الفيزيائي لي سمولين عن ثورة آينشتاين غير المكتملة في فيزياء الكم: المؤلف سؤال وجواب

"ثورة أينشتاين غير المكتملة" لي سمولين

(الصورة: © Penguin Press)

ميكانيكا الكم هي العلوم المستقرة. أغلقت القضية ، وشكرًا جزيلاً لك - أو سيجادل الكثيرون.

بفضل العمل الرائد في عشرينيات القرن العشرين ، يعتقد الكثير من الناس أننا نعرف الآن كل ما سنحتاج إلى معرفته عن الحركة على نطاق ذري أو دون ذري. وفقا للفيزيائي الدنماركي نيلز بور وأتباعه ، يمكننا أن نؤكد إما الموقف الدقيق للجسيم الذري أو مساره ، لكن لا يمكننا القيام بكليهما في نفس الوقت. يمكن لهذا النوع من التنبؤ أن يكون احتماليًا ، وليس دقيقًا أبدًا.

قضى الفيزيائي النظري لي سمولين ، من معهد Perimeter للفيزياء النظرية في واترلو ، كندا ، حياته المهنية كلها يتحدى هذا الرأي. يعتقد سمولين أن انتصار بور هو مثال على الكاريزما التي تخنق المعارضة المشروعة ، حتى من المنشقين البارزين مثل ألبرت أينشتاين وإروين شرودنغر.

اليوم ، Smolin ، يسير على خطى ألبرت أينشتاين ويستمر تقليدًا طويلًا يشمل فيزيائيين آخرين بما في ذلك ديفيد بوم ، يسعى إلى نظرية "إكمال" فيزياء الكم من خلال السماح بأوصاف دقيقة وليس احتمالات غامضة. Smolin يحمل منظور "واقعي" ، على عكس وجهة النظر "غير الواقعية" لبوهر وأتباعه. يحدد سمولين وجهة نظره في "ثورة أينشتاين غير المكتملة"(Penguin Press ، April 2019). تواصل موقع Space.com مع Smolin لمناقشة الكتاب ، وكيف أصبحت الأفكار الجديدة مهيمنة في العلوم ، وما هو عليه حتى الآن.

Space.com: ما الفرق بين المقاربات الواقعية والمعادية للواقعية ميكانيكا الكم? 

لي سمولين: بالنسبة لي ، الفرق بين شخص واقعي حول الظواهر الكمومية مقابل شخص غير واقعي هو ، كواقعي ، تعتقد أن هناك قصة كاملة ، وهناك وصف كامل ، يمكننا تحقيقه لأي عملية ذرية ، من أي عملية نووية ، من أي شيء يحدث في العالم دون الذري. لا تعطي ميكانيكا الكم مثل هذا الوصف الكامل لكل عملية على حدة ، وبالتالي لا يمكن أن تكتمل. علينا أن نجد نظرية أعمق وراءها. ميكانيكا الكم هي خطوة نحو فهم فيزياء دون ذرية، لكنها ليست الخطوة الأخيرة. لذا فإن المهمة هي التعمق أكثر واختراع أو اكتشاف نظرية أفضل تعطي وصفًا كاملاً.

إذا كنت ما نسميه معاداة الواقعية ، فأنت تعتقد أن ميكانيكا الكم كما تم تدوينها في عشرينيات القرن العشرين ربما تكون النظرية النهائية ، وليس هناك دافع للنظر أعمق.

Space.com: تشير إلى الأشخاص الذين يبحثون عن إتمام نظرية الكم باسم "الواقعيين الساذجين" لأن وجهات نظرهم لا تحتاج إلى مبررات معقدة. هل يمكنك توضيح هذا المصطلح؟

سمولين: السذاجة تعني حقًا الرقي. السذاجة تعني أنك سمعت كل الاعتراضات الأساسية على فكرة أنه يمكننا تقديم وصف كامل للعالم كما هو ورفضها واعتبارها هدفنا لفهم الطبيعة تمامًا وكأننا لم نكن هنا. العلم هو وصف للطبيعة التي من المفترض أن تكون موضوعية ، لا تفرضها تجاربنا أو أفكارنا أو معتقداتنا.

Space.com: هل يعني "السذاجة" الانفتاح تمامًا على الأفكار والمعتقدات الجديدة؟

سمولين: مفتوح بالكامل؟ لا. ينسى الناس أن الفيزياء ، مثل أي علم ، لها تاريخ وتقاليد. خذ فكرة بسيطة مثل الزخم ، والتي يجب فهمها في سياق كل المناقشة منذ القرنين السادس عشر والسابع عشر حول مبدأ القصور الذاتي ، ومبدأ النسبية ، وما إلى ذلك. لا يمكنك تفسير مفهوم مثل الزخم دون الانغماس في التاريخ الكامل للمفهوم.

