Mekanika kuantum

Untuk artikel pendahuluan, lihat Pengantar mekanika kuantum.

Mekanika kuantum adalah cabang dasar fisika yang digunakan untuk menjelaskan sistem atom dan subatom. Konsep mekanika kuantum digunakan untuk menggantikan mekanika klasik. Mekanika kuantum berada dalam superposisi kuantum sehingga tidak bersesuaian dengan fisika klasik. Mekanika kuantum digunakan untuk menyusun kerangka acuan matematika untuk fisika atom, fisika molekular, kimia komputasi, kimia kuantum, fisika partikel, dan fisika nuklir. Konsep utama yang dikemukakan dalam mekanika kuantum adalah teori medan kuantum dan fisika kuantum dan relativitas umum. Pernyataan umum dari mekanika kuantum adalah bahwa energi itu tidak berkesinambungan, tetapi tersusun dalam paket atau kuanta yang diskrit.^[1]

Bagian dari seri artikel mengenai
Mekanika kuantum
${\displaystyle {\hat {H}}|\psi (t)\rangle =i\hbar {\frac {\partial }{\partial t}}|\psi (t)\rangle }$ Persamaan Schrödinger
Pengantar Glosarium Sejarah Buku teks
Latar belakang Mekanika klasik Teori kuantum lama Notasi Bra–ket Hamiltonian Interferensi
Dasar-dasar Bilangan kuantum Dekoherensi Fluktuasi kuantum Fungsi gelombang Keruntuhan fungsi gelombang Dualitas gelombang-partikel Gelombang materi Hamiltonian Interferensi Keadaan dasar Keadaan kuantum Keterkaitan Koherensi Komplementaritas Kuantum Nonlokalitas Operator Pengukuran Prinsip ketidakpastian Qubit Simetri Spin Superposisi Teleportasi kuantum Tingkat energi
Efek Efek Aharonov–Bohm Efek Casimir Efek fotolistrik Efek Stark Efek Zeeman Kuantisasi Landau Penerowongan kuantum
Eksperimen Celah ganda Davisson–Germer Elitzur–Vaidman Franck–Hertz Inekualitas Bell Inekualitas Leggett–Garg Kucing Schrödinger Mach–Zehnder Penghapus kuantum (pilihan tertunda) Popper Pilihan tertunda Wheeler Stern–Gerlach
Formulasi Garis besar Heisenberg Interaksi Matriks Ruang fase Schrödinger Sum-over-histories (path integral)
Persamaan Dirac Klein–Gordon Lippmann–Schwinger Pauli Rydberg Schrödinger
Interpretasi Garis besar Ansambel Banyak-dunia Bayesian de Broglie–Bohm Keruntuhan objektif Kopenhagen Logika kuantum Relasional Sejarah konsisten Stokastik Transaksional Variabel tersembunyi
Topik lanjutan Gravitasi kuantum Ilmu informasi kuantum Kekacauan kuantum Matriks densitas Mekanika kuantum fraksional Mekanika kuantum relativistik Mekanika statistikal kuantum Pemelajaran mesin kuantum Perhitungan kuantum Teori hamburan Teori medan kuantum
Ilmuwan Aharonov Bell Blackett Bloch Bohm Bohr Born Bose de Broglie Candlin Compton Dirac Davisson Debye Ehrenfest Einstein Everett Fock Fermi Feynman Glauber Gutzwiller Heisenberg Hilbert Jordan Kramers Pauli Lamb Landau Laue Moseley Millikan Onnes Planck Rabi Raman Rydberg Schrödinger Sommerfeld von Neumann Weyl Wien Wigner Zeeman Zeilinger Goudsmit Uhlenbeck Yang
Kategori Mekanika kuantum
l b s

Penyelesaian Persamaan Schrödinger untuk atom hidrogen pada tingkat energi yang berbeda. Semakin terang areanya, semakin tinggi probabilitas menemukan elektron.

Sejarah mekanika kuantum berkembang dari penyelesaian Max Planck tahun 1900 pada masalah radiasi benda-hitam (dilaporkan 1859) dan paper Albert Einstein tahun 1905 yang menawarkan teori berbasis-kuantum untuk menjelaskan efek fotolistrik (dilaporkan 1887). Teori kuantum lama dipahami secara mendalam pada pertengahan 1920-an.

Teori ini dirumuskan dalam berbagai rumus matematika yang dikembangkan. Salah satunya, sebuah fungsi matematika yaitu fungsi gelombang, memberikan informasi mengenai amplitudo probabilitas dari posisi, momentum, dan properti fisik lainnya dari sebuah partikel.

Aplikasi penting dari teori kuantum^[2] diantaranya adalah magnet superkonduktor, diode pancaran cahaya (LED), laser, transistor dan semikonduktor seperti prosesor mikro, pencitraan penelitian dan medis seperti magnetic resonance imaging dan mikroskop elektron.

Dalam Teori Type Of Multiverse dijelaskan bahwa Dunia Mekanika Kuantum menunjukkan ada-nya banyak Alam Semesta bercabang dari setiap peristiwa Kuantum. Semua hasil dari setiap peristiwa Kuantum menghasilkan Alam Semesta terpisah.

Sejarah

Artikel utama: Sejarah mekanika kuantum

Penyelidikan sains tentang cahaya dimulai pada abad ke-17 dan 18, ketika para ilmuwan seperti Robert Hooke, Christiaan Huygens dan Leonhard Euler mengajukan teori gelombang cahaya berbasis pengamatan eksperimen.^[3] Tahun 1803, Thomas Young, polymath berkebangsaan Inggris, melakukan percobaan celah-ganda yang nantinya ia jelaskan pada paper berjudul On the nature of light and colours. Percobaan ini memainkan peranan penting dalam dukungan pada teori gelombang cahaya.

