Søger efter kvantefysikens fortid og fremtid på en lille ø

Ifølge den videnskabelige legende blev kvantemekanik født på øen Helgoland i 1925. Hundrede år senere diskuterer fysikere stadig den sande natur af denne underlige teori – og vendte for nylig tilbage til øen for at diskutere dens fremtid

Jeg har været på flere videnskabelige konferencer, end jeg er interesseret i at tælle, men et nyligt møde, der blev afholdt på øen Helgoland for at fejre Centenary of Quantum Mechanics, er en af ​​de underligste – på en god måde.

Denne lille tyske ø, knap mere end en kilometer lang og langt ude i Nordsøen, har luften af ​​et kystby i hælen: havet mindre end at invitere selv om sommeren, de små gader fulde af billige gavebutikker og duften af ​​fisk og chips og is. Forestil dig nu, at du på hver tur støder på Nobelprisvinderfysikere, opfindere af kvanteinformationsteori og eksperimentalister i forkant af kvanteteknologier, frisk fra at diskutere deres arbejde i rådhuset ved siden af ​​den vanvittige golfbane. Det hele er temmelig vidunderligt.

Årsagen til, at vi er her, afsløres på en klippe på klippestien. Den bærer en bronzeplak (se nedenfor), der antyder, at det er her fysiker Werner Heisenberg, på en udflugt for at søge lindring af hans høfeber i 1925, opfandt kvantemekanik. Desværre er det ikke rigtigt rigtigt – i bedste fald tegnet Heisenberg nogle ideer her, som kun efterfølgende gjorde, at han og andre udviklede sig til en fuld kvanteteori. Og den version, vi er mere fortrolige med i dag, blev afsløret i begyndelsen af ​​1926 af Erwin Schrödinger, som introducerede bølgefunktionen som en måde at forudsige udviklingen af ​​et kvantesystem.

Alligevel, hvis du skal tildele en hundredeår til kvantemekanik, er dette det åbenlyse år at vælge. Og uanset hvor meget af historien om Helgoland skyldtes Heisenbergs selv-mytologisering-han skrev beretningen om sit gennembrud der kun mange år senere-den fjerntliggende ø er et ret specielt sted at holde partiet.

Og hvad en fest det er. Det er svært at forestille sig, at en sådan fremtrædende rollebesætning af kvantefysikere samles igen. Der er fire nobelprisvindere her: Alain Aspect, David Wineland, Anton Zeilinger og Serge Haroche. Mellem dem etablerede de virkeligheden af ​​de mærkelige træk ved kvantemekanik, såsom den måde, egenskaberne ved en partikel kan synes at være øjeblikkeligt betinget af, hvad vi måler et øjeblik, “sammenfiltret” partikel, uanset hvor langt væk den er. De skabte også nogle af teknikkerne til at manipulere individuelle kvantepartikler, der nu bruges til at bygge kvantecomputere.

Men her er tinget. Jeg formoder, at disse Grand Old (ish) mænd er enige med mig om, at det er den yngre generation, der nu holder det bedste håb for at give en vis fornemmelse af, hvad kvantemekanik virkelig betyder, og for at omdanne sin berygtede modintuitive natur til nye teknologier og en ny forståelse af naturen. Quantum Mechanics er berygtet for at indrømme mange forskellige fortolkninger af, hvad teoriens matematik fortæller os om den virkelige verden, og det meste af den gamle vagt har allerede taget et standpunkt og synes usandsynligt at flytte deres synspunkter.

Denne forbandelse var tydelig i en paneldiskussion den første aften, hvor Aspect, Zeilinger og Gilles Brassard, en grundlægger af Quantum Cryptography fra University of Montreal, Canada, udtalt med lige tillid til den grundlæggende betydning af kvantemekanik, mens han var i direkte modsigelse med hinanden.

