Understanding the Universe:A Novel Approach από τον Lee Smolin

Ο Lee Smolin έχει μια ριζοσπαστική ιδέα για το πώς να κατανοήσετε ένα αντικείμενο χωρίς εξωτερικό:Φανταστείτε ότι χτίστηκε σπιθαμή προς σπιθαμή από σχέσεις μεταξύ γεγονότων.

Ο Lee Smolin στο σπίτι του στο κέντρο του Τορόντο.

Εισαγωγή

Το σύμπαν είναι ένα είδος αδύνατο αντικείμενο. Έχει μέσα αλλά όχι έξω? είναι νόμισμα μονής όψης. Αυτή η αρχιτεκτονική του Möbius αποτελεί μια μοναδική πρόκληση για τους κοσμολόγους, οι οποίοι βρίσκονται στη δύσκολη θέση να έχουν κολλήσει μέσα στο ίδιο το σύστημα που προσπαθούν να κατανοήσουν.

Είναι μια κατάσταση που ο Lee Smolin σκέφτεται για το μεγαλύτερο μέρος της καριέρας του. Ένας φυσικός στο Perimeter Institute for Theoretical Physics στο Waterloo του Καναδά, ο Smolin εργάζεται στη διασταύρωση της κβαντικής μηχανικής, της σχετικότητας και της κοσμολογίας. Μην αφήσετε την απαλή φωνή του και την ήρεμη συμπεριφορά του να σας ξεγελάσουν - είναι γνωστός ως επαναστάτης στοχαστής και πάντα ακολουθούσε το δικό του μονοπάτι. Στη δεκαετία του 1960 ο Smolin παράτησε το λύκειο, έπαιξε σε ένα ροκ συγκρότημα που ονομαζόταν Ιδεοπλάστος και εξέδιδε μια underground εφημερίδα. Θέλοντας να κατασκευάσει γεωδαιτικούς θόλους όπως ο R. Buckminster Fuller, ο Smolin δίδαξε ο ίδιος προηγμένα μαθηματικά — το ίδιο είδος μαθηματικών, όπως αποδείχθηκε, που πρέπει να παίξεις με τις εξισώσεις της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν. Η στιγμή που το συνειδητοποίησε ήταν η στιγμή που έγινε φυσικός. Σπούδασε στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και πήρε θέση στο Ινστιτούτο Προηγμένων Σπουδών στο Πρίνστον του Νιου Τζέρσεϋ, και τελικά έγινε ιδρυτικό μέλος ΔΕΠ στο Ινστιτούτο Perimeter.

Το "Perimeter", στην πραγματικότητα, είναι η τέλεια λέξη για να περιγράψει τη θέση του Smolin κοντά στα όρια της κυρίαρχης φυσικής. Όταν οι περισσότεροι φυσικοί βούτηξαν με το κεφάλι στη θεωρία χορδών, ο Smolin έπαιξε βασικό ρόλο στην επεξεργασία της ανταγωνιστικής θεωρίας της κβαντικής βαρύτητας βρόχου. Όταν οι περισσότεροι φυσικοί είπαν ότι οι νόμοι της φυσικής είναι αμετάβλητοι, είπε ότι εξελίσσονται σύμφωνα με ένα είδος κοσμικού Δαρβινισμού. Όταν οι περισσότεροι φυσικοί είπαν ότι ο χρόνος είναι μια ψευδαίσθηση, ο Smolin επέμεινε ότι είναι αληθινός.

