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量子力学は、原子や素粒子のスケールでの物質と物質とエネルギーの相互作用を研究する学問です。対照的に、古典物理学は、月などの天体の挙動を含め、人間の経験に馴染みのあるスケールでの物質とエネルギーのみを説明します。古典物理学は、現代の科学技術の多くで今でも使用されています。しかし、19 世紀末にかけて、科学者たちは、古典物理学では説明できない大きな (マクロ) 世界と小さな (ミクロ) 世界の両方の現象を発見しました。 [ 1 ]観測された現象と古典理論の間の矛盾を解決したいという欲求が、物理学の革命、つまり元の科学的パラダイムの転換、すなわち量子力学の発展につながりました。[ 2 ]
量子力学の多くの側面は、予想を裏切り、直感に反すると見なされる予期せぬ結果をもたらします。[ 3 ]これらの側面は、より大きなスケールで見られるものとは全く異なる振る舞いをマッピングするため、逆説的に見えることがあります。量子物理学者リチャード・ファインマンの言葉を借りれば、量子力学は「ありのままの自然、つまり不条理」を扱っています。[ 4 ]量子力学の特徴は、日常的な言葉で簡単に説明できないことがよくあります。その一例として、不確定性原理があります。位置の精密な測定と速度の精密な測定を組み合わせることはできません。別の例として、量子もつれがあります。2つの粒子が共通の履歴を持っている場合、1つの粒子（スピンが「アップ」であると測定された電子など）で行われた測定は、2番目の粒子（スピンが「ダウン」であると判明する電子）での測定と相関します。これは、最初の測定の結果が2番目の測定が行われる前に2番目の粒子に伝達されることが不可能な場合でも適用されます。
量子力学は、原子同士の相互作用や分子形成の仕組みを説明するため、化学を理解する上で役立ちます。超流動性など、多くの驚くべき現象は量子力学を用いて説明できます。例えば、絶対零度に近い温度まで冷却された液体ヘリウムを容器に入れると、ヘリウムは自発的に容器の縁を越えて流れ上がります。これは古典物理学では説明できない現象です。
19世紀後半にジェームズ・C・マクスウェルが電気、磁気、光を支配する方程式を統一したことで、光と物質の相互作用に関する実験が行われた。これらの実験の中には、20世紀初頭に量子力学が登場するまで説明できない側面があった。[ 5 ]
量子革命の萌芽は、1897年にJJトムソンが陰極線が連続ではなく「微粒子」（電子）であることを発見したことに現れた。電子は、そのわずか6年前に、出現しつつあった原子論の一部として命名されたばかりだった。1900年、原子論に納得していなかったマックス・プランクは、黒体放射を説明するには原子や電子のような離散的な実体が必要であることを発見した。[ 6 ]
非常に高温の物体（赤熱または白熱）は、同じ温度に加熱されると似たような外観になります。この外観は、異なる周波数（色）における光の強度の共通の曲線、すなわち黒体放射によって生じます。白熱した物体は、可視光域の多くの色にわたって強度を持ちます。可視光よりも低い周波数は赤外線であり、これも熱を発します。光と物質の連続波理論では、黒体放射曲線を説明できません。プランクは、熱エネルギーを、定義されていない性質を持つが離散的なエネルギー容量を持つ個々の「振動子」に分配しました。このモデルは黒体放射を説明しました。
当時、電子、原子、離散振動子といった概念は、特異な現象を説明するための斬新なアイデアだった。しかし1905年、アルバート・アインシュタインは、光もまた粒子状であり、「エネルギー量子」から構成されていると提唱した。これは、100年前にトーマス・ヤングが回折について研究して以来確立されていた、光を連続波とする科学とは矛盾するものだった。
