Perkembangan Teori Klasik Sampai Mekanika Kuantum
Kemudian pada tahun 1905, Albert Einstein berhasil menjelaskan efek fotolistrik dengan didasari oleh pendapat Planck lima tahun sebelumnya dengan mempostulatkan bahwa cahaya atau lebih khususnya radiasi elektromagenetik dapat dibagi dalam paket-paket tertentu yang disebut kuanta dan berada dalam ruang. Energi berhasil menjelaskan bahwa untuk membuat electron terpancar dari permukaan logam diperlukan cahaya yang menumbuk. Cahaya tersebut harus memiliki frekuensi melebih frekuensi ambang dari logam tersebut. Efek fotolistrik ini tidak bergantung pada intensitas cahaya yang ditembakan seperti pandangan mekanika klasik tetapi hanya bergantung pada frekuensinya saja. Walaupun cahaya lemah ditembakan tetapi memiliki frekuensi yang melebihi frekuensi ambang ternyata ada electron yang dipancarkan.
Einstein menyatakan bahwa cahaya teradiasikan dalam bentuk paket-paket energi yang kemudian disebut kuanta dinyatakan dalam jurnal kuantum yang berjudul "On a heuristic viewpoint concerning the emission and transformation of light" pada bulan Maret 1905. Pernyataan tersebut disebut-sebut sebagai pernyataan yang paling revolusioner yang ditulis oleh fisikawan pada abad ke-20.
Teori kuantum yang menyatakan bahwa cahaya teradiasi dalam bentuk paket-paket energi secara terpisah dan diserap oleh electron secara individual berhasil menjelaskan efek fotolistrik dengan baik yaitu pada intensitas cahaya yang lemah pun bisa terpancarkan electron dari logam asalkan frekuensi cahaya yang diberikan melebihi frekuensi ambang dari logam yang disinari. Hal ini tidak bisa dijelaskan oleh teori gelombang yang dianut para fisikawan pada saat itu. Namun, teori gelombang tentang cahaya ini juga dapat menjelaskan dengan baik bagaimana terjadinya difraksi dan interferensi cahaya yang menganggap bahwa cahaya teradiasikan dalam bentuk gelombang yang menjalar seperti riak air ketika sebuah benda jatuh ke dalam air.
Pada tahun 1913, Neils Bohr mencoba menjelaskan garis-garis spectrum dari atom hydrogen dengan menggunakan teori kuantisasi. Penjelasannya ini di terbitkan pada bulan Juli 1913 dalam papernya yang berjudul On the Constitution of Atoms and Molecules. Teori ini ia kemukakan untuk mendapat gambaran yang lebis jelas tentang bagaimana struktur atomic yang terdapat dalam benda. Ilmuwan sebelumnya yang berusaha menjelaskan tentang struktur atom adalah J.J. Thompson yang menyatakan bahwa atom seperti sebuah bola yang bermuatan postif serba sama yang mengandung electron dan tersebar merata di permukaannya.
Namun, ternyata teori Bohr ini tidak bisa menjelaskan mengapa garis spectral tertentu berintensitas lebih tinggi dari yang lainnya. Selain itu, teori ini tidak bisa menjelaskan hasil pengamatan bahwa banyak garis spectral sesungguhnya terdiri dari garis-garis terpisah yang panjang gelombangnya sedikit berbeda. Yang paling penting, teori Bohr ini tidak dapat menjelaskan bagaimana interaksi atom-atom penyusun ini bisa menyusun kumpulan makroskopis yang memiliki sifat fisika dan kimia seperti yang kita amati sekarang.
Walaupun teori Bohr tidak terbukti secara eksperimen, namun hal ini menjadi sebuah catatan yang merubah paradigma para ilmuwa saat itu tentang bagaimana menjelaskan gejala tomik dengan memakai pendekatan yang lebih umum. Hal ini kemudian dilakukan oleh ilmuwan-ilmuwan lainnya ditahun-tahun selanjutnya.
Pada tahun 1924, seorang fisikawan Perancis, Louis de Broglie menyatakan teorinya tentang gelombang materi dengan menyatakan bahwa partikel dapat menunjukan sifat gelombang dan sebalikanya. Teori ini berlaku utuk partikel tunggal. Teori tersebut diambil dari teori relativitas khusus.
