Klassieke fysica en werkelijkheid

Klassieke fysica is een ontwikkeling die ongeveer driehonderd jaar geduurd heeft en die begonnen is door Galileo, Newton en anderen. In de mechanica van Newton kan materie worden voorgesteld als een agregaat van massapunten, waarbij de toestand van elk massapunt wordt gespecificeerd door middel van zes getallen: drie coordinaten en drie snelheden. In de klassieke zienswijze heeft een deeltje een positie en snelheid en zijn deze eigenschappen reëel en definieren de toestand van het deeltje. Als de toestand bekend is op enig tijdstip, dan kunnen alle toestanden in zowel de toekomst als het verleden berekend worden uit de bewegingswetten (bijvoorbeeld $\vec F = m \vec a$). Het bouwwerk was compleet met het werk over elektromagnetisme van Maxwell, de optica van Hertz en de statistische mechanica van Boltzmann. Al deze theorieën hebben globaal dezelfde logische structuur: er is een objectieve werkelijkheid, onafhankelijk van ons - de waarnemers -, die we door onze zintuigen kunnen waarnemen. De gebeurtenissen in deze wereld volgen een strikte causale ontwikkeling, bepaald door strikte wetten in ruimte en tijd. De ruimte en tijd waarin deze gebeurtenissen plaatsvinden zijn de absolute ruimte en tijd van Newton en identiek aan wat we gewend zijn in het dagelijkse leven. Met causale ontwikkeling bedoelen we: stel dat we op een gegeven tijdstip complete kennis hebben van de toestand van een fysisch object (bijvoorbeeld een deeltje of een elektromagnetisch veld), dan kan de toekomstige ontwikkeling van dat object (maar ook de ontwikkeling terug in de tijd) met mathematische precisie uit de natuurwetten afgeleid worden en is exact voorspelbaar.

Het was Einstein die in 1905 een ontwikkeling op gang bracht die afweek van de logische structuur van de klassieke fysica. Teneinde het foto-elektrisch effect te verklaren nam hij aan dat licht bestaat uit quanta en dat deze deeltjes (fotonen) elk een energie $E=h\nu$, als ook een aantal andere eigenschappen van materiële deeltjes bezitten. Dit beeld van discontinue emissie- en absorptieprocessen, alsook een discontinue verandering in het aantal fotonen, staat op gespannen voet met de klassieke theorie. Het is correct dat dergelijke discrete gebeurtenissen niet direct in strijd met de klassieke fysica hoeven te zijn. Echter, dan nemen we aan dat deze gebeurtenissen worden veroorzaakt door een bepaalde invloed, en als we deze oorzaak kennen, dan kunnen we bijvoorbeeld weer exact voorspellen op welk tijdstip de emissie van een foton zal plaatsvinden. Met de ontwikkeling van het atoommodel van Bohr in 1913 werd het echter snel duidelijk dat het exacte tijdstip van dergelijke emissies niet voorspelbaar is en dat deze ook niet worden veroorzaakt door een invloed van buiten. Het atoommodel van Bohr gaat er van uit dat

• een atoom kan bestaan zonder straling uit te zenden in elk van een discrete set stationaire toestanden met een precies bepaalde energie, zeg $E_n$ met $n=0, 1, ...$;
• een atoom kan enkel straling uitzenden en absorberen als er een transitie plaatsvindt tussen deze stationaire toestanden. De frequentie van de straling wordt gegeven door
  

  $$h\nu_{if} = E_i - E_f        ({\rm Frequentieconditie van Bohr}).$$ (742)

  
  
  Hierbij zijn $E_i$ en $E_f$ de energie van de begin- en eindtoestand die betrokken is in de transitie.
• Er bestaat een laagste toestand, de grondtoestand van een atoom, met energie $E_0$. Deze toestand is stabiel en het atoom kan in deze toestand geen straling uitzenden.

Uit de analyse van de straling van een zwart lichaam volgt dat emissie en absorptie spontaan optreden. Verder kwam men tot de conclusie dat wanneer atomen in een aangeslagen toestand met energie $E_n$ komen, de verblijftijden in deze toestand een waarschijnlijkheidsverdeling volgen. Enkel de gemiddelde verblijftijd, gemeten voor een groot aantal identieke atomen in dezelfde aangeslagen toestand, is bepaald en is een karakteristieke eigenschap van een atoom in de desbetreffende aangeslagen toestand. Dit was voor het eerst in de natuurkunde dat statistische beschouwingen en kansberekening optraden in de wetten die individuele fysische objecten beschrijven. Voorheen werd statistiek enkel toegepast op een verzameling van een groot aantal objecten, indien men niet geinteresseerd was in het individuele gedrag, maar waarbij elk individueel object wel de strikte causale wetten van de klassieke mechanica volgt. Op basis van klassieke fysica is het onmogelijk te begrijpen dat in de laagste toestand van een atoom een elektron eeuwig kan rondcirkelen om een kern zonder elektromagnetische straling uit te zenden. Verder kan men op basis van de klassieke fysica niet de aard van de quantumsprongen in een dergelijk systeem begrijpen. Ook de analyse van het statistische gedrag en de onvoorspelbaarheid van bijvoorbeeld het radioactieve verval van deeltjes laat geen twijfel bestaan over de realiteit van de intrinsieke onvoorspelbaarheid van de natuur.

Soms wordt het argument gebruikt dat klassieke mechanica een complete theorie is, in de zin dat geen onbekend mechanisme buiten beschouwing wordt gelaten. Het is echter zo dat quantummechanica de klassieke mechanica bevat als een speciaal geval. Als we het gedrag van deeltjes beschouwen met toenemende massa, dan zullen volgens de wetten van de quantummechanica, vanwege de `kleinheid' van de constante van Planck, alle waarschijnlijkheidsverdelingen contraheren tot bijna zekerheden. Het wordt dan mogelijk om bijna scherpe waarden toe te kennen aan positie en snelheid en het gedrag van dergelijke deeltjes wordt praktisch deterministisch. Aangezien quantummechanica dus in deze limiet een deterministische theorie wordt, en de klassieke mechanica als speciaal geval bevat, is het moeilijk zich voor te stellen dat quantummechanica geen complete theorie zou zijn.