Questo articolo del blog esamina come la meccanica quantistica e la fisica classica, pur avendo quadri di riferimento diversi, presentino soluzioni identiche in condizioni estreme specifiche, convergendo così in un'unica fisica.
La fisica ha subito una profonda trasformazione nel XX secolo. L'emergere della relatività speciale e della meccanica quantistica, in particolare, ha portato cambiamenti rivoluzionari. Tuttavia, se osservati dal punto di vista del progresso scientifico, questi due esempi rivelano caratteristiche distinte.
La teoria della relatività ristretta, pubblicata nel 1905, non solo alterò concetti fondamentali della fisica come il tempo e lo spazio, ma rese anche necessaria la riscrittura di molte delle formule che compaiono in fisica. Tra queste, la regola di addizione per le velocità, da tempo accettata come formula valida per il moto relativo. Questa legge spiega l'osservazione di buon senso secondo cui un treno che viaggia a 150 km/h vede un altro treno sui binari che si muove nella direzione opposta a 150 km/h, apparentemente in fuga a 300 km/h. Tuttavia, secondo la teoria della relatività ristretta, questa legge di addizione non è accurata.
Ciò non significa che la fisica classica sia stata completamente annullata dalla nuova teoria. Anche dal punto di vista della relatività ristretta, le equazioni della fisica classica forniscono descrizioni e previsioni sufficientemente accurate per la maggior parte delle situazioni. Ad esempio, se il treno menzionato in precedenza viaggiasse a 150,000 km/s, emergerebbe una chiara discrepanza tra la nuova teoria e i calcoli della fisica classica. Tuttavia, anche a velocità superiori a quella del suono, intorno ai 1,500 km/h, i risultati di entrambi i calcoli forniscono approssimazioni sufficientemente buone. Sebbene la teoria della relatività ristretta comprenda appieno il potere esplicativo della fisica classica, quest'ultima rimane valida entro il ristretto ambito di applicabilità della teoria ristretta, ovvero la condizione che "la velocità non sia particolarmente elevata". Da questo punto di vista, possiamo affermare con sicurezza che la teoria della relatività ristretta ha compiuto progressi in fisica includendo la fisica classica e ampliando al contempo il campo della spiegazione e della previsione.
Qual è, dunque, il caso della meccanica quantistica? Nel 1910, i fisici cercarono di spiegare gli stati dinamici degli elettroni appartenenti agli atomi, ma la fisica classica si dimostrò incapace di fornire una tale spiegazione. Alla fine, i fisici costruirono il quadro della meccanica quantistica basandosi su premesse incompatibili con la fisica classica, fornendo così una spiegazione accurata e coerente per i fenomeni problematici. Mentre il moto degli elettroni liberi, non vincolati dagli atomi, può essere spiegato dalla fisica classica, la meccanica quantistica è necessaria per descrivere gli elettroni all'interno degli atomi. Quando un elettrone all'interno di un atomo acquisisce energia sufficiente, diventa un elettrone libero. Questo fenomeno assomiglia all'elettrone che si libera e passa dal dominio della meccanica quantistica a quello della fisica classica.
Il problema è che le equazioni della meccanica quantistica non riescono a spiegare efficacemente i fenomeni che la fisica classica ha descritto con successo. Ciò solleva la questione se l'emergere della meccanica quantistica significhi davvero un progresso in fisica. Fenomeni come le collisioni di palle da biliardo, che la meccanica quantistica da sola non può spiegare, risiedono ancora saldamente nel dominio della fisica classica. La teoria del caos, sviluppatasi a partire dal 1980, rivela un altro aspetto della relazione tra le due teorie. La teoria del caos esamina come due stati iniziali leggermente diversi evolvono nel tempo. Tuttavia, in meccanica quantistica, ci sono casi in cui il significato del concetto di "due stati iniziali leggermente diversi" non può essere definito chiaramente. Ciò implica che la teoria del caos può essere applicata solo nell'ambito della fisica classica.
Tuttavia, la meccanica quantistica e la fisica classica sono curiosamente connesse. Se assumiamo le condizioni estreme corrispondenti a un elettrone appena rilasciato da un atomo, sorprendentemente, le equazioni della meccanica quantistica assumono una forma coerente con quelle derivate dalla fisica classica. Ciò indica che le due teorie, ciascuna delle quali spiega distinti domini di fenomeni, si incontrano al confine tra questi domini in condizioni estreme, formando una connessione fluida. Attraverso questa connessione, la fisica classica e la meccanica quantistica si affermano come parti complementari che costituiscono la fisica.
Se la fisica classica fosse stata abbandonata e scomparsa, o se la fisica classica e la meccanica quantistica non fossero riuscite a integrarsi perfettamente, la valutazione del progresso della fisica del XX secolo sarebbe stata oggetto di dibattito. Tuttavia, se consideriamo la fisica nel suo complesso come la conosciamo oggi, diventa chiaro che l'emergere della meccanica quantistica ha portato con sé un progresso per la fisica. Grazie alla fisica classica, alla relatività speciale e alla meccanica quantistica, abbiamo acquisito una "fisica diversificata ma interconnessa" per un "mondo diversificato ma interconnesso".
