"Einsteins oavslutade revolution" av Lee Smolin
(Bild: © Penguin Press)
Kvantmekanik är fast vetenskap. Ärendet avslutades, och tack så mycket - eller så många skulle argumentera.
Tack vare banbrytande arbete på 1920-talet tror många att vi nu vet allt vi någonsin kommer att behöva veta om rörelse i atom- eller subatomär skala. Enligt den danska fysikern Niels Bohr och hans följare kan vi säga antingen den exakta positionen för en atompartikel eller dess bana, men vi kan inte göra båda samtidigt. Den typen av förutsägelse kan endast vara sannolikhet, aldrig absolut exakt.
Teoretisk fysiker Lee Smolin från Perimeter Institute for Theoretical Physics i Waterloo, Kanada, har tillbringat hela sin karriär på att utmana denna uppfattning. Smolin tror att Bohrs triumf är ett exempel på karisma som kväver en legitim dissens, till och med från sådana framstående dissenters som Albert Einstein och Erwin Schrödinger.
Idag söker Smolin i Albert Einsteins fotspår och fortsätter en lång tradition som inkluderar andra fysiker inklusive David Bohm och söker en teori för att "fullfölja" kvantfysik genom att tillåta exakta beskrivningar och inte fuzzy sannolikheter. Smolin har ett "realistiskt" perspektiv, i motsats till den "antirealistiska" uppfattningen om Bohr och hans acolyter. Smolin redogör för sitt perspektiv i "Einsteins oavslutade revolution"(Penguin Press, april 2019). Space.com tog upp Smolin för att diskutera boken, hur nya idéer blir dominerande inom vetenskapen och vad han håller på med nu.
Space.com: Vad är skillnaden mellan realistiska och antirealistiska förhållningssätt till kvantmekanik?
Lee Smolin: För mig är skillnaden mellan någon som är en realist om kvantfenomen kontra någon som inte är en realist, som en realist tror du att det finns en fullständig historia, och det finns en fullständig beskrivning, som vi kan uppnå varje atomprocess, av någon kärnkraftsprocess, av allt som händer i den subatomära världen. Kvantmekanik ger inte en så fullständig beskrivning av varje process individuellt, och därför kan den inte vara komplett. Vi måste hitta en djupare teori utöver den. Kvantmekanik är ett steg mot förståelsen av subatomisk fysik, men det är inte det sista steget. Så jobbet är att gå djupare och uppfinna eller upptäcka en bättre teori som ger en fullständig beskrivning.
Om du är det vi kallar en anti-realist, tror du att kvantmekanik som den skrevs ned på 1920-talet är möjligen den sista teorin, och det finns ingen motivation att se djupare.
Space.com: Du hänvisar till personer som söker efter avslutandet av kvantteorien som "naiva realister" eftersom deras åsikter inte behöver invändiga motiveringar. Kan du utarbeta den här termen?
Smolin: Naiv betyder verkligen sofistikerad. Naiv betyder att du har hört alla grundläggande invändningar mot idén att vi kan ge en fullständig beskrivning av världen som den är och förkasta dem och hålla den som vårt mål att förstå naturen fullständigt och som om vi inte var här. Vetenskap är en beskrivning av naturen som ska vara objektiv, inte påtvingad av våra experiment eller av våra idéer eller våra övertygelser.
Space.com: Betyder "naiv" att vara helt öppen för nya idéer och övertygelser?
Smolin: Helt öppen? Nej. Folk glömmer att fysik, som alla vetenskaper, har en historia och en tradition. Ta en enkel idé som momentum, som borde förstås i samband med all diskussion sedan 1500- och 1600-talet om tröghetsprincipen, relativitetsprincipen och så vidare. Du kan inte förklara ett begrepp som fart utan att fördjupa dig i hela konceptets historia.
Space.com: Din bok är tydlig och klar och den är förståelig för människor med olika nivåer av bakgrundskunskap. Vad är din skrivprocess?
