Ez a blogbejegyzés azt vizsgálja, hogy a kvantummechanika és a klasszikus fizika – eltérő keretrendszereik ellenére – hogyan mutatnak azonos megoldásokat bizonyos szélsőséges körülmények között, ezáltal hogyan konvergálnak egyetlen fizikává.
A fizika jelentős átalakuláson ment keresztül a 20. században. Különösen a speciális relativitáselmélet és a kvantummechanika megjelenése hozott forradalmi változásokat. Mégis, ha a tudományos haladás szempontjából nézzük, ez a két példa eltérő jellemzőket mutat.
Az 1905-ben publikált speciális relativitáselmélet nemcsak a fizika alapvető fogalmait, például az időt és a teret változtatta meg, hanem a fizikában előforduló számos képlet átírását is szükségessé tette. Ide tartozik a sebességek összeadásának szabálya is, amelyet sokáig a relatív mozgás érvényes képleteként fogadtak el. Ez a törvény megmagyarázza azt a józan észre épülő megfigyelést, hogy egy 150 km/h sebességgel haladó vonat egy másik, a síneken ellentétes irányban 150 km/h sebességgel haladó vonatot lát, amely 300 km/h sebességgel menekül. A speciális relativitáselmélet szerint azonban ez az összeadódási törvény nem pontos.
Ez nem jelenti azt, hogy a klasszikus fizikát az új elmélet teljesen cáfolta. Még a speciális relativitáselmélet szempontjából is a klasszikus fizika egyenletei kellően pontos leírásokat és előrejelzéseket adnak a legtöbb helyzetre. Például, ha a korábban említett vonat 150 000 km/s sebességgel haladna, egyértelmű eltérés mutatkozna az új elmélet és a klasszikus fizikai számítások között. Azonban még a hangsebességet meghaladó, körülbelül 1,500 km/h sebességnél is mindkét számítás eredménye kellően jó közelítést ad. Míg a speciális relativitáselmélet teljes mértékben magában foglalja a klasszikus fizika magyarázó erejét, a klasszikus fizika érvényes marad a speciális elmélet alkalmazhatóságának korlátozott tartományán belül – nevezetesen azon a feltételen belül, hogy „a sebesség nem különösebben nagy”. Ebből a szempontból magabiztosan állíthatjuk, hogy a speciális relativitáselmélet a klasszikus fizika magába foglalásával, miközben kibővítette a magyarázat és az előrejelzés birodalmát, előrelépést ért el a fizikában.
Mi a helyzet akkor a kvantummechanikával? 1910-ben a fizikusok megpróbálták megmagyarázni az atomokhoz tartozó elektronok dinamikus állapotait, de a klasszikus fizika képtelennek bizonyult erre a magyarázatra. Végül a fizikusok a klasszikus fizikával összeegyeztethetetlen premisszák alapján alkották meg a kvantummechanika keretrendszerét, ezáltal végre pontos és következetes magyarázatot adtak a problémás jelenségekre. Míg az atomok által nem korlátozott szabad elektronok mozgása a klasszikus fizikával magyarázható, a kvantummechanika szükséges az atomokon belüli elektronok leírásához. Amikor egy elektron egy atomon belül elegendő energiát nyer, szabad elektronná válik. Ez ahhoz hasonlít, amikor az elektron kiszabadul és átlép a kvantummechanika területéről a klasszikus fizika területére.
A probléma az, hogy a kvantummechanika egyenletei nem képesek hatékonyan megmagyarázni azokat a jelenségeket, amelyeket a klasszikus fizika sikeresen leírt. Ez felveti a kérdést, hogy a kvantummechanika megjelenése valóban a fizika fejlődését jelenti-e. Az olyan jelenségek, mint a biliárdgolyók ütközései, amelyeket a kvantummechanika önmagában nem tud megmagyarázni, továbbra is szilárdan a klasszikus fizika területén belül helyezkednek el. A káoszelmélet, amely 1980-tól kezdve fejlődött ki, a két elmélet közötti kapcsolat egy másik aspektusát tárja fel. A káoszelmélet azt vizsgálja, hogy két, egymástól nagyon kis mértékben eltérő kezdeti állapot hogyan fejlődik az idő múlásával. A kvantummechanikában azonban vannak olyan esetek, amikor a „két, egymástól nagyon kis mértékben eltérő kezdeti állapot” fogalmának jelentése nem határozható meg egyértelműen. Ez azt jelenti, hogy a káoszelmélet csak a klasszikus fizika területén belül érvényesülhet.
A kvantummechanika és a klasszikus fizika azonban érdekes módon összekapcsolódik. Ha feltételezzük az atomból kiszabaduló elektron szélsőséges feltételeit, akkor figyelemre méltó módon a kvantummechanika egyenletei a klasszikus fizika által levezetett egyenletekkel összhangban lévő alakot öltenek. Ez azt jelzi, hogy a két elmélet, amelyek mindegyike a jelenségek különböző területeit magyarázza, szélsőséges körülmények között e területek határán találkozik, sima kapcsolatot képezve. Ezen a kapcsolaton keresztül a klasszikus fizika és a kvantummechanika a fizikát alkotó kiegészítő részekként nyilvánul meg.
Ha a klasszikus fizikát elvetették volna és eltűnt volna, vagy ha a klasszikus fizika és a kvantummechanika nem tudott volna zökkenőmentesen eggyé kapcsolódni, a 20. századi fizika fejlődésének értékelése vita tárgyát képezte volna. Ha azonban a fizika egészét, ahogyan ma ismerjük, figyelembe vesszük, hogy maga a kvantummechanika megjelenése is a fizika fejlődését eredményezte. A klasszikus fizikának, a speciális relativitáselméletnek és a kvantummechanikának köszönhetően egy „sokszínű, mégis összekapcsolódó fizikát” értünk el egy „sokszínű, mégis összekapcsolódó világ” számára.
