פיזיקה קוונטית/הניסויים שהובילו לפיתוח הפיזיקה הקוונטית

בשנת 1899 נשא הלורד קלווין נאום מפורסם בו קבע כי בפני הפיזיקה נותרו רק שתי בעיות פתוחות:

• הסבר לניסוי מיקלסון-מורלי אשר הראה כי לאור מהירות קבועה בריק.
• הסבר לניסוי פליטת קרינה מגוף שחור (אשר יתואר בהמשך).

במהלך המאה העשרים עלו פתרונות פיזיקליים לשתי בעיות אלו, בדמות שתי תורות פיזיקליות חדשות. את ניסוי מיקלסון מורלי הסבירה תורת היחסות הפרטית, ואילו את קרינת הגוף השחור הסבירה תורת הקוונטים.
התפתחותה של תורת הקוונטים לא קרתה ביום אחד והובלה ע"י סידרה של ניסויים מקדימים המכונים לעיתים "תורת הקוונטים הישנה". ניסויים ומודלים אלו היוו כל אחד בתורו הסבר לבעיה פיזיקלית בודדה, לרב ע"י פיתרון אד-הוק שניתן לה, כלומר מתן מודל ספציפי אשר מסביר את הבעייה ופתרונה. המשותף לכל הניסויים היה שימוש בפיזיקה קלסית תוך תוספת של הנחה "קוונטית" כלשהי במהלך הניסוי, כלומר הרחבה קטנה של התורה הקלסית ע"י הנחה בודדת על כמותיות של גורם מסוים.
על אף שכל ניסוי מהווה רק חלק קטן מהפאזל ואינו מהווה תורה שלמה, אין לזלזל בהם, שכן הם היוו התקדמות הכרחית בדרך לבניית התורה המלאה. כהוכחה לכך, כמעט על כל אחד מהניסויים ניתן פרס נובל לפיזיקה.
הניסויים והמודלים אותם נסקור והשנים בהם ניתן להם הסבר:

• קרינת גוף שחור, 1899 (זיכה את מקס פלאנק בפרס נובל לשנת 1918). המודל מראה כי אנרגיה מגיעה במנות בדידות.
• האפקט הפוטואלקטרי, 1905 (זיכה את איינשטיין בפרס נובל לשנת 1922). המודל מראה כי האור מגיע במנות בדידות.
• מודל אטום המימן של נילס בוהר, 1913 (זיכה את נילס בוהר בפרס נובל לפיזיקה לשנת 1922). המודל מראה כי תנע זויתי של אלקטרונים באטום המימן מגיע במנות בדידות.
• פיזור קומפטון, 1922 (זיכה את ארתור קומפטון בפרס נובל לשנת 1927). המודל מחזק את הנחת איינשטיין ומראה תכונה חלקיקית נוספת של האור.
• השערת דה ברולי, 1924 (זיכתה את לואי דה ברולי בפרס נובל לשנת 1929). המודל קובע כי אלקטרון חופשי הוא גם חלקיק וגם גל וקובע קשר בין אורך הגל (תכונה גלית), המסה והתנע (תכונות חלקיקיות) שלו, ובין התדר (תכונה גלית) והאנרגיה הקינטית שלו (תכונה חלקיקית).

הניסויים הללו יתוארו להלן, באופן שיראה כיצד הם מכוונים לעבר תורת הקוונטים השלמה. ראוי לציין שבתקופה שבה נערכו, היה כל ניסוי שכזה מהפכני ביותר ואף תוצאותיו היו לעיתים שנויות במחלוקת. כיוון שתוצאותיו של כל ניסוי לא חשובה להבנת התורת הקוונטים יכול הקורא לדלג על חלקם או כולם (אם כי הבנתם יכולה לעזור ביצירת הבנה פיזיקלית גדולה יותר). המסקנה הסופית החשובה ביותר היא כי בתחילת המאה הקודמת החלו להצטבר אוסף רב של ארועים בהם נראה קשר ברור בין תופעות שנחשבו "גלים" לתופעות שנחשבו "חלקיקים" עד אז, ונדרשת תורה שלמה המקשרת בין התחומים.

ידע מוקדם הדרוש להבנת פרק זה

פרק זה הוא ברובו היסטורי ואינו דורש ידע מתמטי מורחב כפי שדורשת למידת מכניקת הקוונטים כולה. עם זאת דרוש ידע בפיסיקה קלאסית ובמיוחד בתחום החשמל והמגנטיות, על מנת להבין את הקשיים בהם נתקלנו המדענים בתחילת המאה העשרים, ואת הפתרונות אותם הציעו.