For at være retfærdig over for disse veteraner blev deres ideer dannet i lyset af skepsis (eller værre) fra deres jævnaldrende om værdien af ​​endda at tænke på sådanne ”grundlæggende” spørgsmål. De kom frem fra æraen med ”hold kæft og beregner” – udtrykket opfundet af den amerikanske fysiker David Mermin for at beskrive, hvordan det blev betragtet som dårlig form at undre sig over, hvad kvantemekanik betød, at ens pligt kun var at løse Schrödinger -ligningen. Det er ikke overraskende, at de måtte dyrke robuste udsigter og tykke skind.

De yngre forskere synes mindre tilbøjelige til at være dogmatiske over for kvantefundamenter og måske mere klar til at hente og lægge forskellige fortolkninger afhængigt af hvor nyttige de er for det aktuelle problem. Lidt af mange verdener her, lidt af Københagen -fortolkningen der, alt sammen som værktøjer til at tænke med snarere end udsagn om virkeligheden.

Den nye generation er også mindre nådeløst mandlig. For eksempel fortalte Vedika Khemani ved Stanford University, Californien, mødet om de rige og smukke forbindelser mellem ideer i kondenseret stoffysik og kvanteinformation, en forbindelse, der tager os fra opbevaring af information om magnetisk bånd i 1950’erne til fejlkorrektionsteknikkerne, der er essentielle til kvanteberegning i dag.

At udnytte kvantemekanik til at opbygge ny teknologi er i stigende grad på mode, men teoretikerne slapper heller ikke. Flaminia Giacomini ved Federal Institute of Technology i Zürich, Schweiz, var en af ​​flere talere, der følte, at vi måske fik et klarere billede af, hvad kvantemekanik betyder, hvis vi kan forene det med tyngdekraften ved at søge et ægteskab med den diskrete og granulære kvanteverden med den glatte og kontinuerlige verden, der kræves af generel relativitet, normalt ved at kvantere tyngdekraften.

Du har måske troet, at det hele handler om at udforske uprøvbart og næppe forståelige ideer i strengteori, et forsøg på at skabe en sådan union. Men sandheden, som Giacomini sagde, er, at “vi ikke har nogen eksperimentel bevis for, at vi bør kvantere tyngdekraften” – vi har ikke engang empiriske grunde (selvom der er masser af teoretiske), hvorfor tyngdekraften overhovedet skal være en kvantekraft, som de andre tre naturkræfter tydeligt er.

Det spændende er, at dette i det mindste er noget, vi kan håbe på at teste i den nærmeste fremtid, for eksempel ved at se, om vi kun kan sammenfiltrere to objekter gennem deres gravitationsinteraktion. Udfordringen her er, at objekterne skal være store nok til at producere en betydelig tyngdekraft, men lille nok til at vise kvanteadfærd: nanopartikler af, for eksempel, silica eller diamant kan gøre det. Flere talere har udtrykt tillid til, at vi vil møde denne udfordring inden for et årti.

For mig er en vigtig åbenbaring af mødet, at så mange strenge af kvanteteori og eksperiment nu er sammenfiltret. Træk på en, så påvirker du andre. Forstå mere om kvantetyngdekraft fra udsøgt følsomme eksperimenter på fangede partikler, og du kan gå ind i det sorte hulinformationsparadoks og dukke op med nye ideer om fejlkorrektion til kvanteberegning eller frisk indsigt i snoede “topologiske” kvantetilstande.

Det ser ud til, at arbejde inden for nogen af ​​disse felter måske endda endelig hjælper os med at forstå de gamle spørgsmål, der urolige Heisenberg og hans kolleger: Hvad sker der, når vi foretager en måling på en kvantepartikel, og hvordan forvandler det kvantum til klassisk? Under alle omstændigheder er det en forkerte måde at se det et århundrede senere med at kæmpe med de gamle spørgsmål. Vi har i stedet opdaget, at kvantemekanik er langt rigere, mere nyttig og mere forbløffende, end dens grundlæggere nogensinde kunne have gættet.