Поняття й принципи класичної фізики виявилися непридатними не тільки до вивчення властивостей простору й часу, але ще в більшій мері до дослідження фізичних властивостей дрібних часток матерії або мікрооб'єктів, таких, як електрони, протони, нейтрони, атоми й подібні їм об'єкти, які часто називають атомними частками. Вони утворюють невидимий нами мікросвіт, і тому властивості об'єктів цього миру зовсім не схожі на властивості об'єктів звичного нам макросвіту. Планети, зірки, комети, квазари й інші небесні тіла утворюють мегасвіт.
Переходячи до вивчення властивостей і закономірностей об'єктів мікросвіту, необхідно відразу ж відмовитися від звичних уявлень, які нав'язані нам предметами і явищами навколишні нас макросвіту. Звичайно, зробити це нелегко, тому що весь наш досвід і уявлення виникли й опираються на спостереження звичайних тіл, та й самі ми є макрооб'єктами. Тому потрібні чималі зусилля, щоб перебороти наш колишній досвід при вивченні мікрооб'єктів. Для опису поводження мікрооб'єктів широко використовуються абстракції й математичні методи дослідження.
На початку фізики були вражені незвичайними властивостями тих дрібних часток матерії, які вони вивчали в мікросвіті. Спроби описати, а тим більше пояснити властивості мікрочастинок за допомогою понять і принципів класичної фізики зазнали явної невдачі. Пошуки нових понять і методів пояснення зрештою привели до виникнення нової квантової механіки, в остаточне побудові й обґрунтування якої значний внесок внесли Е. Шредингер (1887-1961), В. Гейзенберг (1901-1976), М. Борн (1882-1970). На самому початку ця механіка була названа хвильовий на противагу звичайній механіці, що розглядає свої об'єкти як складаються з корпускул, або часток. Надалі для механіки мікрооб'єктів затвердилася назва квантової механіки.
Дуалізм хвилі й частки в мікрооб'єктах
Обговорення незвичайних властивостей мікрооб'єктів почнемо з опису експериментів, за допомогою яких уперше було встановлено, що ці об'єкти в одних досвідах виявляють себе як матеріальні частки, або корпускули, в інші - як хвилі. Для порівняння пошлемося на історію вивчення оптичних явищ. Відомо, що Ньютон розглядав світло у вигляді дрібних корпускул, але після відкриття явищ інтерференції й дифракції взяла гору хвильова теорія світла, відповідно до якої світло представлялося у вигляді хвилеподібного руху, що виникає в особливому середовищу, названої ефіром. На початку нашого сторіччя відкриття явища фотоефекта сприяло визнанню корпускулярної природи світла: фотони саме й представляли такі світлові корпускули. Ще раніше (1900 р.) подання про дискретні порції (квантах) енергії було використано німецьким фізиком Максом Планком (1858-1947) для пояснення процесів поглинання й випромінювання енергії. Згодом А. Ейнштейн показав, що світло не тільки поглинається й випромінюється, але й поширюється квантами. На цій основі він зумів пояснити явище фотоефекта, що складає у вириванні квантами світла, названими фотонами, електронів з поверхні тіла. Енергія Е фотона пропорційна частоті.
З іншого боку, такі світлові явища, як інтерференція й дифракція, ще в 19 столітті пояснювалися за допомогою хвильових уявлень. У теорії Максвелла світло розглядалося як особливий вид електромагнітних хвиль. Таким чином, класичні уявлення про світло як хвильовому процесі були доповнені новими поглядами, що розглядають його як потік світлових корпускул, квантів або фотонів. У результаті виник так званий корпускулярно-хвильовий дуалізм, відповідно до якого одні оптичні явища (фотоефект) пояснювалися за допомогою корпускулярних подань, інші (інтерференція й дифракція) - хвильових поглядів. З погляду повсякденної свідомості важко було представити світло як потік часток - фотонів, але не менш звичним раніше здавалося зводити світло до хвильового процесу. Ще менш ясним здавалося уявити світло у вигляді своєрідного створення, що поєднує властивості корпускул і хвиль. Проте, визнання корпускулярно-хвильового характеру світла багато в чому сприяло прогресу фізичної науки.
Новий радикальний крок у розвитку фізики був пов'язаний з поширенням корпускулярно-хвильового дуалізму на дрібні частки речовини - електрони, протони, нейтрони й інші мікрооб'єкти. У класичній фізиці речовина завжди вважалася, яка складається із часток і тому хвильові властивості здавалися явно далекими неї. Тим дивним виявилося відкриття про наявність у мікрочастинок хвильових властивостей, першу гіпотезу про існування яких висловив в 1924 р. відомий французький учений Луї де Бройль (1875-1960). Експериментально ця гіпотеза була підтверджена в 1927 р. американськими фізиками К. Девисоном і Л. Джермером, що вперше виявили явище дифракції електронів на кристалі нікелю, тобто типово хвильову картину.
Гіпотеза Де Бройля
Кожній матеріальній частці незалежно від її природи варто поставити у відповідність хвилю, довжина якої обернено пропорційна імпульсу частки: лямбда = h/p, де h - постійна Планка, p - імпульс частки, дорівнює добутку її маси на швидкість.