Space.com: كتابك واضح وواضح ومفهوم من قبل أشخاص لديهم مستويات مختلفة من المعرفة الخلفية. ما هي عملية كتابتك؟

سمولين: لماذا اشكرك! سآخذ هذا مجاملة. لدي الكثير من الخبرة والكثير من الممارسة في تدريس الفيزياء الحديثة لغير العلماء. في جامعات مختلفة ، كنت أدرس في كثير من الأحيان دورات فيزياء العلوم الإنسانية أو فيزياء الشعراء. لذلك لدي الكثير من الخبرة في صقل الاستراتيجيات التربوية المختلفة لاستخدامها في تدريس فيزياء الكم أو النسبية للأشخاص العاديين.

يحتوي كتاب مثل هذا على العديد من الجماهير في وقت واحد. أنا أخاطب الخبراء والزملاء ، ولكن في المقام الأول أخاطب الأشخاص العاديين. وأول شخص مهم هو المحرر. أصر دائمًا على العمل مع محرر لديه شهادة في الأدب أو العلوم الإنسانية أو التاريخ - وليس شهادة في العلوم. لدي أيضًا العديد من قراء الاختبار الذين لم يتلقوا أي تعليم في العلوم. لقد دفعوني جميعًا إلى توضيح الكتاب وتوضيحه وتوضيحه وإعادة كتابته إذا لزم الأمر. مر هذا الكتاب بالذات عبر ثلاث عمليات إعادة كتابة كاملة. لم يبق شيء على أرضية غرفة التقطيع ، إذا جاز التعبير. تم التخلي عن المسودة الأولى بالكامل وإعادة تصورها ، وكانت النتيجة كتابًا أفضل بكثير ، في رأيي.

Space.com: بالنظر إلى أنه تمت إعادة كتابته بالكامل عدة مرات ، فكم من الوقت استغرق كتابة الكتاب؟

سمولين: الكتابة ليست وظيفتي اليومية. وظيفتي اليومية هي أن أكون فيزيائيًا نظريًا. ولكن في وقت فراغي ، إذا جاز التعبير ، حوالي ثلاث سنوات. سيكون هناك شهر أو ستة أسابيع عندما أعمل في المقام الأول على الكتاب ، وبعد ذلك ستمر ستة أشهر وسأفكر فيه وأفكر فيه ثم سأغرق مرة أخرى لمدة ثلاثة أسابيع أو شهر. هكذا كان الأمر على مدى ثلاث سنوات.

Space.com: يصف كتابك تاريخ فيزياء الكم في أوائل القرن العشرين. لماذا أصبحت ثورة الكم المعادية للواقعية التي أثارها نيلز بور وجهة النظر السائدة - في غمضة عين على ما يبدو؟

سمولين: كان هناك شيئان تصرفوا في وقت واحد. واحد منهم ، والأهم ، كان النجاح التجريبي المذهل. مرت البشرية في أقل من 30 عامًا من التوفيق مع فكرة أن المادة مصنوعة من الذرات إلى نظرية كاملة للفيزياء الذرية. وعملت بشكل كبير لشرح الأطياف [قوس قزح من الألوان الناتجة عن فصل مكونات الضوء بواسطة الطول الموجي] ، والقوى ، والمركبات الكيميائية - كل شيء! ثم بسرعة كبيرة ، الفيزياء النووية ، فيزياء الجسيمات ، كيف تعمل النجوم - الفيزياء الفلكية.

لذا ، كان النجاح التجريبي مذهلاً ، وكان سريعًا. وقياسًا لذلك ، فإن المعارضين حتى لأشخاص مثل آينشتاين وشرودنغر ودي بروجلي قالوا: "انتظر دقيقة! الأسس فوضى!" يمكن مسح كل ذلك تحت السجادة.

كان هذا اول شي. والشيء الثاني هو هيبة ونيلز نيلز بور ، بدعم من الحكومة الدنماركية وشركة بيرة كارلسبرغ ، لإنشاء مركز جاء فيه كل شيء. يمكن أن تؤثر شخصيته المنومة والجذابة للغاية على أفكار جيل من الناس يخرجون من حرب رهيبة [الحرب العالمية الأولى]. لذا فهي مجموعة من الأشياء المختلفة في كل مرة.

Space.com: ولم تستطع نظريات أخرى إحراز تقدم.

من المذهل أن نظرية الموجة التجريبية دي بروجلي - حتى لو كان من الممكن أن تكون مناصرة آينشتاين ، دي دي بروغلي وبطريقة شرودنغر - لم يكن لها أي تأثير ، على الرغم من حقيقة أنها لم تكن أحدًا. كان هؤلاء أشخاصًا مشهورين عالميًا بجوائز نوبل ، الذين قدموا علومًا عظيمة ، ولكن يمكن مع ذلك تجاهل معارضتهم لعدة أجيال.

[تؤكد نظرية الموجة التجريبية ، التي طورها لويس دي بروجلي في عشرينيات القرن العشرين وتوسع ديفيد بوم في الخمسينات ، أن الإلكترونات تشمل الجسيمات والموجات وأن الجسيمات تتحرك في الاتجاه الذي توجهه الموجات. إنها حتمية وليست احتمالية.]

