Tento blogový příspěvek zkoumá, jak kvantová mechanika a klasická fyzika, navzdory odlišným rámcům, vykazují za specifických extrémních podmínek identická řešení, a tím se sbližují do jedné fyziky.
Fyzika prošla ve 20. století zásadní transformací. Zejména vznik speciální relativity a kvantové mechaniky přinesl revoluční změny. Z pohledu vědeckého pokroku však tyto dva příklady odhalují odlišné charakteristiky.
Speciální teorie relativity, publikovaná v roce 1905, nejenže změnila základní fyzikální pojmy, jako je čas a prostor, ale také si vyžádala přepsání mnoha vzorců, které se ve fyzice objevují. Patří sem i pravidlo sčítání rychlostí, které bylo dlouho přijímáno jako platný vzorec pro relativní pohyb. Tento zákon vysvětluje logické pozorování, že vlak jedoucí rychlostí 150 km/h vidí na kolejích jiný vlak jedoucí v opačném směru rychlostí 150 km/h, který se zdá být unášen rychlostí 300 km/h. Podle speciální teorie relativity však tento zákon sčítání není přesný.
To neznamená, že klasická fyzika byla novou teorií zcela popřena. I z pohledu speciální relativity poskytují rovnice klasické fyziky dostatečně přesné popisy a předpovědi pro většinu situací. Pokud by například dříve zmíněný vlak jel rychlostí 150 000 km/s, vznikl by zřejmý rozpor mezi novou teorií a výpočty klasické fyziky. Avšak i při rychlostech přesahujících rychlost zvuku, kolem 1 500 km/h, poskytují výsledky obou výpočtů dostatečně dobré aproximace. Zatímco speciální teorie relativity plně zahrnuje vysvětlující sílu klasické fyziky, klasická fyzika zůstává platná v omezené oblasti použitelnosti speciální teorie – konkrétně za podmínky, že „rychlost není nijak zvlášť vysoká“. Z tohoto hlediska můžeme s jistotou tvrdit, že speciální teorie relativity dosáhla pokroku ve fyzice tím, že zahrnula klasickou fyziku a zároveň rozšířila oblast vysvětlování a predikce.
Jak je tedy případ kvantové mechaniky? V roce 1910 se fyzici snažili vysvětlit dynamické stavy elektronů patřících atomům, ale klasická fyzika se ukázala jako neschopná takového vysvětlení. Fyzici nakonec zkonstruovali rámec kvantové mechaniky založený na předpokladech neslučitelných s klasickou fyzikou, čímž konečně poskytli přesné a konzistentní vysvětlení problematických jevů. Zatímco pohyb volných elektronů neomezených atomy lze vysvětlit klasickou fyzikou, kvantová mechanika je nezbytná k popisu elektronů uvnitř atomů. Když elektron uvnitř atomu získá dostatečnou energii, stane se volným elektronem. To se podobá elektronu, který se uvolní a přejde z oblasti kvantové mechaniky do oblasti klasické fyziky.
Problém je v tom, že rovnice kvantové mechaniky nedokážou efektivně vysvětlit jevy, které klasická fyzika úspěšně popsala. To vyvolává otázku, zda vznik kvantové mechaniky skutečně znamená pokrok ve fyzice. Jevy jako srážky kulečníkových koulí, které kvantová mechanika sama o sobě nedokáže vysvětlit, stále pevně spočívají v oblasti klasické fyziky. Teorie chaosu, která se rozvíjela od roku 1980, odhaluje další aspekt vztahu mezi těmito dvěma teoriemi. Teorie chaosu zkoumá, jak se v čase vyvíjejí dva počáteční stavy, které se velmi nepatrně liší. V kvantové mechanice však existují případy, kdy význam pojmu „dva počáteční stavy, které se velmi nepatrně liší“, nelze jasně definovat. To znamená, že teorie chaosu může platit pouze v rámci klasické fyziky.
Kvantová mechanika a klasická fyzika jsou však zvláštně propojeny. Pokud předpokládáme extrémní podmínky odpovídající elektronu právě uvolněnému z atomu, rovnice kvantové mechaniky pozoruhodně nabývají tvaru shodného s rovnicemi odvozenými klasickou fyzikou. To naznačuje, že obě teorie, z nichž každá vysvětluje odlišné oblasti jevů, se setkávají na hranici mezi těmito oblastmi za extrémních podmínek a vytvářejí hladké spojení. Prostřednictvím tohoto spojení se klasická fyzika a kvantová mechanika etablují jako doplňkové části tvořící fyziku.
Pokud by klasická fyzika byla zavržena a zmizela, nebo kdyby se klasická fyzika a kvantová mechanika nedokázaly hladce propojit v jedno, hodnocení pokroku fyziky 20. století by bylo předmětem debaty. Když však vezmeme v úvahu celek fyziky, jak ji známe dnes, je zřejmé, že samotný vznik kvantové mechaniky vedl k pokroku fyziky. Díky klasické fyzice, speciální relativitě a kvantové mechanice jsme získali „rozmanitou, ale propojenou fyziku“ pro „rozmanitý, ale propojený svět“.