Ο Σμόλιν συχνά εμπνέεται από συνομιλίες με βιολόγους, οικονομολόγους, γλύπτες, θεατρικούς συγγραφείς, μουσικούς και πολιτικούς θεωρητικούς. Αλλά βρίσκει τη μεγαλύτερη έμπνευσή του, ίσως, στη φιλοσοφία — ιδιαίτερα στο έργο του Γερμανού φιλοσόφου Γκότφριντ Λάιμπνιτς, που δραστηριοποιήθηκε τον 17ο και 18ο αιώνα, ο οποίος μαζί με τον Ισαάκ Νεύτωνα επινόησε τον λογισμό. Ο Λάιμπνιτς υποστήριξε (εναντίον του Νεύτωνα) ότι δεν υπάρχει σταθερό σκηνικό στο σύμπαν, κανένα «πράγμα» του διαστήματος. Ο χώρος είναι απλώς ένας εύχρηστος τρόπος περιγραφής των σχέσεων. Αυτό το σχεσιακό πλαίσιο αιχμαλώτισε τη φαντασία του Smolin, όπως και το αινιγματικό κείμενο του Leibniz The Monadology , στο οποίο ο Leibniz προτείνει ότι το θεμελιώδες συστατικό του κόσμου είναι η «μονάδα», ένα είδος ατόμου της πραγματικότητας, με κάθε μονάδα να αντιπροσωπεύει μια μοναδική άποψη ολόκληρου του σύμπαντος. Είναι μια ιδέα που ενημερώνει την τελευταία δουλειά του Smolin καθώς προσπαθεί να οικοδομήσει την πραγματικότητα από απόψεις, καθεμία από τις οποίες μια μερική προοπτική σε ένα δυναμικά εξελισσόμενο σύμπαν. Ένα σύμπαν όπως φαίνεται από μέσα.

Περιοδικό Quanta μίλησε με τον Smolin για την προσέγγισή του στην κοσμολογία και την κβαντική μηχανική, την οποία αναφέρει λεπτομερώς στο πρόσφατο βιβλίο του, Η Ημιτελής Επανάσταση του Αϊνστάιν . Η συνέντευξη έχει συμπυκνωθεί και επεξεργαστεί για λόγους σαφήνειας.

Έχετε ένα σύνθημα:"Η πρώτη αρχή της κοσμολογίας πρέπει να είναι:Δεν υπάρχει τίποτα έξω από το σύμπαν."

Σε διαφορετικές διατυπώσεις των νόμων της φυσικής, όπως η Νευτώνεια μηχανική ή η κβαντομηχανική, υπάρχει δομή υποβάθρου — δομή που πρέπει να προσδιοριστεί και να είναι σταθερή. Δεν υπόκειται σε εξέλιξη, δεν επηρεάζεται από οτιδήποτε συμβαίνει. Είναι δομή εκτός του συστήματος που μοντελοποιείται. Είναι το πλαίσιο στο οποίο κρεμάμε παρατηρήσιμα στοιχεία - τον παρατηρητή, ένα ρολόι και ούτω καθεξής. Η δήλωση ότι δεν υπάρχει τίποτα έξω από το σύμπαν - δεν υπάρχει παρατηρητής εκτός του σύμπαντος - υπονοεί ότι χρειαζόμαστε μια διατύπωση φυσικής χωρίς δομή υποβάθρου. Όλες οι θεωρίες της φυσικής που έχουμε, με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, ισχύουν μόνο για υποσυστήματα του σύμπαντος. Δεν ισχύουν για το σύμπαν στο σύνολό τους, επειδή απαιτούν αυτή τη δομή του φόντου.

Αν θέλουμε να κάνουμε μια κοσμολογική θεωρία, να κατανοήσουμε τη φύση στην κοσμολογική κλίμακα, πρέπει να αποφύγουμε αυτό που ο φιλόσοφος Roberto Unger και εγώ αποκαλούσαμε «κοσμολογική πλάνη», τη λανθασμένη πεποίθηση ότι μπορούμε να πάρουμε θεωρίες που ισχύουν για υποσυστήματα και να τις κλιμακώσουμε στο σύμπαν ως σύνολο. Χρειαζόμαστε μια διατύπωση δυναμικής που δεν αναφέρεται σε παρατηρητή ή όργανο μέτρησης ή οτιδήποτε εκτός του συστήματος. Αυτό σημαίνει ότι χρειαζόμαστε ένα διαφορετικό είδος θεωρίας.

