"Einsteins uferdige revolusjon" av Lee Smolin
(Bilde: © Penguin Press)
Kvantemekanikk er avgjort vitenskap. Sak avsluttet, og tusen takk - eller så mange vil hevde.
Takket være pionerarbeidet på 1920-tallet, er det mange som tror at vi nå vet alt vi noensinne vil trenge å vite om bevegelse i atom- eller subatomsk skala. I følge den danske fysikeren Niels Bohr og hans tilhengere kan vi hevde enten den eksakte plasseringen av en atompartikkel eller dens bane, men vi kan ikke gjøre begge deler samtidig. Den slags prediksjoner kan bare være sannsynlige, aldri helt eksakte.
Teoretisk fysiker Lee Smolin, fra Perimeter Institute for Theoretical Physics i Waterloo, Canada, har brukt hele sin karriere på å utfordre dette synet. Smolin mener at Bohrs triumf er et eksempel på karisma som kveler legitim dissens, selv fra så fremtredende dissenter som Albert Einstein og Erwin Schrödinger.
I dag søker Smolin i Albert Einsteins fotspor og fortsetter en lang tradisjon som inkluderer andre fysikere inkludert David Bohm, og søker en teori for å "fullføre" kvantefysikken ved å tillate eksakte beskrivelser og ikke uklare sannsynligheter. Smolin har et "realistisk" perspektiv, i motsetning til det "antirealistiske" synet på Bohr og hans acolytter. Smolin redegjør for sitt perspektiv i "Einsteins uferdige revolusjon"(Penguin Press, april 2019). Space.com fanget opp Smolin for å diskutere boka, hvordan nye ideer blir dominerende i vitenskapen, og hva han er opp til nå.
Space.com: Hva er forskjellen mellom realistiske og antirealistiske tilnærminger til kvantemekanikk?
Lee Smolin: For meg er forskjellen mellom noen som er en realist om kvantefenomener kontra noen som ikke er en realist, som en realist, tror du at det er en komplett historie, og det er en fullstendig beskrivelse, som vi kan oppnå en hvilken som helst atomprosess, av en hvilken som helst kjernefysisk prosess, av noe som skjer i den subatomære verdenen. Kvantemekanikk gir ikke en så fullstendig beskrivelse av hver eneste prosess individuelt, og derfor kan den ikke være fullstendig. Vi må finne en dypere teori utover det. Kvantemekanikk er et skritt mot forståelsen av subatomisk fysikk, men det er ikke det siste trinnet. Så jobben er å gå dypere og finne opp eller oppdage en bedre teori som gir en fullstendig beskrivelse.
Hvis du er det vi kaller en antirealist, tror du at kvantemekanikken slik den ble skrevet ned på 1920-tallet muligens er den endelige teorien, og det er ingen motivasjon til å se dypere.
Space.com: Du refererer til mennesker som søker etter fullføring av kvanteteori som "naive realister" fordi deres synspunkter ikke trenger omviklede begrunnelser. Kan du utdype dette begrepet?
Smolin: Naiv betyr virkelig sofistikert. Naiv betyr at du har hørt alle de grunnleggende innvendinger mot ideen om at vi kan gi en fullstendig beskrivelse av verden som den er og forkaste dem og ha det som vårt mål å forstå naturen fullstendig og som om vi ikke var her. Vitenskap er en beskrivelse av naturen som antas å være objektiv, ikke pålagt av våre eksperimenter eller av våre ideer eller vår tro.
Space.com: Betyr "naiv" å være helt åpen for nye ideer og livssyn?
Smolin: Helt åpen? Nei. Folk glemmer at fysikk, som enhver vitenskap, har en historie og en tradisjon. Ta en enkel ide som momentum, som bør forstås i sammenheng med all diskusjonen siden 1500- og 1600-tallet om treghetsprinsippet, relativitetsprinsippet og så videre. Du kan ikke forklare et konsept som momentum uten å være fordypet i hele konseptets historie.
Space.com: Boken din er klar og klar, og den er forståelig av mennesker med forskjellige nivåer av bakgrunnskunnskap. Hva er skriveprosessen din?
