הפיזיקאי לי סמולין על המהפכה הבלתי גמורה של איינשטיין בפיזיקה קוונטית: שאלות ותשובות של המחבר

Send

"המהפכה הבלתי גמורה של איינשטיין" מאת לי סמולין

(תמונה: © Penguin Press)

מכניקת הקוונטים היא מדע מיושב. התיק נסגר, ותודה רבה לך - או כך רבים יתווכחו.

הודות לעבודה החלוצית בשנות העשרים של המאה העשרים, אנשים רבים מאמינים כי אנו יודעים כעת את כל מה שנצטרך לדעת על תנועה בקנה מידה אטומי או תת אטומי. לדברי הפיזיקאי הדני נילס בוהר וחסידיו, אנו יכולים להניח את המיקום המדויק של חלקיק אטומי או מסלולו, אך איננו יכולים לעשות את שניהם בו זמנית. חיזוי מסוג זה יכול להיות הסתברותי, ואף פעם לא מדויק לחלוטין.

הפיזיקאי התאורטי לי סמולין, ממכון היקף לפיזיקה תיאורטית בווטרלו בקנדה, בילה את כל הקריירה שלו באתגר תפיסה זו. סמולין סבור כי הניצחון של בוהר הוא דוגמא לכריזמה המחניקה התנגדות לגיטימית, אפילו מצד מתנגדים בולטים כמו אלברט איינשטיין וארווין שרדינגר.

כיום סמולין, בעקבות צעדיו של אלברט איינשטיין והמשיך במסורת ארוכה הכוללת פיסיקאים אחרים ובהם דייוויד בוהם, מבקש תיאוריה "להשלים" את הפיזיקה הקוונטית בכך שהיא מאפשרת תיאורים מדויקים ולא הסתברויות מעורפלות. סמולין מחזיקה בפרספקטיבה "מציאותית", בניגוד לתפיסה "האנטי-ריאליסטית" של בוהר ואקוליטים שלו. סמולין מציג את נקודת המבט שלו ב "המהפכה הבלתי גמורה של אינשטיין"(Penguin Press, אפריל 2019). Space.com הדביק את סמולין כדי לדון בספר, איך רעיונות חדשים הופכים לדומיננטיים במדע, ומה הוא עומד עד עכשיו.

Space.com: מה ההבדל בין גישות ריאליסטיות ואנטי-ריאליות לגישה מכניקה קוואנטית?

לי סמולין: מבחינתי ההבדל בין מישהו שהוא ריאליסט לגבי תופעות קוונטיות לעומת מישהו שאינו ריאליסט הוא, כריאליסט, אתה מאמין שיש סיפור שלם, ויש תיאור מלא, שנוכל להשיג כל תהליך אטומי, של כל תהליך גרעיני, מכל דבר שקורה בעולם התת אטומי. מכניקת הקוונטים אינה נותנת תיאור כה מלא של כל אחד מהתהליכים בנפרד, ולכן היא לא יכולה להיות שלמה. עלינו למצוא תיאוריה עמוקה יותר מעבר לה. מכניקת הקוונטים היא צעד לקראת ההבנה של פיזיקה תת-אטומית, אבל זה לא השלב האחרון. אז התפקיד הוא להעמיק יותר ולהמציא או לגלות תיאוריה טובה יותר שאכן נותנת תיאור מלא.

אם אתה מה שאנו מכנים אנטי-ריאליסט, אתה חושב שמכניקת הקוונטים כפי שנכתבה בשנות העשרים היא אולי התיאוריה הסופית, ואין שום מוטיבציה להיראות עמוקה יותר.

Space.com: אתה מתייחס לאנשים המחפשים את השלמת תורת הקוונטים כ"ריאליסטים תמימים "מכיוון שהשקפותיהם אינן זקוקות להצדקות מפותלות. האם אתה יכול לפרט על מונח זה?

סמולין: נאיבי באמת אומר מתוחכם. נאיבי פירושו ששמעת את כל ההתנגדויות הבסיסיות לרעיון שנוכל לתת תיאור מלא של העולם כפי שהוא ולדחות את אלה ולהחזיק אותו כמטרתנו להבין את הטבע באופן מוחלט וכאילו לא היינו כאן. מדע הוא תיאור של הטבע שאמור להיות אובייקטיבי, שלא נכפה על ידי הניסויים שלנו או על ידי הרעיונות שלנו או האמונות שלנו.

Space.com: האם פירוש "נאיבי" להיות פתוח לחלוטין לרעיונות ואמונות חדשים?

סמולין: פתוח לגמרי? לא. אנשים שוכחים שלפיזיקה, כמו לכל מדע, יש היסטוריה ומסורת. קח רעיון פשוט כמו מומנטום, אותו יש להבין בהקשר של כל הדיון מאז המאה ה -16 וה -17 על עקרון האינרציה, עקרון היחסות, וכן הלאה. אתה לא יכול להסביר מושג כמו מומנטום בלי להיות שקוע בכל ההיסטוריה של המושג.