Έχετε προτείνει πρόσφατα μια τέτοια θεωρία — μια θεωρία στην οποία, όπως το θέσατε, «η ιστορία του σύμπαντος αποτελείται από διαφορετικές απόψεις για τον εαυτό του». Τι σημαίνει αυτό;

Είναι μια θεωρία για τις διαδικασίες, για τις αλληλουχίες και τις αιτιώδεις σχέσεις μεταξύ πράξεων που συμβαίνουν , όχι τις εγγενείς ιδιότητες των πράξεων που είναι. Το θεμελιώδες συστατικό είναι αυτό που ονομάζουμε «γεγονός». Τα γεγονότα είναι πράγματα που συμβαίνουν σε έναν μόνο τόπο και χρόνο. σε κάθε γεγονός υπάρχει κάποια ορμή, ενέργεια, φορτίο ή άλλη διαφορετική φυσική ποσότητα που είναι μετρήσιμη. Το γεγονός έχει σχέσεις με το υπόλοιπο σύμπαν και αυτό το σύνολο σχέσεων αποτελεί την «άποψή» του για το σύμπαν. Αντί να περιγράφουμε ένα απομονωμένο σύστημα με όρους πραγμάτων που μετρώνται από το εξωτερικό, θεωρούμε το σύμπαν ως αποτελείται από σχέσεις μεταξύ γεγονότων. Η ιδέα είναι να προσπαθήσουμε να αναδιατυπώσουμε τη φυσική με βάση αυτές τις απόψεις από το εσωτερικό, πώς φαίνεται από το εσωτερικό του σύμπαντος.

Πώς το κάνετε αυτό;

Υπάρχουν πολλές απόψεις, και κάθε μία έχει μόνο μερικές πληροφορίες για το υπόλοιπο σύμπαν. Προτείνουμε ως αρχή δυναμικής κάθε άποψη να είναι μοναδική. Αυτή η ιδέα προέρχεται από την αρχή του Leibniz για την ταυτότητα των αδιάκριτων. Δύο συμβάντα των οποίων οι προβολές είναι ακριβώς αντιστοιχισμένες μεταξύ τους είναι εξ ορισμού το ίδιο συμβάν. Έτσι, κάθε προβολή είναι μοναδική και μπορείτε να μετρήσετε πόσο ξεχωριστή είναι η μία από την άλλη ορίζοντας μια ποσότητα που ονομάζεται "ποικιλία". Εάν σκεφτείτε έναν κόμβο σε ένα γράφημα, μπορείτε να πάτε ένα βήμα έξω, δύο βήματα έξω, τρία βήματα έξω. Κάθε βήμα σας δίνει μια γειτονιά — τη γειτονιά με ένα βήμα, τη γειτονιά με δύο βήματα, τη γειτονιά των τριών βημάτων. Έτσι, για οποιαδήποτε δύο γεγονότα μπορείτε να ρωτήσετε:Πόσα βήματα πρέπει να κάνετε μέχρι να αποκλίνουν οι απόψεις τους; Σε ποια γειτονιά διαφέρουν; Όσο λιγότερα βήματα πρέπει να κάνετε, τόσο πιο διακριτές είναι οι απόψεις η μία από την άλλη. Η ιδέα σε αυτή τη θεωρία είναι ότι οι νόμοι της φυσικής - η δυναμική του συστήματος - λειτουργούν για να μεγιστοποιήσουν την ποικιλία. Αυτή η αρχή - ότι η φύση θέλει να μεγιστοποιήσει την ποικιλία - οδηγεί στην πραγματικότητα, εντός του πλαισίου που έχω περιγράψει, στην εξίσωση Schrödinger, και ως εκ τούτου σε μια ανάκτηση, σε ένα κατάλληλο όριο, της κβαντικής μηχανικής.