Smolin: Hvorfor takk! Jeg tar det som et kompliment. Jeg har mye erfaring og mye trening i å lære moderne fysikk til ikke-vitenskapsmenn. Ved forskjellige universiteter underviste jeg ofte i "fysikk for humaniora" eller "fysikk for diktere". Så jeg har mye erfaring med å falske forskjellige pedagogiske strategier for bruk i undervisning i kvantefysikk eller relativitet til lekfolk.
En bok som denne har flere målgrupper samtidig. Jeg henvender meg til eksperter og kolleger, men først og fremst henvender jeg meg til lekfolk. Og den første lekmann som betyr noe er redaktøren. Jeg insisterer alltid på å jobbe med en redaktør som har en grad i litteratur eller humaniora eller historie - ikke en grad i vitenskap. Jeg har også flere testlesere som ikke har noen utdannelse i naturfag. De presset meg alle til å avklare, avklare, avklare og om nødvendig omskrive boka. Denne spesielle boka gikk gjennom tre komplette omskrivninger. Ingenting ble igjen på klipperomsgulvet, for å si det slik. Hele første utkast ble helt forlatt og rekonceptualisert, og resultatet ble en mye bedre bok, etter min mening.
Space.com: Gitt at den ble skrevet om flere ganger, hvor lang tid tok det å skrive boken?
Smolin: Å skrive er ikke dagjobben min; dagen min er å være en teoretisk fysiker. Men på fritiden, så å si, omtrent tre år. Det vil gå en måned eller seks uker når jeg først og fremst jobber med boka, og så vil seks måneder gå, og jeg skal reflektere og tenke på den, og så skal jeg kaste meg inn igjen i tre uker eller en måned. Så det var sånn over en periode på tre år.
Space.com: Boken din beskriver kvantefysikkens historie på begynnelsen av 1900-tallet. Hvorfor ble den antirealistiske kvanterevolusjonen som ble sparket av Niels Bohr det dominerende synet - tilsynelatende et øyeblikk?
Smolin: Det var to ting som handlet samtidig. En av dem, og den viktigste, var den forbløffende eksperimentelle suksessen. Menneskeheten gikk på mindre enn 30 år fra å være forsonet med ideen om at materie er laget av atomer til en fullstendig teori om atomfysikk. Og det fungerte vesentlig for å forklare spektrene [regnbuen med farger produsert ved å skille komponenter av lys etter deres bølgelengde], kreftene, de kjemiske forbindelsene - alt! Så veldig raskt kjernefysikk, partikkelfysikk, hvordan stjerner fungerer - astrofysikk.
Så den eksperimentelle suksessen var forbløffende, og den gikk raskt. Målt mot det var dissens til og med mennesker som Einstein, Schrödinger og de Broglie som sa: "Vent litt! Grunnene er et rot!" Alt dette kan feies under teppet.
Det var den første tingen. Den andre tingen er prestisjen og karismaen til Niels Bohr, med støtten han hadde fra den danske regjeringen og ølselskapet Carlsberg, for å etablere et senter der alt kom gjennom ham. Hans veldig hypnotiske, karismatiske personlighet kunne påvirke tankene til en generasjon mennesker som kom ut av en forferdelig krig [første verdenskrig]. Så det er en haug med forskjellige ting om gangen.
Space.com: Og andre teorier kunne ikke komme foran.
Det er forbløffende at pilotbølgeteorien om de Broglie - selv om den kunne bli forkjempet av Einstein, av de Broglie og på en måte av Schrödinger - ikke hadde noen innvirkning, til tross for at dette ikke var adelsmenn. Dette var verdensberømte mennesker med nobelpriser, som hadde gjort stor vitenskap, men deres dissens kunne likevel ignoreres i flere generasjoner.
[Pilot wave theory, som Louis de Broglie utviklet på 1920-tallet og David Bohm utvidet på 1950-tallet, hevder at elektroner omfatter både partikler og bølger, og at partikler beveger seg i retningen som bølgene leder dem. Det er deterministisk, ikke sannsynliggjort.]
Jeg tror til syvende og sist forskere er mennesker, og vi påvirkes av alle slags ting, fra ubevisste skjevheter til ambisjoner til sosiale krefter. Kvantemekanikkens historie blir en historie verdt å tenke på, men det er ikke en uvanlig historie.
