"Einsteinin keskeneräinen vallankumous", kirjoittanut Lee Smolin
(Kuva: © Penguin Press)
Kvanttimekaniikka on vakiintunut tiede. Asia suljettu, kiitos paljon - tai niin monet väittävät.
1920-luvun uraauurtavan työn ansiosta monet ihmiset uskovat, että me tiedämme nyt kaiken, mitä ikinä tarvitsemme tietää liikkeestä atomi- tai alaatomisessa mittakaavassa. Tanskalaisen fyysikon Niels Bohrin ja hänen seuraajiensa mukaan voimme väittää joko atomipartikkelin tarkan sijainnin tai sen etenemissuunnan, mutta emme voi tehdä molempia samanaikaisesti. Tällainen ennustus voi olla vain todennäköistä, ei koskaan täysin tarkkaa.
Teoreettinen fyysikko Lee Smolin, Kanadan Waterloon Teoreettisen fysiikan kehän instituutista, on viettänyt koko uransa haastamalla tämän näkemyksen. Smolin uskoo, että Bohrin voitto on esimerkki karismista, joka tukahduttaa laillisen erimielisyyden jopa sellaisilta merkittäviltä toisinajattelijoilta kuin Albert Einstein ja Erwin Schrödinger.
Nykyään Smolin seuraa Albert Einsteinin jalanjälkiä ja jatkaa pitkää perinnettä, johon kuuluvat myös muut fyysikot, mukaan lukien David Bohm, etsii teoriaa "täydentää" kvanttifysiikkaa sallimalla tarkkoja kuvauksia eikä sumettavia todennäköisyyksiä. Smolinilla on "realistinen" näkökulma toisin kuin "antirealistisella" näkemyksellä Bohrista ja hänen asolyateistaan. Smolin esittelee näkökulmansa "Einsteinin keskeneräinen vallankumous"(Penguin Press, huhtikuu 2019). Space.com kiinni Smolinin kanssa keskustellakseen kirjasta, kuinka uusista ideoista tulee hallitsevia tieteessä ja mitä hänellä on nykyään.
Space.com: Mitä eroa realistisilla ja antirealistisilla lähestymistavoilla on? kvanttimekaniikka?
Lee Smolin: Minulle ero jumalan realistista kvantti-ilmiöistä verrattuna sellaiseen, joka ei ole realisti, on realistina uskot, että on olemassa täydellinen tarina ja siellä on täydellinen kuvaus, jonka voimme saavuttaa mistä tahansa atomiprosessista, kaikesta ydinprosessista, kaikesta, joka tapahtuu subatomisessa maailmassa. Kvanttimekaniikka ei anna niin täydellistä kuvausta jokaisesta prosessista erikseen, joten se ei voi olla täydellinen. Meidän on löydettävä syvempi teoria sen ulkopuolelle. Kvanttimekaniikka on askel kohti ymmärrystä subatominen fysiikka, mutta se ei ole viimeinen vaihe. Joten tehtävänä on mennä syvemmälle ja keksiä tai löytää parempi teoria, joka antaa täydellisen kuvauksen.
Jos olet sitä, jota kutsumme antirealistiksi, luulet, että kvanttimekaniikka sellaisena kuin se kirjoitettiin 1920-luvulla, on mahdollisesti lopullinen teoria, eikä ole mitään motivaatiota katsoa syvemmälle.
Space.com: Viitat ihmisiin, jotka etsivät kvanttiteorian loppuun saattamista, "naiiviksi realisteiksi", koska heidän näkemyksensä eivät tarvitse mutkikkaita perusteluja. Voitko tarkentaa tätä termiä?
Smolin: Naiivi tarkoittaa todella hienostunutta. Naiivi tarkoittaa, että olet kuullut kaikki perusväitteet ajatukselle, että voimme antaa täydellisen kuvauksen maailmasta sellaisena kuin se on ja hylätä ne ja pitää sitä tavoitteenamme ymmärtää luonto kokonaan ja ikään kuin meitä ei olisi täällä. Tiede on kuvaus luonnosta, jonka oletetaan olevan objektiivinen eikä sitä pakota kokeillemme tai ideoillemme tai uskomuksillemme.
Space.com: Tarkoittaako "naiivi" olevansa täysin avoin uusille ideoille ja vakaumuksille?
Smolin: Täysin auki? Ei. Ihmiset unohtavat, että fysiikalla, kuten kaikilla tieteillä, on historia ja perinteet. Ottakaa yksinkertainen idea, kuten vauhti, joka tulisi ymmärtää kaiken 16. ja 17. vuosisadan jälkeen käydyn keskustelun yhteydessä hitausperiaatteesta, suhteellisuusteoriasta ja niin edelleen. Et voi selittää käsitettä, kuten vauhtia, ilman että olet upotettu koko käsitteen historiaan.
Space.com: Kirjasi on selkeä ja selkeä, ja se on ymmärrettävissä ihmisille, joilla on erityyppisiä taustatietoja. Mikä on kirjoitusprosessi?