Γνωρίζω από το βιβλίο σας ότι είστε ρεαλιστής στην καρδιά — πιστεύετε ακράδαντα σε μια πραγματικότητα ανεξάρτητη από τις γνώσεις μας γι’ αυτήν — και επομένως, όπως ο Αϊνστάιν, πιστεύετε ότι η κβαντική μηχανική είναι ελλιπής. Βοηθά αυτή η θεωρία απόψεων να συμπληρωθεί αυτό που πιστεύετε ότι λείπει στην κβαντική θεωρία;

Ο Αϊνστάιν — όπως και κάποιος που ονομάζεται Leslie Ballentine — υποστήριξε μια «ερμηνεία συνόλου» της κυματικής συνάρτησης [το μαθηματικό αντικείμενο που αντιπροσωπεύει ένα κβαντικό σύστημα]. Η ιδέα ήταν ότι η κυματική συνάρτηση περιγράφει ένα σύνολο πιθανών καταστάσεων. Αλλά μια μέρα, καθόμουν σε ένα καφέ και δουλεύω και ξαφνικά σκέφτηκα:Κι αν το σύνολο είναι αληθινό; Τι θα συμβεί αν, όταν έχετε μια κυματική συνάρτηση που περιγράφει ένα μόνο μόριο νερού, στην πραγματικότητα περιγράφει το σύνολο κάθε μορίου νερού στο σύμπαν;

Ενώ λοιπόν κανονικά θα πιστεύαμε ότι υπάρχει ένα μόριο νερού αλλά μια αβεβαιότητα καταστάσεων, λέτε ότι η αβεβαιότητα των καταστάσεων είναι στην πραγματικότητα το σύνολο όλων των μορίων του νερού στο σύμπαν;

Ναι. Σχηματίζουν ένα σύνολο γιατί έχουν πολύ παρόμοιες απόψεις. Όλα αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, επειδή η πιθανότητα αλληλεπίδρασης καθορίζεται από την ομοιότητα των απόψεων, όχι απαραίτητα από την εγγύτητά τους στο χώρο.

Δεν χρειάζεται να είναι τα πράγματα το ένα κοντά στο άλλο για να αλληλεπιδράσουν;

Σε αυτή τη θεωρία, η ομοιότητα των απόψεων είναι πιο θεμελιώδης από τον χώρο. Συχνά, δύο γεγονότα έχουν παρόμοιες απόψεις επειδή βρίσκονται κοντά στο διάστημα. Αν δύο άνθρωποι στέκονται ο ένας δίπλα στον άλλον, έχουν πολύ παρόμοιες, επικαλυπτόμενες απόψεις για το σύμπαν. Αλλά δύο άτομα έχουν πολύ λιγότερες σχεσιακές ιδιότητες από τα μεγάλα, πολύπλοκα αντικείμενα όπως οι άνθρωποι. Έτσι, δύο άτομα σε απόσταση μεταξύ τους στο διάστημα μπορούν ακόμα να έχουν πολύ παρόμοιες απόψεις. Αυτό σημαίνει ότι στη μικρότερη κλίμακα, θα πρέπει να υπάρχουν εξαιρετικά μη τοπικές αλληλεπιδράσεις, κάτι που είναι ακριβώς αυτό που παίρνετε με την εμπλοκή στην κβαντική μηχανική. Από εκεί προέρχεται η κβαντομηχανική, σύμφωνα με τη διατύπωση του πραγματικού συνόλου.

Μου θυμίζει πολλή δουλειά που γίνεται τώρα στη φυσική που βρίσκει εκπληκτικές συνδέσεις μεταξύ της εμπλοκής και της γεωμετρίας του χωροχρόνου.

Νομίζω ότι πολλά από αυτά τα έργα είναι πραγματικά ενδιαφέροντα. Η υπόθεση που το παρακινεί είναι ότι η εμπλοκή είναι θεμελιώδης στην κβαντομηχανική και η γεωμετρία του χώρου ή του χωροχρόνου αναδύεται από δομές εμπλοκής. Είναι μια πολύ θετική εξέλιξη.

