„Niedokończona rewolucja Einsteina” Lee Smolina
(Zdjęcie: © Penguin Press)
Mechanika kwantowa to ustalona nauka. Sprawa zamknięta i bardzo dziękuję - tak wielu by się spierało.
Dzięki pionierskiej pracy w latach dwudziestych wiele osób uważa, że wiemy teraz wszystko, co kiedykolwiek będziemy musieli wiedzieć o ruchu w skali atomowej lub subatomowej. Według duńskiego fizyka Nielsa Bohra i jego zwolenników możemy ustalić dokładną pozycję cząstki atomowej lub jej trajektorię, ale nie możemy zrobić obu naraz. Tego rodzaju prognozy mogą być tylko probabilistyczne, nigdy absolutnie dokładne.
Fizyk teoretyczny Lee Smolin z Perimeter Institute for Theoretical Physics w Waterloo w Kanadzie spędził całą karierę kwestionując ten pogląd. Smolin uważa, że triumf Bohra jest przykładem charyzmy tłumiącej uzasadnione sprzeciwy, nawet ze strony tak wybitnych dysydentów, jak Albert Einstein i Erwin Schrödinger.
Dziś Smolin, podążając śladami Alberta Einsteina i kontynuując długą tradycję obejmującą innych fizyków, w tym Davida Bohma, poszukuje teorii „dopełnienia” fizyki kwantowej, umożliwiając dokładne opisy, a nie niejasne prawdopodobieństwa. Smolin ma „realistyczną” perspektywę, w przeciwieństwie do „antyrealistycznego” poglądu Bohra i jego akolitów. Smolin przedstawia swoją perspektywę w „Niedokończona rewolucja Einsteina„(Penguin Press, kwiecień 2019 r.). Space.com spotkało się ze Smolinem, aby przedyskutować książkę, w jaki sposób nowe pomysły dominują w nauce i czym się zajmuje.
Space.com: Jaka jest różnica między realistycznym a antyrealistycznym podejściem mechanika kwantowa?
Lee Smolin: Dla mnie różnica między kimś, kto jest realistą w zakresie zjawisk kwantowych, a kimś, kto nie jest realistą, polega na tym, że jako realista wierzysz, że istnieje kompletna historia i istnieje pełny opis, który możemy osiągnąć w dowolnym procesie atomowym, każdego procesu nuklearnego, wszystkiego, co dzieje się w świecie subatomowym. Mechanika kwantowa nie podaje tak pełnego opisu każdego procesu osobno, więc nie może być kompletna. Musimy znaleźć głębszą teorię poza nią. Mechanika kwantowa jest krokiem w kierunku zrozumienia fizyka subatomowa, ale to nie jest ostatni krok. Zadaniem jest więc głębsze zgłębienie i wymyślenie lub odkrycie lepszej teorii, która daje pełny opis.
Jeśli jesteś tym, co nazywamy antyrealistą, to uważasz, że mechanika kwantowa, jak została zapisana w latach dwudziestych XX wieku, jest prawdopodobnie ostateczną teorią i nie ma motywacji, by szukać głębiej.
Space.com: Mówisz o ludziach, którzy szukają uzupełnienia teorii kwantowej, jako „naiwnych realistach”, ponieważ ich poglądy nie wymagają skomplikowanych uzasadnień. Czy możesz rozwinąć ten termin?
Smolin: Naiwny naprawdę oznacza wyrafinowany. Naiwny oznacza, że słyszałeś już wszystkie podstawowe obiekcje co do idei, że możemy podać pełny opis świata w jego obecnym stanie i odrzucić je i uznać za nasz cel, aby zrozumieć naturę całkowicie i tak, jakby nas tu nie było. Nauka jest opisem natury, która powinna być obiektywna, a nie narzucana przez nasze eksperymenty, nasze idee lub nasze przekonania.
Space.com: Czy „naiwny” oznacza bycie całkowicie otwartym na nowe pomysły i wierzenia?
Smolin: Całkowicie otwarty? Nie. Ludzie zapominają, że fizyka, jak każda nauka, ma historię i tradycję. Weź prosty pomysł, taki jak pęd, który należy rozumieć w kontekście całej dyskusji od XVI i XVII wieku na temat zasady bezwładności, zasady względności i tak dalej. Nie można wyjaśnić pojęcia takiego jak pęd bez zanurzenia się w całą historię tego pojęcia.
Space.com: Twoja książka jest jasna i przejrzysta i zrozumiała dla osób o różnym poziomie wiedzy. Jaki jest twój proces pisania?