Smolin: Varför tackar dig! Jag tar det som en komplimang. Jag har mycket erfarenhet och en hel del övning som undervisar modern fysik till icke-vetenskapsmän. På olika universitet undervisade jag ofta kurser "fysik för humaniora" eller "fysik för poeter". Så jag har mycket erfarenhet av att föra olika pedagogiska strategier att använda för att lära kvantfysik eller relativitet till lekmän.
En bok som denna har flera målgrupper samtidigt. Jag riktar mig till experter och kollegor, men framförallt adresserar jag lagfolk. Och den första lekmannen som är viktig är redaktören. Jag insisterar alltid på att arbeta med en redaktör som har en examen i litteratur eller humaniora eller historia - inte en examen i vetenskap. Jag har också flera testläsare som inte har någon utbildning i vetenskap. De pressade mig alla till att förtydliga, förtydliga, förtydliga och vid behov skriva om boken. Den här boken gick igenom tre kompletta omskrivningar. Ingenting lämnades på skärrumsgolvet, så att säga. Hela det första utkastet övergavs helt och rekonceptualiserades, och resultatet var en mycket bättre bok, enligt min mening.
Space.com: Med tanke på att den har skrivits om flera gånger, hur lång tid tog det att skriva boken?
Smolin: Att skriva är inte mitt dagjobb; mitt dagjobb är att vara en teoretisk fysiker. Men på min fritid, så att säga, cirka tre år. Det kommer att gå en månad eller sex veckor när jag huvudsakligen arbetar med boken, och sedan kommer sex månader att gå och jag ska reflektera och tänka på den och sedan ska jag kasta in igen i tre veckor eller en månad. Så det var så under en period på tre år.
Space.com: Din bok beskriver kvantfysikens historia i början av 1900-talet. Varför blev den anti-realistiska kvantrevolutionen som uppstod av Niels Bohr den dominerande uppfattningen - i till synes en blinkning?
Smolin: Det var två saker som handlade samtidigt. En av dem, och den viktigaste, var den häpnadsväckande experimentella framgången. Mänskligheten gick på mindre än 30 år från att förena sig till idén att materien är gjord av atomer till en fullständig teori om atomfysik. Och det fungerade väsentligt för att förklara spektra [regnbågen av färger som produceras genom att separera ljuskomponenter med deras våglängd], krafterna, de kemiska föreningarna - allt! Sedan mycket snabbt, kärnfysik, partikelfysik, hur stjärnor fungerar - astrofysik.
Så den experimentella framgången var häpnadsväckande och den var snabb. Mätt mot det, till och med dissens av människor som Einstein, Schrödinger och de Broglie som sa: "Vänta en stund! Grunden är en röra!" Allt detta kan sopas under mattan.
Det var det första. Det andra är Niels Bohrs prestige och karisma, med det stöd han hade från den danska regeringen och ölföretaget Carlsberg, för att upprätta ett centrum där allt kom igenom honom. Hans mycket hypnotiska, karismatiska personlighet kunde påverka tankarna på en generation människor som kommer ut ur ett fruktansvärt krig [första världskriget]. Så det är ett gäng olika saker åt gången.
Space.com: Och andra teorier kunde inte göra framsteg.
Det är häpnadsväckande att pilotvågsteorin om de Broglie - även om den kunde förkämmas av Einstein, av de Broglie och på ett sätt av Schrödinger - inte hade någon inverkan, trots att det inte var några nobodies. Dessa var världsberömda människor med nobelpriser, som hade gjort stor vetenskap, men deras dissent kunde ändå ignoreras i flera generationer.
[Pilotvågteori, som Louis de Broglie utvecklade på 1920-talet och David Bohm utvidgade på 1950-talet, hävdar att elektroner omfattar både partiklar och vågor och att partiklar rör sig i den riktning som vågorna leder dem. Det är deterministiskt, inte probabilistiskt.]
