Tässä blogikirjoituksessa tarkastellaan, miten kvanttimekaniikka ja klassinen fysiikka, huolimatta erilaisista viitekehyksistä, tarjoavat identtisiä ratkaisuja tietyissä ääriolosuhteissa, ja siten yhdistyvät yhdeksi fysiikaksi.
Fysiikka koki suuren muutoksen 20-luvulla. Erityisesti erityisen suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan syntyminen toi mukanaan mullistavia muutoksia. Silti tieteellisen edistyksen näkökulmasta tarkasteltuna näillä kahdella esimerkillä on erilliset piirteet.
Vuonna 1905 julkaistu erityinen suhteellisuusteoria ei ainoastaan muuttanut fysiikan peruskäsitteitä, kuten aikaa ja avaruutta, vaan myös edellytti monien fysiikassa esiintyvien kaavojen uudelleenkirjoittamista. Tähän sisältyy nopeuksien yhteenlaskulaki, jota on pitkään pidetty pätevänä suhteellisen liikkeen kaavana. Tämä laki selittää maalaisjärjen mukaisen havainnon, että 150 km/h nopeudella kulkeva juna näkee raiteilla toisen junan, joka liikkuu vastakkaiseen suuntaan 150 km/h nopeudella, ja näyttää pakenevan 300 km/h nopeudella. Erityisen suhteellisuusteorian mukaan tämä yhteenlaskulaki ei kuitenkaan ole tarkka.
Tämä ei tarkoita, että uusi teoria olisi täysin kumonnut klassisen fysiikan. Jopa erityisen suhteellisuusteorian näkökulmasta klassisen fysiikan yhtälöt tarjoavat riittävän tarkkoja kuvauksia ja ennusteita useimmille tilanteille. Esimerkiksi jos aiemmin mainittu juna kulkisi nopeudella 150 000 km/s, uuden teorian ja klassisen fysiikan laskelmien välille syntyisi selvä ristiriita. Kuitenkin jopa äänennopeutta, noin 1 500 km/h, ylittävillä nopeuksilla molempien laskelmien tulokset tarjoavat riittävän hyviä arvioita. Vaikka erityinen suhteellisuusteoria kattaa täysin klassisen fysiikan selitysvoiman, klassinen fysiikka pysyy pätevänä erityisen teorian rajoitetun sovellettavuuden puitteissa – nimittäin ehdon, että "nopeus ei ole erityisen suuri". Tällä tavalla tarkasteltuna voimme luottavaisin mielin väittää, että erityinen suhteellisuusteoria saavutti edistystä fysiikassa kattamalla klassisen fysiikan ja laajentamalla samalla selittämisen ja ennustamisen aluetta.
Entä sitten kvanttimekaniikka? Vuonna 1910 fyysikot pyrkivät selittämään atomien elektronien dynaamisia tiloja, mutta klassinen fysiikka osoittautui kykenemättömäksi tällaiseen selitykseen. Lopulta fyysikot rakensivat kvanttimekaniikan viitekehyksen klassisen fysiikan kanssa yhteensopimattomien lähtökohtien pohjalta ja tarjosivat siten lopulta tarkan ja johdonmukaisen selityksen ongelmallisille ilmiöille. Vaikka atomien rajoittamattomien vapaiden elektronien liike voidaan selittää klassisella fysiikalla, kvanttimekaniikka on välttämätöntä atomien sisällä olevien elektronien kuvaamiseksi. Kun atomin sisällä oleva elektroni saa riittävästi energiaa, siitä tulee vapaa elektroni. Tämä muistuttaa elektronin vapautumista ja siirtymistä kvanttimekaniikan alueelta klassisen fysiikan alueelle.
Ongelmana on, että kvanttimekaniikan yhtälöt eivät pysty tehokkaasti selittämään ilmiöitä, joita klassinen fysiikka on onnistuneesti kuvannut. Tämä herättää kysymyksen siitä, merkitseekö kvanttimekaniikan esiinmarssi todella fysiikan edistystä. Ilmiöt, kuten biljardipallojen törmäykset, joita kvanttimekaniikka yksinään ei pysty selittämään, kuuluvat edelleen vankasti klassisen fysiikan piiriin. Vuodesta 1980 eteenpäin kehittynyt kaaosteoria paljastaa toisen puolen näiden kahden teorian välisestä suhteesta. Kaaosteoria tutkii, miten kaksi hyvin hieman erilaista alkutilaa kehittyy ajan myötä. Kvanttimekaniikassa on kuitenkin tapauksia, joissa käsitteen "kaksi hyvin hieman erilaista alkutilaa" merkitystä ei voida määritellä selvästi. Tämä viittaa siihen, että kaaosteoria voi päteä vain klassisen fysiikan alueella.
Kvanttimekaniikka ja klassinen fysiikka ovat kuitenkin kummallisesti yhteydessä toisiinsa. Jos oletamme atomista juuri irronneen elektronin ääriolosuhteet, kvanttimekaniikan yhtälöt ovat huomattavan samanmuotoisia kuin klassisen fysiikan yhtälöt. Tämä osoittaa, että nämä kaksi teoriaa, jotka selittävät ilmiöiden eri alueita, kohtaavat ääriolosuhteissa näiden alueiden rajalla muodostaen saumattoman yhteyden. Tämän yhteyden kautta klassinen fysiikka ja kvanttimekaniikka muodostavat toisiaan täydentäviä osia, jotka muodostavat fysiikan.
Jos klassinen fysiikka olisi hylätty ja kadonnut, tai jos klassinen fysiikka ja kvanttimekaniikka eivät olisi kyenneet yhdistymään saumattomasti yhdeksi, 20-luvun fysiikan edistyksen arviointi olisi ollut keskustelunaihe. Kuitenkin, kun tarkastelemme fysiikkaa kokonaisuudessaan sellaisena kuin me sen tänään tunnemme, käy selväksi, että kvanttimekaniikan synty itsessään johti fysiikan edistykseen. Klassisen fysiikan, erityisen suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan ansiosta olemme saavuttaneet "monimuotoisen mutta toisiinsa yhteydessä olevan fysiikan" "monimuotoiselle mutta toisiinsa yhteydessä olevalle maailmalle".