アインシュタインの革新的な提案は、プランクの黒体放射理論を再分析することから始まり、新しい「エネルギー量子」を用いることで同じ結論に達しました。アインシュタインは次に、エネルギー量子がトムソンの電子とどのように関連しているかを示しました。1902年、フィリップ・レナードは、真空にしたガラス管に収められた洗浄済みの金属板にアーク灯の光を照射しました。彼は、光の強度を変えたり、異なる金属を用いて、金属板から放出される電流を測定しました。レナードは、電流の量（電子の数）は光の強度に依存するが、これらの電子の速度は強度に依存しないことを示しました。これが光電効果です。当時の連続波理論は、光の強度が強くなれば同じ量の電流がより速く加速されると予測していましたが、これはこの実験結果とは矛盾していました。アインシュタインのエネルギー量子は、体積の増加を説明しました。1つの量子につき1つの電子が放出され、量子が多いほど電子の数も多くなるというものです。[ 6 ]： 23
アインシュタインは、電子の速度は金属の種類によって決まる一定値を超えると、光の周波数に正比例して増加すると予測した。ここで重要なのは、エネルギー量子におけるエネルギーは光の周波数に依存し、電子に伝達されるエネルギーは光の周波数に比例するという考え方である。金属の種類によって、電子が原子から出て金属表面から放出され、測定されるために乗り越えなければならない障壁、つまり一定値が設定される。
ミリカンによる決定的な実験[ 7 ]がアインシュタインの予測を検証するまで10年が経過した。その間、多くの科学者が量子の革新的なアイデアを拒否した[ 8 ] 。しかし、プランクとアインシュタインの概念は広く知れ渡り、すぐに他の物理学や量子論に影響を与え始めた。
1800年代後半に行われた光と物質に関する実験により、再現可能ではあるものの不可解な規則性が明らかになった。精製されたガスに光を通すと、特定の周波数（色）の光は透過しなかった。これらの暗い吸収「線」は独特のパターンに従い、線間の間隔は着実に減少した。1889年までに、リュードベリの公式は、定数と整数のみを使用して水素ガスの線を予測した。[ 5 ] : v1:376この規則性の起源は不明であった。この謎を解くことが、最終的に量子力学への最初の大きな一歩となった。
19世紀を通じて、物質の原子構造を示す証拠が増えていった。1897年のトムソンによる電子の発見を機に、科学者たちは原子内部のモデルを探し始めた。トムソンは、負電荷を持つ電子が正電荷のプールの中を泳いでいると提唱した。1908年から1911年にかけて、ラザフォードは正電荷の部分が原子の直径のわずか3000分の1であることを示した。[ 6 ]： 26
核の「太陽」を周回する「惑星状」電子のモデルが提案されたが、電子が単純に正電荷に落ち込まない理由を説明できなかった。1913年、ニールス・ボーアとアーネスト・ラザフォードは、新しい原子モデルをリュードベリの公式の謎と結びつけた。すなわち、電子の軌道半径が制限され、結果として生じるエネルギー差が吸収線のエネルギー差と一致するというものである。これは、原子からの光の吸収と放出がエネルギー量子化されていることを意味し、軌道エネルギーの差に一致する特定のエネルギーのみが放出または吸収されるということである。[ 6 ]： 31
リュードベリ公式の規則的なパターンという一つの謎を、電子軌道の制約という別の謎と交換することは、大きな進歩には見えないかもしれない。しかし、この新しい原子モデルは、他の多くの実験結果を要約するものであった。光電効果の量子化、そして今回の電子軌道の量子化は、最終的な革命への舞台を整えたのである。
量子力学の初期の時代から現代に至るまで、古典力学が巨視的に有効でなければならないという概念は、可能な量子モデルを制約してきた。この概念は、1923年にボーアによって対応原理として定式化された。これは、量子論が古典的極限に収束することを要求する。[ 9 ]： 29 関連する概念としてエーレンフェストの定理があり、これは量子力学から得られる平均値（位置や運動量など）が古典法則に従うことを示している。[ 10 ]