Tahun 1838, Michael Faraday menemukan sinar katode. Penelitian ini kemudian diikuti oleh pernyataan masalah radiasi benda-hitam tahun 1859 yand dikemukakan oleh Gustav Kirchhoff, petunjuk oleh Ludwig Boltzmann tahun 1877 bahwa keadaan energi sebuah sistem fisika dapat berupa diskret, dan hipotesis kuantum tahun 1900 oleh Max Planck.^[4] Pada tahun 1900, Max Planck memperkenalkan ide bahwa energi teradiasi dan terserap dalam "kuanta" diskret (atau paket-paket energi). Ide ini secara khusus digunakan untuk menjelaskan sebaran intensitas radiasi yang dipancarkan oleh benda hitam.

Tahun 1896, Wilhelm Wien secara empiris menentukan hukum distribusi radiasi benda-hitam,^[5] kemudian dikenal dengan nama Hukum Wien. Ludwig Boltzmann secara independen juga mendapatkan hasil ini dengan beberapa pertimbangan dari persamaan Maxwell. Namun, hasilnya hanya valid pada frekuensi tinggi dan mengabaikan radiansi pada frekuensi rendah. Nantinya, Planck memperbaiki model ini menggunakan interpretasi statistik Boltzmann untuk termodinamika dan mengajukan apa yang saat ini disebut sebagai Hukum Planck, yang mengarah pada pengembangan mekanika kuantum.

Pada tahun 1905, Albert Einstein menjelaskan efek fotolistrik dengan menyimpulkan bahwa energi cahaya datang dalam bentuk kuanta yang disebut foton. Sekitar tahun 1900-1910, teori atom dan teori korpuskular cahaya^[6] pertama kali diterima sebagai fakta sains; teori ini secara berurutan dapat dilihat sebagai teori kuantum dari zat dan radiasi elektromagnetik.

Di antara mereka yang pertama kali mempelajari fenomena kuantum di alam adalah Arthur Compton, C. V. Raman, dan Pieter Zeeman, masing-measing mereka memiliki nama efek kuantum dari nama mereka. Robert Andrews Millikan mempelajari efek fotolistrik secara eksperimen, dan Albert Einstein mengembangkan teori untuk itu. Pada waktu yang sama, Ernest Rutherford secara eksperimen menemukan model atom nuklir, dan Niels Bohr mengembangkan teori struktur atom miliknya, yang nantinya dikonfirmasi oleh eksperimen Henry Moseley. Tahun 1913, Peter Debye memperluas teori struktur atom Niels Bohr, memperkenalkan orbit elips, konsep yang juga diperkenalkan oleh Arnold Sommerfeld.^[7] Teori-teori di atas, meskipun sukses, tetapi sangat fenomenologikal: tidak ada penjelasan jelas untuk kuantisasi. Mereka dikenal sebagai teori kuantum lama.

Menurut Planck, tiap elemen energi (E) berbanding lurus dengan frekuensinya (ν):

${\displaystyle E=h\nu \ }$

Max Planck dianggap sebagai Bapak Teori Kuantum.

dengan h adalah konstanta Planck.

Planck secara berhari-hati bersikukuh bahwa ini hanyalah aspek proses absopsi dan emisi radiasi sederhana dan tidak ada hubungannya dengan realitas fisika radiasi itu sendiri.^[8] Nyatanya, ia menganggap hipotesis kuantumnya adalah trik matematika untuk mendapatkan jawaban yang benar.^[9] Meski begitu, tahun 1905 Albert Einstein menerjemahkan hipotesis kuantum Planck dan menggunakannya untuk menjelaskan efek fotolistrik, dimana cahaya sinar pada beberapa benda dapat melepas elektron dari material. Ia memenangkan Hadiah Nobel Fisika tahun 1921 untuk penelitiannya ini.

Einstein lebih jauh mengembangkan ide ini untuk menunjukkan bahwa gelombang elektromagnetik seperti cahaya juga dapat dijelaskan sebagai partikel (nantinya disebut foton), dengan kuantum energi diskret yang tergantung dari frekuensinya.^[10]

Konferensi Solvay di Brussels tahun 1927.

Dasar-dasar mekanika kuantum didirikan selama pertengahan awal abad ke-20 oleh Max Planck, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Louis de Broglie, Arthur Compton, Albert Einstein, Erwin Schrödinger, Max Born, John von Neumann, Paul Dirac, Enrico Fermi, Wolfgang Pauli, Max von Laue, Freeman Dyson, David Hilbert, Wilhelm Wien, Satyendra Nath Bose, Arnold Sommerfeld, dan lain-lain. Interpretasi Kopenhagen Niels Bohr diterima secara luas.

Pada tahun 1920-an, pengembangan dalam mekanika kuantum menjadikannya rumusan standar untuk fisika atom. Musim panas 1925, Bohr dan Heisenberg mempublikasikan hasil yang mendekati teori kuantum lama. Untuk menyebut perilaku seperti-partikel dalam beberapa proses dan pengukuran, kuanta cahaya akhirnya disebut foton (1926).

Pada tahun 1930, mekanika kuantum semakin disatukan dan diformalkan melalui hasil kerja David Hilbert, Paul Dirac dan John von Neumann^[11] dengan penekanan lebih ke pengukuran, dan spekulasi filosofis mengenai 'pengamat'nya. Semenjak itu muncul pada disiplin ilmu baru seperti kimia kuantum, elektronika kuantum, optika kuantum, dan sains informasi kuantum. Pengembangan modern-nya yang spekulatif diantaranya teori senar dan teori gravitasi kuantum. Teori ini juga memberikan kerangka dasar bagi tabel periodik modern, dan menjelaskan perilaku atom selama berikatan kimia dan aliran elektron pada semikonduktor, dan oleh karena itu memainkan peranan penting dalam banyak teknologi modern.