Space.com: Hvordan har jevnaldrende reagert på boken din?
Smolin: Ingenting så langt har vært overraskende. Mine synspunkter er velkjente innen fysikersamfunn. Uansett hvor provoserende det kan virke innenfor strukturen i boka, er det ingen diskusjoner som ikke har blitt diskutert veldig grundig blant fysikere.
Det eneste som er nytt, er de siste kapitlene. Jeg tok en stor risiko for å legge mitt nåværende arbeid på bordet.
Space.com: Beskriv det gjeldende arbeidet ditt.
Smolin: Det viktigste jeg gjør i mitt nye arbeid er å ta rollen som ikke-lokalitet på alvor. [lokalitet refererer til gjenstandenes evne til å påvirke handlingene til andre objekter som ligger veldig langt fra hverandre i rom og tid.] Hvis du vil gi en realistisk, fullstendig beskrivelse av hva som skjer når du har to partikler eller mer som har interagert og er det vi kaller "sammensveiset", så hvordan du velger å manipulere en av partiklene kan påvirke de andre, selv om de er veldig langt fra hverandre. Og dette betyr at du må ta på alvor at påvirkninger ikke blir begrenset av ideen om at ting bare påvirker det som er i nærheten av dem.
Så jeg tar det på alvor, og prøver å lage en teori der disse kvanteforviklingene er grunnleggende og forestillingen om rom er fremtredende. Plass eksisterer ikke; vi kan lage en fremvoksende, omtrentlig beskrivelse av rommet på samme måte som vi bruker trykk og temperatur for å beskrive en gass.
Jeg er på ingen måte den eneste personen som prøver å utvikle denne teorien. Ideen om at det kan komme et rom fra forviklinger er en gammel idé som får ny trekkraft fra folk som Roger Penrose. Min teori er at verdensrommet kan komme frem, men at tiden er grunnleggende og at årsakssammenheng er grunnleggende. Det er et syn som en rekke mennesker vil være enige i, og mange mennesker vil være uenige med.
Space.com: Hva er det endelige målet med å gjøre denne typen teoretiske arbeider?
Smolin: Tanken er å utvikle og finne opp en teori som du kan utlede spådommer fra hvilke eksperimenter som tester. De fleste seriøse mennesker tar ikke et teoretisk forslag på alvor, med mindre det kommer med en måte å teste det på, i det minste i prinsippet om ikke akkurat nå i praksis. Uten eksperiment er det bare så lett for en teoretiker å snakke vakker matematikk, noe som er galt og ikke har noe med naturen å gjøre. Vi trenger eksperimentelle for å kaste ideene ut og begrense mulighetene.
Det er bare den siste generasjonen eller to som har en situasjon som teoriene er vanskelig å teste. Så du kan ha en hel generasjons arbeid med, for eksempel, partikkel-fysikk-modeller som går utover standardmodellen, og disse blir ikke testet eksperimentelt. Dette er uvanlig, og karakteriserer dessverre vår periode.
Mange mennesker som ser alvorlig innen grunnleggende teoretisk fysikk, jobber veldig hardt for å erte og finne opp forslag som kan testes nå. Min versjon av nonlocality spår at kvanteeffekter delvis skyldes det faktum at atomer er veldig lik et stort antall atomer i universet. Hvis vi kunne lage et kvantesystem som var unikt - som ikke hadde fullstendige kopier noe sted i det observerbare universet - ville det ikke adlyde kvantemekanikken, det ville adlyde noen noe forskjellige ligninger som jeg stammer fra. Det er nesten på terskelen til hva eksperimentelle laboratorier i kvantemekanikk er i stand til å teste nå.
Denne artikkelen er redigert og kondensert for klarhet. Du kan kjøp "Einsteins uferdige revolusjon" på Amazon.com.
- Disse 'uhyggelige' sammenfiltrede atomene brakte bare kvanteberegning ett trinn nærmere
- Gamle kvasarer gir utrolig bevis for kvantforvirring
- Hvorfor kan ikke kvantemekanikk forklare tyngdekraften? (Op-Ed)