1922年、オットー・シュテルンとヴァルター・ゲルラッハは 、銀原子の磁気特性が古典的な説明に反することを実証し、この研究はシュテルンの1943年のノーベル物理学賞受賞に貢献した。彼らは銀原子のビームを磁場に通した。古典物理学によれば、原子は連続的な方向を持つスプレー状になって出てくるはずだった。しかし、ビームは2つ、そして2つだけの、分岐する原子の流れに分かれた。[ 11 ]当時知られていた他の量子効果とは異なり、この驚くべき結果は単一の原子の状態に関わるものである。[ 5 ] : v2:130 1927年、トーマス・アーウィン・フィップスとジョン・ベラミー・テイラーは、水素原子を基底状態で使用して同様の、しかしそれほど顕著ではない効果を得て、銀原子の使用によって生じた可能性のある疑念を払拭した。[ 12 ]
1924年、ヴォルフガング・パウリはそれを「古典的に記述できない2値性」と呼び、最外殻の電子と関連付けた。[ 13 ]実験は、1925年にポール・エーレンフェストの助言を受けたサミュエル・グーズミットとジョージ・ウーレンベックによって、電子のスピンから生じると説明された理論の定式化につながった。[ 14 ]
1924年、ルイ・ド・ブロイは[ 15 ]、原子内の電子は「軌道」ではなく定常波として拘束されていると提唱した。彼の解は詳細にはうまくいかなかったが、電子「粒子」が原子内で波として運動するという彼の仮説は、エルヴィン・シュレーディンガーが電子の波動方程式を開発するきっかけとなった。水素に適用すると、リュードベリの公式が正確に再現された。[ 6 ]： 65
マックス・ボルンの1924年の論文「量子力学について」は、印刷物で「量子力学」という言葉が初めて使用されたものである。[ 16 ] [ 17 ]彼のその後の研究には、量子衝突モデルの開発が含まれており、1926年の論文の脚注で、理論モデルと実験を結びつけるボルンの規則を提案した。[ 18 ]
1927年、ベル研究所でクリントン・デイヴィソンとレスター・ガーマーは、結晶ニッケルターゲットに低速の電子を照射し、回折パターンを示しました[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]。これは電子の波動性を示しており、その理論はハンス・ベーテによって完全に説明されました[ 23 ]。ジョージ・パジェット・トムソンとアレクサンダー・リードによる同様の実験では、薄いセルロイド箔、後に金属膜に電子を照射し、リングを観測することで、電子の物質波動性を独立して発見しました[ 24 ] 。
1928年、ポール・ディラックは相対論的波動方程式を発表し、同時に相対性理論を組み込み、反物質を予測し、シュテルン＝ゲルラッハの結果に対する完全な理論を提供した。[ 6 ]： 131これらの成功により、私たちの世界を小さなスケールで理解する新たな基礎理論、すなわち量子力学が誕生した。
プランクとアインシュタインは、物質と光の連続モデルを覆す量子の概念によって革命を起こしました。それから20年後、電子のような「微粒子」は連続波としてモデル化されるようになりました。この結果は波動粒子二重性と呼ばれるようになり、不確定性原理と並んで、量子力学を従来の物理学モデルから際立たせる象徴的な概念の一つとなっています。
1923年、コンプトンは、光からのプランク・アインシュタインのエネルギー量子が運動量も持つことを実証しました。3年後、「エネルギー量子」は「光子」という新しい名前を与えられました。[ 25 ]量子革命のほぼすべての段階でその役割を果たしたにもかかわらず、光量子の明示的なモデルは、1927年にポール・ディラックが放射の量子理論の研究を開始し、量子電磁力学となるまで存在しませんでした。 [ 26 ]その後の数十年間で、この研究は量子場理論へと発展し、現代の量子光学と素粒子物理学の基礎となりました。
波動粒子二重性の概念は、古典的な「粒子」の概念も「波動」の概念も、光子や物質といった量子スケールの物体の振る舞いを完全に記述することはできないと述べている。波動粒子二重性は、量子物理学における相補性の原理の一例である。[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]波動粒子二重性の洗練された例は、二重スリット実験である。