أعتقد في نهاية المطاف أن العلماء بشر ، ونحن متأثرون بجميع أنواع الأشياء ، من التحيز اللاواعي إلى الطموح إلى القوى الاجتماعية. يصبح تاريخ ميكانيكا الكم قصة تستحق التأمل ، لكنها ليست قصة غير عادية.

Space.com: كيف كان رد فعل زملائك على كتابك؟

سمولين: لا شيء حتى الآن كان مفاجئًا. وجهات نظري معروفة في مجتمع الفيزيائيين. على الرغم من أنه قد يبدو استفزازيًا داخل بنية الكتاب ، فلا يوجد أي نقاش لم يتم مناقشته تمامًا بين الفيزيائيين.

الشيء الوحيد الجديد هو الفصول القليلة الأخيرة. لقد جازفت بشدة بوضع عملي الحالي على الطاولة.

Space.com: يرجى وصف عملك الحالي.

سمولين: إن أهم شيء أفعله في عملي الجديد هو أخذ دور اللا تموضع على محمل الجد. [غير محلى يشير إلى قدرة الكائنات على التأثير في تصرفات الأجسام الأخرى البعيدة جدًا في المكان والزمان.] إذا كنت تريد تقديم وصف واقعي وكامل لما يحدث عندما يكون لديك جسيمين أو أكثر قد تفاعلوا ما نسميه "متشابك" ، ثم كيف تختار التعامل مع أحد الجسيمات يمكن أن يؤثر على الآخرين ، حتى لو كانت متباعدة جدًا. وهذا يعني أنه يجب عليك أن تأخذ على محمل الجد في أن التأثيرات ليست مقيدة بفكرة أن الأشياء تؤثر فقط على ما هو قريب منها.

لذلك ، أنا أعتبر ذلك على محمل الجد ، وأحاول أن أصنع نظرية تكون فيها هذه التشابكات الكمومية أساسية ومفهوم الفضاء ناشئ. الفضاء غير موجود. يمكننا عمل وصف طارئ وتقريبي للمساحة بنفس الطريقة التي نستخدم بها الضغط ودرجة الحرارة لوصف الغاز.

أنا لست بأي حال الشخص الوحيد الذي يحاول تطوير هذه النظرية. فكرة أن الفضاء قد ينشأ من التشابك هي فكرة قديمة تحصل على قوة جذب جديدة من أشخاص مثل روجر بنروز. نظريتي هي أن الفضاء قد يكون ناشئًا ، لكن ذلك الوقت أساسي وأن السببية أساسية. هذه وجهة نظر يوافق عليها عدد من الناس ، ويختلف معها الكثير.

Space.com: ما هو الهدف النهائي للقيام بهذا النوع من العمل النظري؟

سمولين: الفكرة هي تطوير وابتكار نظرية يمكنك من خلالها استنتاج التنبؤات التي تختبرها التجارب. معظم الأشخاص الجادين لا يأخذون الاقتراح النظري على محمل الجد إلا إذا جاء مع طريقة لاختباره ، على الأقل من حيث المبدأ إن لم يكن الآن في الممارسة العملية. بدون تجربة ، من السهل جدًا على المنظر أن يتحدث عن رياضيات جميلة ، وهذا خطأ ولا علاقة له بالطبيعة. نحتاج إلى خبراء تجريبيين لاستخلاص الأفكار وتضييق الإمكانيات.

إن الجيل الأخير أو الجيل الثاني فقط هو الذي يعاني من صعوبة اختبار النظريات. لذا يمكنك الحصول على جيل كامل للعمل على نماذج فيزياء الجسيمات التي تتجاوز النموذج القياسي ولن يتم اختبارها تجريبيًا. هذا أمر غير معتاد ، ولسوء الحظ ، يميز دورتنا.

يعمل العديد من الأشخاص الجادين في مجال الفيزياء النظرية الأساسية بجد لإثارة واختراع المقترحات التي يمكن اختبارها الآن. تتنبأ نسختي من غير المحلية بأن التأثيرات الكمومية ترجع جزئيًا إلى حقيقة أن الذرات متشابهة جدًا مع عدد كبير من الذرات في الكون. إذا تمكنا من إنشاء نظام كمّي فريد من نوعه - ليس له نسخ كاملة في أي مكان في الكون المرئي - فلن يطيع ميكانيكا الكم ، فإنه سيطيع بعض المعادلات المختلفة إلى حد ما التي اشتقها. وهذا تقريبًا على عتبة ما تستطيع المختبرات التجريبية في ميكانيكا الكم اختباره الآن.

تم تحرير هذه المقالة وتكثيفها من أجل الوضوح. تستطيع قم بشراء "ثورة آينشتاين غير المكتملة" على موقع Amazon.com. 

• هذه الذرات "المخيفة" المتشابكة جلبت فقط الحوسبة الكمومية خطوة واحدة أقرب
• تقدم الكوازارات القديمة دليلاً لا يصدق على التشابك الكمي
• لماذا لا تستطيع ميكانيكا الكم أن تشرح الجاذبية؟ (افتتاحية)