Nedugo potom su engleski fizičari Rayleigh (1842.-1919.) i James Jeans (1877.-1946.) postavili drugu jednadžbu koja je opisivala zračenje na crvenom kraju, no ne i na ljubičastom kraju spektra.
Kad je njemački fizičar Max Planck (1858.-1947.; dobitnik Nobelove nagrade 1918.) pokušao riješiti problem, otkrio je da mora uvesti ideju da se zračenje emitira u malim, diskretnim količinama energije. Nazvao je te količine „kvanti“, prema latinskom „quanta“, tj. „koliko“. Planck je postulirao da se energija može zračiti ili apsorbirati samo u cjelobrojnom broju kvanta i da je količina energije u kvantu ovisna o valnoj duljini zračenja: što kraća valna duljina, to viša energija. Svoju je ideju Planck izrazio vrlo jednostavnom jednadžbom, E = hV, gdje je E energija, V je frekvencija, a h je konstanta, danas poznata kao “Planckova konstanta”.
Fotoni
Njemački fizičar Philipp Lenard (1862.-1947.; dobitnik Nobelove nagrade 1905.) otkrio je da neki metali emitiraju elektrone ako ih se obasja svjetlošću, kao da svjetlost izbija te elektrone. Proučavanjem tog „”otoelektričnog“ efekta ustanovljeno je da energija izbijenih elektrona ovisi o valnoj duljini svjetlosti. Albert Einstein (1879.-1955.) objasnio je 1905. tu pojavu na temelju Planckove teorije: što je više energije u kvantu svjetlosti, to je veća energija izbijenog elektrona. Kako bi opravdao to objašnjenje, Einstein je morao prihvatiti mogućnost da se svjetlost može ponašati ne samo kao val, već i kao snop čestica, koje je nazvao “fotoni”.
Godine 1913. danski je fizičar Niels Bohr (1885.-1962.; dobitnik Nobelove nagrade 1922.) predložio model prema kojem se atom sastoji od teške jezgre oko koje u fiksnim stazama kruže elektroni, kao planeti koji se gibaju oko Sunca. Elektroni mogu prelaziti iz jedne staze u drugu, no ne mogu postojati u međuprostorima. Ako elektron prijeđe iz vanjske staze u stazu bližu jezgri, on gubi energiju i emitira je kao kvant određene valne duljine. Obratno, za prijelaz elektrona iz neke unutarnje staze i višu stazu potrebno je dovesti energiju određenog iznosa koji odgovara kvantu određene valne duljine.
Sljedeći korak u razvoju kvantne fizike napravljen je 1923. godine kada je francuski fizičar Louis de Broglie (1892.-1987.; dobitnik Nobelove nagrade 1929. godine) teoretski pokazao da čestice pokazuju valne osobine, upravo kao što valovi pokazuju osobine čestica. Otkriće je eksperimentalno potvrđeno četiri godine kasnije i dovelo je do razvoja elektronskog mikroskopa.
Njemački fizičar Erwin Schroedinger (1887.-1961.) zaključio je 1926. godine da ako se elektron ponaša kao val, on ne može kružiti oko jezgre kao planet, već mora poput vala okruživati jezgru, nalazeći se u svim dijelovima svoje staze istovremeno. Schroedinger je izradio matematički opis atoma, nazvan valnom ili kvantnom mehanikom, za koji je dobio Nobelovu nagradu 1933. godine, zajedno s engleskim fizičarem Paulom Diracom (1902.-1984.).
Načelo neodređenosti
U međuvremenu je njemački fizičar Werner Heisenberg (1901.-1976.; dobitnik Nobelove nagrade 1932.) zaključio da je nemoguće opisati atom koristeći zorne predodžbe, bilo valne bilo čestične. On je izračunao energetske razine (staze) elektrona ne oslanjajući se na zorne predodžbe, već samo na formalizam poznat pod nazivom matična mehanika. Istražujući mogućnost određivanja položaja jednog elektrona, Heisenberg je došao do zaključka da što su točnija sredstva za mjerenje položaja, to je netočnije mjerenje.
To zvuči uvjerljivo. Zamislite mikroskop kojim je moguće “vidjeti” jedan jedini elektron. No elektron je tako sitan i ima tako malu masu da ga čak i jedan jedini foton može pomaknuti iz njegova položaja. To znači da je čin mjerenja njegova položaja promijenio upravo položaj koji je mjeren. Ta se pojava pokazuje i u svakodnevnom životu. Uronimo li termometar u kupku kako bismo joj odredili temperaturu, sam će termometar apsorbirati nešto topline i sniziti temperaturu vode. Slično tome, brojilo električne energije troši nešto te energije na pokretanje vlastitog brojčanika. Heisenbergovo otkriće je poznato kao “princip neodređenosti”.
Teorijske posljedice
Einstein je 1930. godine izjavivši “Ne mogu vjerovati da se Bog igra kockicama”, nakanio pokazati da je načelo neodređenosti pogrešno. Tvrdio je da valjanost načela neodređenosti povlači nemogućnost povećavanja točnosti mjerenja energije bez povećavanja neodređenosti vremenskog intervala tijekom kojeg je mjerenje obavljeno.
Iako je Bohr kasnije pokazao da su Einsteinovi argumenti pogrešni, Einsteineov je pristup dopuštao mogućnost da se zakon očuvanja energije krši tijekom vrlo kratkih vremenskih intervala. Taj je koncept omogućio objašnjenje određenih subatomskih pojava, uz pretpostavku da se čestice mogu stvoriti “ni iz čega” i uz uvjet da nestanu prije no što ih bude moguće detektirati. Teoriju “virtualnih čestica” razvio je Amerikanac Richard Feynman (1918.-1988.) koji je, zajedno s fizičarima Julianom Schwingerom i Sin-Itirom Tomonagom, dobio Nobelovu nagradu 1965. godine.
Moglo bi se pomisliti da načelo neodređenosti obezvrjeđuje Newtonove zakone gibanja, jer oni ovise o mjerenju udaljenosti i vremena. No ti zakoni i dalje vrijede jer se sva mjerenja odnose na uobičajene izmjere. Neodređenost dolazi do izražaja samo na razini subatomskih čestica.