I slutändan tror jag att forskare är människor, och vi påverkas av alla slags saker, från medvetslös förspänning till ambitioner till sociala krafter. Kvantmekanikens historia blir en berättelse som är värd att överväga, men det är inte en ovanlig berättelse.
Space.com: Hur har dina kamrater reagerat på din bok?
Smolin: Inget hittills har varit förvånande. Mina åsikter är välkända inom fysikerna. Hur provocerande det än kan verka inom bokens struktur, det finns ingen diskussion som inte har diskuterats särskilt noggrant bland fysiker.
Det enda som är nytt är de sista kapitlen. Jag tog en stor risk att lägga mitt nuvarande arbete på bordet.
Space.com: Beskriv ditt nuvarande arbete.
Smolin: Det viktigaste jag gör i mitt nya arbete är att ta på allvar rollen som icke-socialitet. [nonlocality hänvisar till förmågan hos objekt att påverka handlingarna hos andra objekt som ligger mycket långt ifrån varandra i rum och tid.] Om du vill ge en realistisk, fullständig beskrivning av vad som händer när du har två partiklar eller mer som har interagerat och är vad vi kallar "intrasslad", hur du väljer att manipulera en av partiklarna kan påverka de andra, även om de är mycket långt ifrån varandra. Och detta innebär att du måste ta på allvar att påverkan inte begränsas av idén att saker bara påverkar det som är nära dem.
Så jag tar det på allvar och försöker göra en teori där dessa kvantförvirringar är grundläggande och uppfattningen om rymden är uppenbar. Rymden finns inte; vi kan göra en framväxande, ungefärlig beskrivning av rymden på samma sätt som vi använder tryck och temperatur för att beskriva en gas.
Jag är inte på något sätt den enda personen som försöker utveckla denna teori. Tanken på att rymden kan uppstå från förvirring är en gammal idé som får ny dragkraft från människor som Roger Penrose. Min teori är att rymden kan komma fram, men att tiden är grundläggande och att kausaliteten är grundläggande. Det är en uppfattning som ett antal människor skulle vara överens med, och många människor skulle vara oeniga med.
Space.com: Vad är det ultimata målet med att göra den här typen av teoretiskt arbete?
Smolin: Tanken är att utveckla och uppfinna en teori från vilken du kan härleda förutsägelser som experiment testar. De flesta seriösa tar inte ett teoretiskt förslag på allvar såvida det inte kommer att testa det, åtminstone i princip om inte just nu i praktiken. Utan experiment är det bara så lätt för en teoretiker att prata vacker matematik, vilket är fel och har ingenting med naturen att göra. Vi behöver experimenterande för att döda idéerna och begränsa möjligheterna.
Det är bara den sista generationen eller två som har en situation som teorierna är svåra att testa. Så du kan låta en hel generation arbeta med, säga, partikel-fysikmodeller som går utöver standardmodellen och dessa testas inte experimentellt. Detta är ovanligt och tyvärr kännetecknar vår period.
Många som är seriösa inom grundläggande teoretisk fysik arbetar mycket hårt för att reta ut och uppfinna förslag som är testbara nu. Min version av icke-lokalitet förutspår att kvanteffekter delvis beror på det faktum att atomer är mycket lika med ett stort antal atomer i universum. Om vi kunde skapa ett kvantsystem som var unikt - som inte hade några fullständiga kopior någonstans i det observerbara universum - skulle det inte följa kvantmekanik, det skulle lyda några något olika ekvationer som jag härledde. Det är nästan på tröskeln för vad experimentella laboratorier inom kvantmekanik kan testa nu.
Den här artikeln har redigerats och kondenserats för tydlighet. Du kan köp "Einsteins oavslutade revolution" på Amazon.com.
- Dessa "Spooky" -trasslade atomer har bara fått kvantberäkningen ett steg närmare
- Forntida kvasarer ger otroligt bevis för kvantförvirring
- Varför kan inte kvantmekanik förklara tyngdkraften? (Op-Ed)