Smolin: Miksi, kiitos! Otan tuon kohteliaisuutena. Minulla on paljon kokemusta ja paljon käytännössä modernin fysiikan opettamista ei-tutkijoille. Eri yliopistoissa opetin usein "fysiikkaa humanistisille" tai "fysiikkaa runoilijoille" kursseille. Joten minulla on paljon kokemusta erilaisten pedagogisten strategioiden hiomisesta, joita voidaan käyttää kvantfysiikan tai suhteellisuussuhteiden opettamisessa maallikoille.
Tällaisella teoksella on useita yleisöjä samanaikaisesti. Pyydän asiantuntijoita ja kollegoita, mutta lähinnä osoitan maallikkoja. Ja ensimmäinen maallikko, jolla on merkitystä, on toimittaja. Vaadin aina työskentelemistä toimittajan kanssa, jolla on kirjallisuuden, humanistisen tai historian tutkinto - en tiedettä. Minulla on myös useita testilukijoita, joilla ei ole luonnontieteiden koulutusta. He kaikki saivat minut selventämään, selventämään, selventämään ja tarvittaessa kirjoittamaan uudestaan kirjaa. Tämä kirja läpäisi kolme täydellistä uudelleenkirjoitusta. Leikkaushuoneen lattialle ei jäänyt mitään niin sanotusti. Koko ensimmäinen luonnos hylättiin ja käsiteltiin uudelleen, ja tulos oli mielestäni paljon parempi kirja.
Space.com: Ottaen huomioon, että se kirjoitettiin kokonaan useita kertoja, kuinka kauan kirjan kirjoittaminen kesti?
Smolin: Kirjoittaminen ei ole päivätehtäväni; päivätehtäväni on olla teoreettinen fyysikko. Mutta vapaa-ajallani, niin sanoakseni, noin kolme vuotta. Tulee kuukausi tai kuusi viikkoa, jolloin työskentelen ensisijaisesti teoksen kanssa, ja sitten kuluu kuusi kuukautta, mietin ja ajattelen sitä ja sitten syöksyn taas kolmeen viikkoon tai kuukauteen. Joten se oli sellainen kolmen vuoden ajan.
Space.com: Kirjasi kuvaa kvanttifysiikan historiaa 1900-luvun alkupuolella. Miksi Niels Bohrin aloittamasta antirealistisesta kvanttivallankumouksesta tuli hallitseva näkemys - näennäisesti silmänräpäyksessä?
Smolin: Oli kaksi asiaa, jotka toimivat samanaikaisesti. Yksi niistä ja tärkein oli hämmästyttävä kokeellinen menestys. Ihmiskunta meni alle 30 vuoden kuluessa sopeutumisesta ajatukseen, että aine on tehty atomista, kokonaiseen atomifysiikan teoriaan. Ja se työskenteli olennaisesti selittämään spektrit [värien sateenkaaren, joka syntyy erottamalla valon komponentit niiden aallonpituudella], voimat, kemialliset yhdisteet - kaikki! Sitten hyvin nopeasti, ydinfysiikka, hiukkasfysiikka, kuinka tähdet toimivat - astrofysiikka.
Joten kokeellinen menestys oli uskomaton, ja se oli nopea. Sitä mitattuna jopa sellaisten ihmisten erimielisyydet, kuten Einstein, Schrödinger ja de Broglie, sanoivat: "Odota hetki! Perusteet ovat sotku!" Kaikki tämä voitiin pyyhkiä maton alle.
Se oli ensimmäinen asia. Toinen asia on Niels Bohrin arvovalta ja karisma Tanskan hallituksen ja Carlsberg-olutyhtiön tukemana perustamaan keskus, jossa kaikki tapahtui hänen kauttaan. Hänen hyvin hypnoottinen, karismaattinen persoonallisuutensa saattoi vaikuttaa hirvittävän sodan [ensimmäisen maailmansodan] aikana tulevan sukupolven ihmisten ajatuksiin. Joten se on joukko erilaisia asioita kerrallaan.
Space.com: Ja muut teoriat eivät pystyneet etenemään.
On hämmästyttävää, että de Broglie-pilottiteorian teorialla - vaikka Einstein, de Broglie ja tietyllä tavalla Schrödinger voisivat puolustaa sitä - ei ollut vaikutusta huolimatta siitä, että nämä eivät olleet nobikkeja. He olivat maailmankuuluja Nobel-palkinnon saaneita ihmisiä, jotka olivat tehneet suurta tiedettä, mutta heidän erimielisyytensä voidaan kuitenkin jättää huomiotta useiden sukupolvien ajan.
[Pilottiaaltoteoria, jonka Louis de Broglie kehitti 1920-luvulla ja David Bohm laajensi 1950-luvulla, väittää, että elektronit käsittävät sekä hiukkaset että aallot ja että hiukkaset liikkuvat suuntaan, joka aallot niitä ohjaavat. Se on deterministinen, ei todennäköisyys.]