1803年にトーマス・ヤング[ 32 ]が最初に行い、その10年後にオーギュスタン・フレネル[ 32 ]が行った二重スリット実験では、光線が狭く間隔の狭い2つのスリットを通過すると、スクリーン上に明暗の縞模様の干渉パターンが生成されます。同じ現象は水面波でも観察できます。二重スリット実験は、光の波動性を示すものとして捉えられていました。
二重スリット実験のバリエーションは、電子、原子、さらには大きな分子を使用して実行されており、[ 33 ] [ 34 ]同じタイプの干渉パターンが見られます。このようにして、すべての物質が波動特性を持っていることが実証されています。
光源の強度を下げると、同じ干渉パターンが、一度に1つの「カウント」または粒子（例えば光子や電子）ずつゆっくりと形成されていきます。量子システムは、二重スリットを通過する際には波として振る舞いますが、検出される際には粒子として振る舞います。これは量子相補性の典型的な特徴です。量子システムは、その波動的な性質を測定する実験では波として振る舞い、その粒子的な性質を測定する実験では粒子として振る舞います。個々の粒子が検出器スクリーン上に現れる点は、ランダムな過程の結果です。しかし、多数の個々の粒子の分布パターンは、波によって生成される回折パターンを模倣します。
例えば、レーダー式速度取締装置を通過する車など、物体の位置と速度を測定したいとします。車はある特定の瞬間に明確な位置と速度を持っていると仮定できます。これらの値をどれだけ正確に測定できるかは、測定機器の性能に依存します。測定機器の精度が向上すれば、真の値により近い結果が得られます。車の速度と位置は、望ましい精度で同時に操作的に定義および測定できると仮定できます。
1927年、ハイゼンベルクはこの最後の仮定が正しくないことを証明しました。[ 36 ]量子力学は、位置と速度などの特定の物理的性質のペアは、任意の精度で同時に測定したり、操作的に定義したりすることはできないことを示しています。つまり、一方の性質をより正確に測定したり、操作的に定義したりすると、もう一方の性質はより不正確に扱うことになります。この記述は不確定性原理として知られています。不確定性原理は、測定機器の精度に関する記述であるだけでなく、より深くは、測定量の概念的性質に関するものです。つまり、車の位置と速度が同時に定義されているという仮定は、量子力学では成り立ちません。車や人間のスケールでは、これらの不確定性は無視できますが、原子や電子を扱う場合は、それらは重要になります。[ 37 ]
ハイゼンベルクは例として、光子を用いて電子の位置と運動量を測定することを挙げた。電子の位置を測定する際、光子の周波数が高いほど、光子が電子に衝突する位置の測定精度は高くなるが、電子の擾乱は大きくなる。これは、光子との衝突によって電子がランダムな量のエネルギーを吸収し、運動量の測定値がますます不確実になるためである。なぜなら、衝突生成物から生じる衝突後の擾乱された運動量を測定しているのであって、元の運動量（位置と同時に測定すべき運動量）を測定しているわけではないからである。周波数の低い光子では、運動量の擾乱（したがって不確実性）は小さくなるが、衝突位置の測定精度も低くなる。[ 38 ]
不確定性原理の核心は、位置領域と速度領域におけるあらゆる数学的解析において、位置領域でよりシャープな（より精密な）曲線を得るには、速度領域でより緩やかな（より不精密な）曲線を得る必要があり、その逆もまた然りであるという事実にある。位置領域でよりシャープな曲線を得るには、速度領域でより多くの周波数からの寄与が必要となり、それによって曲線が狭くなる。その逆もまた然りである。これは、このような関連する、あるいは相補的な測定に内在する根本的なトレードオフであるが、素粒子の大きさに近い最小の（プランク）スケールでのみ、真に顕著になる。
