Kvanttittuminen

Kvanttittuminen tarkoittaa ilmiötä, jossa tiettyjen fysikaalisten suureiden arvojen mittaustulokset voivat olla vain diskreettejä, ei jatkuvia. Tällöin suureet omaavat erillisiä, yksittäisiä mittasävyjä, kuten energiatason arvoja tai kulmamomentin kvanttilukuja. Kvanttihommaa ilmenee erityisesti mikroskooppisessa maailmassa, jolloin kvanttimekaniikan lainalaisuudet ohjaavat järjestelmän käyttäytymistä.

Käsite ja perusta syntyivät historiallisista löydöksistä. Planckin 1900-luvun alun musta‑kumpuava säteilyhypy osoitti, että energia on kvantittunut, ja Einstein selitti valon fotoefektin käyttämällä fotoneita. Bohrin malli 1913 esitti kvantittuneet energiatason arvet atomissa. 1920‑luvun kvanttimekaniikassa Schrödingerin ja Heisenbergin muodot tuottivat matemaattisen kehyksen: järjestelmän tilat kuvaillaan wavefunctionilla tai operatorien toiminnalla, ja suureet saavat kvantittuja arvoja eli eigenarvoja.

Kvanttittuminen toteutuu erityisesti seuraavissa yhteyksissä. Energiatasot esinelevyissä, kuten atomien ja molekyylien sisällä, ovat diskreettejä; kulmamomentin komponentit sekä spin ovat kvantittuja suuria. Valo sekä muut gammankaltaiset kentät ovat määrällisesti kvantittuneita fotoneina, joiden energia on E = hν. Kvantittuminen on keskeistä myös aaltogeneettisissä ilmiöissä, kuten kvanttifunktioissa, joiden avulla voidaan laskea järjestelmän mahdolliset tulokset ja todennäköisyydet.

Käytännössä kvanttisuus on käytännön teknologian perusta: lasersäädöt, puolijohteet, kvanttitietokoneet ja monia muita sovelluksia. On tärkeää huomata, että eivät kaikki suureet ole kvantittuneita: jotkut mittaustulokset voivat olla jatkuvia, ja kvanttisuureet voivat omata sekä diskreettejä että jatkuvia spektrahahmoja riippuen systeemin rajapinnoista.