Mielestäni viime kädessä tutkijat ovat ihmisiä, ja meihin vaikuttavat kaikenlaiset asiat, alitajuisesta puolueellisuudesta kunnianhimoon ja sosiaalisiin voimiin. Kvanttimekaniikan historiasta tulee tarinaa harkitsemisen arvoinen tarina, mutta se ei ole epätavallinen tarina.
Space.com: Kuinka kollegasi ovat reagoineet kirjaasi?
Smolin: Mikään toistaiseksi ei ole ollut yllättävää. Näkemykseni ovat tunnettuja fyysikkojen yhteisössä. Riippumatta siitä, kuinka provosoiva se voi tuntua kirjan rakenteessa, ei ole keskustelua, josta ei ole kovin perusteellisesti keskusteltu fyysikoiden keskuudessa.
Ainoa uusi asia on muutama viimeinen luku. Otin suuren riskin asettaa nykyisen työni pöydälle.
Space.com: Kuvaile nykyistä työtäsi.
Smolin: Tärkein asia, jota teen uudessa työssäni, on epälokaalisuuden roolin vakavasti ottaminen. [epälokaaliudesta viittaa esineiden kykyyn vaikuttaa muiden esineiden, jotka ovat hyvin kaukana toisistaan tilassa ja ajassa.] Jos haluat antaa realistisen, täydellisen kuvauksen siitä, mitä tapahtuu, kun sinulla on kaksi tai enemmän hiukkasia, jotka ovat olleet vuorovaikutuksessa ja ovat Se mitä kutsumme "takertuneeksi", silloin se, kuinka päätät manipuloida yhtä hiukkasista, voi vaikuttaa muihin, vaikka ne ovatkin kaukana toisistaan. Ja tämä tarkoittaa, että sinun on otettava vakavasti, että vaikutteita ei rajoita ajatus, että asiat vaikuttavat vain siihen, mikä on heille lähellä.
Joten otan sen vakavasti ja yritän tehdä teorian, jossa nämä kvanttipitoisuudet ovat perustavanlaatuisia ja avaruusidea on syntymässä. Tilaa ei ole; voimme tehdä nousevan, likimääräisen tilan kuvauksen samalla tavalla kuin käyttämällä paineita ja lämpötilaa kaasun kuvaamiseen.
En ole mitenkään ainoa henkilö, joka yrittää kehittää tätä teoriaa. Ajatus siitä, että tilaa voi syntyä takertumisesta, on vanha idea, joka saa uutta pitoa ihmisiltä, kuten Roger Penrose. Teoriani mukaan tila voi syntyä, mutta aika on perustavanlaatuinen ja syy-yhteys on perustavanlaatuinen. Se on näkemys, jonka joukko ihmisiä olisi samaa mieltä, ja monet ihmiset olisivat eri mieltä.
Space.com: Mikä on tällaisen teoreettisen työn päätavoite?
Smolin: Ideana on kehittää ja keksiä teoria, josta voit päätellä ennusteet, jotka kokeillaan. Vakavimmat ihmiset eivät ota teoreettista ehdotusta vakavasti, ellei siinä ole tapaa testata sitä, ainakin periaatteessa, ellei heti käytännössä. Ilman kokeilua teoreetikon on vain niin helppoa puhua kauniista matematiikasta, mikä on väärin ja jolla ei ole mitään tekemistä luonnon kanssa. Tarvitsemme kokeilijoita ideoiden purkamiseksi ja mahdollisuuksien rajoittamiseksi.
Ainoastaan viimeinen tai kaksi sukupolvea on tilanne, että teorioita on vaikea testata. Joten sinulla voi olla koko sukupolven työ esimerkiksi hiukkasfysiikan malleissa, jotka ylittävät standardimallin ja joita ei testata kokeellisesti. Tämä on epätavallista ja valitettavasti ominaista ajanjaksollemme.
Monet ihmiset, jotka ovat vakavia perustavanlaatuisen teoreettisen fysiikan alalla, työskentelevät kovasti kiusatakseen ja keksimään ehdotuksia, jotka ovat nyt testattavissa. Epälokaaalisuuteni versio ennustaa, että kvanttiefektit johtuvat osittain siitä, että atomit ovat hyvin samankaltaisia kuin universumin suuri joukko atomeja. Jos voisimme luoda kvanttijärjestelmän, joka olisi ainutlaatuinen - jolla ei olisi täydellisiä kopioita missään havaittavissa olevassa maailmankaikkeudessa - se ei tottele kvanttimekaniikkaa, se noudattaa joitain jonkin verran erilaisia yhtälöitä, jotka johdan. Se on melkein sillä kynnyksellä, jonka kvantimekaniikan kokeelliset laboratoriot pystyvät testaamaan nyt.
Tätä artikkelia on muokattu ja tiivistetty selvyyden vuoksi. Sinä pystyt ostaa "Einsteinin keskeneräinen vallankumous" Amazon.com-sivustosta.
- Nämä "Spooky" takertuneet atomit toivat vain kvanttitietokoneita yhden askeleen lähempänä
- Muinaiset kvartaarit tarjoavat uskomattomia todisteita kvantin takertumiseen
- Miksi kvanttimekaniikka ei voi selittää painovoimaa? (Op-Ed)