Έχετε πει ότι αυτές οι ιδέες εμπνεύστηκαν από τη Monadology του Leibniz . Έτυχε να αποσύρετε τη Μοναδολογία σας και να το ξαναδιαβάσετε;

Διάβασα για πρώτη φορά τον Λάιμπνιτς με την παρότρυνση του Τζούλιαν Μπάρμπουρ, όταν μόλις είχα τελειώσει το μεταπτυχιακό. Πρώτα διάβασα την αλληλογραφία μεταξύ του Leibniz και του Samuel Clarke, ο οποίος ήταν οπαδός του Newton, στην οποία ο Leibniz επέκρινε την έννοια του απόλυτου χώρου και του απόλυτου χρόνου του Newton και υποστήριξε ότι τα παρατηρήσιμα στη φυσική πρέπει να είναι σχεσιακά. Θα πρέπει να περιγράφουν τις σχέσεις ενός συστήματος με ένα άλλο, που προκύπτουν από την αλληλεπίδρασή τους. Αργότερα διάβασα το Monadology . Το διάβασα ως σκίτσο για το πώς να φτιάξω μια ανεξάρτητη από το υπόβαθρο θεωρία της φυσικής. Κοιτάζω το αντίγραφό μου από καιρό σε καιρό. Υπάρχει ένα όμορφο απόφθεγμα εκεί, όπου ο Leibniz λέει:«Ακριβώς όπως η ίδια πόλη από διαφορετικές κατευθύνσεις φαίνεται τελείως διαφορετική… υπάρχουν, όπως ήταν, εξίσου πολλά διαφορετικά σύμπαντα, τα οποία, ωστόσο, είναι μόνο προοπτικές σε ένα μόνο, που αντιστοιχούν στις διαφορετικές απόψεις κάθε μονάδας». Αυτό, για μένα, προκαλεί γιατί αυτές οι ιδέες είναι πολύ κατάλληλες, όχι μόνο στη φυσική αλλά για μια ολόκληρη σειρά πραγμάτων, από την κοινωνική πολιτική και τον μεταμοντερνισμό έως την τέχνη μέχρι το πώς νιώθεις να είσαι άτομο σε μια διαφορετική κοινωνία. Αλλά αυτό είναι μια άλλη συζήτηση!

Ο Smolin κάνει έναν απλό υπολογισμό στην «αιτιατική θεωρία των απόψεών» του. Η θεωρία περιγράφει τις πληροφορίες που έχει κάθε γεγονός για γεγονότα στο άμεσο παρελθόν του, η οποία ονομάζεται «άποψη» του γεγονότος. Το σύμπαν μεγαλώνει με τη συνεχή δημιουργία νέων γεγονότων ακολουθώντας έναν νόμο που μεγιστοποιεί την ποικιλομορφία όλων αυτών των μερικών απόψεών του.

Η δουλειά σας έχει επηρεαστεί πολύ από τη φιλοσοφία. Κοιτάζοντας πίσω ιστορικά, άνθρωποι όπως ο Einstein και ο Bohr και ο John Wheeler πήραν όλοι πολύ σοβαρά τη φιλοσοφία. επηρέασε άμεσα τη φυσική τους. Φαίνεται ότι είναι χαρακτηριστικό σπουδαίων φυσικών και όμως —

Και επίσης μη σπουδαίων φυσικών.

Εντάξει, δίκαιο! Απλώς φαίνεται ότι έχει γίνει σχεδόν ταμπού να μιλάμε για φιλοσοφία στη φυσική σήμερα. Αυτή ήταν η εμπειρία σας;

Καθόλου. Πολλοί από τους κορυφαίους θεωρητικούς στη θεμελιώδη φυσική - όπου ο στόχος είναι να εμβαθύνουμε τις γνώσεις μας για τους θεμελιώδεις νόμους - γνωρίζουν πολύ καλά τη φιλοσοφία. Ως προπτυχιακός στο Hampshire College, έκανα πολλά μαθήματα φυσικής και κάποια μαθήματα φιλοσοφίας. Μετά, όταν πήγα στο Χάρβαρντ για μεταπτυχιακό, σκόπευα να κάνω διπλό διδακτορικό. στη φυσική και τη φιλοσοφία, αλλά απογοητεύτηκα με τη φιλοσοφία αρκετά γρήγορα. Εννοώ ότι οι φυσικοί ήταν αρκετά αλαζονικοί. Αλλά οι φιλόσοφοι ακόμη περισσότερο.