Meski mekanika kuantum didirikan untuk menjelaskan dunia benda amat kecil, namun teori ini juga diperlukan untuk menjelaskan beberapa fenomena makroskopik seperti superkonduktor,^[12] dan superfluida.^[13]

Kata kuantum berasal dari bahasa Latin yang berarti "seberapa besar" atau "seberapa banyak".^[14] Dalam mekanika kuantum ia merujuk pada suatu satuan diskret yang nempel pada besaran fisika tertentu seperti energi sebuah atom pada waktu diam (lihat Gbr 1). Ditemukan bahwa partikel merupakan paket-paket energi diskret dengan properti seperti-gelombang mendorong bidang fisika yang mempelajari sistem atom dan subatom yang saat ini dikenal dengan mekanika kuantum. Bidang ini memberikan kerangka matematika bagi banyak bidang fisika dan kimia lainnya, termasuk diantaranya fisika benda terkondensasi, fisika fasa padat, fisika atom, fisika molekuler, fisika komputasi, kimia komputasi, kimia kuantum, fisika partikel, kimia nuklir, dan fisika nuklir.^[15] Beberapa aspek dasar teori ini masih dipelajari sampai sekarang.^[16]

Mekanika kuantum penting untuk menjelaskan perilaku sistem pada skala atom atau lebih kecil. Jika sifat fisika atom hanya dijelaskan oleh mekanika klasik, elektron tidak akan mengorbit nukleus, karena elektron yang mengorbit melepas radiasi (akibat gerak melingkar) dan akhirnya akan bertabrakan dengan nukleus karena kehilangan energi ini. Kerangka ini tidak dapat menjelaskan stabilitas atom. Pada nyatanya, elektron mengelilingi nukleus dengan orbital gelombang-partikel yang tak tentu, tak pasti dan probabilistik, melawan asumsi lama mekanika klasik dan elektromagnetisme.^[17]

Mekanika kuantum pada awalnya dikembangkan untuk memberikan penjelasan dan deskripsi yang lebih baik tentang atom, terutama perbedaannya dalam spektrum cahaya yang dilepaskan oleh isotop dari elemen kimia yang berbeda, juga partikel subatomik. Singkatnya, model atom mekanika kuantum dengan sukses yang tidak dapat dijelaskan mekanika klasik dan elektromagnetisme.

Secara luas, mekanika kuantum menggabungkan 4 kelas fenomena dimana fisika klasik tak dapat menjelaskannya:

• kuantisasi properti fisika tertentu
• quantum entanglement
• azas ketidakpastian
• dualitas gelombang-partikel

Eksperimen penemuan

• Penelitian radiasi benda hitam antara 1850 dan 1900, yang tidak dapat dijelaskan tanpa konsep kuantum.
• Henri Becquerel menemukan radioaktivitas (1896)
• Joseph John Thomson - eksperimen tabung sinar kathoda (menemukan elektron dan muatan negatifnya) (1897)
• Robert Millikan - eksperimen tetesan minyak, membuktikan bahwa muatan listrik terjadi dalam kuanta, (1909)
• Ernest Rutherford - eksperimen lembaran emas menggagalkan model puding plum atom yang menyarankan bahwa muatan positif dan masa atom tersebar dengan rata. (1911)
• Otto Stern dan Walter Gerlach melakukan eksperimen Stern-Gerlach, yang menunjukkan sifat kuantisasi partikel spin (1920)
• Clyde L. Cowan dan Frederick Reines meyakinkan keberadaan neutrino dalam eksperimen neutrino (1955)

Perumusan matematika

Artikel utama: Formulasi matematika mekanika kuantum

Lihat pula: Logika kuantum

Perumusan matematis mekanika kuantum dikembangkan oleh Paul Dirac,^[18] David Hilbert,^[19] John von Neumann,^[20] dan Hermann Weyl.^[21] Keadaan yang mungkin dari suatu sistem mekanika kuantum dilambangkan^[22] sebagai vektor satuan (disebut sebagai vektor keadaan).

Dalam mekanika kuantum, keadaan sebuah sistem pada waktu tertentu dijelaskan dengan fungsi gelombang kompleks, juga disebut dengan vektor keadaan pada vektor ruang kompleks.^[23] Prinsip ketidakpastian Heisenberg mengkuantifisasi ketidakmampuan dalam mencari lokasi partikel secara presisi.^[24]

Selama pengukuran, di sisi lain, perubahan fungsi gelombang awal ke fungsi gelombang berikutnya tak dapat ditentukan, tak dapat diprediksi (acak). Simulasi evolusi-waktu dapat dilihat disini.^[25][26]

Persamaan gelombang berubah seiring waktu. Persamaan Schrödinger menjelaskan bagaimana fungsi gelombang berubah terhadap waktu, mirip seperti hukum kedua Newton pada mekanika klasik. Persamaan Schrödinger memprediksi bahwa pusat paket gelombang akan berpindah melalui ruang pada kecepatan konstan (seperti partikel klasik tanpa gaya yang bekerja padanya). Namun, paket gelombang juga menyebar seiring waktu, berarti posisi menjadi tak tentu.^[27]

Aplikasi

Mekanika kuantum telah sukses^[28] dalam menjelaskan berbagai fitur di alam semesta. Mekanika kuantum sering kali menjadi satu-satunya alat yang ada yang dapat menjelaskan perilaku individu dari partikel subatomik yang membentuk segala bentuk zat (elektron, proton, neutron, foton, dsb). Mekanika kuantum mempengaruhi teori dawai, kandidat untuk teori segala sesuatu (lihat reduksionisme).

Mekanika kuantum juga sangat penting untuk memahami bagaimana atom individu bergabung secara kovalen membentuk molekul. Aplikasi mekanika kuantum ke kimia dikenal dengan kimia kuantum. Mekanika kuantum relativistik secara matematis dapat menjelaskan sebagian besar kimia. Mekanika kuantum dapat memberikan penjelasan kuantitatif pada proses ikatan ion dan ikatan kovalen dengan secara eksplisit menunjukkan molekul mana yang secara energi lebih menarik ke yang lain beserta besaran energinya.^[29] Lebih jauh lagi, sebagian besar perhitungan kimia komputasi modern mengandalkan mekanika kuantum.

