"Einsteins uafsluttede revolution" af Lee Smolin
(Billede: © Penguin Press)
Kvantemekanik er afgjort videnskab. Sag afsluttet, og meget tak - eller så mange vil hævde.
Takket være banebrydende arbejde i 1920'erne tror mange mennesker, at vi nu ved alt, hvad vi nogensinde vil have brug for at vide om bevægelse i atomisk eller subatomær skala. Ifølge den danske fysiker Niels Bohr og hans tilhængere kan vi enten hævde den nøjagtige placering af en atompartikel eller dens bane, men vi kan ikke gøre begge dele på samme tid. Den slags forudsigelser kan kun være sandsynlige, aldrig absolut nøjagtige.
Den teoretiske fysiker Lee Smolin fra Perimeter Institute for Theoretical Physics i Waterloo, Canada, har brugt hele sin karriere på at udfordre denne opfattelse. Smolin mener, at Bohrs triumf er et eksempel på karisma, der kvæler legitim dissens, selv fra så fremtrædende dissenter som Albert Einstein og Erwin Schrödinger.
I dag søger Smolin i Albert Einsteins fodspor og fortsætter en lang tradition, der inkluderer andre fysikere, herunder David Bohm, en teori for at "afslutte" kvantefysik ved at tillade nøjagtige beskrivelser og ikke fuzzy sandsynligheder. Smolin har et "realistisk" perspektiv i modsætning til det "anti-realistiske" syn på Bohr og hans acolytter. Smolin beskriver sit perspektiv i "Einsteins uafsluttede revolution"(Penguin Press, april 2019). Space.com indhentede Smolin for at diskutere bogen, hvordan nye ideer bliver dominerende inden for videnskab, og hvad han er op til nu.
Space.com: Hvad er forskellen mellem realistiske og antirealistiske tilgange til kvantemekanik?
Lee Smolin: For mig er forskellen mellem nogen, der er en realist om kvantefænomener versus nogen, der ikke er en realist, som en realist, du tror, at der er en komplet historie, og der er en fuldstændig beskrivelse, som vi kan opnå en hvilken som helst atomproces, af enhver nuklear proces, af noget, der foregår i den subatomiske verden. Kvantemekanik giver ikke en så komplet beskrivelse af hver enkelt proces individuelt, og derfor kan den ikke være komplet. Vi må finde en dybere teori ud over det. Kvantemekanik er et skridt mod forståelsen af subatomisk fysik, men det er ikke det sidste trin. Så jobbet er at gå mere dybt og opfinde eller opdage en bedre teori, der giver en komplet beskrivelse.
Hvis du er det, vi kalder en anti-realist, tror du, at kvantemekanik, som den blev skrevet ned i 1920'erne muligvis er den endelige teori, og der er ingen motivation til at se dybere.
Space.com: Du refererer til mennesker, der søger efter færdiggørelsen af kvante teori som "naive realister", fordi deres synspunkter ikke behøver indviklede begrundelser. Kan du uddybe dette udtryk?
Smolin: Naiv betyder virkelig sofistikeret. Naiv betyder, at du har hørt alle de grundlæggende indvendinger mod ideen om, at vi kan give en komplet beskrivelse af verden, som den er, og afvise dem og holde det som vores mål at forstå naturen fuldstændigt og som om vi ikke var her. Videnskab er en beskrivelse af naturen, der antages at være objektiv, ikke pålagt af vores eksperimenter eller af vores ideer eller vores overbevisning.
Space.com: Betyder "naiv" at være helt åben for nye ideer og overbevisninger?
Smolin: Helt åben? Nej. Folk glemmer, at fysik som enhver videnskab har en historie og en tradition. Tag en simpel idé som momentum, som bør forstås i sammenhæng med al diskussionen siden 1500- og 1600-tallet om treghetsprincippet, relativitetsprincippet og så videre. Du kan ikke forklare et koncept som momentum uden at være nedsænket i hele konceptets historie.
Space.com: Din bog er klar og klar, og den er forståelig af mennesker med forskellige niveauer af baggrundsviden. Hvad er din skriveproces?