Τότε που είχαμε τις επαναστάσεις στη φυσική στο πρώτο μέρος του 20ου αιώνα στην Ευρώπη, άνθρωποι όπως ο Αϊνστάιν, ο Μπορ, ο Χάιζενμπεργκ, ο Σρέντινγκερ και άλλοι ήταν πολύ καλά μορφωμένοι στη φιλοσοφία και ενημέρωσε τη δουλειά τους ως φυσικοί. Στη συνέχεια, υπήρξε αυτή η πραγματιστική στροφή, όπου ο κυρίαρχος τρόπος φυσικής έγινε αντιθεμελιώδης, αντι-φιλοσοφία.

Ο ιστορικός της φυσικής David Kaiser στο MIT το έχει μελετήσει λεπτομερώς. Μελέτησε εγχειρίδια κβαντικής μηχανικής και σημειώσεις διαλέξεων και είδε πώς, από τη δεκαετία του 1940 έως τη δεκαετία του 1950, οι αναφορές στη φιλοσοφία και σε θεμελιώδη ζητήματα εξαφανίστηκαν από τα μαθήματα κβαντικής μηχανικής. Ο Freeman Dyson είπε κάποτε, κανονικά οι νέοι είναι επαναστάτες και οι ηλικιωμένοι είναι οι συντηρητικοί, αλλά στη γενιά του ήταν το αντίστροφο. Οι νέοι δεν ήθελαν να ακούσουν για ακατάστατη φιλοσοφία ή θεμελιώδη ζητήματα, ήθελαν απλώς να ξεφύγουν και να εφαρμόσουν την κβαντική μηχανική.

Αυτό ήταν εξαιρετικό για την έκρηξη των εφαρμογών της κβαντικής μηχανικής από τη δεκαετία του 1940 έως τη δεκαετία του 1970, μέσω της καθιέρωσης του Καθιερωμένου Μοντέλου, της φυσικής της συμπυκνωμένης ύλης και ούτω καθεξής. Αλλά μετά κόλλησε η θεμελιώδης φυσική και μέρος του λόγου που κολλήσαμε είναι ότι καταλήξαμε σε ένα σύνολο προβλημάτων στα οποία δεν μπορείτε να σημειώσετε πρόοδο με αυτήν την πραγματιστική, αντιθεμελιακή κουλτούρα. Θα πρέπει να ξεκαθαρίσω ότι εκείνα τα πεδία όπου μπορείτε να υποθέσετε ότι γνωρίζουμε τους σχετικούς νόμους, όπως η συμπυκνωμένη ύλη και η αστροφυσική, συνεχίζουν να ευδοκιμούν. Αλλά αν ο στόχος σας είναι να ανακαλύψετε νέους, βαθύτερους νόμους, πρέπει να ανακατευτείτε ξανά με φιλοσόφους. Και έχει συμβεί πολύ περισσότερο.

Όταν άρχισα να αναμιγνύομαι με φιλοσόφους, υπήρχαν μερικοί που ήξεραν πραγματικά καλά τη φυσική, αλλά οι περισσότεροι δεν ήξεραν. Σήμερα, οι νέοι που εργάζονται στη φιλοσοφία της φυσικής, ως επί το πλείστον, γνωρίζουν καλά τη φυσική. Η ανταλλαγή με τη φιλοσοφία επιστρέφει και νομίζω ότι είναι καλό.

Επόμενο άρθρο

Η απλή ιδέα πίσω από τις μεγαλύτερες ανακαλύψεις του Αϊνστάιν