Banyak teknologi modern beroperasi pada skala dimana efek kuantum berpengaruh signifikan.

Elektronik

Banyak peralatan modern didesain menggunakan mekanika kuantum. Beberapa contohnya adalah laser, transistor (juga mikrocip), mikroskop elektron, dan magnetic resonance imaging (MRI). Penelitian semikonduktor mendorong penemuan diode dan transistor, bagian-bagian yang tak dapat dipisahkan dari sistem elektronika, komputer, dan peralatan telekomunikasi modern. Aplikasi lainnya adalah diode pancaran cahaya (LED) yang merupakan sumber cahaya dengan efisiensi tinggi.

Mekanisme kerja alat resonant tunneling diode, didasarkan dari fenomena quantum tunneling melalui hambatan potensial. (Kiri: band diagram; tengah: koefisien transmisi; Kanan: karakteristik tegangan saat ini) Seperti ditunjukkan oleh band diagram(kiri), meski ada 2 penghalang, elektron masih lewat melalui kondisi terbatas antara 2 penghalang (tengah), mengalirkan arus.

Banyak peralatan elektronik beroperasi dengan efek quantum tunneling. Bahkan muncul pada saklar lampu yang sederhana. Saklar tidak akan bekerja jika elektron tidak dapat melewati terowongan kuantum melalui lapisan oksidasi pada permukaan kontak logam. Cip memori kilat pada USB drive menggunakan quantum tunneling untuk menghapus sel memorinya. Beberapa peralatan resistansi diferensial negatif juga menggunakan efek quantum tunneling, seperti resonant tunneling diode. Tidak seperti diode biasa, arusnya dibawa oleh resonant tunneling melalui 2 hambatan potensial (lihat gambar di samping). Perilaku resistensi negatifnya hanya dapat dipahami dengan mekanika kuantum: Ketika kondisi terbatas naik mendekati tingkat Fermi, arus terowongan meningkat. Ketika sudah lewat, arusnya turun. Mekanika kuantum penting untuk mendesain peralatan seperti ini.

Kriptografi

Para ilmuwan saat ini sedang meneliti untuk mencari metode paling baik untuk memanipulasi keadaan kuantum. Usaha yang saat ini dilakukan adalah pengembangan kriptografi kuantum, yang secara teoretis dapat menjamin pengiriman informasi secara aman.

Komputasi kuantum

Rencana yang lebih jauh adalah pengembangan komputer kuantum, yang rencananya digunakan untuk melakukan tugas komputasi tertentu dengan kecepatan jauh melebihi komputer biasa. Alih-alih menggunakan bit biasa, komputer kuantum menggunakan qubits, dapat digunakan di keadaan superposisi. Topik penelitian lainnya yang sedang dilakukan adalah teleportasi kuantum yang berkutat dengan teknik untuk mengirim informasi kuantum pada jarak yang bebas.

Efek kuantum skala makro

Meski mekanika kuantum pada umumnya digunakan pada zat dan energi pada tataran atomik, beberapa sistem berperilaku mekanika kuantum pada skala besar. Superfluiditas, aliran fluida tanpa friksi pada temperatur mendekati absolut nol, adalah salah satu contoh yang umum. Begitu juga dengan fenomena superkonduktivitas, aliran elektron gas tanpa friksi pada material berkonduksi (arus listrik) pada temperatur yang cukup rendah. fractional quantum hall effect is a topological ordered state which corresponds to patterns of long-range quantum entanglement.^[30] Keadaan dengan susunan topologi yang berbeda (atau pola yang berbeda dari keterlibatan jarak jauh) tidak dapat berubah menjadi satu sama lain tanpa transisi fase.

Teori kuantum

Teori kuantum juga memberikan deskripsi akurat bagi banyak fenomena yang sebelumnya tidak dapat dijelaskan, seperti radiasi benda-hitam dan stabilitas orbital elektron pada atom. Ilmu ini juga memberikan gambaran pada banyak sistem biologi seperti reseptor bau dan struktur protein.^[31] Penelitian terbaru mengenai fotosintesis telah memberikan bukti bahwa korelasi kuantum memainkan peranan penting pada proses dasar pada tanaman dan banyak organisme lainnya.^[32] Fisika klasik sering kali juga dapat memberikan perkiraan yang baik seperti fisika kuantum, umumnya pada kasus dengan partikel jumlah besar atau bilangan kuantum besar. Karena perumusan klasik jauh lebih sederhana dan mudah untuk dihitung daripada perumusan kuantum, perkiraan klasik digunakan dan lebih dipilih ketika sebuah sistem cukup besar untuk menjadikan efek mekanika kuantum menjadi kecil.

Contoh

Partikel bebas

Anggap ada sebuah partikel bebas. Dalam mekanika kuantum, terdapat dualitas gelombang-partikel, sehingga properti partikel dapat dijelaskan seperti properti gelombang. Oleh karena itu, keadaan kuantumnya dapat dinyatakan sebagai gelombang bentuk bebas dan meluas ke segala ruang sebagai fungsi gelombang. Posisi dan momentum partikel dapat diamati. Prinsip ketidakpastian Heisenberg menyatakan bahwa posisi dan momentum tak dapat diukur simultan secara presisi. Namun, kita dapat mengukur posisi (saja) dari partikel yang bergerak bebas, menciptakan posisi eigenstate dengan fungsi gelombang yang sangat besar (Delta Dirac) pada posisi x tertentu, dan nol pada tempat lainnya. Jika kita melakukan pengukuran posisi pada fungsi gelombang ini, resultan x akan mendapat probabilitas 100% (presisi sempurna). Hal ini disebut posisi eigenstate-atau, dalam istilah matematikanya, generalized position eigenstate (eigendistribusi). Jika partikel berada pada posisi eigenstate, maka momentumnya tidak diketahui. Begitu juga, jika partikel berada pada momentrum eigenstate, maka posisinya tidak diketahui.^[33] Jika momentum eigenstate memiliki bentuk gelombang datar, maka dapat ditunjukkan bahwa panjang gelombang sama dengan h/p, dengan h adalah konstanta Planck dan p adalah momentum eigenstate.^[34]