Smolin: Hvorfor tak! Det vil jeg tage som et kompliment. Jeg har en masse erfaring og en masse praksis med at undervise moderne fysik til ikke-videnskabsmænd. På forskellige universiteter underviste jeg ofte i "fysik for humaniora" eller "fysik for digtere" -kurser. Så jeg har en masse erfaring med at fatte forskellige pædagogiske strategier til brug i undervisning i kvantefysik eller relativitet til lægfolk.
En bog som denne har flere målgrupper samtidig. Jeg henvender mig til eksperter og kolleger, men primært henvender jeg mig til lagfolk. Og den første lægmand, der betyder noget, er redaktøren. Jeg insisterer altid på at arbejde med en redaktør, der har en grad i litteratur eller humaniora eller historie - ikke en grad i videnskab. Jeg har også flere testlæsere, der ikke har nogen uddannelse i videnskab. De pressede mig alle til at afklare, afklare, afklare og om nødvendigt omskrive bogen. Denne særlige bog gennemgik tre komplette omskrivninger. Intet blev tilbage på skærerumsgulvet, så at sige. Hele det første udkast blev helt forladt og genoptaget, og resultatet blev efter min mening en meget bedre bog.
Space.com: I betragtning af at den blev omskrevet fuldstændigt flere gange, hvor lang tid tog det at skrive bogen?
Smolin: Skrivning er ikke mit dagjob; mit dagjob er at være en teoretisk fysiker. Men på min fritid, så at sige, omkring tre år. Der vil være en måned eller seks uger, hvor jeg primært arbejder med bogen, og derefter går seks måneder, og jeg vil reflektere og tænke over den, og så kaster jeg mig ned igen i tre uger eller en måned. Så det var sådan over en periode på tre år.
Space.com: Din bog beskriver kvantefysikens historie i begyndelsen af det 20. århundrede. Hvorfor blev den anti-realistiske kvanterevolution, der blev fremkaldt af Niels Bohr, den dominerende opfattelse - tilsyneladende et øjeblik blink?
Smolin: Der var to ting, der handlede samtidig. En af dem, og den vigtigste, var den forbløffende eksperimentelle succes. Menneskeheden gik på mindre end 30 år fra at blive forsonet med tanken om, at stof er lavet af atomer til en komplet teori om atomfysik. Og det arbejdede i det væsentlige med at forklare spektre [regnbuen med farver produceret ved at adskille lyskomponenter efter deres bølgelængde], kræfterne, de kemiske forbindelser - alt! Så meget hurtigt, kernefysik, partikelfysik, hvordan stjerner fungerer - astrofysik.
Så den eksperimentelle succes var forbløffende, og den var hurtig. Målt imod dette var dissens endda af mennesker som Einstein, Schrödinger og de Broglie, der sagde: "Vent et øjeblik! Fundamenterne er et rod!" Alt dette kunne fejes under tæppet.
Det var den første ting. Den anden ting er Niels Bohrs prestige og karisma med den støtte, han havde fra den danske regering og Carlsberg-ølselskabet, for at etablere et center, hvor alting kom gennem ham. Hans meget hypnotiske, karismatiske personlighed kunne påvirke tankerne hos en generation af mennesker, der kom ud af en frygtelig krig [Første verdenskrig]. Så det er en masse forskellige ting ad gangen.
Space.com: Og andre teorier kunne ikke gå foran.
Det er forbløffende, at pilotbølgeteorien om de Broglie - selvom den kunne forkæmpes af Einstein, af de Broglie og på en måde af Schrödinger - ikke havde nogen indflydelse, på trods af det faktum, at disse ikke var nogen adelsmænd. Dette var verdensberømte mennesker med nobelpriser, der havde gjort videnskab, men deres dissens kunne ikke desto mindre ignoreres i flere generationer.
[Pilotbølgeteori, som Louis de Broglie udviklede i 1920'erne og David Bohm udvidede i 1950'erne, hævder, at elektroner omfatter både partikler og bølger, og at partikler bevæger sig i den retning, som bølgerne leder dem. Det er deterministisk, ikke sandsynligt.]
Jeg tror, at videnskabsfolk i sidste ende er mennesker, og vi er påvirket af alle slags ting, fra ubevidste bias til ambitioner til sociale kræfter. Kvantemekanikkens historie bliver en historie, der er værd at overveje, men det er ikke en usædvanlig historie.
