Возникнове́ние ква́нтовой фи́зики — процесс длительный и постепенный, который занял свыше 25 лет. От первого возникновения понятия кванта до разработки так называемой копенгагенской интерпретации квантовой механики прошло 27 лет, заполненных интенсивной работой учёных всей Европы. В развитии и понимании квантовой теории приняли участие очень многие люди, как старшего поколения — Макс Борн, Макс Планк, Пауль Эренфест, Эрвин Шрёдингер, так и совсем молодые, ровесники квантовой гипотезы — Вернер Гейзенберг (1901), Вольфганг Паули (1900), Поль Дирак (1902) и т. д.

Пролог 50-60-е годы XIX века. Уильям Роуэн Гамильтон (1805—1865), неудовлетворённый классической механикой в её стандартном изложении, считает, что она описывает движение тел лишь приближенно, подобно геометрической оптике, которая описывает движение световых лучей, тогда как свет на самом деле — волна. Исходя из своих представлений, Гамильтон строит полный аналог геометрической оптики тел — формализм Гамильтона — Якоби классической механики.

1885 год. Швейцарский учитель Иоганн Якоб Бальмер (1825—1893) на спор с приятелем находит эмпирическую формулу, позволяющую с большой точностью вычислять длины волн всех известных тогда спектральных линий водорода. Природа открытой закономерности остаётся загадкой.

1891 год. На съезде Британской ассоциации в Лондоне Джордж Стони (1826—1911) делает доклад «О причинах двойных линий в спектрах». К этому времени спектральный анализ уже превратился в точную науку, выяснены основные законы электролиза, тщательно разработана электромагнитная теория света. Именно эти теории приводят Стони к выводу, что линии в спектрах химических элементов и соединений могут иметь причиной колебательное движение электронов — мельчайших частиц электрического заряда — в атомах и молекулах. Также Стони утверждает, что наиболее вероятной причиной спектров является орбитальное движение электронов в атоме: «Это движение может быть разрешено при помощи теоремы Фурье в виде суперпозиции частичных движений, каждое из которых есть простое колебательное движение по эллипсу, и каждое из этих частичных движений производит его собственную линию в спектре». Двойные спектральные линии Стони объясняет прецессией эллиптических орбит, вызываемой слабыми дополнительными силами, действующими в атоме.

1895 год. Вильгельм Конрад Рентген (1845—1923) при исследованиях катодных лучей обнаруживает, что место их падения на стекло трубки помимо фосфоресценции в видимом свете испускает ещё какое-то излучение сильно проникающего характера. Рентген называет открытое им явление X-лучами. Они не отклоняются в магнитном и электрическом полях, поэтому не заряжены, но вопрос о волновой или корпускулярной природе излучения остаётся открытым.

1896 год. Анри Беккерель (1852—1908), изучая фосфоресценцию солей урана, активируемую солнечным светом, оставляет на выходные пасмурные дни образец соли в бумажном конверте на фотопластинке, а затем проявляет её. На пластинке видны пятна, соответствующие положению и размеру оставленных образцов. Дальнейшие исследования показывают, что самопроизвольное излучение солей урана обладает теми же проникающими свойствами, что и рентгеновское излучение. Открытое явление называют радиоактивностью.

Голландский физик Питер Зееман (1865—1943) открывает эффект расщепления спектральных линий в магнитном поле — эффект Зеемана. В том же году Хендрик Антон Лоренц (1853—1928) истолковывает его как следствия возмущения колеблющихся в атомах электронов магнитным полем. Годом позже Джозеф Лармор (1857—1942) истолковывает нормальный эффект Зеемана как следствие изменения частот обращения электронов по круговым орбитам вокруг ионов в молекулах. Затем он показывает, что ускоренно движущийся заряд по законам электродинамики должен излучать и выводит интенсивность этого излучения.