Space.com: הספר שלך ברור וצלול, והוא מובן לאנשים עם רמות שונות של ידע ברקע. מה תהליך הכתיבה שלך?

סמולין: למה, תודה! אני אקח את זה כמחמאה. יש לי ניסיון רב והרבה תרגול בהוראת פיזיקה מודרנית ללא מדעים. באוניברסיטאות שונות לימדתי לעתים קרובות קורסים "פיזיקה למדעי הרוח" או "פיזיקה למשוררים". אז יש לי ניסיון רב בשטיפת אסטרטגיות פדגוגיות שונות לשימוש בהוראת פיסיקה קוונטית או תורת היחסות לאנשים.

לספר כזה יש כמה קהלים בו זמנית. אני פונה למומחים ועמיתים, אבל בעיקר אני פונה לאנשים פרטיים. והדיוט הראשון שחשוב הוא העורך. אני תמיד מתעקש לעבוד עם עורך בעל תואר בספרות או מדעי הרוח או היסטוריה - ולא תואר במדע. יש לי גם כמה קוראי מבחן שאין להם השכלה במדע. כולם דחפו אותי להבהיר, להבהיר, להבהיר ובמידת הצורך לשכתב את הספר. הספר הספציפי הזה עבר שלושה כותבים שלמים. דבר לא נותר ברצפת חדר החיתוך, כביכול. כל הטיוטה הראשונה ננטשה לחלוטין והושגה מחדש, והתוצאה הייתה ספר טוב בהרבה, לדעתי.

Space.com: בהתחשב בכך שהוא נכתב מחדש לחלוטין מספר פעמים, כמה זמן לקח לכתוב את הספר?

סמולין: כתיבה היא לא העבודה היומית שלי; העבודה היום שלי היא להיות פיזיקאי תיאורטי. אבל בזמני הפנוי, כביכול, כשלוש שנים. יהיה חודש או שישה שבועות שבהם אני בעיקר עובדת על הספר, ואז יעבור חצי שנה ואני אשקף ואחשוב על זה ואז אכנס שוב לשלושה שבועות או חודש. אז זה היה ככה לאורך תקופה של שלוש שנים.

Space.com: ספרך מפרט את ההיסטוריה של הפיזיקה הקוונטית בראשית המאה העשרים. מדוע הפכה מהפכת הקוונטים האנטי-ריאליסטית שהצית נילס בוהר לתפיסה הדומיננטית - לכאורה כהרף עין?

סמולין: היו שני דברים שפעלו במקביל. אחד מהם, והחשוב ביותר, היה ההצלחה הניסיונית המדהימה. האנושות עברה תוך פחות משלושים שנה מהפיוס לרעיון שחומר עשוי מאטומים לתיאוריה שלמה של פיזיקה אטומית. וזה עבד באופן מהותי כדי להסביר את הספקטרום [קשת הצבעים המיוצרת על ידי הפרדת רכיבי אור לפי אורך הגל שלהם], הכוחות, התרכובות הכימיות - הכל! ואז מהר מאוד, פיזיקה גרעינית, פיזיקת חלקיקים, איך כוכבים עובדים - אסטרופיזיקה.

אז ההצלחה הניסיונית הייתה מדהימה, והיא הייתה מהירה. כנגד זה נבדק אפילו ההתנגדות של אנשים כמו איינשטיין, שרדינגר ודה ברוגלי שאמרו "רגע, היסודות הם בלגן!" את כל זה אפשר היה לסחוף מתחת לשטיח.

זה היה הדבר הראשון. הדבר השני הוא היוקרה והכריזמה של נילס בוהר, עם התמיכה שהייתה לו מהממשלה הדנית וחברת הבירה קרלסברג, להקים מרכז בו הכל הגיע דרכו. אישיותו המהפנטת והכריזמטית מאוד יכולה להשפיע על מחשבותיהם של דור אנשים היוצאים ממלחמה נוראה [מלחמת העולם הראשונה]. אז זה חבורה של דברים שונים בכל פעם.

Space.com: ותיאוריות אחרות לא יכלו להתקדם.

זה מדהים שלתיאוריית גל הפיילוט של דה ברוגלי - אפילו אם איינשטיין, על ידי דה ברוגלי ובצורה מסוימת על ידי שרדינגר - הייתה אפשרות לדבוק בה, למרות שהדבר לא היו אנשים. אלה היו אנשים מפורסמים בעולם עם פרסי נובל, שעשו מדעים גדולים, אך בכל זאת ניתן היה להתעלם מהתנגדותם במשך כמה דורות.

[תיאוריית גל הפיילוט, אותה פיתח לואי דה ברוגלי בשנות העשרים ודוד בוהם הרחיב בשנות החמישים, טוענת כי אלקטרונים מקיפים גם חלקיקים וגם גלים וכי חלקיקים נעים בכיוון שהגלים מנחים אותם. זה דטרמיניסטי, לא הסתברותי.]