不確定性原理は、粒子の位置と運動量（運動量は速度に質量を掛けたもの）の不確定性の積が、ある一定の値より小さくなることは決してなく、この値がプランク定数と関係していることを数学的に示している。
波動関数の収縮とは、測定によって量子状態（確率的状態またはポテンシャル状態）が確定的な測定値に強制的に変換されることを意味する。この現象は古典力学ではなく、量子力学においてのみ見られる。
例えば、光子が実際に検出スクリーン上に「現れる」前は、それがどこに現れるかの確率の集合によってのみ記述できます。光子が、例えば電子カメラのCCDに現れると、それがデバイスと相互作用した時間と空間は非常に厳密な範囲でわかります。しかし、光子は捕捉（測定）される過程で消滅し、その量子波動関数も共に消滅します。その代わりに、検出スクリーン上に何らかの巨視的な物理的変化が現れます。例えば、写真フィルムの露光された部分や、CCDのセル内の電位の変化などです。
不確定性原理のため、粒子の位置と運動量に関する記述は、位置または運動量が何らかの数値を持つ確率しか示すことができません。したがって、確率雲の中の電子のような不確定なものの状態と、確定値を持つものの状態との違いを明確に定義する必要があります。ある対象が何らかの点で確実に「固定」できる場合、それは固有状態を持つと言われます。
前述のシュテルン＝ゲルラッハ実験において、量子モデルは原子のスピンが磁気軸に対して2つの可能な値をとると予測する。これらの2つの固有状態は便宜上「上向き」と「下向き」と名付けられる。量子モデルはこれらの状態が等しい確率で測定されると予測するが、中間値は観測されない。これがシュテルン＝ゲルラッハ実験が示す結果である。
垂直軸周りのスピンの固有状態は、水平軸周りのスピンの固有状態ではないため、この原子は水平軸周りのスピンがどちらの値であっても等しい確率で検出されます。上記のセクションで説明したように、水平軸周りのスピンを測定すると、スピンアップしていた原子がスピンダウンする可能性があります。水平軸周りのスピンを測定すると、その波動関数がこの測定の固有状態の1つに収縮するため、垂直軸周りのスピンの固有状態ではなくなり、どちらの値も取ることができます。
1924年、ヴォルフガング・パウリは、観測された分子スペクトルと量子力学の予測との間の矛盾を解消するために、2つの可能な値を持つ新しい量子自由度（または量子数）を提案した。特に、原子水素のスペクトルには、1本の線しか期待されないにもかかわらず、わずかに異なる2本の線、つまり二重線が存在した。パウリは排他原理を定式化し、「原子内の2つの電子が同じ量子数のセットを持つような量子状態にある原子は存在し得ない」と述べた。[ 39 ]
1年後、ウーレンベックとグーズミットは、パウリの新たな自由度をスピンと呼ばれる性質と同一視し、その効果はシュテルン＝ゲルラッハ実験で観測された。
1928年、ポール・ディラックは、回転する電子を記述するパウリ方程式を拡張し、特殊相対性理論を考慮に入れた。その結果、電子が原子核の周りを光速のかなりの割合で周回する速度など、様々な現象を適切に扱う理論が生まれた。ディラックは、最も単純な電磁相互作用を用いることで、電子のスピンに伴う磁気モーメントの値を予測し、実験的に観測された値を見出した。この値は、古典物理学で支配される回転する荷電球の値としては大きすぎた。彼は水素原子のスペクトル線を解き、物理学の第一原理から、水素スペクトルの微細構造に関するゾンマーフェルトの成功した公式を再現することができた。
ディラックの方程式は時にエネルギーが負の値になることがあったため、彼は斬新な解決策を提案した。それは、反電子と動的真空の存在を仮定することであった。これが多粒子量子場理論へとつながった。
量子物理学では、粒子群が相互作用したり、一緒に生成されたりすることで、粒子群を構成する各粒子の量子状態を、たとえ粒子同士が大きく離れていても、他の粒子の状態とは独立して記述することができなくなることがあります。これは量子もつれとして知られています。