Potensial berupa Step

Artikel utama: Penyelesaian persamaan Schrödinger untuk potensial berupa step

Potensial berupa step sebesar V₀ ditunjukkan warna hijau. Amplitudo dan arah gelombang yang bergerak ke kiri dan kanan juga tersedia. Warna kuning adalah incident wave, biru adalah gelombang terefleksi dan tertransmisi, merah tidak muncul. E > V₀ untuk gambar ini.

Potensial pada kasus ini dinyatakan sebagai:

${\displaystyle V(x)={\begin{cases}0,&x<0,\\V_{0},&x\geq 0.\end{cases}}}$

Penyelesaiannya adalah superposisi pada gelombang bergerak ke kiri dan kanan:

${\displaystyle \psi _{1}(x)={\frac {1}{\sqrt {k_{1}}}}\left(A_{\rightarrow }e^{ik_{1}x}+A_{\leftarrow }e^{-ik_{1}x}\right)\quad x<0}$${\displaystyle \psi _{2}(x)={\frac {1}{\sqrt {k_{2}}}}\left(B_{\rightarrow }e^{ik_{2}x}+B_{\leftarrow }e^{-ik_{2}x}\right)\quad x>0}$

dimana vektor gelombang berhubungan dengan energi melalui

${\displaystyle k_{1}={\sqrt {2mE/\hbar ^{2}}}}$, dan

${\displaystyle k_{2}={\sqrt {2m(E-V_{0})/\hbar ^{2}}}}$

dengan koefisien A dan B ditentukan dari kondisi batas dan menerapkan turunan kontinu pada persamaan.

Tiap sisi persamaan dapat diterjemahkan sebagai komponen gelombang yang ditransmisi, memungkinkan perhitungan koefisien transmisi dan refleksi. Kebalikan dengan mekanika klasik, incident particle dengan energi lebih besar daripada step potensial direfleksikan secara parsial.

Partikel dalam sumur potensial tak hingga

Sumur potensial tak hingga 1-dimensi, dengan energi potensial bernilai nol pada posisi ${\displaystyle 0<x<L}$

Artikel utama: Partikel dalam sumur potensial tak hingga

Partikel yang berada dalam sumur potensial tak hingga satu-dimensi adalah contoh yang secara matematis paling sederhana dimana batasannya mengarah ke kuantisasi tingkat energi. Dalam kasus ini energi potensial didefinisikan bernilai nol di antara batasan posisi tertentu, dan energi potensial bernilai tak terhingga di luar batasan posisi tersebut, hal ini berakibat pada partikel terkungkung pada wilayah di mana energi potensialnya bernilai nol. Untuk kasus pada arah-${\displaystyle x}$ satu dimensi, persamaan Schrödinger dapat dituliskan^[35]

${\displaystyle -{\frac {\hbar ^{2}}{2m}}{\frac {d^{2}\psi }{dx^{2}}}=E\psi .}$

Dengan operator diferensial didefinisikan sebagai

${\displaystyle {\hat {p}}_{x}=-i\hbar {\frac {d}{dx}}}$

persamaan sebelumnya ini mengingatkan pada energi kinetik klasik,

${\displaystyle {\frac {1}{2m}}{\hat {p}}_{x}^{2}=E,}$

dengan ${\displaystyle \psi }$ pada kasus ini memiliki energi ${\displaystyle E}$ yang serupa dengan energi kinetik partikel.

Penyelesaian umum persamaan Schrödinger untuk partikel pada wilayah dengan energi potensial tak terhingga adalah

${\displaystyle \psi (x)=0,\qquad \qquad \qquad \qquad x>L,~~~~x<0}$

Penyelesaian umum persamaan Schrödinger untuk partikel pada wilayah dengan energi potensial bernilai nol adalah

${\displaystyle \psi (x)=Ae^{ikx}+Be^{-ikx},\qquad \qquad 0<x<L}$

atau, dari rumus Euler,

${\displaystyle \psi (x)=C\sin kx+D\cos kx.\!}$

Nilai C, D, dan k dapat dicari dengan menyadari bahwa partikel tidak mungkin berada di luar sumur potensial, dan bahwa fungsi gelombang ${\displaystyle \psi (x)}$ haruslah kontinu, sehingga pada x = 0 dan x = L fungsi gelombang harus sama dengan nol.

${\displaystyle \psi (0)=0=C\sin 0+D\cos 0=D\!}$

dan D = 0. Pada x = L,

${\displaystyle \psi (L)=0=C\sin kL.\!}$

dimana C tidak mungkin nol karena jika semua koefisiennya bernilai nol, artinya partikel tidak mungkin berada di manapun. Karena sin(kL) = 0, kL haruslah kelipatan bilangan bulat dari π,

${\displaystyle k_{n}={\frac {n\pi }{L}}\qquad \qquad n=1,2,3,\ldots .}$

Sehingga fungsi gelombangnya tak gayut waktunya adalah

$${\displaystyle \psi _{n}(x)={\begin{cases}C\sin \left({\frac {n\pi x}{L}}\right)\quad &0<x<L\\0&{\text{otherwise}}\end{cases}},}$$

Nilai C bisa dicari melalui normalisasi fungsi gelombang ini.