Smolin: Cóż, dziękuję! Przyjmę to jako komplement. Mam duże doświadczenie i dużo praktyki w nauczaniu współczesnej fizyki nienaukowcom. Na różnych uniwersytetach często prowadziłem kursy „fizyki dla nauk humanistycznych” lub „fizyki dla poetów”. Mam więc duże doświadczenie w doskonaleniu różnych strategii pedagogicznych do wykorzystania w nauczaniu fizyki kwantowej lub teorii względności dla laików.
Książka taka jak ta ma jednocześnie kilku odbiorców. Zwracam się do ekspertów i współpracowników, ale przede wszystkim do świeckich. A pierwszym laikiem, który się liczy, jest redaktor. Zawsze nalegam na współpracę z redaktorem, który ma dyplom z literatury, nauk humanistycznych lub historii - nie tytuł naukowy. Mam także kilku czytelników testów, którzy nie mają wykształcenia naukowego. Wszyscy popchnęli mnie do wyjaśnienia, wyjaśnienia, wyjaśnienia iw razie potrzeby przepisania książki. Ta konkretna książka przeszła trzy kompletne przeróbki. Można powiedzieć, że nic nie zostało na podłodze w krojowni. Cały pierwszy szkic został całkowicie porzucony i zrekonfigurowany, a moim zdaniem wynikiem była znacznie lepsza książka.
Space.com: Ile czasu zajęło napisanie książki, biorąc pod uwagę jej wielokrotne przepisywanie?
Smolin: Pisanie to nie moja codzienna praca; moją codzienną pracą jest bycie fizykiem teoretycznym. Ale w wolnym czasie, że tak powiem, około trzech lat. Będę miesiąc lub sześć tygodni, kiedy będę głównie pracował nad książką, a potem minie sześć miesięcy, zastanowię się i pomyślę o tym, a potem znów zanurzę się na trzy tygodnie lub miesiąc. Tak było przez okres trzech lat.
Space.com: Twoja książka opisuje historię fizyki kwantowej na początku XX wieku. Dlaczego antyrealistyczna rewolucja kwantowa wywołana przez Nielsa Bohra stała się dominującym poglądem - pozornie w mgnieniu oka?
Smolin: Dwie rzeczy działały jednocześnie. Jednym z nich i najważniejszym był zdumiewający sukces eksperymentalny. Ludzkość przeszła w niecałe 30 lat od pogodzenia się z ideą, że materia składa się z atomów, z kompletną teorią fizyki atomowej. I działało zasadniczo, aby wyjaśnić widma [tęczę kolorów wytworzoną przez oddzielenie składników światła według ich długości fali], siły, związki chemiczne - wszystko! Potem bardzo szybko, fizyka jądrowa, fizyka cząstek, jak działają gwiazdy - astrofizyka.
Tak więc sukces eksperymentalny był zdumiewający i szybki. W porównaniu z tym, sprzeciwem są nawet ludzie tacy jak Einstein, Schrödinger i de Broglie, którzy powiedzieli: „Poczekaj chwilę! Fundamenty to bałagan!” Wszystko to można zamieść pod dywan.
To była pierwsza rzecz. Drugą rzeczą jest prestiż i charyzma Nielsa Bohra, przy wsparciu ze strony duńskiego rządu i firmy piwowarskiej Carlsberg, aby założyć centrum, w którym wszystko przez niego przeszło. Jego bardzo hipnotyzująca, charyzmatyczna osobowość może wpływać na myśli pokolenia ludzi wychodzących ze strasznej wojny [I wojny światowej]. Więc jest to kilka różnych rzeczy na raz.
Space.com: A inne teorie nie mogły poczynić postępów.
Zdumiewające jest to, że teoria fal pilotowych de Broglie - nawet jeśli mogłaby być popierana przez Einsteina, de Broglie i niejako przez Schrödingera - nie miała wpływu, pomimo faktu, że nie były to żadne podmioty. Byli to znani na całym świecie ludzie z nagrodami Nobla, którzy zrobili wielką naukę, ale ich sprzeciw można było ignorować przez kilka pokoleń.
[Teoria fal pilotowych, którą Louis de Broglie rozwinął w latach dwudziestych XX wieku, a David Bohm rozwinął w latach pięćdziesiątych XX wieku, twierdzi, że elektrony obejmują zarówno cząstki, jak i fale, i że cząsteczki poruszają się w kierunku, w którym fale je prowadzą. Jest deterministyczny, a nie probabilistyczny.]
