W tym wpisie na blogu analizujemy, w jaki sposób mechanika kwantowa i fizyka klasyczna, mimo że bazują na różnych ramach, wykazują identyczne rozwiązania w określonych ekstremalnych warunkach, łącząc się tym samym w jedną fizykę.
Fizyka przeszła ogromną transformację w XX wieku. Pojawienie się szczególnej teorii względności i mechaniki kwantowej, w szczególności, przyniosło rewolucyjne zmiany. Jednak patrząc z perspektywy postępu naukowego, te dwa przykłady ujawniają odmienne cechy.
Szczególna teoria względności, opublikowana w 1905 roku, nie tylko zmieniła fundamentalne pojęcia fizyki, takie jak czas i przestrzeń, ale także wymusiła przepisanie wielu wzorów fizycznych. Dotyczy to między innymi reguły dodawania prędkości, od dawna uznawanej za obowiązującą dla ruchu względnego. Prawo to wyjaśnia zdroworozsądkową obserwację, że pociąg jadący z prędkością 150 km/h widzi na torach inny pociąg poruszający się w przeciwnym kierunku z prędkością 150 km/h, który wydaje się uciekać z prędkością 300 km/h. Jednak zgodnie ze szczególną teorią względności to prawo dodawania nie jest dokładne.
Nie oznacza to, że nowa teoria całkowicie zniweczyła fizykę klasyczną. Nawet z perspektywy szczególnej teorii względności równania fizyki klasycznej dostarczają wystarczająco dokładnych opisów i przewidywań dla większości sytuacji. Na przykład, gdyby wspomniany wcześniej pociąg poruszał się z prędkością 150 000 km/s, powstałaby wyraźna rozbieżność między nową teorią a obliczeniami fizyki klasycznej. Jednak nawet przy prędkościach przekraczających prędkość dźwięku, około 1,500 km/h, wyniki obu obliczeń zapewniają wystarczająco dobre przybliżenia. Podczas gdy szczególna teoria względności w pełni wykorzystuje moc wyjaśniającą fizyki klasycznej, fizyka klasyczna pozostaje ważna w ograniczonym zakresie stosowalności teorii szczególnej – mianowicie warunku, że „prędkość nie jest szczególnie wysoka”. Patrząc z tej perspektywy, możemy śmiało stwierdzić, że szczególna teoria względności osiągnęła postęp w fizyce, obejmując fizykę klasyczną, a jednocześnie rozszerzając zakres wyjaśnień i przewidywań.
Jak zatem wygląda sytuacja z mechaniką kwantową? W 1910 roku fizycy próbowali wyjaśnić stany dynamiczne elektronów należących do atomów, ale fizyka klasyczna okazała się niezdolna do takiego wyjaśnienia. Ostatecznie fizycy zbudowali ramy mechaniki kwantowej w oparciu o przesłanki niezgodne z fizyką klasyczną, dostarczając w ten sposób dokładnego i spójnego wyjaśnienia problematycznych zjawisk. Podczas gdy ruch swobodnych elektronów, nieskrępowanych przez atomy, można wyjaśnić za pomocą fizyki klasycznej, mechanika kwantowa jest niezbędna do opisu elektronów w atomach. Kiedy elektron wewnątrz atomu uzyska wystarczającą energię, staje się elektronem swobodnym. Przypomina to uwolnienie elektronu i przejście z dziedziny mechaniki kwantowej do dziedziny fizyki klasycznej.
Problem polega na tym, że równania mechaniki kwantowej nie potrafią skutecznie wyjaśnić zjawisk, które fizyka klasyczna z powodzeniem opisała. Nasuwa się zatem pytanie, czy pojawienie się mechaniki kwantowej rzeczywiście oznacza postęp w fizyce. Zjawiska takie jak zderzenia kul bilardowych, których sama mechanika kwantowa nie jest w stanie wyjaśnić, wciąż tkwią w domenie fizyki klasycznej. Teoria chaosu, rozwijana od 1980 roku, ujawnia kolejny aspekt relacji między tymi dwiema teoriami. Teoria chaosu bada, jak dwa nieznacznie różniące się stany początkowe ewoluują w czasie. Jednak w mechanice kwantowej istnieją przypadki, w których znaczenia pojęcia „dwa nieznacznie różniące się stany początkowe” nie da się jednoznacznie zdefiniować. Oznacza to, że teoria chaosu może obowiązywać jedynie w obrębie fizyki klasycznej.
Mechanika kwantowa i fizyka klasyczna są jednak ze sobą w osobliwy sposób powiązane. Jeśli założymy ekstremalne warunki odpowiadające elektronowi uwolnionemu z atomu, to, co zadziwiające, równania mechaniki kwantowej przyjmują postać zgodną z równaniami wyprowadzonymi przez fizykę klasyczną. Wskazuje to, że te dwie teorie, z których każda wyjaśnia odrębne dziedziny zjawisk, spotykają się na granicy tych dziedzin w ekstremalnych warunkach, tworząc płynne połączenie. Dzięki temu powiązaniu fizyka klasyczna i mechanika kwantowa stają się komplementarnymi elementami fizyki.
Gdyby fizyka klasyczna została odrzucona i zniknęła, albo gdyby fizyka klasyczna i mechanika kwantowa nie połączyły się płynnie w jedną całość, ocena postępu fizyki XX wieku byłaby przedmiotem debaty. Jednak gdy spojrzymy na całość fizyki, jaką znamy dzisiaj, staje się jasne, że samo pojawienie się mechaniki kwantowej doprowadziło do postępu w fizyce. Dzięki fizyce klasycznej, szczególnej teorii względności i mechanice kwantowej zyskaliśmy „zróżnicowaną, a zarazem powiązaną fizykę” dla „zróżnicowanego, a zarazem powiązanego świata”.
