Tento blogový príspevok skúma, ako kvantová mechanika a klasická fyzika, napriek tomu, že majú odlišné rámce, vykazujú identické riešenia za špecifických extrémnych podmienok, čím sa zbližujú do jednej fyziky.
Fyzika prešla v 20. storočí zásadnou transformáciou. Najmä vznik špeciálnej relativity a kvantovej mechaniky priniesol revolučné zmeny. Pri pohľade z pohľadu vedeckého pokroku však tieto dva príklady odhaľujú odlišné charakteristiky.
Špeciálna teória relativity, publikovaná v roku 1905, nielenže zmenila základné fyzikálne koncepty, ako je čas a priestor, ale si tiež vyžiadala prepísanie mnohých vzorcov, ktoré sa vo fyzike objavujú. Patrí sem aj pravidlo sčítania rýchlostí, ktoré bolo dlho akceptované ako platný vzorec pre relatívny pohyb. Tento zákon vysvetľuje bežné pozorovanie, že vlak idúci rýchlosťou 150 km/h vidí na koľajniciach iný vlak pohybujúci sa v opačnom smere rýchlosťou 150 km/h, ktorý sa zdá byť unikajúci rýchlosťou 300 km/h. Podľa špeciálnej teórie relativity však tento zákon sčítania nie je presný.
To neznamená, že klasická fyzika bola novou teóriou úplne negovaná. Aj z pohľadu špeciálnej relativity poskytujú rovnice klasickej fyziky dostatočne presné popisy a predpovede pre väčšinu situácií. Napríklad, ak by sa spomínaný vlak pohyboval rýchlosťou 150 000 km/s, medzi novou teóriou a výpočtami klasickej fyziky by vznikol zjavný rozpor. Avšak aj pri rýchlostiach presahujúcich rýchlosť zvuku, okolo 1 500 km/h, výsledky oboch výpočtov poskytujú dostatočne dobré aproximácie. Zatiaľ čo špeciálna teória relativity plne zahŕňa vysvetľujúcu silu klasickej fyziky, klasická fyzika zostáva platná v obmedzenej oblasti použiteľnosti špeciálnej teórie – konkrétne v podmienke, že „rýchlosť nie je nijako zvlášť vysoká“. Z tohto pohľadu môžeme s istotou tvrdiť, že špeciálna teória relativity dosiahla pokrok vo fyzike tým, že zahrnula klasickú fyziku a zároveň rozšírila oblasť vysvetľovania a predikcie.
Ako je to teda s kvantovou mechanikou? V roku 1910 sa fyzici snažili vysvetliť dynamické stavy elektrónov patriacich atómom, ale klasická fyzika sa ukázala ako neschopná takéhoto vysvetlenia. Fyzici nakoniec zostrojili rámec kvantovej mechaniky založený na predpokladoch nezlučiteľných s klasickou fyzikou, čím konečne poskytli presné a konzistentné vysvetlenie problematických javov. Zatiaľ čo pohyb voľných elektrónov bez obmedzení atómami možno vysvetliť klasickou fyzikou, kvantová mechanika je nevyhnutná na opis elektrónov v atómoch. Keď elektrón vo vnútri atómu získa dostatočnú energiu, stane sa voľným elektrónom. To sa podobá na to, ako sa elektrón uvoľní a prejde z oblasti kvantovej mechaniky do oblasti klasickej fyziky.
Problém je v tom, že rovnice kvantovej mechaniky nedokážu efektívne vysvetliť javy, ktoré klasická fyzika úspešne opísala. To vyvoláva otázku, či vznik kvantovej mechaniky skutočne znamená pokrok vo fyzike. Javy ako zrážky biliardových gúľ, ktoré samotná kvantová mechanika nedokáže vysvetliť, stále pevne patria do oblasti klasickej fyziky. Teória chaosu, ktorá sa rozvíjala od roku 1980, odhaľuje ďalší aspekt vzťahu medzi týmito dvoma teóriami. Teória chaosu skúma, ako sa dva počiatočné stavy, ktoré sa veľmi mierne líšia, vyvíjajú v priebehu času. V kvantovej mechanike však existujú prípady, keď význam pojmu „dva počiatočné stavy, ktoré sa veľmi mierne líšia“, nemožno jasne definovať. To znamená, že teória chaosu môže platiť iba v rámci klasickej fyziky.
Kvantová mechanika a klasická fyzika sú však zvláštnym spôsobom prepojené. Ak predpokladáme extrémne podmienky zodpovedajúce elektrónu práve uvoľnenému z atómu, rovnice kvantovej mechaniky pozoruhodne nadobudnú tvar konzistentný s rovnicami odvodenými klasickou fyzikou. To naznačuje, že tieto dve teórie, z ktorých každá vysvetľuje odlišné oblasti javov, sa stretávajú na hranici medzi týmito oblasťami za extrémnych podmienok a vytvárajú hladké prepojenie. Prostredníctvom tohto prepojenia sa klasická fyzika a kvantová mechanika etablujú ako doplnkové časti tvoriace fyziku.
Keby bola klasická fyzika zavrhnutá a zmizla, alebo keby sa klasická fyzika a kvantová mechanika nedokázali bezproblémovo prepojiť do jedného celku, hodnotenie pokroku fyziky 20. storočia by bolo predmetom diskusie. Keď však vezmeme do úvahy celú fyziku, ako ju poznáme dnes, je jasné, že samotný vznik kvantovej mechaniky viedol k pokroku fyziky. Vďaka klasickej fyzike, špeciálnej relativite a kvantovej mechanike sme získali „rozmanitú, no zároveň prepojenú fyziku“ pre „rozmanitý, no zároveň prepojený svet“.
