"Einsteins unvollendete Revolution" von Lee Smolin
(Bild: © Penguin Press)
Die Quantenmechanik ist eine festgelegte Wissenschaft. Fall abgeschlossen, und vielen Dank - oder so viele würden streiten.
Dank der Pionierarbeit in den 1920er Jahren glauben viele Menschen, dass wir jetzt alles wissen, was wir jemals über Bewegung auf atomarer oder subatomarer Ebene wissen müssen. Laut dem dänischen Physiker Niels Bohr und seinen Anhängern können wir entweder die genaue Position eines Atomteilchens oder seine Flugbahn bestimmen, aber wir können nicht beides gleichzeitig tun. Diese Art der Vorhersage kann nur probabilistisch sein, niemals absolut genau.
Der theoretische Physiker Lee Smolin vom Perimeter Institute for Theoretical Physics in Waterloo, Kanada, hat seine gesamte Karriere damit verbracht, diese Sichtweise in Frage zu stellen. Smolin glaubt, dass Bohrs Triumph ein Beispiel für Charisma ist, das legitime Meinungsverschiedenheiten erstickt, selbst von so bedeutenden Andersdenkenden wie Albert Einstein und Erwin Schrödinger.
Heute sucht Smolin, der in die Fußstapfen von Albert Einstein tritt und eine lange Tradition fortsetzt, zu der auch andere Physiker wie David Bohm gehören, nach einer Theorie, um die Quantenphysik zu "vervollständigen", indem sie genaue Beschreibungen und keine unscharfen Wahrscheinlichkeiten zulässt. Smolin vertritt eine "realistische" Perspektive im Gegensatz zur "anti-realistischen" Sichtweise von Bohr und seinen Akolythen. Smolin erläutert seine Perspektive in "Einsteins unvollendete Revolution"(Penguin Press, April 2019). Space.com sprach mit Smolin über das Buch, wie neue Ideen in der Wissenschaft dominieren und was er bisher gemacht hat.
Space.com: Was ist der Unterschied zwischen realistischen und anti-realistischen Ansätzen? Quantenmechanik?
Lee Smolin: Für mich besteht der Unterschied zwischen jemandem, der ein Realist in Bezug auf Quantenphänomene ist, und jemandem, der kein Realist ist, darin, dass Sie als Realist glauben, dass es eine vollständige Geschichte gibt und dass es eine vollständige Beschreibung gibt, die wir für jeden atomaren Prozess erreichen können. von jedem nuklearen Prozess, von allem, was in der subatomaren Welt vor sich geht. Die Quantenmechanik beschreibt nicht jeden Prozess einzeln so vollständig und kann daher nicht vollständig sein. Wir müssen darüber hinaus eine tiefere Theorie finden. Die Quantenmechanik ist ein Schritt zum Verständnis von subatomare Physik, aber es ist nicht der letzte Schritt. Die Aufgabe besteht also darin, tiefer zu gehen und eine bessere Theorie zu erfinden oder zu entdecken, die eine vollständige Beschreibung liefert.
Wenn Sie das sind, was wir als Anti-Realisten bezeichnen, dann denken Sie, dass die Quantenmechanik, wie sie in den 1920er Jahren niedergeschrieben wurde, möglicherweise die endgültige Theorie ist, und es gibt keine Motivation, tiefer zu schauen.
Space.com: Sie bezeichnen Menschen, die nach der Vervollständigung der Quantentheorie suchen, als "naive Realisten", weil ihre Ansichten keine verschlungenen Begründungen benötigen. Können Sie diesen Begriff näher erläutern?
Smolin: Naiv bedeutet wirklich raffiniert. Naiv bedeutet, dass Sie alle grundlegenden Einwände gegen die Idee gehört haben, dass wir eine vollständige Beschreibung der Welt wie sie ist geben und diese ablehnen und es als unser Ziel betrachten können, die Natur vollständig zu verstehen und als ob wir nicht hier wären. Wissenschaft ist eine Beschreibung der Natur, die objektiv sein soll und nicht durch unsere Experimente, unsere Ideen oder unsere Überzeugungen auferlegt wird.
Space.com: Bedeutet "naiv", völlig offen für neue Ideen und Überzeugungen zu sein?
Smolin: Vollständig geöffnet? Nein. Die Leute vergessen, dass die Physik wie jede Wissenschaft eine Geschichte und eine Tradition hat. Nehmen Sie eine einfache Idee wie Momentum, die im Kontext aller Diskussionen seit dem 16. und 17. Jahrhundert über das Trägheitsprinzip, das Relativitätsprinzip usw. verstanden werden sollte. Sie können ein Konzept wie Momentum nicht erklären, ohne in die gesamte Geschichte des Konzepts eingetaucht zu sein.
Space.com: Ihr Buch ist klar und klar und für Menschen mit unterschiedlichem Hintergrundwissen verständlich. Was ist dein Schreibprozess?