Таким чином, було встановлено, що не тільки фотони, тобто кванти світла, але й матеріальні, речовинні частки, такі, як електрон, протон, нейтрон і інші, мають двоїсті властивості. Отже, всі мікрооб'єкти володіють як корпускулярними, так і хвильовими властивостями. Це явище, назване згодом дуалізмом хвилі й частки, зовсім не укладалося в рамки класичної фізики, об'єкти вивчення якої могли володіти або корпускулярними, або хвильовими властивостями. На відміну від цього мікрооб'єкти володіють одночасно як корпускулярними, так і хвильовими властивостями. Наприклад, в одних експериментах електрон виявляв типово корпускулярні властивості, а в інші - хвильові властивості, так що його можна було назвати як часткою, так і хвилею. Той факт, що потік електронів являє собою потік дрібних часток речовини, знали й раніше, але те, що цей потік виявляє хвильові властивості, які відтворюють типові явища інтерференції й дифракції, подібно хвилям світла, звуку й рідини, виявилося повною несподіванкою для фізиків.
Для кращого розуміння всіх подальших питань проробимо такий уявний експеримент. Нехай ми маємо пристрій, що дає потік електронів, наприклад, електронну гармату. Поставимо перед нею тонку металеву пластинку із двома дірочками, через які можуть пролітати електрони. Проходження електронів через ці отвори реєструється спеціальним приладом, наприклад, лічильником Гейгера або електронним лічильником, приєднаним до динаміка. Якщо підрахувати кількість електронів, що пройшли окремо через перший отвір, коли другий закритий, і через другий, коли перший закритий, а потім через обоє отворів, то виявиться, що сума ймовірностей проходження електронів, коли відкрито один з отворів, не буде дорівнює ймовірності їхнього проходження при двох відкритих отворах:
P не дорівнює P\1 + P\2,
де Р - імовірність проходження електронів при двох відкритих отворах, P\1 - імовірність проходження електронів при відкритті першого отвору, P\2 - імовірність при відкритті другого отвору.
Ця нерівність свідчить про наявність інтерференції при проходженні електронів через обоє отворів. Цікаво відзначити, що якщо на минулі електрони впливати світлом, то інтерференція зникає. Отже, фотони, з яких складається світло, змінюють характер руху електронів.
Таким чином, перед нами зовсім нове явище, що полягає в тім, що всяка спроба спостереження мікрооб'єктів супроводжується зміною характеру їхнього руху. Тому ніяке спостереження мікрооб'єктів незалежно від приладів і вимірювальних засобів суб'єкта у світі дрібних часток матерії неможливо. Саме ця обставина викликає звичайно заперечення з боку тих, хто не бачить розходження між мікро - і макрооб'єктами. У макросвіті, у якому ми живемо, ми не зауважуємо впливи приладів спостереження й виміри на макротіла, які вивчаємо, оскільки практично такий вплив надзвичайно мало й тому їм можна зневажити. У цьому світі як прилади й інструменти, так і самі досліджувані тіла характеризуються тим же порядком величин. Зовсім інакше є справа в мікросвіті, де макроприлад не може не впливати на мікрооб'єкти. Однак подібний вплив не фігурує в класичній механіці.
Інша принципова відмінність мікрооб'єктів від макрооб'єктів полягає в наявності в перших корпускулярно-хвильових властивостей, але об'єднання таких суперечливих властивостей у макрооб'єктів начисто відкидається класичною фізикою. Хоча класична фізика й визнає існування речовини й поля, але заперечує існування об'єктів, що володіють корпускулярними властивостями, властивій речовині, і одночасно хвильовими властивостями, які характерні для фізичних полів (акустичних, оптичних або електромагнітних).
У силу такої гаданої суперечливості корпускулярних і хвильових властивостей датський фізик Нільс Бор висунув принцип додатковості для квантове механічного опису мікрооб'єктів, відповідно до якого корпускулярна картина такого опису повинна бути доповнена хвильовим альтернативним описом. Дійсно, в одних експериментах мікрочастинки, наприклад електрони, поводяться як типові корпускули, в інші - як хвильові структури. Не можна, звичайно, думати, що хвильові й корпускулярні властивості в мікрооб'єктів виникають внаслідок відповідних експериментів. Насправді такі властивості при цих експериментах тільки виявляються. Ми приходимо, таким чином, до висновку, що дуалізм мікрооб'єктів, що полягає в об'єднанні в одному мікрооб'єкті одночасно хвильових і корпускулярних властивостей, являє собою фундаментальну характеристику об'єктів мікросвіту. Опираючись саме на цю характеристику, ми можемо зрозуміти й пояснити інші особливості мікросвіту.
Імовірнісний характер пророкувань квантової механіки
Принципова відмінність квантової механіки від класичної складається також у тім, що її пророкування завжди мають імовірнісний характер. Це означає, що ми не можемо точно пророчити, у яке саме місце попадає, наприклад, електрон у розглянутому вище експерименті, які б доконані засоби спостереження й виміру не використовували. Можна оцінити лише його шанси потрапити в певне місце, а отже, застосувати для цього поняття й методи теорії ймовірностей, що служить для аналізу невизначених ситуацій. Підкреслюючи це «дуже важливе розходження між класичною й квантовою механікою», Р. Фейнман указує, що «ми не вміємо пророкувати, що повинне було б трапитися в даних обставинах».