In dit blogbericht wordt onderzocht hoe de kwantummechanica en de klassieke natuurkunde, ondanks hun verschillende theoretische kaders, onder specifieke extreme omstandigheden identieke oplossingen vertonen en daardoor samenkomen in één enkele natuurkunde.
De natuurkunde onderging in de 20e eeuw een grote transformatie. Vooral de opkomst van de speciale relativiteitstheorie en de kwantummechanica brachten revolutionaire veranderingen teweeg. Toch vertonen deze twee voorbeelden, bekeken vanuit het perspectief van hoe wetenschappelijke vooruitgang tot stand komt, verschillende kenmerken.
De speciale relativiteitstheorie, gepubliceerd in 1905, veranderde niet alleen fundamentele natuurkundige concepten zoals tijd en ruimte, maar maakte het ook noodzakelijk om veel formules in de natuurkunde te herschrijven. Dit geldt ook voor de optelregel voor snelheden, die lange tijd werd geaccepteerd als een geldige formule voor relatieve beweging. Deze wet verklaart de logische waarneming dat een trein die met 150 km/u rijdt, een andere trein op de rails die in tegengestelde richting met 150 km/u rijdt, lijkt te vluchten met 300 km/u. Volgens de speciale relativiteitstheorie is deze optelregel echter niet correct.
Dit betekent niet dat de klassieke natuurkunde volledig werd ontkracht door de nieuwe theorie. Zelfs vanuit het perspectief van de speciale relativiteitstheorie bieden de vergelijkingen van de klassieke natuurkunde voldoende nauwkeurige beschrijvingen en voorspellingen voor de meeste situaties. Als de eerder genoemde trein bijvoorbeeld met 150,000 km/s zou rijden, zou er een duidelijk verschil ontstaan tussen de nieuwe theorie en de berekeningen van de klassieke natuurkunde. Zelfs bij snelheden boven de geluidssnelheid, rond de 1,500 km/u, leveren de resultaten van beide berekeningen echter voldoende goede benaderingen op. Hoewel de speciale relativiteitstheorie de verklarende kracht van de klassieke natuurkunde volledig omvat, blijft de klassieke natuurkunde geldig binnen het beperkte toepassingsgebied van de speciale theorie, namelijk onder de voorwaarde dat 'de snelheid niet bijzonder hoog is'. Vanuit dit perspectief kunnen we met vertrouwen stellen dat de speciale relativiteitstheorie vooruitgang in de natuurkunde heeft geboekt door de klassieke natuurkunde te omvatten en tegelijkertijd het domein van verklaring en voorspelling uit te breiden.
Wat is dan het geval met de kwantummechanica? In 1910 probeerden natuurkundigen de dynamische toestanden van elektronen in atomen te verklaren, maar de klassieke natuurkunde bleek daartoe niet in staat. Uiteindelijk construeerden natuurkundigen het raamwerk van de kwantummechanica op basis van uitgangspunten die onverenigbaar waren met de klassieke natuurkunde, waarmee ze eindelijk een nauwkeurige en consistente verklaring boden voor de problematische verschijnselen. Hoewel de beweging van vrije elektronen, die niet door atomen worden beperkt, kan worden verklaard door de klassieke natuurkunde, is kwantummechanica noodzakelijk om elektronen binnen atomen te beschrijven. Wanneer een elektron in een atoom voldoende energie verkrijgt, wordt het een vrij elektron. Dit is vergelijkbaar met het losbreken van een elektron en de overgang van het domein van de kwantummechanica naar dat van de klassieke natuurkunde.
Het probleem is dat de vergelijkingen van de kwantummechanica er niet in slagen verschijnselen effectief te verklaren die de klassieke natuurkunde wel succesvol heeft beschreven. Dit roept de vraag op of de opkomst van de kwantummechanica werkelijk vooruitgang in de natuurkunde betekent. Verschijnselen zoals botsingen tussen biljartballen, die de kwantummechanica alleen niet kan verklaren, vallen nog steeds stevig binnen het domein van de klassieke natuurkunde. De chaostheorie, die zich vanaf 1980 ontwikkelde, onthult een ander aspect van de relatie tussen de twee theorieën. De chaostheorie onderzoekt hoe twee begintoestanden die slechts een klein beetje van elkaar verschillen, zich in de loop van de tijd ontwikkelen. In de kwantummechanica zijn er echter gevallen waarin de betekenis van het concept 'twee begintoestanden die slechts een klein beetje van elkaar verschillen' niet duidelijk kan worden gedefinieerd. Dit impliceert dat de chaostheorie alleen geldig is binnen het domein van de klassieke natuurkunde.
De kwantummechanica en de klassieke natuurkunde zijn echter op een merkwaardige manier met elkaar verbonden. Als we de extreme omstandigheden aannemen die overeenkomen met een elektron dat net uit een atoom is vrijgekomen, nemen de vergelijkingen van de kwantummechanica opmerkelijk genoeg een vorm aan die consistent is met die welke door de klassieke natuurkunde zijn afgeleid. Dit wijst erop dat de twee theorieën, die elk verschillende domeinen van verschijnselen verklaren, elkaar onder extreme omstandigheden ontmoeten op de grens tussen deze domeinen, waardoor een vloeiende verbinding ontstaat. Door deze verbinding vestigen de klassieke natuurkunde en de kwantummechanica zich als complementaire onderdelen die samen de natuurkunde vormen.
Als de klassieke natuurkunde was verworpen en verdwenen, of als de klassieke natuurkunde en de kwantummechanica niet naadloos in elkaar waren overgegaan, zou de beoordeling van de vooruitgang in de natuurkunde van de 20e eeuw onderwerp van discussie zijn geweest. Echter, wanneer we de natuurkunde zoals we die nu kennen in haar geheel beschouwen, wordt het duidelijk dat de opkomst van de kwantummechanica zelf tot vooruitgang in de natuurkunde heeft geleid. Dankzij de klassieke natuurkunde, de speciale relativiteitstheorie en de kwantummechanica hebben we een 'diverse maar onderling verbonden natuurkunde' gekregen voor een 'diverse maar onderling verbonden wereld'.