1899 год. Герман Гага и Корнелий Харм Винд (1867—1911) получают первое доказательство волновой природы рентгеновских лучей. Они получают фотографию узкой клинообразной щели в платиновой пластинке толщиной 0,5 мм и наблюдают её дифракционное уширение по мере сужения щели. Оценка дает длину волны порядка 2 ангстрем.

1900 год. Йоханнес Роберт Ридберг (1854—1919) подводит итоги 11 лет тщательных высокоточных спектральных измерений, выражая полученные закономерности расположения линий спектров щелочных металлов через формулы, аналогичные формуле Бальмера. Обобщая, Ридберг делает вывод о том, что частоты всех их спектральных линий с большой точностью представимы в виде разностей двух величин — термов, берущихся из определённого набора, своего для каждого изученного элемента. Это вызывает беспокойство, так как Джон Уильям Рэлей (1842—1919) тремя годами ранее показывает, что во все классические законы излучения входят квадраты частот, а вовсе не их первые степени.

1901 год. Жан Перрен (1870—1942) строит исторически первую планетарную модель атома и отказывается от неё по причине абсолютной неустойчивости такой системы с точки зрения электродинамики.

1902 год. Уильям Томсон (лорд Кельвин) (1824—1907) в статье «Эпинус атомизированный» вспоминает о модели атома петербургского академика Франца Ульриха Теодора Эпинуса (1724—1802), в которой атом представляется в виде равномерно заряженной положительным электричеством сферы, в центре которой находится электрон.

1903 год. Джозеф Джон Томсон (1856—1940) в своих лекциях в Йельском университете и в книге «Электричество и магнетизм» для объяснения аномально низкой ионизации газов рентгеновским излучением предполагает, что волновой фронт имеет зернистую структуру, то есть места с активной энергией в нём чередуются с местами нулевой интенсивности. «Трудность в объяснении этой слабой ионизации отпадает, если вместо того, чтобы рассматривать фронт рентгеновской волны однообразным, мы предположим, что он состоит из очень ярких пятен, разделённых промежутками, где яркость очень мала, потому что в этом случае не только все молекулы, а, вероятно, даже разные части одной и той же молекулы подвергаются различным условиям; этот случай аналогичен пучку катодных лучей, проходящих через газ; при этом число молекул, приходящих в столкновение с лучами, может быть малой частью всего числа молекул».

Японский физик Хантаро Нагаока (1865—1950) предлагает планетарную модель атома: в центре находится положительный заряд, вокруг которого обращаются кольца электронов наподобие колец Сатурна. Спектральные линии соответствуют в такой модели колебаниям электронов при незначительных смещениях на своих орбитах. Вычисленные из модели частоты более-менее приближённо описывают спектральные линии некоторых элементов.

Филипп Ленард (1862—1947), исследуя прохождение катодных лучей через тонкие металлические пластинки, приходит к выводу, что «в одном кубическом метре даже самой компактной материи, например платине, остаётся в общей сложности меньше одного кубического миллиметра … непроницаемого пространства». В связи с этим он выдвигает идею о структуре атомов, состоящих из разнесённых в пространстве динамид — комплексов из связанного положительного и отрицательного зарядов.

1904 год. Джозеф Джон Томсон в специальной статье, а через два года — в лекциях, прочитанных в Королевском институте, и в книге «Корпускулярная теория вещества» предлагает и разрабатывает свою модель атома — как её называют, «модель пудинга». «Электроны являются существенной частью в структуре атомов различных элементов». Они распределены в положительно заряженной части атома, форму которой для удобства расчётов Томсон предлагает взять равномерно заряженной и шарообразной. Основную проблему своей теории он формулирует так: «Каким образом должны располагаться 1, 2, 3, …, вообще n корпускул (так Томсон называет электроны), если их поместить в шаре, причём совокупность отрицательных зарядов на корпускулах равна положительному заряду в шаре». Общего решения Томсону найти не удалось, но в статье он решает эту проблему в частном случае, когда электроны все лежат в одной плоскости. Решением оказывается система концентрических колец с возрастающим количеством электронов в каждом. По Томсону числа электронов в кольцах изменяются по сложному частично периодическому закону, который может объяснить, как ему кажется, повторяемость химических и физических свойств элементов. Дополнительно к этому, электронные кольца вращаются в атоме, а слагающие их корпускулы могут колебаться, так что спектр родственных элементов «должен обнаружить ряд линий, числа колебаний которых находятся в постоянном отношении друг к другу». Исследуя устойчивость комбинаций электронов, Томсон даёт первую физическую интерпретацию валентности.

