科学事业的发展如何影响了一个世纪的量子物理学

奥地利量子理论家埃尔温·薛定谔(Erwin Schrodinger)在1935年首次使用“纠缠”一词,描述了两个相距遥远的粒子的行为相互联系在一起的令人费解的现象。纠缠是一种能让薛定谔夜不能寐的东西;和他的朋友阿尔伯特·爱因斯坦一样,他认为量子力学是对世界的一种可行的描述。这怎么可能是真的呢? 

然而,越来越多的证据表明,纠缠是存在的。两年前,麻省理工学院教授David Kaiser和一个国际团队使用激光、单光子探测器、原子钟和巨大的望远镜来收集80亿年前遥远的类星体释放的光,以进一步完善量子纠缠的测试。因此,研究人员有效地排除了一个潜在的反对意见,即纠缠的出现可能源于要进行的测量的选择和被测粒子的行为之间的某种相关性。

是的,纠缠违反了我们的直觉,但至少科学家们可以继续了解它,凯瑟指出。

“薛定谔只能整夜不睡,”凯泽说,这意味着20世纪30年代的理论家们只有“铅笔、纸、经过深思熟虑的计算和令人信服的类比”来指导他们,却几乎没有实物证据。相比之下,今天“我们有了研究这些问题的工具,而这些方法直到最近才在实验或经验上成为可能。”

现在,麻省理工学院的物理学教授、麻省理工学院科学、技术和社会项目的Germeshausen科学史教授Kaiser撰写了关于这一主题的新历史,“量子遗产:来自一个不确定世界的报告”,本月由芝加哥大学出版社出版。凯泽在核心物理学家的小插图、有关该领域发展的原始研究,以及他自己在宇宙学方面的工作记录之间穿梭,强调了该领域随时间的巨大变化。

“这门学科的命运真的发生了非常戏剧性的变化,”凯泽说,他说他的目标是向读者呈现“一个非常动荡的世纪里,一个不同类型的故事,有着不同的主线。”

物理学的繁荣和崩溃

事实上,许多量子物理学的历史都以望远镜的形式出现,聚焦于该领域最著名的明星:基础量子理论家尼尔斯·玻尔、保罗·狄拉克、维尔纳·海森堡和薛定谔,而爱因斯坦通常被描述为著名的量子怀疑论者。在物理学界因二战而陷入混乱之前,这些科学家发展了量子力学,并确定了它最令人困惑的特征——包括纠缠和不确定性原理(在测量粒子位置和动量等事物时的准确性权衡)。

我们仍然在努力解释这些概念,但其他很多东西已经改变了。凯瑟特别强调,从20世纪40年代开始,物理学经历了四分之一个世纪的空前增长,尤其是在二战后,学生们涌入美国的大学。

“战后的四分之一世纪里,我们培养的物理学人才比以往任何时候都要多,”凯泽谈到这个成长阶段时说。

同时,大型粒子对撞机改变了物理学的方法,产生了关于亚原子结构的新知识。庞大的团队合作进行实验,严格意义上是为了取得经验上的进步。越来越多的人成为了物理学家,但思考量子物理学提出的“哲学”问题的人似乎越来越少,而量子物理学已经不再流行。

“这不仅仅是一个钟摆的摆动,”凯撒说。“物理学在一个真正的问题上看到了这些戏剧性的转变。”

凯泽通过仔细阅读物理教科书,详细记录了这一转变,展示了实用主义计算的风气是如何占据主导地位的。他补充道,教科书的作者“总是做出一系列价值判断:什么是合适的主题,什么是合适的方法?”我们应该问些什么问题呢?什么是‘纯粹的’哲学?”

然后物理泡沫破灭了:由于经济放缓和联邦资金减少,20世纪70年代初,这一领域的资金、注册人数和就业机会都急剧下降。 

凯瑟说:“这些数字几乎在学院的每一个研究领域都大幅下降,但没有一个下降得比物理更快。”

大型对撞机之道

或许令人惊讶的是,上世纪70年代的就业市场危机帮助人们重新燃起了对上世纪30年代量子好奇心的兴趣。正如Kaiser在他2011年出版的《嬉皮士如何拯救物理学》一书中所详细描述的那样——这本书是由这本书项目衍生出来的——理解纠缠的一些关键进展来自于当时处于边缘地位的物理学家,他们缺乏快速的研究机会,有相对的自由去探索被忽视的问题。

凯泽在《量子遗产》一书中指出,这种非传统思维很快也开始影响教学。弗里奇夫·卡普拉(Fritjof Capra)在那个时代的畅销书《物理学之道》(The Tao of Physics)将东方宗教和量子奥秘联系在一起,如今被称为新时代的主要读物——但它在20世纪70年代登上了学术大纲,这要归功于物理学教授渴望吸引学生回到他们的教室。

自20世纪70年代以来,量子物理学经历了多个迷你时代。国防开支刺激了物理学在20世纪80年代的复苏,但当美国国会在1993年终止超导超级对撞机项目时,该学科的一些分支物理学家无法产生许多新的实验结果——直到2008年大型强子对撞机投入使用。因此,最近几代学者都认为物理学是一门动荡的学科,其命运与遥远的政治息息相关。

凯泽说:“有时人们会陷入不同步,他们在经济繁荣时期进入物理学领域,在获得学位之前机会就消失了,这并不是他们自己的错。”“在过去的半个世纪里,我们已经看到这种情况在这个国家发生了两次。”

因此,虽然像薛定谔这样的人可以用铅笔和纸取得进步,但物理学的物质条件对当代这门学科的进步至关重要。

“这些想法非常重要,”凯撒说。“但这些想法是根植在一个不断变化的世界里的。”

《量子遗产》获得了学者们的赞誉;加州理工学院获得诺贝尔奖的物理学家基普·索恩(Kip Thorne)称赞这本书“讲述过去一个世纪物理学和宇宙学的重大发展的一系列精彩片段”,“将科学与人类历史完美地融合在一起”。屡获殊荣的小说家内尔·弗罗伊登伯格(Nell Freudenberger)指出,凯泽“具有揭示超凡脱俗的思想与形成它们的社会和政治世界之间联系的天赋”,她继续写道,这使得“这本书成为一本引人入胜的宇宙奥秘指南”。

就凯撒本人而言,他希望读者能思考科学家的“双重性”——他们希望找到永恒的答案,尽管被他们那个时代的工具和假设所束缚。在《量子的遗产》一书中,作者探讨了狄拉克等物理学家的个人生活,凯泽也希望读者能够理解,量子物理学是一个多么彻底的合作事业。

“科学有一个传统的写一个天才,但量子力学从第一天需要一个全明星阵容,”皇帝说,补充道,“当我们研究机构,一代又一代,军团,我发现更有价值的比山顶上思考这些高不可攀的天才——这总是一个寓言,但它是一个特别poor-fitting寓言这组发展。”

他说,考虑到超过15000名物理学家发表了关于希格斯玻色子的论文——探索亚原子粒子如何获得质量——超过50年的时间跨度。但只有在大型强子对撞机开始运行后,科学家们才能找到它存在的证据。

“它让我以一种不同的方式思考我自己的(工作),”凯泽说。“有什么是我没能想到的,那就是下一代将会开放?”我发现,作为一个人类的故事,一个概念性的故事,比关注一个孤独的天才更令人兴奋。”

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