Energi untuk tingkat ke-${\displaystyle n}$ adalah

${\displaystyle E_{n}={\frac {\hbar ^{2}\pi ^{2}n^{2}}{2mL^{2}}}={\frac {n^{2}h^{2}}{8mL^{2}}}.}$

Osilator harmonis

Artikel utama: Osilator harmonis kuantum

Beberapa lintasan osilator harmonis (bola yang ditempelkan pada pegas) dalam mekanika klasik (A-B) dan mekanika kuantum (C-H). Pada mekanika kuantum, posisi bola dinyatakan dengan gelombang (disebut fungsi gelombang), dengan bagian real ditunjukkan dengan warna biru dan bagian imajiner ditunjukkan dengan warna merah. Beberapa lintasan (seperti C,D,E, dan F) adalah standing waves (atau "keadaan stasioner"). Tiap frekuensi standing-wave berbanding lurus dengan tingkat energi osilator. "Kuantisasi energi" ini tidak ada pada fisika klasik, dimana osilator dapat memiliki energi tertentu.

Seperti pada fisika klasik, potensial untuk osilator harmonis kuantum dinyatakan dengan

${\displaystyle V(x)={\frac {1}{2}}m\omega ^{2}x^{2},}$

sehingga persamaan Schrödinger tak gayut waktu untuk bentuk potensial ini adalah

${\displaystyle -{\frac {\hbar ^{2}}{2m}}{\frac {d^{2}}{dx^{2}}}\psi (x)+{\frac {1}{2}}m\omega ^{2}x^{2}\psi (x)=E\psi (x).}$

Solusi dari persamaan differensial ini bisa didapat dengan beberapa metode, salah satunya adalah dengan menggunakan metode operator tangga yang diajukan oleh Paul Dirac. Eigenstate energi dari sistem dengan potensial ini adalah

${\displaystyle \psi _{n}(x)={\sqrt {\frac {1}{2^{n}\,n!}}}\cdot \left({\frac {m\omega }{\pi \hbar }}\right)^{1/4}\cdot e^{-{\frac {m\omega x^{2}}{2\hbar }}}\cdot H_{n}\left({\sqrt {\frac {m\omega }{\hbar }}}x\right),\qquad }$

${\displaystyle n=0,1,2,\ldots .}$

dengan H_n adalah polinomial Hermite

${\displaystyle H_{n}(x)=(-1)^{n}e^{x^{2}}{\frac {d^{n}}{dx^{n}}}\left(e^{-x^{2}}\right),}$

dan tingkat energinya adalah

${\displaystyle E_{n}=\hbar \omega \left(n+{1 \over 2}\right).}$

Ini adalah contoh penggambaran kuantifikasi energi untuk keadaan terikat.

Bukti dari mekanika kuantum

Mekanika kuantum sangat berguna untuk menjelaskan perilaku atom dan partikel subatomik seperti proton, neutron dan elektron yang tidak mematuhi hukum-hukum fisika klasik. Atom biasanya digambarkan sebagai sebuah sistem di mana elektron (yang bermuatan listrik negatif) beredar seputar nukleus atom (yang bermuatan listrik positif). Menurut mekanika kuantum, ketika sebuah elektron berpindah dari tingkat energi yang lebih tinggi (misalnya dari n=2 atau kulit atom ke-2 ) ke tingkat energi yang lebih rendah (misalnya n=1 atau kulit atom tingkat ke-1), energi berupa sebuah partikel cahaya yang disebut foton, dilepaskan. Energi yang dilepaskan dapat dirumuskan sbb:

${\displaystyle E=hf\!}$

keterangan:

• ${\displaystyle E\!}$ adalah energi (J)
• ${\displaystyle h\!}$ adalah tetapan Planck, ${\displaystyle h=6.63\times 10^{-34}\!}$ (Js), dan
• ${\displaystyle f\!}$ adalah frekuensi dari cahaya (Hz)

Dalam spektrometer massa, telah dibuktikan bahwa garis-garis spektrum dari atom yang di-ionisasi tidak kontinu, hanya pada frekuensi/panjang gelombang tertentu garis-garis spektrum dapat dilihat. Ini adalah salah satu bukti dari teori mekanika kuantum.

