The Pioneers of Quantum Physics: A Brief History of one of the most successful theories in Modern Physics

The Pioneers of Quantum Physics: A Brief History of one of the most successful theories in Modern Physics 

Quantum physics is the branch of physics that deals with the behavior and properties of matter and energy at the smallest scales, where the classical laws of physics break down and new phenomena emerge.

In 1900, Max Planck proposed that the energy of electromagnetic radiation, such as light, is not continuous but discrete, meaning that it comes in packets or quanta. He derived a formula, known as Planck’s law, that describes the spectrum of blackbody radiation, which is the radiation emitted by a perfect absorber of heat. Planck’s law was the first quantum theory in physics, and Planck won the Nobel Prize in 1918 “in recognition of the services he rendered to the advancement of Physics by his discovery of energy quanta”.

In 1905, Albert Einstein used Planck’s hypothesis to explain the photoelectric effect, which is the emission of electrons from a metal surface when light shines on it. He showed that light behaves as a stream of particles, called photons, whose energy depends on their frequency. Einstein also proposed the special theory of relativity, which relates space and time in a new way and shows that mass and energy are equivalent. Einstein won the Nobel Prize in 1921 “for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect”.

In 1913, Niels Bohr introduced a quantum model of the atom, in which electrons orbit around a nucleus only at certain distances and can jump between them by absorbing or emitting photons. Bohr also proposed the correspondence principle, which states that quantum phenomena must agree with classical physics in the limit of large numbers. Bohr won the Nobel Prize in 1922 “for his services in the investigation of the structure of atoms and of the radiation emanating from them”.

In 1923, Louis de Broglie suggested that matter, like light, has both particle and wave properties, and that the wavelength of a particle is inversely proportional to its momentum. This idea was confirmed by experiments that showed the diffraction and interference patterns of electrons and other particles.

In 1925, Werner Heisenberg formulated the matrix mechanics, which is a mathematical framework for quantum physics that uses matrices to represent physical quantities and operators. Heisenberg also discovered the uncertainty principle, which states that there is a fundamental limit to how precisely one can measure certain pairs of physical quantities, such as position and momentum. Heisenberg won the Nobel Prize in 1932 “for the creation of quantum mechanics”.

In 1926, Erwin Schrödinger developed the wave mechanics, which is another mathematical framework for quantum physics that uses differential equations to describe the evolution of wave functions. Schrödinger also introduced the concept of superposition, which means that a quantum system can exist in a combination of two or more states until an observation collapses it into one definite state. Schrödinger won the Nobel Prize in 1933 “for the discovery of new productive forms of atomic theory”.

In 1927, Paul Dirac unified quantum mechanics and special relativity in a single equation, known as the Dirac equation, which describes the behavior of electrons and other spin -1/2 particles. Dirac also predicted the existence of antimatter, which are particles with opposite charge and spin to their normal counterparts. Dirac won the Nobel Prize in 1933 “for the discovery of new productive forms of atomic theory”.

In 1928, Wolfgang Pauli proposed the exclusion principle, which states that no two identical fermions (such as electrons) can occupy the same quantum state in an atom or a molecule. Pauli also introduced the concept of spin, which is a quantum property that gives particles a magnetic moment. Pauli won the Nobel Prize in 1945 “for the discovery of the Exclusion Principle”.

In 1935, Albert Einstein, Boris Podolsky, and Nathan Rosen published a paper that challenged the completeness and consistency of quantum mechanics. They proposed a thought experiment, known as the EPR paradox, that involved two entangled particles that share a quantum state and can affect each other instantaneously over any distance. They argued that this implied either hidden variables or spooky action at a distance, both of which contradicted classical physics.

In 1948, Richard Feynman developed a graphical method for calculating quantum effects using diagrams that represent interactions between particles and fields. These diagrams are called Feynman diagrams and are widely used in quantum field theory and particle physics. Feynman also contributed to the development of quantum electrodynamics (QED), which is a quantum theory of electromagnetism that explains phenomena such as light scattering and electron-positron annihilation. Feynman won the Nobel Prize in 1965 “for their fundamental work in quantum electrodynamics”.

Perintis Fisika Kuantum: Sejarah singkat salah satu teori paling sukses dalam Fisika Modern

Fisika kuantum adalah cabang fisika yang berhubungan dengan perilaku dan sifat materi dan energi pada skala terkecil, di mana hukum klasik fisika memecah dan fenomena baru muncul.

Pada tahun 1900, Max Planck mengusulkan bahwa energi radiasi elektromagnetik, seperti cahaya, tidak kontinu tetapi diskrit, yang berarti bahwa ia datang dalam paket atau quanta. Dia memperoleh sebuah rumus, yang dikenal sebagai hukum Planck, yang menggambarkan spektrum radiasi benda hitam, yang merupakan radiasi yang dikeluarkan oleh penyerap panas yang sempurna. Hukum Planck adalah teori kuantum pertama dalam fisika, dan Planck memenangkan Hadiah Nobel pada tahun 1818 "sebagai pengakuan atas layanan yang ia berikan untuk kemajuan fisika dengan penemuan quanta energi".

