Ensi vuonna tulee kuluneeksi sata vuotta kesästä, jolloin saksalainen teoreettinen fyysikko Werner Heisenberg haki turvaa heinänuhalta Pohjanmeren Helgolandin saarelta. Siellä hän keksi, kuinka ilmaista atomien hämmentävät spektroskooppiset havainnot – jolloin ne absorboivat ja emittoivat valoa tarkasti määritellyillä, ominaistaajuuksilla – matemaattisessa muodossa. Heisenbergin mentori, tanskalainen fyysikko Niels Bohr, oli ehdottanut, että spektrit voitaisiin ymmärtää olettaen, että atomin elektroneilla voi olla vain tiettyjä energioita, jotka siirtyvät energiatasolta toiselle lähettämällä tai absorboimalla yhden "kvantin" valoa energialla. verrannollinen sen taajuuteen. Albert Einstein ehdotti tuon kvanttihypoteesin valolle vuonna 1905, ja Bohr kehitti sen uudeksi atomiteoriaksi – vaikkakin sellaiseksi, jolla ei ollut mitään järkeä klassisilla termeillä.
Ilmaisemalla näiden "kvanttihyppyjen" sallitut energiat kokeellisesti havaittujen arvojen matriisina Heisenberg muutti ad hoc, syntymässä oleva kvanttiteoria aidoksi kvanttimekaniikaksi. Hänen matriisialgebransa merkitsi, että hiukkasen sijaintia ja liikemäärää ei ollut mahdollista tietää samanaikaisesti mielivaltaisella tarkkuudella. Tämä "epävarmuusperiaate" viittasi siihen, että kvanttifysiikka asetti rajoituksia tiedolle, joka meillä voi olla atomimaailmasta.
Bohr, Heisenberg ja heidän yhteistyökumppaninsa Kööpenhaminassa väittivät edelleen, että tämä rajoitus on perustavanlaatuinen. Kyse ei ole siitä, että meidät on tuomittu olemaan tietämättömiä siitä, miten asiat ovat, vaan pikemminkin siitä, että ei ole merkityksellistä "kuinka asiat ovat", ennen kuin niitä mitataan. Ehdotus herätti Bohrin ja Einsteinin välillä hyväntahtoisen mutta syvän riidan, joka kesti suuren osan heidän yhteisestä elämästään. "Einstein ei voinut tehdä myönnytyksiä. Se poistaisi erilliset, yksittäiset esineet, hyväksyttävän maailmankuvan olennaiset piirteet", kirjoittavat John Heilbron ja Jim Baggott uudessa kirjassaan. Kvanttidraama: Bohr-Einstein-keskustelusta sotkeutumisen arvoitukseen. Baggott, fyysikko ja tiedekirjailija sekä vuonna 2023 kuollut tieteenhistorioitsija Heilbron, kertovat kvanttimekaniikan historiasta sen perustamisesta nykypäivän kvanttitietotekniikan kärkeen.
Einstein ei ole koskaan kyllästynyt keksimään uusia vastalauseita "Kööpenhaminan" näkemykseen. Belgiassa vuonna 1930 järjestetyssä Solvay-konferenssissa, johon kokoontuivat päivän johtavat fyysikot, hän kohtasi Bohrin paradoksaalisen ajatuskokeilun kanssa, joka koski jousessa roikkuvaa raskasta laatikkoa, joka sisälsi fotonin (joka karkaa) ja kiinteän kellon. Bohr tuotti palapeliin vastauksen, joka hälvensi monia epäilyksiä, mutta ei näytä tyydyttävän Bohria itseään. "Hän murehti siitä loppuelämänsä", Heilbron ja Baggott sanovat. "Karkea luonnos laitteesta oli hänen liitutaulullaan hänen kuolinpäiväänsä."
Einsteinin vastustus paljasti kvanttimekaniikan syvästi intuitiivisen luonteen – tunnetuin ajatuskokeessa, joka suunniteltiin vuonna 1935 hänen nuorempien kollegoidensa Boris Podolskyn ja Nathan Rosenin kanssa. Tämä "EPR [Einstein-Podolsky-Rosen] -koe" osoitti, että kun kaksi hiukkasta ovat olleet vuorovaikutuksessa, kvanttimekaniikka näytti vaativan, että niiden ominaisuudet pysyvät sen jälkeen toisistaan riippuvaisina, joten mittaus saa aikaan mahdotonta välitöntä signalointia näiden kahden välillä. Erwin Schrödinger, joka jakoi Einsteinin antipatian Kööpenhaminan näkemystä kohtaan, antoi tälle ilmiölle nimen "kietoutuminen".
Einsteinin mielestä EPR-paradoksi voitiin ratkaista vain olettamalla, että kietoutuneilla hiukkasilla oli koko ajan kiinteitä ominaisuuksia, vaikkakin sellaisia, joita ei voida havaita ja joille oli siten tunnusomaista "piilotetut muuttujat". Ongelmana oli, että sekä Bohrin että Einsteinin tulkinnat tekivät samanlaisia kokeellisia ennusteita. Ilman selvää tapaa ratkaista kysymys, se jätettiin sivuun, ja monet 1940- ja 1950-luvuilla tutkijat pitivät tällaisia "perustavia" kysymyksiä hyödyttöminä tai jopa sopimattomina. Ketä kiinnostaa, kun kvanttimekaniikka toimi niin hyvin käytännössä? Amerikkalainen fyysikko David Mermin luonnehti tätä asennetta "hiljaa ja laske", joka oli erityisen hallitseva pragmaattisessa Yhdysvalloissa. Kiinnostus tällaisiin asioihin voi olla sama kuin uran itsemurha. "Et koskaan saa tohtorin tutkintoa, jos annat itsesi häiritä tällaisten kevytmielisyyksien vuoksi", Merminille kerrottiin Harvardissa kirjan mukaan. Hän huomauttaa, että "se oli hyvin epäfilosofista aikaa".