Уильям Генри Брэгг (1862—1942) на собрании Австралийской ассоциации преуспеяния наук в Новой Зеландии делает доклад о прохождении α-частиц через вещество и говорит: «Атом представляет совокупность электронов, разделённых пустым пространством, размеры которого велики по сравнению с объёмом самих электронов».

1905 год. 25 сентября Вильгельм Вин выступает на 77 съезде немецких естествоиспытателей и врачей с докладом об электронах: «Большую трудность представляет для электронной теории также объяснение спектральных линий. Так как каждому элементу соответствует определённая группировка спектральных линий, которые он испускает, находясь в состоянии свечения, то каждый атом должен представлять собой неизменную систему. Проще всего было бы представлять атом как планетарную систему, состоящую из положительно заряженного центра, вокруг которого обращаются, подобно планетам, отрицательные электроны. Но такая система не может быть неизменной вследствие излучаемой электронами энергии. Поэтому мы вынуждены обратиться к системе, в которой электроны находятся в относительном покое или обладают ничтожными скоростями — представление, в котором содержится много сомнительного.»

Этап 1. Кванты до Бора 1900 год. Макс Планк (1858—1947) после пяти лет исследований проблемы излучения абсолютно чёрного тела применяет к этому излучению метод максимальной энтропии Джозайи Уилларда Гиббса (1839—1903). Для вычисления энтропии континуума гармонических осцилляторов Планк применяет искусственный приём: замену непрерывного спектра энергетических состояний осцилляторов дискретным с шагом, пропорциональным частоте осциллятора, Δε=hν, намереваясь далее устремить величину h к 0 для перехода к правильному непрерывному распределению. Самым интересным оказывается то, что полученная формула правильно описывает спектр излучения без использования предельного перехода. Планк долго не решается обнародовать это открытие. В разговорах с сыном он утверждает, что он чувствует — либо это открытие первого ранга, сравнимое, быть может, лишь с ньютоновой механикой, либо полнейшая ошибка.

В конце 1900 года в Немецком физическом обществе Курльбаум и Генрих Рубенс (1865—1922) читают доклад о новых прецизионных измерениях спектра излучения абсолютно чёрного тела и сетуют, что их сведения невозможно сравнить с теоретическими из-за отсутствия корректной теории этого излучения. Планк приглашает Рубенса к себе домой на чашечку чая, и параллельно они сравнивают свои результаты. Обнаруживается превосходное согласие теории и эксперимента.

14 декабря 1900 года на следующем заседании Немецкого физического общества в Берлине Макс Планк открывает новую эру физики — квантовую физику. В науку входит вторая фундаментальная постоянная, введённая Планком — квант действия (первой была постоянная Больцмана ). Из формулы Планка следует закон смещения Вина и закон излучения Стефана-Больцмана. Она связывает между собой постоянную Больцмана, постоянную Планка, число Авогадро и заряд электрона. На основании измерений Отто Люммера (1860—1925) и Эрнста Прингсгейма (1859—1917), Курльбаума и Генриха Рубенса, и Фридриха Пашена (1865—1947) Планк получает значения постоянной Авогадро и заряд электрона с точностью порядка 5 %, что намного превышает точность их экспериментальных определений в то время.

1900—1908 года.