Myślę, że ostatecznie naukowcy są istotami ludzkimi i wpływają na nas różne rzeczy, od nieświadomego uprzedzenia, ambicji po siły społeczne. Historia mechaniki kwantowej staje się historią wartą rozważenia, ale nie jest to historia niezwykła.
Space.com: Jak rówieśnicy zareagowali na twoją książkę?
Smolin: Nic dotąd nie było zaskakujące. Moje poglądy są dobrze znane w społeczności fizyków. Jakkolwiek prowokujące może się to wydawać w strukturze książki, nie ma dyskusji, która nie była bardzo dokładnie dyskutowana wśród fizyków.
Jedyną nowością jest kilka ostatnich rozdziałów. Podjąłem duże ryzyko, aby położyć swoją obecną pracę na stole.
Space.com: Opisz swoją obecną pracę.
Smolin: Najważniejszą rzeczą, którą robię w mojej nowej pracy, jest poważne potraktowanie roli nielokalności. [Nonlocality odnosi się do zdolności obiektów do wpływania na działania innych obiektów, które są bardzo daleko od siebie w przestrzeni i czasie.] Jeśli chcesz podać realistyczny, pełny opis tego, co się dzieje, gdy dwie lub więcej cząsteczek wchodzi w interakcje i są to, co nazywamy „uwikłanym”, to jak manipulujesz jedną z cząstek, może wpływać na inne, nawet jeśli są one bardzo daleko od siebie. A to oznacza, że musisz poważnie potraktować, że wpływy nie są ograniczone przez pomysł, że rzeczy wpływają tylko na to, co jest w ich pobliżu.
Traktuję to poważnie i staram się stworzyć teorię, w której kwantowe splątania są fundamentalne i pojawia się pojęcie przestrzeni. Przestrzeń nie istnieje; możemy stworzyć wschodzący, przybliżony opis przestrzeni w taki sam sposób, w jaki używamy ciśnienia i temperatury do opisania gazu.
W żadnym wypadku nie jestem jedyną osobą próbującą rozwinąć tę teorię. Pomysł, że przestrzeń może powstać z uwikłania, jest starym pomysłem, który zyskuje nową trakcję od ludzi takich jak Roger Penrose. Moja teoria głosi, że przestrzeń może powstać, ale ten czas jest fundamentalny, a przyczynowość jest fundamentalna. Jest to pogląd, z którym zgodzi się wiele osób, a wiele osób się z tym nie zgodzi.
Space.com: Jaki jest ostateczny cel tego rodzaju teoretycznej pracy?
Smolin: Chodzi o to, aby opracować i wynaleźć teorię, na podstawie której można wywnioskować przewidywania, które testy eksperymentują. Większość poważnych ludzi nie traktuje poważnie teoretycznej propozycji, jeśli nie ma sposobu na jej przetestowanie, przynajmniej w zasadzie, jeśli nie teraz, w praktyce. Bez eksperymentu teoretycy tak łatwo mówią piękną matematykę, co jest złe i nie ma nic wspólnego z naturą. Potrzebujemy eksperymentalistów, aby wyrzucić pomysły i zawęzić możliwości.
To tylko ostatnie pokolenie lub dwa mają sytuację, w której teorie są trudne do przetestowania. Możesz więc pracować przez całą generację nad, powiedzmy, modelami fizyki cząstek, które wykraczają poza model standardowy i nie są one testowane eksperymentalnie. Jest to niezwykłe i niestety charakteryzuje nasz okres.
Wiele osób poważnie zajmujących się podstawową fizyką teoretyczną bardzo ciężko pracuje, aby wyśmiać i wymyślić propozycje, które można teraz przetestować. Moja wersja nielokalności przewiduje, że efekty kwantowe są częściowo spowodowane faktem, że atomy są bardzo podobne do ogromnej liczby atomów we wszechświecie. Gdybyśmy mogli stworzyć układ kwantowy, który byłby unikalny - który nie miałby kompletnych kopii nigdzie w obserwowalnym wszechświecie - nie byłby zgodny z mechaniką kwantową, byłby zgodny z nieco innymi równaniami, które wyprowadzam. To prawie na progu tego, co laboratoria eksperymentalne w mechanice kwantowej mogą teraz przetestować.
Ten artykuł został zredagowany i skrócony dla jasności. Możesz kup „Niedokończoną rewolucję Einsteina” na Amazon.com.
- Te „straszne” splątane atomy właśnie przyniosły obliczenia kwantowe o krok bliżej
- Starożytne kwazary dostarczają niesamowitych dowodów na splątanie kwantowe
- Dlaczego mechanika kwantowa nie może wyjaśnić grawitacji? (Op-Ed)