量子もつれの研究における初期の画期的な出来事は、アインシュタイン、ポドルスキー、ローゼン（EPR）のパラドックスでした。これは、アルバート・アインシュタイン、ボリス・ポドルスキー、ネイサン・ローゼンによって提案された思考実験で、量子力学によって提供される物理的現実の記述は不完全であると主張しています。[ 40 ] 1935年の論文「物理的現実の量子力学的記述は完全であると考えられるか？」の中で、彼らは量子理論の一部ではない「現実の要素」の存在を主張し、これらの隠れた変数を含む理論を構築できるはずだと推測しました。
この思考実験は、後に量子もつれ状態と呼ばれるようになる状態に準備された一対の粒子に関するものです。アインシュタイン、ポドルスキー、ローゼンは、この状態では、一方の粒子の位置を測定すれば、もう一方の粒子の位置を測定した結果を予測できることを指摘しました。逆に、一方の粒子の運動量を測定すれば、もう一方の粒子の運動量を測定した結果を予測できることも指摘しました。彼らは、一方の粒子に何らかの操作を加えると、もう一方の粒子に瞬時に影響が及ぶことはないと主張しました。なぜなら、これは光速よりも速く情報が伝達されることを意味し、相対性理論によって禁じられているからです。彼らは、後に「EPR基準」として知られることになる原理を提唱し、「システムをいかなる方法でも乱すことなく、物理量の値を確実に（すなわち、確率が1に等しい確率で）予測できるならば、その量に対応する現実の要素が存在する」と仮定しました。このことから、彼らは、2番目の粒子は、位置と運動量のいずれを測定する前にも、位置と運動量の両方について確定した値を持っていなければならないと推論しました。しかし、量子力学ではこれら 2 つの観測量は両立しないと考えられており、そのため、いずれのシステムにも両方の同時値を関連付けることはありません。したがって、アインシュタイン、ポドルスキー、ローゼンは、量子論は現実を完全に記述するものではないと結論付けました。[ 41 ]同年、エルヴィン・シュレーディンガーは「エンタングルメント」という言葉を使用し、「私はそれを1 つではなく、量子力学の特徴的な特性と呼ぶだろう」と宣言しました。 [ 42 ]
アイルランドの物理学者ジョン・スチュワート・ベルは、量子もつれの分析をさらに進めた。彼は、もつれたペアの2つの分離した粒子に対して独立に測定が行われる場合、結果が各半分内の隠れた変数に依存するという仮定は、2つの測定結果の相関関係に数学的な制約をもたらすと推論した。この制約は後にベルの不等式と呼ばれることになる。ベルは次に、量子物理学はこの不等式に違反する相関関係を予測することを示した。したがって、隠れた変数が量子物理学の予測を説明できる唯一の方法は、それらが「非局所的」である場合、つまり、2つの粒子がどれほど遠く離れていても、何らかの方法で瞬時に相互作用できる場合である。[ 43 ] [ 44 ]ベルが提案したような実験を行った物理学者たちは、自然が量子力学に従い、ベルの不等式に違反することを発見した。言い換えれば、これらの実験の結果は、いかなる局所的な隠れた変数理論とも相容れない。[ 45 ] [ 46 ]
量子場理論の概念は、1920年代後半にイギリスの物理学者ポール・ディラックが電磁場のエネルギーを量子化しようと試みたことから始まった。これは、量子力学において水素原子内の電子のエネルギーが量子化されたのと同様である。量子化とは、古典理論から出発して量子理論を構築するための手順である。
メリアム・ウェブスター辞典は、物理学における場を「特定の効果（磁気など）が存在する領域または空間」と定義している。 [ 47 ]場として現れる他の効果としては、重力や静電気などがある。 [ 48 ] 2008年、物理学者のリチャード・ハモンドは次のように書いている。
量子力学（QM）と量子場理論（QFT）は区別されることがあります。QMは、粒子の数が固定され、場（例えば電気力学的場）が連続的な古典的実体である系を指します。QFTは …さらに一歩進んで、粒子の生成と消滅を許容します …