Smolin: Warum Danke! Ich nehme das als Kompliment. Ich habe viel Erfahrung und viel Übung darin, Nichtwissenschaftlern moderne Physik beizubringen. An verschiedenen Universitäten unterrichtete ich häufig Kurse in "Physik für Geisteswissenschaften" oder "Physik für Dichter". Ich habe also viel Erfahrung damit, verschiedene pädagogische Strategien zu entwickeln, um Laien Quantenphysik oder Relativitätstheorie beizubringen.
Ein solches Buch hat mehrere Zielgruppen gleichzeitig. Ich spreche Experten und Kollegen an, aber hauptsächlich Laien. Und der erste Laie, der zählt, ist der Herausgeber. Ich bestehe immer darauf, mit einem Redakteur zusammenzuarbeiten, der einen Abschluss in Literatur, Geisteswissenschaften oder Geschichte hat - keinen Abschluss in Naturwissenschaften. Ich habe auch mehrere Testleser, die keine naturwissenschaftliche Ausbildung haben. Sie alle drängten mich, das Buch zu klären, zu klären, zu klären und bei Bedarf neu zu schreiben. Dieses spezielle Buch wurde drei Mal komplett neu geschrieben. Auf dem Boden des Schneideraums war sozusagen nichts mehr übrig. Der gesamte erste Entwurf wurde vollständig aufgegeben und neu konzipiert, und das Ergebnis war meiner Meinung nach ein viel besseres Buch.
Space.com: Wie lange hat es gedauert, das Buch zu schreiben, da es mehrmals komplett neu geschrieben wurde?
Smolin: Schreiben ist nicht mein Tagesjob; Mein Tagesjob ist ein theoretischer Physiker. Aber in meiner Freizeit sozusagen drei Jahre. Es wird einen Monat oder sechs Wochen geben, in denen ich hauptsächlich an dem Buch arbeite, und dann vergehen sechs Monate, und ich werde darüber nachdenken und darüber nachdenken und dann drei Wochen oder einen Monat lang wieder eintauchen. So war es über einen Zeitraum von drei Jahren.
Space.com: Ihr Buch beschreibt die Geschichte der Quantenphysik im frühen 20. Jahrhundert. Warum wurde die von Niels Bohr ausgelöste antirealistische Quantenrevolution zur dominierenden Sichtweise - scheinbar im Handumdrehen?
Smolin: Es gab zwei Dinge, die gleichzeitig handelten. Einer von ihnen und der wichtigste war der erstaunliche experimentelle Erfolg. Die Menschheit hat sich in weniger als 30 Jahren von der Versöhnung mit der Idee, dass Materie aus Atomen besteht, zu einer vollständigen Theorie der Atomphysik entwickelt. Und es hat wesentlich dazu beigetragen, die Spektren [den Regenbogen der Farben, die durch Trennen der Lichtkomponenten durch ihre Wellenlänge erzeugt werden], die Kräfte, die chemischen Verbindungen - alles zu erklären! Dann sehr schnell Kernphysik, Teilchenphysik, wie Sterne funktionieren - Astrophysik.
Der experimentelle Erfolg war also erstaunlich und schnell. Gemessen daran, der Widerspruch sogar von Leuten wie Einstein, Schrödinger und de Broglie, die sagten: "Moment mal! Die Fundamente sind ein Chaos!" All das konnte unter den Teppich gekehrt werden.
Das war das erste was. Das zweite ist das Prestige und Charisma von Niels Bohr, mit der Unterstützung der dänischen Regierung und der Carlsberg-Bierfirma, ein Zentrum zu errichten, in dem alles durch ihn kam. Seine sehr hypnotische, charismatische Persönlichkeit könnte die Gedanken einer Generation von Menschen beeinflussen, die aus einem schrecklichen Krieg [dem Ersten Weltkrieg] hervorgegangen sind. Es sind also eine Reihe verschiedener Dinge gleichzeitig.
Space.com: Und andere Theorien konnten nicht vorankommen.
Es ist erstaunlich, dass die Pilotwellentheorie von de Broglie - auch wenn sie von Einstein, von de Broglie und in gewisser Weise von Schrödinger verfochten werden konnte - trotz der Tatsache, dass es sich nicht um Nobodys handelte, keine Auswirkungen hatte. Dies waren weltberühmte Menschen mit Nobelpreisen, die großartige Wissenschaft geleistet hatten, aber ihre Ablehnung konnte dennoch für mehrere Generationen ignoriert werden.
[Die Pilotwellentheorie, die Louis de Broglie in den 1920er Jahren entwickelte und David Bohm in den 1950er Jahren erweiterte, behauptet, dass Elektronen sowohl Teilchen als auch Wellen umfassen und dass sich Teilchen in die Richtung bewegen, in die Wellen sie führen. Es ist deterministisch, nicht probabilistisch.]