Space.com: Hvordan har dine kammerater reageret på din bog?
Smolin: Intet indtil videre har været overraskende. Mine synspunkter er velkendte inden for fysikernes samfund. Hvor provokerende det dog kan synes inden for bogens struktur, der er ingen diskussioner, der ikke er blevet meget drøftet blandt fysikere.
Det eneste, der er nyt, er de sidste par kapitler. Jeg tog en stor risiko for at lægge mit nuværende arbejde på bordet.
Space.com: Beskriv dit aktuelle arbejde.
Smolin: Det vigtigste, jeg laver i mit nye arbejde, er at tage rollen som nonlocality alvorligt. [ikke-lokalitet henviser til objekternes evne til at påvirke handlingerne fra andre objekter, der ligger meget langt fra hinanden i rum og tid.] Hvis du vil give en realistisk, komplet beskrivelse af, hvad der foregår, når du har to partikler eller mere, der har interageret og er hvad vi kalder "sammenfiltret", så hvordan du vælger at manipulere en af partiklerne kan påvirke de andre, selvom de er meget langt fra hinanden. Og det betyder, at du skal tage alvorligt, at påvirkninger ikke begrænses af tanken om, at ting kun påvirker, hvad der er tæt på dem.
Så jeg tager det alvorligt og prøver at lave en teori, hvor disse kvanteforviklinger er grundlæggende, og forestillingen om rum er opstået. Rum findes ikke; vi kan lave en fremvoksende, omtrentlig beskrivelse af rummet på samme måde som vi bruger tryk og temperatur til at beskrive en gas.
Jeg er på ingen måde den eneste person, der prøver at udvikle denne teori. Ideen om, at rum kan opstå fra sammenfiltring, er en gammel idé, der får ny trækkraft fra mennesker som Roger Penrose. Min teori er, at rummet kan opstå, men at tiden er grundlæggende, og at kausaliteten er grundlæggende. Det er en opfattelse, som et antal mennesker er enige i, og mange mennesker ville være uenige i.
Space.com: Hvad er det ultimative mål med at udføre denne form for teoretisk arbejde?
Smolin: Ideen er at udvikle og opfinde en teori, hvorfra man kan udlede forudsigelser, som eksperimenterne tester. De fleste seriøse mennesker tager ikke et teoretisk forslag alvorligt, medmindre det kommer med en måde at teste det på, i det mindste i princippet, hvis ikke lige nu i praksis. Uden eksperiment er det bare så let for en teoretiker at tale smuk matematik, hvilket er forkert og ikke har noget at gøre med naturen. Vi har brug for eksperimenter for at slå ideerne ned og indsnævre mulighederne.
Det er kun den sidste generation eller to, der har den situation, at teorierne er svære at teste. Så du kan få en hel generation til at arbejde med fx partikelfysikmodeller, der går ud over standardmodellen, og disse testes ikke eksperimentelt. Dette er usædvanligt, og karakteriserer desværre vores periode.
Mange mennesker, der er seriøse inden for grundlæggende teoretisk fysik, arbejder meget hårdt for at drille og opfinde forslag, der kan testes nu. Min version af nonlocality forudsiger, at kvanteeffekter delvist skyldes det faktum, at atomer er meget lig et stort antal atomer i universet. Hvis vi kunne skabe et kvantesystem, der var unikt - der ikke havde nogen komplette kopier overalt i det observerbare univers - ville det ikke adlyde kvantemekanikken, det ville adlyde nogle noget forskellige ligninger, som jeg udleder. Det er næsten på tærsklen for, hvad eksperimentelle laboratorier i kvantemekanik er i stand til at teste nu.
Denne artikel er redigeret og kondenseret for klarhed. Du kan køb "Einsteins uafsluttede revolution" på Amazon.com.
- Disse 'uhyggelige' sammenfiltrede atomer bragte netop kvanteberegning et trin tættere
- Gamle kvasarer giver utroligt bevis for kvantforvikling
- Hvorfor kan kvantemekanik ikke forklare tyngdekraften? (Op-Ed)
