20. stoljeće - Kvantna fizika

Francuski fizičar plemićkoga roda Louis-Victor-Pierre-Raymond de Broglie (1892. – 1987.) u svojoj doktorskoj tezi uvodi ideju o pridruživanju valnih svojstava česticama. Ona se javlja kao obrat ideje čestične prirode svjetlosti koju su objašnjenjem fotoelektričnoga efekta, odnosno zračenja crnog tijela, uveli Einstein i Planck. Iako je ova pretpostavka u početku primljena suzdržano i skeptično, 1927. godine Lester Germer (1896. – 1971.) i Clinton Joseph Davisson (1881. – 1958.) eksperimentalno su dokazali ogib elektrona na kristalima, dobivši ogibni uzorak ili difrakcijsku sliku (dokaz valne prirode elektrona). Time je de Broglieova hipoteza postala jedan od temeljnih postulata kvantne mehanike i uvela u fiziku problem tzv. valno–čestičnoga dualizma. Za doprinos valnoj mehanici i otkriće valne prirode elektrona de Broglie je 1929. godine dobio Nobelovu nagradu za fiziku.

Razvoj su kvantne teorije u smjeru valno–čestičnoga dualizma ostvarili Werner Heisenberg i Erwin Schrödinger 1925. i 1926. godine predlažući tzv. matričnu, odnosno valnu reprezentaciju kvantne mehanike.
Njemački se fizičar Werner Karl Heisenberg (1901. – 1976.) smatra jednim od najznačajnijih fizičara 20. st., a za svoj je doprinos fizici 1932. godine nagrađen Nobelovom nagradom. Želeći ustrojiti „kvantnomehaničku teoriju analognu klasičnoj mehanici“ 1925. godine objavljuje osnove svoje teorije u radu O kvantnoteorijskom istraživanju kinematičkih i mehaničkih odnosa (Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen). Heisenbergustanovljava načelo neodređenosti koje utvrđuje granice eksperimentalnoga istraživanja kvantnih pojava i uvodi matričnu mehaniku. Engleski fizičar Paul Dirac (1902. – 1984.), nakon što se upoznao s Heisenbergovim radom, uvodi i drugu, operatorsku shemu kvantne mehanike.

Dvadesetih godina 20. st. polazeći od de Broglijeve postavke o valnoj prirodi elektrona austrijski fizičar Erwin Schrödinger (1887. – 1961.) usporedo s Heisenbergovom matričnom mehanikom razvija još jedan kvantnomehanički koncept i 1926. godine svoju prezentaciju objavljuje u časopisu Annalen der Physik pod naslovom Kvantiziranje kao problem vlastitih vrijednosti (Quantisierung als Eigenwertproblem). Gibanje elektrona u atomu opisuje valnom funkcijom, odnosno valnom jednadžbom, koju danas poznajemo kao fundamentalnu jednadžbu kvantne fizike – Schrödingerovu jednadžbu. Fizikalni smisao valne funkcije Schrödinger tumači konceptom „valnoga paketa”: određivanjem se valne funkcije dobiva „valni paket” koji predstavlja česticu u gibanju. Godine 1927. njemački fizičar Max Born (1882. – 1970.) predlaže uspješniju, statističku interpretaciju valne funkcije koja je danas općeprihvaćena: „valovi tvari” zapravo su „valovi vjerojatnosti”, odnosno kvadrat apsolutne vrijednosti valne funkcije ima značenje gustoće vjerojatnosti nalaženja čestice u nekoj točki prostora. Erwin Schrödinger je 1933. godine Nobelovu nagradu za fiziku podijelio s Paulom Diracom.