Referensi

1. Putra, V. G. V. (2017). Pengantar Fisika Dasar (PDF). Sleman: CV. Mulia Jaya Publisher. hlm. 121. ISBN 978-602-72713-6-4. Parameter |url-status= yang tidak diketahui akan diabaikan (bantuan)
2. Matson, John. "What Is Quantum Mechanics Good for?". Scientific American. Diakses tanggal 18 May 2016.
3. Max Born & Emil Wolf, Principles of Optics, 1999, Cambridge University Press
4. Mehra, J.; Rechenberg, H. (1982). The historical development of quantum theory. New York: Springer-Verlag. ISBN 0387906428.
5. Kragh, Helge (2002). Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century. Princeton University Press. hlm. 58. ISBN 0-691-09552-3. Extract of page 58
6. Ben-Menahem, Ari (2009). Historical Encyclopedia of Natural and Mathematical Sciences, Volume 1. Springer. hlm. 3678. ISBN 3540688315. Extract of page 3678
7. E Arunan (2010). "Peter Debye" (PDF). Resonance (journal). Indian Academy of Sciences. 15 (12).
8. Kuhn, T. S. (1978). Black-body theory and the quantum discontinuity 1894-1912. Oxford: Clarendon Press. ISBN 0195023838.
9. Kragh, Helge (1 December 2000), Max Planck: the reluctant revolutionary, PhysicsWorld.com, diarsipkan dari versi asli tanggal 2012-04-01, diakses tanggal 2016-12-15
10. Einstein, A. (1905). "Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt". Annalen der Physik. 17 (6): 132–148. Bibcode:1905AnP...322..132E. doi:10.1002/andp.19053220607. Parameter |trans_title= yang tidak diketahui akan diabaikan (bantuan) Reprinted in The collected papers of Albert Einstein, John Stachel, editor, Princeton University Press, 1989, Vol. 2, pp. 149-166, in German; see also Einstein's early work on the quantum hypothesis, ibid. pp. 134-148.
11. van Hove, Leon (1958). "Von Neumann's contributions to quantum mechanics" (PDF). Bulletin of the American Mathematical Society. 64 (3): Part2:95–99. doi:10.1090/s0002-9904-1958-10206-2.
12. Feynman, Richard. "The Feynman Lectures on Physics III 21-4". California Institute of Technology. Diakses tanggal 2015-11-24. "...it was long believed that the wave function of the Schrödinger equation would never have a macroscopic representation analogous to the macroscopic representation of the amplitude for photons. On the other hand, it is now realized that the phenomena of superconductivity presents us with just this situation.
13. Richard Packard (2006) "Berkeley Experiments on Superfluid Macroscopic Quantum Effects" Diarsipkan November 25, 2015, di Wayback Machine. accessdate=2015-11-24
14. "Quantum - Definition and More from the Free Merriam-Webster Dictionary". Merriam-webster.com. Diakses tanggal 2012-08-18.
15. Thall, Edwin. "Thall's History of Quantum Mechanics". Florida Community College at Jacksonville. Diarsipkan dari versi asli tanggal October 7, 2009. Diakses tanggal May 23, 2009.
16. "ysfine.com". ysfine.com. Diakses tanggal 11 September 2015.
17. "QUANTUM MECHANICS". geocities.com. 2009-10-26. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2009-10-26. Diakses tanggal 2016-06-13.
18. P.A.M. Dirac, The Principles of Quantum Mechanics, Clarendon Press, Oxford, 1930.
19. D. Hilbert Lectures on Quantum Theory, 1915–1927
20. J. von Neumann, Mathematische Grundlagen der Quantenmechanik, Springer, Berlin, 1932 (English translation: Mathematical Foundations of Quantum Mechanics, Princeton University Press, 1955).
21. H.Weyl "The Theory of Groups and Quantum Mechanics", 1931 (original title: "Gruppentheorie und Quantenmechanik").
22. Dirac, P.A.M. (1958). The Principles of Quantum Mechanics, 4th edition, Oxford University Press, Oxford UK, p. ix: "For this reason I have chosen the symbolic method, introducing the representatives later merely as an aid to practical calculation."
23. Greiner, Walter; Müller, Berndt (1994). Quantum Mechanics Symmetries, Second edition. Springer-Verlag. hlm. 52. ISBN 3-540-58080-8., Chapter 1, p. 52
24. "Heisenberg - Quantum Mechanics, 1925–1927: The Uncertainty Relations". Aip.org. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2015-12-22. Diakses tanggal 2012-08-18.
25. Michael Trott. "Time-Evolution of a Wavepacket in a Square Well — Wolfram Demonstrations Project". Demonstrations.wolfram.com. Diakses tanggal 2010-10-15.
26. Michael Trott. "Time Evolution of a Wavepacket In a Square Well". Demonstrations.wolfram.com. Diakses tanggal 2010-10-15.
27. Mathews, Piravonu Mathews; Venkatesan, K. (1976). A Textbook of Quantum Mechanics. Tata McGraw-Hill. hlm. 36. ISBN 0-07-096510-2., Chapter 2, p. 36
28. Lihat the Feynman Lectures on Physics untuk beberapa aplikasi teknologi yang menggunakan mekanika kuantum, seperti transistor (vol III, pp. 14–11 ff), sirkuit terpadu, which are follow-on technology in solid-state physics (vol II, pp. 8–6), dan laser (vol III, pp. 9–13).
29. Pauling, Linus; Wilson, Edgar Bright (1985-03-01). Introduction to Quantum Mechanics with Applications to Chemistry. ISBN 9780486648712. Diakses tanggal 2012-08-18.
30. Chen, Xie; Gu, Zheng-Cheng; Wen, Xiao-Gang (2010). "Local unitary transformation, long-range quantum entanglement, wave function renormalization, and topological order". Phys. Rev. B. 82: 155138. arXiv:1004.3835 . Bibcode:2010PhRvB..82o5138C. doi:10.1103/physrevb.82.155138.
31. Anderson, Mark (2009-01-13). "Is Quantum Mechanics Controlling Your Thoughts? | Subatomic Particles". DISCOVER Magazine. Diakses tanggal 2012-08-18.
32. "Quantum mechanics boosts photosynthesis". physicsworld.com. Diakses tanggal 2010-10-23.
33. Davies, P. C. W.; Betts, David S. (1984). Quantum Mechanics, Second edition. Chapman and Hall. hlm. 79. ISBN 0-7487-4446-0., Chapter 6, p. 79
34. Baofu, Peter (2007-12-31). The Future of Complexity: Conceiving a Better Way to Understand Order and Chaos. ISBN 9789812708991. Diakses tanggal 2012-08-18.
35. Derivation of particle in a box, chemistry.tidalswan.com Diarsipkan 2007-03-30 di Wayback Machine.

Daftar pustaka

The following titles, all by working physicists, attempt to communicate quantum theory to lay people, using a minimum of technical apparatus.

• Chester, Marvin (1987) Primer of Quantum Mechanics. John Wiley. ISBN 0-486-42878-8
• Cox, Brian; Forshaw, Jeff (2011). The Quantum Universe: Everything That Can Happen Does Happen:. Allen Lane. ISBN 1-84614-432-9.
• Richard Feynman, 1985. QED: The Strange Theory of Light and Matter, Princeton University Press. ISBN 0-691-08388-6. Four elementary lectures on quantum electrodynamics and quantum field theory, yet containing many insights for the expert.
• Ghirardi, GianCarlo, 2004. Sneaking a Look at God's Cards, Gerald Malsbary, trans. Princeton Univ. Press. The most technical of the works cited here. Passages using algebra, trigonometry, and bra–ket notation can be passed over on a first reading.
• N. David Mermin, 1990, "Spooky actions at a distance: mysteries of the QT" in his Boojums all the way through. Cambridge University Press: 110-76.
• Victor Stenger, 2000. Timeless Reality: Symmetry, Simplicity, and Multiple Universes. Buffalo NY: Prometheus Books. Chpts. 5-8. Includes cosmological and philosophical considerations.