Pada tahun 1905, Albert Einstein menggunakan hipotesa Planck untuk menjelaskan efek fotolektrik, yang merupakan emisi elektron dari permukaan logam ketika cahaya bersinar di atasnya. Dia menunjukkan bahwa cahaya bertindak sebagai aliran partikel, yang disebut foton, yang energi tergantung pada frekwensi mereka. Einstein juga mengusulkan teori relativitas khusus, yang menghubungkan ruang dan waktu dengan cara baru dan menunjukkan bahwa massa dan energi setara. Einstein memenangkan Penghargaan Nobel pada tahun 1921. "atas jasa-jasanya pada Fisika Teori, dan khususnya untuk penemuan hukum efek fotolektrik".

Pada tahun 1913, Niels Bohr memperkenalkan model kuantum atom, di mana elektron orbit sekitar nukleus hanya pada jarak tertentu dan dapat melompat di antara mereka dengan menyerap atau memancarkan foton. Bohr juga mengusulkan prinsip korespesi, yang menyatakan bahwa fenomena kuantum harus setuju dengan fisika klasik dalam batas bilangan besar. Bohr memenangkan Penghargaan Nobel pada tahun 1942 "untuk jasa-jasanya dalam penyelidikan struktur atom dan radiasi yang berasal dari mereka".

Pada tahun 1923, Louis de Broglie menyarankan bahwa materi, seperti cahaya, memiliki sifat partikel dan gelombang, dan bahwa panjang gelombang sebuah partikel berbanding terbalik dengan momentumnya. Ide ini dikonfirmasi oleh eksperimen yang menunjukkan pola difraksi dan interferensi elektron dan partikel lainnya.

Pada tahun 1925, Werner Heisenberg merumuskan mekanika matriks, yang merupakan kerangka matematika untuk fisika kuantum yang menggunakan matriks untuk mewakili kuantitas dan operator fisik. Heisenberg juga menemukan prinsip ketidakpastian,  yang menyatakan bahwa ada batas mendasar untuk seberapa tepat seseorang dapat mengukur pasangan kuantitas fisik tertentu, seperti posisi dan momentum. Heisenberg memenangkan Penghargaan Nobel pada tahun 1933 "untuk penciptaan mekanika kuantum".

Pada tahun 1926, Erwin Schrödinger mengembangkan mekanika gelombang, yang merupakan kerangka matematika lain untuk fisika kuantum yang menggunakan persamaan perbedaan untuk menggambarkan evolusi fungsi gelombang. Schrödinger juga memperkenalkan konsep superposisi, yang berarti bahwa sistem kuantum dapat ada dalam kombinasi dua atau lebih keadaan sampai sebuah pengamatan meruntuhkannya menjadi satu keadaan tertentu. Schrödinger memenangkan Penghargaan Nobel pada tahun 1933 "untuk penemuan bentuk-bentuk produktif baru teori atom".

Pada tahun 1927 Paul Dirac menyatukan mekanika kuantum dan relativitas khusus dalam persamaan tunggal, yang dikenal sebagai persamaan Dirac, yang menggambarkan perilaku elektron dan spin lainnya -/2 partikel. Dirac juga memperkirakan keberadaan antimateri, yang merupakan partikel dengan muatan berlawanan dan berputar ke rekan normal mereka. Dirac memenangkan Penghargaan Nobel pada tahun 1933 "untuk penemuan bentuk-bentuk produktif baru teori atom".

Pada tahun 1928 , Wolfgang Pauli mengusulkan prinsip ekslusi, yang menyatakan bahwa tidak ada dua fermion identik (seperti elektron) yang dapat menempati keadaan kuantum yang sama dalam atom atau molekul. Pauli juga memperkenalkan konsep spin, yang merupakan sifat quantum yang memberikan momen magnetis kepada partikel. Pauli memenangkan Penghargaan Nobel pada tahun 1975 "untuk penemuan Prinsip Pengecualian".

Pada tahun 1934, Albert Einstein, Boris Podolsky, dan Nathan Rosen menerbitkan sebuah makalah yang menantang kelengkapan dan konsistensi mekanika kuantum. Mereka mengusulkan sebuah eksperimen pemikiran, yang dikenal sebagai Paradox EPR, yang melibatkan dua partikel terjerat yang berbagi keadaan kuantum dan dapat mempengaruhi satu sama lain secara instan di atas jarak mana pun. Mereka berpendapat bahwa ini tersirat baik variabel tersembunyi atau aksi menyeramkan di kejauhan, yang keduanya bertentangan dengan fisika klasik.

Pada tahun 1948 Richard Feynman mengembangkan metode grafis untuk menghitung efek quantum menggunakan bagan yang mewakili interaksi antara partikel dan medan. Diagram ini disebut diagram Feynman dan banyak digunakan dalam teori medan kuantum dan fisika partikel. Feynman juga berkontribusi pada perkembangan elektrdinamika kuantum (QED), yang merupakan teori kuantum elektromagnetik yang menjelaskan fenomena seperti hamburan cahaya dan penghancuran elektron-positron. Feynman memenangkan Penghargaan Nobel pada tahun 1965 "untuk karya dasar mereka dalam elektrdinamika kuantum".