teorią promieniowania ciała doskonale czarnego. Z teorii Plancka wynikało, że materia nie może wypromieniowywać energii inaczej, niż w określonych porcjach, zwanych kwantami. W pierwszym okresie rozwoju fizyki kwantowej (tzw. stara teoria kwantów, 1900-1925) najważniejszą rolę, poza Planckiem, odegrali: Albert Einstein (1905 - teoria efektu fotoelektrycznego, wprowadzająca pojęcie kwantów promieniowania elektromagnetycznego, zwanych póniej fotonami [zob. kwant], 1907- pierwsza kwantowa teoria ciepła właściwego ciał stałych, 1917 - wyprowadzenie postaci tzw. współczynników Einsteina, określających absorpcję i emisję promieniowania elektromagnetycznego przez materię), Niels Bohr (1913 - pierwsza kwantowa teoria budowy atomu), Arnold Sommerfeld (1916 - sformułowanie tzw. reguł kwantyzacji, rozwinięcie teorii atomu Bohra), Louis de Broglie (1923-25 - teoria fal materii) i Wolfgang Pauli (1925 - sformułowanie prawa zwanego zakazem Pauliego). Stara teoria kwantów nie była w istocie spójną i konsekwentną teorią zjawisk w mikroświecie. Przełomowe znaczenie dla konstrukcji spójnej teorii kwantów miała praca, którą w 1925 opublikował 24-letni wtedy Werner Heisenberg. Teoria kwantowa Heisenberga została w tym samym roku rozwinięta przy współpracy Maxa Borna i Pascuala Jordana i zwana jest czasem mechaniką macierzową. W 1926 Erwin Schrödinger sformułował tzw. mechanikę falową, opartą na koncepcji fal materii de Broglie'a. Mechanika macierzowa i mechanika falowa (a także formalizm zaproponowany w 1925 przez Paula A.M. Diraca) okazały się różnymi, ale równoważnymi, sformułowaniami teorii, którą obecnie nazywa się (nierelatywistyczną) mechaniką kwantową. W badaniu matematycznych podstaw mechaniki kwantowej dużą rolę odegrał John von Neumann. Hermannowi Weylowi i Eugene Wignerowi zawdzięczamy analizę problemu symetrii w mechanice kwantowej i rozwój metod teorii grup. Wielki wkład w dalszy rozwój teorii kwantowych wniósł także Dirac, którego dziełem jest, m.in., stworzenie podstaw elektrodynamiki kwantowej (1927) oraz skonstruowanie relatywistycznego (czyli zgodnego z zasadami szczególnej teorii względności Einsteina) równania falowego dla elektronu, zwanego równaniem Diraca (1928); równanie to wyjaśnia m.in. istnienie wewnętrznego momentu pędu (czyli spinu) elektronu. Ogromną rolę inspirującą w rozwoju i upowszechnieniu mechaniki kwantowej odegrał Niels Bohr. Zalożony przez niego w 1921 r. w Kopenhadze Instytut Fizyki Teoretycznej był w latach 20. i 30. czołowym ośrodkiem, w którym młodzi fizycy z całego świata poznawali i rozwijali kwantową teorię materii. Bohr wniósł także doniosły wkład w analizę filozoficznych aspektów mechaniki kwantowej, współtworząc (wraz z Heisenbergiem, Bornem i von Neumannem) tzw. kopenhaską interpretację mechaniki kwantowej. W myśl tej interpretacji mechanika kwantowa stanowi spójny i pełny model rzeczywistości, a jej sprzeczności z fizyką klasyczną mają charakter fundamentalny (chodzi tu zwłaszcza o to, że mechanika kwantowa nie jest teorią deterministyczną), choć w granicy $\hbar \rightarrow 0$ (gdzie $\hbar$ jest stałą Plancka) przewidywania fizyki kwantowej redukują się do przewidywań fizyki klasycznej, spełniając tzw. zasadę korespondencji Bohra. Mechanika kwantowa, której zręby powstały w latach 1925-26 jest po dzień dzisiejszy podstawową teorią zjawisk zachodzących w świecie atomów i cząsteczek, a więc wszystkich zjawisk, którymi zajmuje się chemia i biochemia oraz fizyka atomowa i molekularna. Dalszy rozwój teorii kwantowych (elektrodynamika kwantowa, teoria pól kwantowych, teoria cząstek elementarnych) pozwolił głębiej wniknąć w strukturę mikroświata, nie powodował już jednak zasadniczych zmian w naszej wiedzy o własnościach materii na poziomie atomowym i molekularnym. Rozważana na tym poziomie, materia może być opisana w ramach nierelatywistycznej mechaniki kwantowej jako zbiór elektronów i jąder atomowych, traktowanych jako cząstki punktowe obdarzone masą i ładunkiem, będących w ruchu i oddziałujących ze sobą siłami elektrostatycznymi. Ten model materii leży u podstaw chemii kwantowej.