Artikel blog ini mengkaji bagaimana mekanika kuantum dan fisika klasik, meskipun memiliki kerangka kerja yang berbeda, menunjukkan solusi yang identik dalam kondisi ekstrem tertentu, sehingga menyatu menjadi satu fisika tunggal.
Fisika mengalami transformasi besar pada abad ke-20. Kemunculan relativitas khusus dan mekanika kuantum, khususnya, membawa perubahan revolusioner. Namun, jika dilihat dari perspektif bagaimana kemajuan ilmiah terjadi, kedua contoh ini menunjukkan karakteristik yang berbeda.
Teori relativitas khusus, yang diterbitkan pada tahun 1905, tidak hanya mengubah konsep-konsep fundamental fisika seperti waktu dan ruang, tetapi juga mengharuskan penulisan ulang banyak rumus yang muncul dalam fisika. Ini termasuk aturan penjumlahan untuk kecepatan, yang telah lama diterima sebagai rumus yang valid untuk gerak relatif. Hukum ini menjelaskan pengamatan akal sehat bahwa kereta yang melaju dengan kecepatan 150 km/jam melihat kereta lain di rel yang bergerak berlawanan arah dengan kecepatan 150 km/jam tampak melaju dengan kecepatan 300 km/jam. Namun, menurut teori relativitas khusus, hukum penjumlahan ini tidak akurat.
Ini tidak berarti fisika klasik sepenuhnya dinegasikan oleh teori baru. Bahkan dari perspektif relativitas khusus, persamaan fisika klasik memberikan deskripsi dan prediksi yang cukup akurat untuk sebagian besar situasi. Misalnya, jika kereta yang disebutkan sebelumnya melaju dengan kecepatan 150,000 km/s, akan muncul perbedaan yang jelas antara teori baru dan perhitungan fisika klasik. Namun, bahkan pada kecepatan yang melebihi kecepatan suara, sekitar 1,500 km/jam, hasil dari kedua perhitungan tersebut memberikan perkiraan yang cukup baik. Meskipun teori relativitas khusus sepenuhnya mencakup kekuatan penjelasan fisika klasik, fisika klasik tetap valid dalam domain terbatas penerapan teori khusus—yaitu, kondisi bahwa 'kecepatannya tidak terlalu tinggi'. Dilihat dari sudut pandang ini, kita dapat dengan yakin menyatakan bahwa teori relativitas khusus mencapai kemajuan dalam fisika dengan mencakup fisika klasik sambil memperluas ranah penjelasan dan prediksi.
Lalu, bagaimana dengan mekanika kuantum? Pada tahun 1910, para fisikawan berupaya menjelaskan keadaan dinamis elektron yang terdapat dalam atom, tetapi fisika klasik terbukti tidak mampu memberikan penjelasan tersebut. Pada akhirnya, para fisikawan membangun kerangka mekanika kuantum berdasarkan premis yang tidak sesuai dengan fisika klasik, sehingga akhirnya memberikan penjelasan yang akurat dan konsisten untuk fenomena yang bermasalah tersebut. Meskipun gerakan elektron bebas yang tidak dibatasi oleh atom dapat dijelaskan oleh fisika klasik, mekanika kuantum diperlukan untuk menggambarkan elektron di dalam atom. Ketika sebuah elektron di dalam atom memperoleh energi yang cukup, ia menjadi elektron bebas. Ini menyerupai elektron yang terlepas dan berpindah dari ranah mekanika kuantum ke ranah fisika klasik.
Masalahnya adalah persamaan mekanika kuantum gagal menjelaskan secara efektif fenomena yang telah berhasil dijelaskan oleh fisika klasik. Hal ini menimbulkan pertanyaan apakah kemunculan mekanika kuantum benar-benar menandakan kemajuan dalam fisika. Fenomena seperti tumbukan bola biliar, yang tidak dapat dijelaskan hanya oleh mekanika kuantum, masih berada dalam ranah fisika klasik. Teori kekacauan, yang berkembang sejak tahun 1980, mengungkapkan sisi lain dari hubungan antara kedua teori tersebut. Teori kekacauan meneliti bagaimana dua keadaan awal yang sedikit berbeda berevolusi seiring waktu. Namun, dalam mekanika kuantum, ada kasus di mana makna konsep 'dua keadaan awal yang sedikit berbeda' tidak dapat didefinisikan dengan jelas. Ini menyiratkan bahwa teori kekacauan hanya dapat berlaku dalam wilayah fisika klasik.
Namun, mekanika kuantum dan fisika klasik memiliki hubungan yang menarik. Jika kita mengasumsikan kondisi ekstrem yang sesuai dengan elektron yang baru saja dilepaskan dari atom, secara luar biasa, persamaan mekanika kuantum mengambil bentuk yang konsisten dengan persamaan yang diturunkan oleh fisika klasik. Ini menunjukkan bahwa kedua teori tersebut, yang masing-masing menjelaskan domain fenomena yang berbeda, bertemu di batas antara domain-domain ini dalam kondisi ekstrem, membentuk hubungan yang mulus. Melalui hubungan ini, fisika klasik dan mekanika kuantum menetapkan diri sebagai bagian komplementer yang membentuk fisika.
Seandainya fisika klasik dibuang dan lenyap, atau seandainya fisika klasik dan mekanika kuantum gagal terhubung secara mulus menjadi satu, evaluasi kemajuan fisika abad ke-20 akan menjadi bahan perdebatan. Namun, ketika kita mempertimbangkan keseluruhan fisika seperti yang kita kenal saat ini, menjadi jelas bahwa munculnya mekanika kuantum itu sendiri menghasilkan kemajuan bagi fisika. Berkat fisika klasik, relativitas khusus, dan mekanika kuantum, kita telah memperoleh 'fisika yang beragam namun saling terhubung' untuk 'dunia yang beragam namun saling terhubung'.