しかし彼は、量子力学という言葉はしばしば「量子的な見方という概念全体」を指すために用いられると付け加えた。[ 49 ]： 108
1931年、ディラックは後に反物質として知られるようになる粒子の存在を提唱した。[ 50 ]ディラックは「原子論の新しい生産的な形態の発見」により、1933年のノーベル物理学賞をシュレーディンガーと共同受賞した。[ 51 ]
量子電磁力学（QED）は、電磁力の量子理論の名称です。QEDを理解するには、まず電磁気学を理解することから始めます。電磁気学は、電気力と磁気力の動的な相互作用であるため、「電磁気学」と呼ばれることがあります。電磁気学は電荷から始まります。
電荷は電場の発生源であり、電場を生成します。電場とは、空間のあらゆる点において、電荷を持つ粒子に力を及ぼす場のことです。これには、電子、陽子、クォークなどが含まれます。力が加わると、電荷が移動し、電流が流れ、磁場が発生します。そして、変化する磁場が電流（多くの場合、移動する電子）を引き起こします。相互作用する荷電粒子、電流、電場、磁場の物理的な記述を電磁気学と呼びます。
1928年、ポール・ディラックは相対論的量子電磁力学理論を提唱した。これは、現代量子電磁力学の本質的な要素を備えていたため、現代量子電磁力学の先駆けとなった。しかし、この相対論的量子理論では、解けない無限の問題が生じた。数年後、繰り込みによってこの問題はほぼ解決された。当初、繰り込みは提唱者の一部から暫定的で疑わしい手順と見なされていたが、最終的にはQEDや他の物理学分野において重要かつ自己整合的なツールとして受け入れられた。また、1940年代後半には、ファインマン図によって、相互作用が発生する可能性のある各方法の確率振幅を求めることで、QEDによる予測を行う方法が示された。この図は特に、電磁力が相互作用する粒子間の光子の交換であることを示した。[ 52 ]
ラムシフトは、量子電磁力学の予測が実験的に検証された例である。これは、電磁場の量子的な性質によって、原子やイオンのエネルギー準位が本来あるべき位置からわずかにずれる現象である。その結果、スペクトル線がシフトしたり、分裂したりすることがある。
同様に、自由伝播する電磁波においても、電流は電荷キャリアを伴わず、抽象的な変位電流である場合もある。量子電磁力学（QED）では、その完全な記述には短寿命の仮想粒子が不可欠である。ここでも、QEDは以前のやや謎めいた概念を裏付けている。
素粒子物理学の標準模型は、宇宙に存在する4つの既知の基本力のうち3つ（電磁力、弱い相互作用、強い相互作用。ただし重力は含まない）を記述し、既知のすべての素粒子を分類する量子場理論である。この理論は、20世紀後半を通じて世界中の多くの科学者の研究によって段階的に発展し、1970年代半ばにクォークの存在が実験的に確認されたことで現在の定式化が完成した。その後、トップクォーク（1995年）、タウニュートリノ（2000年）、ヒッグス粒子（2012年）の存在が証明され、標準模型の信頼性がさらに高まった。加えて、標準模型は弱い中性カレントやWボソン、Zボソンの様々な性質を非常に高い精度で予測している。
標準模型は理論的に自己矛盾がなく、実験予測において成功を収めてきたと考えられているものの、いくつかの物理現象については説明が不十分であり、基本的な相互作用の完全な理論とは言えない。例えば、バリオン非対称性を完全に説明できていないし、一般相対性理論で記述される重力の完全な理論を組み込んでいないし、ダークエネルギーによって説明される可能性のある宇宙の加速膨張も説明できていない。この模型には、観測宇宙論から導き出される必要な特性をすべて備えた、実現可能なダークマター粒子は含まれていない。また、ニュートリノ振動とその非ゼロ質量も組み込まれていない。そのため、ダークマターやニュートリノ振動の存在など、標準模型と矛盾する実験結果を説明するために、仮説上の粒子、余剰次元、複雑な対称性（超対称性など）を組み込んだ、よりエキゾチックなモデルを構築するための基礎として用いられている。
