"Einstein's onvoltooide revolutie" door Lee Smolin
(Afbeelding: © Penguin Press)
Kwantummechanica is een gevestigde wetenschap. De zaak is gesloten en heel erg bedankt - of zo velen zouden beweren.
Dankzij baanbrekend werk in de jaren twintig geloven veel mensen dat we nu alles weten wat we ooit moeten weten over beweging op atomaire of subatomaire schaal. Volgens de Deense natuurkundige Niels Bohr en zijn volgelingen kunnen we de exacte positie van een atoomdeeltje of zijn baan beweren, maar we kunnen niet allebei tegelijk. Zo'n voorspelling kan alleen probabilistisch zijn, nooit absoluut exact.
Theoretisch natuurkundige Lee Smolin, van het Perimeter Institute for Theoretical Physics in Waterloo, Canada, heeft zijn hele carrière deze visie uitgedaagd. Smolin gelooft dat de overwinning van Bohr een voorbeeld is van charisma die legitieme dissidentie onderdrukt, zelfs van vooraanstaande dissidenten als Albert Einstein en Erwin Schrödinger.
Tegenwoordig zoekt Smolin in de voetsporen van Albert Einstein en zet hij een lange traditie voort die ook andere natuurkundigen omvat, waaronder David Bohm, om een theorie te voltooien om de kwantumfysica te "voltooien" door exacte beschrijvingen toe te staan en geen vage waarschijnlijkheden. Smolin heeft een 'realistisch' perspectief, in tegenstelling tot de 'antirealistische' kijk op Bohr en zijn acolieten. Smolin zet zijn perspectief uiteen in "Einstein's onvoltooide revolutie"(Penguin Press, april 2019). Space.com sprak met Smolin om het boek te bespreken, hoe nieuwe ideeën dominant worden in de wetenschap en wat hij tot nu toe doet.
Space.com: wat is het verschil tussen realistische en antirealistische benaderingen kwantummechanica?
Lee Smolin: Voor mij is het verschil tussen iemand die een realist is over kwantumverschijnselen versus iemand die geen realist is, als een realist, geloof je dat er een compleet verhaal is, en er is een volledige beschrijving, die we kunnen bereiken van elk atoomproces, van elk nucleair proces, van alles wat er gaande is in de subatomaire wereld. Kwantummechanica geeft niet zo'n volledige beschrijving van elk proces afzonderlijk en kan daarom niet volledig zijn. We moeten een diepere theorie vinden die daarbuiten ligt. Kwantummechanica is een stap in de richting van begrip subatomaire fysica, maar het is niet de laatste stap. Het is dus de taak om dieper te gaan en een betere theorie uit te vinden of te ontdekken die een volledige beschrijving geeft.
Als je bent wat we een antirealist noemen, dan denk je dat de kwantummechanica zoals die in de jaren twintig is opgeschreven mogelijk de laatste theorie is, en er is geen motivatie om dieper te kijken.
Space.com: Je verwijst naar mensen die op zoek zijn naar de voltooiing van de kwantumtheorie als 'naïeve realisten' omdat hun opvattingen geen ingewikkelde rechtvaardigingen nodig hebben. Kunt u deze term nader toelichten?
Smolin: Naïef betekent echt verfijnd. Naïef betekent dat je alle fundamentele bezwaren tegen het idee hebt gehoord dat we een volledige beschrijving kunnen geven van de wereld zoals die is en die afwijzen en het als ons doel houden om de natuur volledig te begrijpen en alsof we er niet waren. Wetenschap is een beschrijving van de natuur die objectief zou moeten zijn, niet opgelegd door onze experimenten of door onze ideeën of onze overtuigingen.
Space.com: betekent 'naïef' volledig openstaan voor nieuwe ideeën en overtuigingen?
Smolin: Helemaal open? Nee. Mensen vergeten dat natuurkunde, zoals elke wetenschap, een geschiedenis en een traditie heeft. Neem een eenvoudig idee als momentum, dat begrepen moet worden in de context van alle discussies sinds de 16e en 17e eeuw over het traagheidsbeginsel, het relativiteitsprincipe, enzovoort. Je kunt een concept als momentum niet uitleggen zonder ondergedompeld te zijn in de hele geschiedenis van het concept.
Space.com: uw boek is duidelijk en helder en begrijpelijk voor mensen met verschillende niveaus van achtergrondkennis. Wat is je schrijfproces?
