Dette blogindlæg undersøger, hvordan kvantemekanik og klassisk fysik, på trods af at de har forskellige rammer, udviser identiske løsninger under specifikke ekstreme forhold og derved konvergerer til én fysik.
Fysikken gennemgik en større forandring i det 20. århundrede. Fremkomsten af den specielle relativitetsteori og kvantemekanik medførte især revolutionerende forandringer. Men set fra et perspektiv af, hvordan videnskabelige fremskridt sker, afslører disse to eksempler forskellige karakteristika.
Den specielle relativitetsteori, udgivet i 1905, ændrede ikke blot grundlæggende fysikbegreber som tid og rum, men nødvendiggjorde også en omskrivning af mange af de formler, der optræder i fysikken. Dette inkluderer additionsreglen for hastigheder, der længe har været accepteret som en gyldig formel for relativ bevægelse. Denne lov forklarer den sunde fornuft-observation, at et tog, der kører med 150 km/t, ser et andet tog på sporene, der bevæger sig i den modsatte retning med 150 km/t, tilsyneladende flygte med 300 km/t. Ifølge den specielle relativitetsteori er denne additionslov imidlertid ikke nøjagtig.
Dette betyder ikke, at klassisk fysik blev fuldstændigt ophævet af den nye teori. Selv fra et særligt relativitetsteoriperspektiv giver ligningerne i klassisk fysik tilstrækkeligt nøjagtige beskrivelser og forudsigelser for de fleste situationer. Hvis det tidligere nævnte tog f.eks. kørte med 150,000 km/s, ville der opstå en klar uoverensstemmelse mellem den nye teori og klassiske fysiks beregninger. Men selv ved hastigheder, der overstiger lydens hastighed, omkring 1,500 km/t, giver resultaterne af begge beregninger tilstrækkeligt gode tilnærmelser. Mens den særlige relativitetsteori fuldt ud omfatter den klassiske fysiks forklaringskraft, forbliver klassisk fysik gyldig inden for det begrænsede område af den særlige teoris anvendelighed - nemlig betingelsen om, at 'hastigheden ikke er særlig høj'. Set på denne måde kan vi med sikkerhed hævde, at den særlige relativitetsteori opnåede fremskridt inden for fysik ved at omfatte klassisk fysik, samtidig med at den udvidede forklarings- og forudsigelsesområdet.
Hvad er så tilfældet med kvantemekanikken? I 1910 forsøgte fysikere at forklare de dynamiske tilstande af elektroner, der tilhører atomer, men klassisk fysik viste sig ude af stand til at give en sådan forklaring. I sidste ende konstruerede fysikere kvantemekanikkens rammeværk baseret på præmisser, der var uforenelige med klassisk fysik, og gav dermed endelig en præcis og konsistent forklaring på de problematiske fænomener. Mens bevægelsen af frie elektroner, der ikke er begrænset af atomer, kan forklares af klassisk fysik, er kvantemekanik nødvendig for at beskrive elektroner i atomer. Når en elektron inde i et atom får tilstrækkelig energi, bliver den til en fri elektron. Dette ligner elektronen, der bryder fri og krydser over fra kvantemekanikkens domæne til den klassiske fysiks domæne.
Problemet er, at kvantemekanikkens ligninger ikke effektivt kan forklare fænomener, som klassisk fysik med succes har beskrevet. Dette rejser spørgsmålet om, hvorvidt kvantemekanikkens fremkomst virkelig betyder fremskridt inden for fysikken. Fænomener som billardkuglekollisioner, som kvantemekanikken alene ikke kan forklare, ligger stadig solidt inden for klassisk fysiks domæne. Kaosteorien, der udviklede sig fra 1980 og fremefter, afslører en anden facet af forholdet mellem de to teorier. Kaosteorien undersøger, hvordan to begyndelsestilstande, der er meget lidt forskellige, udvikler sig over tid. I kvantemekanikken er der imidlertid tilfælde, hvor betydningen af begrebet 'to begyndelsestilstande, der er meget lidt forskellige', ikke kan defineres klart. Dette indebærer, at kaosteorien kun kan holde inden for klassisk fysiks område.
Kvantemekanik og klassisk fysik er imidlertid på en mærkelig måde forbundet. Hvis vi antager de ekstreme betingelser, der svarer til en elektron, der netop er frigivet fra et atom, antager kvantemekanikkens ligninger bemærkelsesværdigt nok en form, der er i overensstemmelse med dem, der er udledt af klassisk fysik. Dette indikerer, at de to teorier, der hver især forklarer forskellige domæner af fænomener, mødes ved grænsen mellem disse domæner under ekstreme betingelser og danner en jævn forbindelse. Gennem denne forbindelse etablerer klassisk fysik og kvantemekanik sig som komplementære dele, der udgør fysikken.
Hvis klassisk fysik var blevet forsvundet, eller hvis klassisk fysik og kvantemekanik ikke var formået at forbindes problemfrit til ét, ville evalueringen af fysikkens fremskridt i det 20. århundrede have været genstand for debat. Men når vi betragter fysikkens helhed, som vi kender den i dag, bliver det klart, at fremkomsten af kvantemekanik i sig selv resulterede i fremskridt for fysikken. Takket være klassisk fysik, speciel relativitetsteori og kvantemekanik har vi opnået en 'mangfoldig, men sammenhængende fysik' for en 'mangfoldig, men sammenhængende verden'.
