Dette blogginnlegget undersøker hvordan kvantemekanikk og klassisk fysikk, til tross for at de har forskjellige rammeverk, viser identiske løsninger under spesifikke ekstreme forhold, og dermed konvergerer til én enkelt fysikk.
Fysikken gjennomgikk en stor forandring i det 20. århundre. Fremveksten av spesiell relativitetsteori og kvantemekanikk, spesielt, medførte revolusjonerende endringer. Men sett fra perspektivet til hvordan vitenskapelige fremskritt skjer, avslører disse to eksemplene tydelige kjennetegn.
Den spesielle relativitetsteorien, publisert i 1905, endret ikke bare grunnleggende fysikkbegreper som tid og rom, men nødvendiggjorde også omskrivning av mange av formlene som brukes i fysikken. Dette inkluderer addisjonsregelen for hastigheter, lenge akseptert som en gyldig formel for relativ bevegelse. Denne loven forklarer den sunne fornuft-observasjonen om at et tog som kjører i 150 km/t ser et annet tog på sporene som beveger seg i motsatt retning med 150 km/t, tilsynelatende flykte i 300 km/t. I følge den spesielle relativitetsteorien er imidlertid denne addisjonsloven ikke nøyaktig.
Dette betyr ikke at klassisk fysikk ble fullstendig negert av den nye teorien. Selv fra et perspektiv av spesiell relativitetsteori gir ligningene i klassisk fysikk tilstrekkelig nøyaktige beskrivelser og prediksjoner for de fleste situasjoner. Hvis for eksempel toget nevnt tidligere kjørte i 150 000 km/s, ville det oppstå et klart avvik mellom den nye teorien og klassiske fysikkberegninger. Men selv ved hastigheter som overstiger lydhastigheten, rundt 1,500 km/t, gir resultatene av begge beregningene tilstrekkelig gode tilnærminger. Mens den spesielle relativitetsteorien fullt ut omfatter forklaringskraften til klassisk fysikk, forblir klassisk fysikk gyldig innenfor det begrensede området for den spesielle teoriens anvendelighet – nemlig betingelsen om at «hastigheten ikke er spesielt høy». Sett på denne måten kan vi med sikkerhet hevde at den spesielle relativitetsteorien oppnådde fremskritt i fysikken ved å omfatte klassisk fysikk samtidig som den utvidet forklarings- og prediksjonsområdet.
Hva er så tilfellet med kvantemekanikken? I 1910 forsøkte fysikere å forklare de dynamiske tilstandene til elektroner som tilhører atomer, men klassisk fysikk viste seg å være ute av stand til å gi en slik forklaring. Til syvende og sist konstruerte fysikere rammeverket for kvantemekanikk basert på premisser som var uforenlige med klassisk fysikk, og ga dermed til slutt en nøyaktig og konsistent forklaring på de problematiske fenomenene. Mens bevegelsen av frie elektroner uhindret av atomer kan forklares med klassisk fysikk, er kvantemekanikk nødvendig for å beskrive elektroner i atomer. Når et elektron inne i et atom får tilstrekkelig energi, blir det et fritt elektron. Dette ligner på at elektronet bryter løs og krysser over fra kvantemekanikkens domene til klassisk fysikks domene.
Problemet er at kvantemekanikkens ligninger ikke klarer å effektivt forklare fenomener som klassisk fysikk har beskrevet med suksess. Dette reiser spørsmålet om kvantemekanikkens fremvekst virkelig betyr fremskritt innen fysikk. Fenomener som biljardkulekollisjoner, som kvantemekanikk alene ikke kan forklare, ligger fortsatt godt innenfor klassisk fysikks domene. Kaosteorien, som utviklet seg fra 1980 og utover, avslører en annen fasett av forholdet mellom de to teoriene. Kaosteorien undersøker hvordan to starttilstander som er svært lite forskjellige, utvikler seg over tid. Imidlertid finnes det i kvantemekanikk tilfeller der betydningen av konseptet «to starttilstander som er svært lite forskjellige» ikke kan defineres klart. Dette innebærer at kaosteorien bare kan holde innenfor klassisk fysikks territorium.
Kvantemekanikk og klassisk fysikk er imidlertid merkelig nok forbundet. Hvis vi antar de ekstreme forholdene som korresponderer med et elektron som nettopp er frigjort fra et atom, tar kvantemekanikkens ligninger bemerkelsesverdig nok en form som er konsistent med de som er utledet av klassisk fysikk. Dette indikerer at de to teoriene, som hver forklarer forskjellige domener av fenomener, møtes ved grensen mellom disse domenene under ekstreme forhold og danner en jevn forbindelse. Gjennom denne forbindelsen etablerer klassisk fysikk og kvantemekanikk seg som komplementære deler som utgjør fysikken.
Hadde klassisk fysikk blitt forkastet og forsvunnet, eller hadde klassisk fysikk og kvantemekanikk ikke klart å knytte seg sømløst til ett, ville evalueringen av fysikkens fremskritt i det 20. århundre vært et debattemne. Men når vi ser på helheten av fysikken slik vi kjenner den i dag, blir det tydelig at fremveksten av kvantemekanikk i seg selv resulterte i fremskritt for fysikken. Takket være klassisk fysikk, spesiell relativitetsteori og kvantemekanikk har vi fått en «mangfoldig, men sammenkoblet fysikk» for en «mangfoldig, men sammenkoblet verden».