Smolin: Waarom zou ik jou bedanken! Ik zal dat als een compliment beschouwen. Ik heb veel ervaring en veel praktijk met het onderwijzen van moderne natuurkunde aan niet-wetenschappers. Op verschillende universiteiten heb ik regelmatig cursussen "natuurkunde voor geesteswetenschappen" of "natuurkunde voor dichters" gegeven. Dus ik heb veel ervaring met het aanscherpen van verschillende pedagogische strategieën om te gebruiken bij het aanleren van kwantumfysica of relativiteitstheorie aan leken.
Zo'n boek heeft meerdere doelgroepen tegelijk. Ik spreek experts en collega's aan, maar vooral leken. En de eerste leek die ertoe doet, is de redacteur. Ik sta er altijd op om samen te werken met een redacteur die een diploma in literatuur of geesteswetenschappen of geschiedenis heeft - geen diploma in wetenschap. Ik heb ook verschillende testlezers die geen wetenschappelijke opleiding hebben gevolgd. Ze hebben me er allemaal toe aangezet om het boek te verduidelijken, te verduidelijken, te verduidelijken en indien nodig te herschrijven. Dit specifieke boek heeft drie volledige herschrijvingen ondergaan. Er bleef als het ware niets op de vloer van de snijzaal achter. De hele eerste versie werd volledig verlaten en opnieuw vormgegeven, en het resultaat was naar mijn mening een veel beter boek.
Space.com: Hoe lang duurt het om het boek te schrijven, aangezien het meerdere keren volledig is herschreven?
Smolin: Schrijven is niet mijn dagelijkse werk; mijn dagelijkse baan is theoretisch natuurkundige. Maar in mijn vrije tijd als het ware ongeveer drie jaar. Er zal een maand of zes weken zijn waarin ik voornamelijk aan het boek werk, en dan zullen er zes maanden verstrijken en ik zal erover nadenken en erover nadenken en dan zal ik er weer drie weken of een maand in duiken. Zo was het dus over een periode van drie jaar.
Space.com: Uw boek beschrijft de geschiedenis van de kwantumfysica aan het begin van de 20e eeuw. Waarom werd de antirealistische kwantumrevolutie die Niels Bohr veroorzaakte de dominante opvatting - in een oogwenk?
Smolin: Er waren twee dingen die tegelijkertijd handelden. Een van hen, en het belangrijkste, was het verbazingwekkende experimentele succes. De mensheid ging in minder dan 30 jaar van verzoening met het idee dat materie van atomen is gemaakt tot een complete theorie van de atoomfysica. En het werkte aanzienlijk om de spectra [de regenboog van kleuren die worden geproduceerd door lichtcomponenten te scheiden door hun golflengte], de krachten, de chemische verbindingen - alles te verklaren! Dan heel snel, kernfysica, deeltjesfysica, hoe sterren werken - astrofysica.
Het experimentele succes was dus verbluffend en snel. Daartegenover afgemeten, zelfs de mening van mensen als Einstein, Schrödinger en de Broglie die zeiden: 'Wacht eens even! De basis is een puinhoop!' Dat kan allemaal onder het tapijt worden geveegd.
Dat was het eerste. Het tweede ding is het prestige en charisma van Niels Bohr, met de steun die hij had van de Deense regering en het bierbedrijf Carlsberg, om een centrum op te richten waarin alles door hem heen kwam. Zijn zeer hypnotiserende, charismatische persoonlijkheid zou de gedachten van een generatie mensen die uit een verschrikkelijke oorlog [Wereldoorlog I] komen, kunnen beïnvloeden. Dus het zijn een heleboel verschillende dingen tegelijk.
Space.com: En andere theorieën konden geen vooruitgang boeken.
Het is verbazingwekkend dat de pilootgolftheorie van de Broglie - ook al zou hij verdedigd kunnen worden door Einstein, door de Broglie en in zekere zin door Schrödinger - geen invloed had, ondanks het feit dat dit geen niemand was. Dit waren wereldberoemde mensen met Nobelprijzen, die grote wetenschap hadden gedaan, maar hun verschil van mening kon niettemin generaties lang worden genegeerd.
[Pilot wave theory, ontwikkeld door Louis de Broglie in de jaren twintig en David Bohm in de jaren vijftig, stelt dat elektronen zowel deeltjes als golven omvatten en dat deeltjes bewegen in de richting waarin golven hen leiden. Het is deterministisch, niet probabilistisch.]
Ik denk dat wetenschappers uiteindelijk mensen zijn en dat we door allerlei dingen worden beïnvloed, van onbewuste vooringenomenheid tot ambitie tot sociale krachten. De geschiedenis van de kwantummechanica wordt een verhaal dat het overwegen waard is, maar het is geen ongebruikelijk verhaal.