Kemudian berdasarkan pemikiran de Broglie mekanika kuantum modern lahir pada tahun 1925 yaitu ketika fisikawan Jerman, Werner Heisenberg dan Max Born mengembangkan mekanika matriks. Selain itu, Erwin Schrodinger seorang fisikawan Austria menemukan mekanika gelombang dan persamaan non-relativistik Schrodinger sebagai pendekatan terhadap kasus umum dari teori de Broglie. Schrodinger menunjukan bahwa kedua temuannya eqivalen.
Dari penegasan Einstein pada tahun 1926 tentang kuantitas teramati , Heisnberg menyimpulkan:
Observation means that we construct some connections between a phenomenon and our realization of the phenomenon. There is something happening in the atom, the light is emitted, the light hits the photographic plate, we see the photographic plate and so on and so on. In this whole course of events between the atom and your eye and your consciousness you must assume that everything work as in the old physics. If you would change the theory concerning the sequence of events then of course the observation would be altered.
Bagi Heisenberg, penegasan Einstein tersebut sangat bermanfaat dalam penelitian selanjutnya bersama dengan Neils Bohr. Penegasan tersebut sekaligus mengingatkan bahwa akan sangat membahayakan apabila hanya meneliti tentang kuantitas yang teramati saja, padahal disamping semua kuantitas yang dapat diamati secara langsung masih banyak hal yang dimungkinkan untuk dapat diamati secara tidak langsung. Akhirnya Heisenberg mengakuinya dengan mengemukakan "this was that one should not strick too much to one special group of experiments; one should rather try to keep in touch with all the developments in all the relevant experiments so that one should always have the whole picture in mind before one tries to fix a theory in mathematical or other languages".
Heisenberg merumuskan prisip ketidak tentuannya pada tahun 1927. Interpretasi Copenhagen juga mulai melakukan hal yang sama pada saat itu. Kemudian dimulai pada sekitar tahun 1927 Dirac memproses penyatuan mekanika kuantum dengan relativitas khusus dengan mengajukan persamaan dirac untuk elektron. Persamaan dirac mampu menjelaskan gambaran relativistic dari fungsi gelombang dari sebuah electron yang gagal dijelaskan oleh Schrodonger.
Pada tahun yang sama yaitu tahun 1927 mulai dilakukan penerapan mekanika kuantum untuk sebuah bidang yang lebih dari partikel tunggal, yang menghasilkan teori medan kuantum. Orang-orang yang pertama kali menekuni bidang ini diantaranya adalah P.A.M. Dirac, W. Pauli, V. Weisskopf, dan P. Jordan. Penelitian ini mencapai puncaknya ketika perumusan elektrodinamika kuantum oleh R.P. Feynmen, F. Dyson, J. Schwinger, dan S.I Tomonaga sepanjang tahun 1940. Kuantum elektrodinamika merupakan teori kuantum tentang electron, positron, dan medan electromagnet.
Persamaan dirac memprediksikan spin electron dan menuntun Dirac untuk meramalkan keberadaan positron. Dia juga merintis penggunaan tools matematika dalam menjelaskan teori, termasuk notasi bra-ket. Hal ini digambarkan dalam bukunya yang terkenal pada tahun 1930.
Pada periode yang sama, seorang polimat John Von Neumann merumuskan dasar matematika yang tepat untuk mekanika kuantum yaitu teori operator linear. Hal tersebut digambarkan dalam bukunya pada tahun 1932.
Teori kuantum chromoynamics pertama kali dirumuskan pada awal tahun 1960. Teori tersebut dirumuskan oleh Politzer, Gross dan Wilczek pada tahun 1975. Kemudian berdasarkan pada hasil dari pekerjaan yang dipelopori oleh Schwinger, Higgs dan Goldstone, fisikawan Glashow, Weinberg dan Salam menunjukan bagaimana gaya nuklir lemah dan kuantum elektrodinamika dapat disatukan ke dalam gaya listrik lemah. Dari hal tersebut pada tahun 1979 mereka menerima hadiah nobel dalam bidang fisika.