More technical:

• Bryce DeWitt, R. Neill Graham, eds., 1973. The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics, Princeton Series in Physics, Princeton University Press. ISBN 0-691-08131-X
• Dirac, P. A. M. (1930). The Principles of Quantum Mechanics. ISBN 0-19-852011-5. The beginning chapters make up a very clear and comprehensible introduction.
• Hugh Everett, 1957, "Relative State Formulation of Quantum Mechanics", Reviews of Modern Physics 29: 454-62.
• Feynman, Richard P.; Leighton, Robert B.; Sands, Matthew (1965). The Feynman Lectures on Physics. 1–3. Addison-Wesley. ISBN 0-7382-0008-5.
• Griffiths, David J. (2004). Introduction to Quantum Mechanics (2nd ed.). Prentice Hall. ISBN 0-13-111892-7. OCLC 40251748. A standard undergraduate text.
• Max Jammer, 1966. The Conceptual Development of Quantum Mechanics. McGraw Hill.
• Hagen Kleinert, 2004. Path Integrals in Quantum Mechanics, Statistics, Polymer Physics, and Financial Markets, 3rd ed. Singapore: World Scientific. Draft of 4th edition.
• Gunther Ludwig, 1968. Wave Mechanics. London: Pergamon Press. ISBN 0-08-203204-1
• George Mackey (2004). The mathematical foundations of quantum mechanics. Dover Publications. ISBN 0-486-43517-2.
• Albert Messiah, 1966. Quantum Mechanics (Vol. I), English translation from French by G. M. Temmer. North Holland, John Wiley & Sons. Cf. chpt. IV, section III.
• Omnès, Roland (1999). Understanding Quantum Mechanics. Princeton University Press. ISBN 0-691-00435-8. OCLC 39849482.
• Scerri, Eric R., 2006. The Periodic Table: Its Story and Its Significance. Oxford University Press. Considers the extent to which chemistry and the periodic system have been reduced to quantum mechanics. ISBN 0-19-530573-6
• Transnational College of Lex (1996). What is Quantum Mechanics? A Physics Adventure. Language Research Foundation, Boston. ISBN 0-9643504-1-6. OCLC 34661512.
• von Neumann, John (1955). Mathematical Foundations of Quantum Mechanics. Princeton University Press. ISBN 0-691-02893-1.
• Hermann Weyl, 1950. The Theory of Groups and Quantum Mechanics, Dover Publications.
• D. Greenberger, K. Hentschel, F. Weinert, eds., 2009. Compendium of quantum physics, Concepts, experiments, history and philosophy, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg.

Pranala luar

• 3D animations, applications and research for basic quantum effects (animations also available in commons.wikimedia.org (Université paris Sud))
• Quantum Cook Book by R. Shankar, Open Yale PHYS 201 material (4pp)
• The Modern Revolution in Physics - an online textbook.
• J. O'Connor and E. F. Robertson: A history of quantum mechanics.
• Introduction to Quantum Theory at Quantiki.
• Quantum Physics Made Relatively Simple: three video lectures by Hans Bethe
• H is for h-bar.
• Quantum Mechanics Books Collection: Collection of free books

Materi belajar

• Quantum Physics Database - Fundamentals and Historical Background of Quantum Theory. Diarsipkan 2015-09-26 di Wayback Machine.
• Doron Cohen: Lecture notes in Quantum Mechanics (comprehensive, with advanced topics).
• MIT OpenCourseWare: Chemistry Diarsipkan 2010-05-05 di Wayback Machine..
• MIT OpenCourseWare: Physics Diarsipkan 2010-05-05 di Wayback Machine.. See 8.04 Diarsipkan 2010-05-28 di Wayback Machine.
• Stanford Continuing Education PHY 25: Quantum Mechanics by Leonard Susskind, see course description^{[pranala nonaktif permanen]} Fall 2007
• 5½ Examples in Quantum Mechanics
• Imperial College Quantum Mechanics Course. Diarsipkan 2011-08-10 di Wayback Machine.
• Spark Notes - Quantum Physics. Diarsipkan 2019-06-05 di Wayback Machine.
• Quantum Physics Online: interactive introduction to quantum mechanics (RS applets).
• Experiments to the foundations of quantum physics with single photons. Diarsipkan 2012-10-25 di Wayback Machine.
• AQME: Advancing Quantum Mechanics for Engineers — by T.Barzso, D.Vasileska and G.Klimeck online learning resource with simulation tools on nanohub
• Quantum Mechanics by Martin Plenio
• Quantum Mechanics by Richard Fitzpatrick
• Online course on Quantum Transport

FAQ

• Many-worlds or relative-state interpretation.
• Measurement in Quantum mechanics. Diarsipkan 2011-07-17 di Wayback Machine.

Media

• PHYS 201: Fundamentals of Physics II by Ramamurti Shankar, Open Yale Course
• Lectures on Quantum Mechanics by Leonard Susskind
• Everything you wanted to know about the quantum world — archive of articles from New Scientist.
• Quantum Physics Research from Science Daily
• Overbye, Dennis (December 27, 2005). "Quantum Trickery: Testing Einstein's Strangest Theory". The New York Times. Diakses tanggal April 12, 2010.
• Audio: Astronomy Cast Quantum Mechanics — June 2009. Fraser Cain interviews Pamela L. Gay.

Filosofi

• (Inggris) Entri Quantum Mechanics di Stanford Encyclopedia of Philosophy
• (Inggris) Entri Measurement in Quantum Theory di Stanford Encyclopedia of Philosophy