Nobel-palkittu Murray Gell-Mann syytti Bohria siitä, että hän aivopessi fyysikkojen sukupolven ajattelemaan, että kvanttimekaniikan arvoitukset oli kaikki ratkaistu pitkään.
Hänen kirjassaan 1999 Kvantti Dialogi, tieteen historioitsija Mara Beller syytti Bohria ja hänen kollegoitaan Kööpenhaminan ortodoksiansa tyrmäämisestä ja vaihtoehtoisten tulkintojen, kuten David Bohmin "pilottiaaltojen" ja Hugh Everettin "universaalin aaltofunktion", joka tunnetaan myös kvanttimekaniikan "monien maailmojen" tulkinnana, marginalisoimisesta tai pilkamisesta. Nobel-palkittu Murray Gell-Mann syytti Bohria siitä, että hän aivopessi fyysikkojen sukupolven ajattelemaan, että kvanttimekaniikan arvoitukset oli kaikki ratkaistu pitkään. Mutta Heilbron ja Baggott osoittavat, että on oikeudenmukaisempaa syyttää koko yhteisön apatiaa. Kuten Paul Dirac sanoi teorian metafyysisistä kysymyksistä: "Monet ihmiset elävät pitkää ja hedelmällistä elämää välittämättä koskaan [heistä]."
Kolmekymmentä vuotta "mittausta vastaan"
Tämä asenne alkoi kuitenkin muuttua vuonna 1964, kun Pohjois-irlantilainen fyysikko John Bell keksi tavan erottaa niin sanotut piilomuuttujien mallit yksinkertaisesta kvanttimekaniikasta. Se tarvitsi vain vakavaa pohdintaa - "Bellin epätasa-arvossa ei ollut mitään, mitä kvanttiperustajat eivät tienneet", kirjoittajat sanovat.
Ironista kyllä, Bell keksi kuuluisan testinsä, koska hän halusi löytää vian Bohrian kvanttimekaniikassa. Niin teki myös ensimmäinen henkilö, joka suoritti testin kokeellisesti, John Clauser, joka työskenteli Stuart Freedmanin kanssa Kalifornian yliopistossa Berkeleyssä. Silti tuo kokeilu ja monet muut myöhemmin suoritetut kokeet ovat ehdottomasti tukeneet kvanttimekaniikkaa yksinään ja sulkeneet pois kaikki piilotetut muuttujat – ainakin ne, jotka soveltuvat paikallisesti määrittää kullekin hiukkaselle kiinteät ominaisuudet tietyssä paikassa ennen mittausta. (Tämä ei tarkoita, että Bohr olisi oikeassa, vaikka näyttääkin lähes mahdottomalta pelastaa Einsteinin asemaa.) Kirja antaa erinomaisen selostuksen Bellin ja Clauserin työstä seuranneesta kiinnostuksen uudelleen noususta kvanttiperustaa kohtaan, johon osallistui erityisesti Clauserin stipendiaatti 2022. Nobel-palkitut Anton Zeilinger ja Alain Aspect. Sellaiset tutkimukset eivät suinkaan ole tyhjää filosofointia, vaan ne tukevat nykyään teknologioita, kuten kvanttilaskentaa ja kvanttisalausta.
Kvanttidraama kertoo monimutkaisen tarinan laajalla näyttelijäjoukolla. Vaikka kirjoittajat vaativat joskus paljon lukijoiltaan, en ole koskaan lukenut parempaa kertomusta: tasapainoista, arvovaltaista ja tyylikkäällä nokkeluudella maustettua. Heilbron ja Baggott kuvailevat useiden varhaisten kvanttipioneerien tekemää matkaa Japaniin, kuinka he kävellevät pagodin ohi "Heisenberg kiipesi spontaanisti siihen ja seisoessaan sen huipulla (leveys ∆q) yhdellä jalalla ulvovassa tuulessa, onneksi säilytti epävarmuuden ∆p, joka oli liian pieni kaatamaan hänet."
Tämä kirja ei ole kaikkea kaikille ihmisille. Kuten Heilbronin aikaisemmassa kirjassa Niels Bohr: Erittäin lyhyt johdanto, sen kuvaus Bohr-atomista on niin tekninen, että se on lähes läpäisemätön kaikille paitsi asiantuntijoille, mikä luo valtavan esteen niin aikaisin kirjassa. Ja on muitakin tilanteita, kuten Bell-testien kuvauksissa, joissa kaivataan laadullista merkitystä yksityiskohtien joukossa. Toisinaan lukijalle heitetään peräkkäin asiantuntijoiden kommentteja ilman paljon viitteitä siitä, miten heidän ristiriitaisuuksiaan pitäisi navigoida.
Mutta jos tämä tekee kirjasta ajoittain haastavan tavalliselle lukijalle, sitkeydestä on huomattava hyöty. Kvanttimekaniikan suositun tason kirjan kirjoittajana en epäröi ehdottaa, että jätät tällaiset ponnistelut syrjään tämän suuremman osan hyväksi – mutta suosittelen ehdottomasti käsittelemään kaikkia tällaisia selvityksiä varoen, kunnes olet lukenut tämän.
- 2024 Oxford University Press 352 sivua 25 hb
- SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
- PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
- PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
- PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
- Lähde: https://physicsworld.com/a/entangled-entities-bohr-einstein-and-the-battle-over-quantum-fundamentals/