Space.com: hoe hebben uw collega's op uw boek gereageerd?
Smolin: Tot dusver was niets verrassend. Mijn opvattingen zijn bekend binnen de gemeenschap van natuurkundigen. Hoe provocerend het ook mag lijken binnen de structuur van het boek, er is geen discussie die niet erg grondig is besproken onder natuurkundigen.
Het enige dat nieuw is, zijn de laatste paar hoofdstukken. Ik nam een groot risico om mijn huidige werk op tafel te leggen.
Space.com: beschrijf uw huidige werk.
Smolin: Het belangrijkste dat ik doe in mijn nieuwe werk is het serieus nemen van de rol van non-lokaliteit. [Nonlocality verwijst naar het vermogen van objecten om de acties van andere objecten die ver van elkaar verwijderd zijn in ruimte en tijd te beïnvloeden.] Als je een realistische, volledige beschrijving wilt geven van wat er aan de hand is als je twee deeltjes of meer hebt die met elkaar in wisselwerking staan en wat we 'verstrikt' noemen, dan kan de manier waarop je ervoor kiest om een van de deeltjes te manipuleren de andere beïnvloeden, zelfs als ze ver uit elkaar staan. En dit betekent dat je serieus moet nemen dat invloeden niet worden beperkt door het idee dat dingen alleen van invloed zijn op wat er dichtbij is.
Dus ik neem dat serieus en probeer een theorie te maken waarin deze kwantumverstrengelingen fundamenteel zijn en het idee van ruimte naar voren komt. Ruimte bestaat niet; we kunnen een opkomende, geschatte beschrijving van de ruimte maken op dezelfde manier als we druk en temperatuur gebruiken om een gas te beschrijven.
Ik ben zeker niet de enige die deze theorie probeert te ontwikkelen. Het idee dat ruimte kan ontstaan door verstrikking is een oud idee dat nieuwe grip krijgt van mensen zoals Roger Penrose. Mijn theorie is dat ruimte weliswaar kan ontstaan, maar dat tijd fundamenteel is en dat causaliteit fundamenteel is. Dat is een mening waar een aantal mensen het mee eens zijn en waar veel mensen het niet mee eens zijn.
Space.com: wat is het uiteindelijke doel van dit soort theoretisch werk?
Smolin: Het idee is om een theorie te ontwikkelen en uit te vinden waaruit je voorspellingen kunt afleiden welke experimenten testen. De meeste serieuze mensen nemen een theoretisch voorstel niet serieus tenzij het een manier biedt om het te testen, althans in principe, zo niet nu in de praktijk. Zonder experiment is het voor een theoreticus zo eenvoudig om over mooie wiskunde te praten, wat verkeerd is en niets met de natuur te maken heeft. We hebben experimentalisten nodig om de ideeën te verwijderen en de mogelijkheden te beperken.
Het is pas de laatste generatie of twee met de situatie dat de theorieën moeilijk te testen zijn. U kunt dus een hele generatie laten werken aan bijvoorbeeld deeltjesfysica-modellen die verder gaan dan het standaardmodel en deze worden niet experimenteel getest. Dit is ongebruikelijk en kenmerkt helaas onze periode.
Veel mensen die serieus zijn op het gebied van fundamentele theoretische fysica, werken heel hard om voorstellen uit te pesten en uit te vinden die nu testbaar zijn. Mijn versie van non-lokaliteit voorspelt dat kwantumeffecten gedeeltelijk te wijten zijn aan het feit dat atomen sterk lijken op een groot aantal atomen in het universum. Als we een kwantumsysteem zouden kunnen creëren dat uniek was - dat nergens in het waarneembare universum geen volledige kopieën had - zou het de kwantummechanica niet gehoorzamen, het zou een aantal enigszins verschillende vergelijkingen gehoorzamen die ik afleid. Dat staat bijna op de drempel van wat experimentele laboratoria in de kwantummechanica nu kunnen testen.
Dit artikel is voor de duidelijkheid bewerkt en gecondenseerd. Jij kan koop "Einstein's Unfinished Revolution" op Amazon.com.
- Deze 'griezelige' verstrengelde atomen hebben Quantum Computing net een stap dichterbij gebracht
- Oude quasars leveren ongelooflijk bewijs voor kwantumverstrengeling
- Waarom kan de kwantummechanica de zwaartekracht niet verklaren? (Op-Ed)
