La mecánica cuántica es la rama de la física que estudia los sistemas atómicos y subatómicos así como sus interacciones con
la radiación en términos de cantidades observables. Esta ciencia se fundamenta en la observación de que todas las formas de energía se liberan en unidades discretas llamadas ‘quanta’. En particular, la teoría cuántica permite
solamente cálculos estadísticos o probables de las características observadas de las partículas subatómicas, entendidas en términos de funciones de onda. La ecuación de Schrödinger juega el mismo papel en la mecánica cuántica que las leyes de Newton y la conservación de la energía lo juegan en la mecánica clásica — por ejemplo, predice el comportamiento futuro de los sistemas dinámicos — y es una ecuación de onda en términos de la función de onda que predice analíticamente y de forma precisa la probabilidad de los eventos o resultados. Según las antiguas teorías de la física clásica, la energía se trata solamente como un fenómeno continuo, mientras que la materia se supone que ocupa una región específica del espacio y su movimiento tiene un carácter continuo. Según la teoría cuántica, la energía se emite y se absorbe en cantidades diminutas y discretas. Un haz individual o paquete de energía, llamado ‘quantum’ (quanta en plural), se comporta en algunas situaciones de forma muy parecida a las partículas de materia; las partículas al mismo tiempo exhiben ciertas propiedades asociadas a las
ondas cuando están en movimiento y ya no se suponen localizadas en una región dada sino que su posición es más bien un poco imprecisa. Por ejemplo, la luz u otro tipo de radiación que se desprende de, o es absorbida por un átomo tiene solamente ciertas frecuencias (o longitudes de onda), como se puede ver en el espectro de líneas asociado con el elemento químico que representa a ese átomo. La teoría cuántica muestra que aquellas frecuencias corresponden a energías definidas de los ‘quanta’ de luz, o fotones, resultando del hecho de que los electrones de los átomos pueden tener solamente ciertas valores de energía permitidos, o niveles; cuando un electrón cambia de un nivel permitido a otro, se emite o se absorbe un quantum de energía cuya frecuencia es directamente proporcional a la diferencia de energía entre los dos niveles. El formalismo de la mecánica cuántica se desarrolló durante los años 1920. En 1924, Louis de Broglie propuso que no solamente las ondas de la luz exhiben propiedades como las de las partículas, como en el efecto fotoeléctrico y en el espectro atómico, sino que las partículas pueden también exhibir propiedades como las de las ondas. Se presentaron sos formulaciones diferentes de la mecánica cuántica siguiendo la sugerencia de de Broglie. La mecánica ondulatoria de Erwin Schrödinger (1926) necesita del empleo de entidades matemáticas, la función de onda, que está relacionada con la probabilidad de encontrar una partícula en un determinado punto del espacio. La mecánica de matrices de Werner Heisenberg (1925) no hace mención de las funciones de onda o conceptos similares pero demostró ser matemáticamente equivalente a la teoría de Schrödinger. Un descubrimiento particularmente importante de la teoría cuántica es el principio de incertidumbre, enunciado por Heisenberg en 1927, que establece un límite teórico absoluto sobre la seguridad de ciertas medidas; como resultado, la suposición por parte de los primeros científicos de que el estado físico de un sistema se podría medir con exactitud y se podía utilizar para predecir estados futuros se tuvo que abandonar. La mecánica cuántica se combinó con la teoría de la relatividad en la formulación de P. A. M. Dirac (1928), que, en suma, predecía la existencia de antipartículas. Otros desarrollos de la teoría incluyen la estadística cuántica, presentada en un caso por Einstein y S. N. Bose (estadística Bose-Einstein) y en otro por Dirac y Enrico Fermi (estadística Fermi-Dirac); la electrodinámica cuántica, que tiene que ver con las interacciones entre partículas cargadas y los campos electromagnéticos; su generalización es la teoría cuántica de campos; y la electrónica cuántica. El descubrimiento de la mecánica cuántica a principios del siglo XX revolucionó la física, y la mecánica cuántica es fundamental en la mayor parte de las áreas de investigación.