量子力学に関連する物理的測定、方程式、予測はすべて一貫しており、非常に高いレベルの確証を得ています。しかし、これらの抽象的なモデルが現実世界の根本的な性質について何を語っているのかという疑問に対しては、相反する答えが出されています。これらの解釈は大きく異なり、時にはやや抽象的です。たとえば、コペンハーゲン解釈では、測定前には粒子の性質に関する記述は全く意味がないとされていますが、多世界解釈では、あらゆる可能な宇宙から構成されるマルチバースの存在が説明されています。[ 53 ]
光は、ある面では粒子のように振る舞い、別の面では波のように振る舞います。電子や原子などの粒子からなる宇宙の「物質」である物質も、波のような振る舞いを示します。ネオンライトなどの光源は、ネオンの原子構造によって決まる、特定の周波数の光、つまり少数の明確な純粋な色のみを発します。量子力学は、光が他のすべての形態の電磁放射と同様に、光子と呼ばれる離散的な単位で存在し、そのスペクトルエネルギー（純粋な色に対応）と光線の強度を予測します。単一の光子は、電磁場の量子、つまり観測可能な最小の粒子です。部分的な光子は実験的に観測されることはありません。より広く言えば、量子力学は、古典力学のズームアウトした視点では連続的に見えた位置、速度、角運動量などの物体の多くの特性が、（量子力学の非常に小さなズームインしたスケールでは）量子化されていることを示しています。素粒子のこうした性質は、一連の小さく離散的な許容値のいずれかを取る必要があり、これらの値の間のギャップも小さいため、不連続性は非常に小さな（原子レベルの）スケールでのみ明らかになる。
電磁波の周波数と各光子のエネルギーの関係が、紫外線が日焼けを引き起こすが可視光線や赤外線が日焼けを引き起こさない理由である。紫外線の光子は、日焼けで起こるような細胞損傷を引き起こすのに十分な高エネルギーを放出する。赤外線の光子は、皮膚を温めるのに十分なエネルギーしか放出しない。そのため、赤外線ランプは広い表面を温めることができ、寒い部屋で人々を快適にするのに十分な広さかもしれないが、日焼けを引き起こすことはない。[ 54 ]
量子力学の応用例としては、レーザー、トランジスタ、電子顕微鏡、磁気共鳴画像法などが挙げられる。量子力学の応用の中でも特に重要な分野は、超流動ヘリウムや超伝導体といった巨視的な量子現象である。半導体の研究は、現代の電子機器に不可欠なダイオードとトランジスタの発明につながった。
単純な照明スイッチでさえ、量子トンネル効果は絶対に不可欠です。そうでなければ、電流中の電子は酸化物層でできた電位障壁を通過できないからです。USBドライブに搭載されているフラッシュメモリチップも、メモリセルを消去するために量子トンネル効果を利用しています。[ 55 ]
相補性原理、波動粒子二重性。
持つ分子の高コントラスト量子干渉縞パターンを観測します。
{{cite book}}ISBN /日付の不一致（ヘルプ）状態がそれぞれの表現によってわかっている 2 つのシステムが、それらの間の既知の力によって一時的に物理的に相互作用し、相互影響の時間の後、システムが再び分離すると、以前のように、つまり、それぞれに独自の表現を与えることによって記述することはもはやできません。私はそれを
1 つで
はなく、量子力学の特徴的な
特性
、古典的な思考の流れからの完全な逸脱を強制するものと呼びたいと思います。
{{cite book}}ISBN /日付の不一致（ヘルプ）{{cite book}}ISBN /日付の不一致（ヘルプ）{{cite book}}ISBN /日付の不一致（ヘルプ）{{cite book}}ISBN /日付の不一致（ヘルプ）{{cite book}}ISBN /日付の不一致（ヘルプ）{{cite book}}ISBN /日付の不一致（ヘルプ）{{cite book}}ISBN /日付の不一致（ヘルプ）以下に挙げる書籍はすべて現役の物理学者によるもので、最小限の専門機器を用いて、量子論を一般の人々に分かりやすく伝えようと試みている。