אני חושב שבסופו של דבר מדענים הם בני אדם, ואנחנו מושפעים מכל מיני דברים, מהטיה לא מודעת, לשאיפה לכוחות חברתיים. ההיסטוריה של מכניקת הקוונטים הופכת לסיפור שכדאי להתבונן בו, אבל זה לא סיפור יוצא דופן.

Space.com: כיצד הגיבו בני גילך לספר שלך?

סמוליןשום דבר עד כה לא היה מפתיע. הדעות שלי ידועות בקהילה של הפיזיקאים. ככל שיהיה פרובוקטיבי זה נראה במבנה הספר, אין דיון שלא התלבט ביסודיות רבה בקרב פיזיקאים.

הדבר היחיד שהוא חדש זה הפרקים האחרונים. לקחתי סיכון גדול להניח את עבודתי הנוכחית על השולחן.

Space.com: אנא תאר את העבודה הנוכחית שלך.

סמולין: הדבר החשוב ביותר שאני עושה בעבודתי החדשה הוא לקחת ברצינות את התפקיד של אי-המועדון. [אי-רוקליות מתייחס ליכולתם של חפצים להשפיע על פעולותיהם של חפצים אחרים המרוחקים זה מזה במרחב ובזמן.] אם אתה רוצה לתת תיאור מציאותי, שלם של המתרחש כשיש לך שני חלקיקים או יותר שקיימו אינטראקציה מה שאנחנו מכנים "הסתבכות", אז איך שתבחר לתמרן את אחד החלקיקים יכול להשפיע על האחרים, גם אם הם רחוקים זה מזה. פירוש הדבר שעליך לקחת ברצינות שההשפעות אינן מוגבלות על ידי הרעיון שהדברים משפיעים רק על הקרוב אליהם.

לכן, אני לוקח את זה ברצינות, ומנסה ליצור תיאוריה בה ההסתבכויות הקוונטיות הללו הן בסיסיות ותפיסת המרחב עולה. החלל אינו קיים; אנו יכולים לתאר תיאור חדש ומעריך של החלל באותה דרך בה אנו משתמשים בלחץ וטמפרטורה כדי לתאר גז.

אני בשום אופן לא האדם היחיד שמנסה לפתח את התיאוריה הזו. הרעיון שמרחב עשוי להיווצר מההסתבכות הוא רעיון ישן שמשיג משיכה חדשה מאנשים כמו רוג'ר פנרוז. התיאוריה שלי היא שהחלל עשוי להופיע, אך הזמן הזה הוא בסיסי והסיבתיות היא בסיסית. זו השקפה שמספר אנשים יסכימו איתה, והרבה אנשים לא היו מסכימים איתה.

Space.com: מה המטרה הסופית של ביצוע עבודות תיאורטיות מסוג זה?

סמוליןהרעיון הוא לפתח ולהמציא תיאוריה שממנה ניתן להסיק תחזיות אשר ניסויים בוחנים. רוב האנשים הרציניים לא מתייחסים ברצינות להצעה תיאורטית אלא אם כן היא באה עם דרך לבחון אותה, לפחות באופן עקרוני, אם לא ברגע זה בפועל. בלי ניסוי, פשוט כל כך קל לתאורטיקן לדבר במתמטיקה יפה, וזה לא בסדר ולא קשור לטבע. אנו זקוקים לאנשי ניסוי שיבטלו את הרעיונות ויצמצמו את האפשרויות.

זה רק הדור או השניים האחרונים שיש להם את המצב שקשה לבדוק את התיאוריות. כך שתוכלו לעבוד בדור שלם על מודלים של פיזיקת חלקיקים, שהם מעבר למודל הסטנדרטי ואלו לא נבדקים בניסוי. זה יוצא דופן, ולמרבה הצער, מאפיין את התקופה שלנו.

אנשים רבים שרציניים בתחום הפיזיקה התיאורטית הבסיסית עובדים קשה מאוד כדי להקניט ולהמציא הצעות שניתנות לבחינה כעת. הגרסה שלי לאי-לוקאליות מנבאת כי השפעות קוונטיות נובעות בחלקן מהעובדה שהאטומים דומים מאוד למספר עצום של אטומים ביקום. אם היינו יכולים ליצור מערכת קוונטית הייחודית - שלא היו לה שום עותקים שלמים בשום מקום ביקום הנצפה - היא לא הייתה מצייתת למכניקת הקוונטים, היא הייתה מציית לכמה משוואות שונות במקצת שאני גוזר. זה כמעט על סף מה שמעבדות ניסוי במכניקת הקוונטים מסוגלות לבדוק עכשיו.

מאמר זה נערך ועיבד לצורך הבהרות. אתה יכול קנו את "המהפכה הבלתי גמורה של איינשטיין" באתר Amazon.com.