Ich denke, letztendlich sind Wissenschaftler Menschen, und wir werden von allen möglichen Dingen beeinflusst, von unbewusster Voreingenommenheit über Ehrgeiz bis hin zu sozialen Kräften. Die Geschichte der Quantenmechanik wird zu einer Geschichte, über die man nachdenken sollte, aber es ist keine ungewöhnliche Geschichte.
Space.com: Wie haben Ihre Kollegen auf Ihr Buch reagiert?
Smolin: Bisher war nichts überraschend. Meine Ansichten sind in der Gemeinschaft der Physiker bekannt. So provokant es auch in der Struktur des Buches erscheinen mag, es gibt keine Diskussion, die unter Physikern nicht sehr gründlich diskutiert wurde.
Neu ist nur das letzte Kapitel. Ich ging ein großes Risiko ein, um meine aktuelle Arbeit auf den Tisch zu legen.
Space.com: Bitte beschreiben Sie Ihre aktuelle Arbeit.
Smolin: Das Wichtigste, was ich in meiner neuen Arbeit mache, ist, die Rolle der Nichtlokalität ernst zu nehmen. [Nichtlokalität bezieht sich auf die Fähigkeit von Objekten, die Aktionen anderer Objekte zu beeinflussen, die räumlich und zeitlich sehr weit voneinander entfernt sind.] Wenn Sie eine realistische, vollständige Beschreibung dessen geben möchten, was passiert, wenn zwei oder mehr Partikel interagiert haben und sind Was wir "verwickelt" nennen, dann kann die Art und Weise, wie Sie eines der Partikel manipulieren, die anderen beeinflussen, selbst wenn sie sehr weit voneinander entfernt sind. Und das bedeutet, dass Sie ernst nehmen müssen, dass Einflüsse nicht durch die Vorstellung eingeschränkt werden, dass Dinge nur das beeinflussen, was ihnen nahe steht.
Also nehme ich das ernst und versuche eine Theorie zu erstellen, in der diese Quantenverschränkungen grundlegend sind und der Begriff des Raums auftaucht. Raum existiert nicht; Wir können eine emergente, ungefähre Beschreibung des Raums auf dieselbe Weise erstellen, wie wir Druck und Temperatur verwenden, um ein Gas zu beschreiben.
Ich bin keineswegs die einzige Person, die versucht, diese Theorie zu entwickeln. Die Idee, dass der Raum aus der Verstrickung entstehen kann, ist eine alte Idee, die von Menschen wie Menschen neue Anziehungskraft erhält Roger Penrose. Meine Theorie ist, dass der Raum entstehen kann, aber dass die Zeit grundlegend ist und dass die Kausalität grundlegend ist. Dies ist eine Ansicht, der eine Reihe von Menschen zustimmen würde, und viele Menschen würden nicht zustimmen.
Space.com: Was ist das ultimative Ziel dieser Art von theoretischer Arbeit?
Smolin: Die Idee ist, eine Theorie zu entwickeln und zu erfinden, aus der Sie Vorhersagen ableiten können, die Experimente testen. Die meisten ernsthaften Leute nehmen einen theoretischen Vorschlag nicht ernst, es sei denn, er bietet eine Möglichkeit, ihn zu testen, zumindest im Prinzip, wenn nicht gerade jetzt in der Praxis. Ohne Experimente ist es für einen Theoretiker so einfach, schöne Mathematik zu sprechen, was falsch ist und nichts mit der Natur zu tun hat. Wir brauchen Experimentatoren, um die Ideen auszusortieren und die Möglichkeiten einzugrenzen.
Es ist nur die letzte oder zweite Generation, die die Situation hat, dass die Theorien schwer zu testen sind. Sie können also eine ganze Generation an Teilchenphysikmodellen arbeiten lassen, die über das Standardmodell hinausgehen und nicht experimentell getestet werden. Dies ist ungewöhnlich und kennzeichnet leider unsere Zeit.
Viele Leute, die es auf dem Gebiet der grundlegenden theoretischen Physik ernst meinen, arbeiten sehr hart daran, Vorschläge zu finden, die jetzt überprüfbar sind. Meine Version der Nichtlokalität sagt voraus, dass Quanteneffekte teilweise auf die Tatsache zurückzuführen sind, dass Atome einer großen Anzahl von Atomen im Universum sehr ähnlich sind. Wenn wir ein Quantensystem schaffen könnten, das einzigartig ist - das nirgendwo im beobachtbaren Universum vollständige Kopien hat -, würde es nicht der Quantenmechanik gehorchen, sondern einigen etwas anderen Gleichungen, die ich ableite. Das ist fast die Schwelle zu dem, was experimentelle Laboratorien in der Quantenmechanik jetzt testen können.
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