agsandrew/Shutterstock
Skammtaeðlisfræði – þekkt af iðkendum sem skammtafræði – er viðfangsefni sem eðlisfræðingar læra á frekar sérkennilegan hátt. Við lærum öll að reikna með því að nota stærðfræðiramma þess, en það þýðir ekki að við getum í raun útskýrt hvað það þýðir. Ef við förum nógu langt í menntun okkar fáum við tækifæri til að sjá hversu nákvæmlega þessir útreikningar passa við niðurstöður tilrauna, svo við lærum að treysta því að þær lýsi raunveruleikanum rétt.
En hvernig getur köttur verið bæði lifandi og dauður inni í kassa áður en við horfum á hann? Við getum gert útreikninga sem eru í samræmi við þessa túlkun á jöfnunum, en hvað getur það mögulega þýtt, líkamlega? Skammtafræðin er uppfull af því sem við gætum litið á sem súrrealískt: það er erfitt fyrir okkur að gera skynsamlega skilning á því, en samt sem áður skipar stærðfræðin sem felst í niðurstöðum tilrauna okkur að draga ákveðnar ályktanir.
Ein klassísk tilraunaniðurstaða er sú ljós hegðar sér bæði eins og ögn og bylgja. Þrátt fyrir að vera frægastur fyrir sérstaka afstæðiskenningu og almenna afstæðiskenningu, Albert Einstein hlaut í raun Nóbelsverðlaunin 1921 fyrir framlag sitt til að skilja þessa bylgju-agna tvíhyggju, sem varð hornsteinn skammtafræðikenningarinnar. Verk Einsteins ásamt verkum Max Planck til að sýna að ljós kom í stærðum: lichtquanten , eða stakir orkupakkar þekktir sem ljóseindir. Þessar ljóseindir virkuðu eins og agnir en virkuðu líka eins og bylgjur.
Aðgengilegasta leiðin til að útskýra hvernig þetta er mögulegt er að nota hina frægu tvöfalda rifu tilraun, eitthvað sem nemendur geta nú gert í grunnnámi rannsóknarstofunnar. Laser er skotið á plötu með samhliða rifum. Mynstrið sem myndast á veggnum fyrir aftan rifurnar er sú tegund sem við myndum búast við að sjá með bylgju. En þegar grannt er skoðað samanstendur mynstrið af stakum, einstökum frásogspunktum: þess sem við myndum búast við af einhverju sem virkar eins og ögn, ekki bylgja. Ljós, það kemur í ljós, er hvort tveggja.
Fyrir einni öld nefndi doktorsnemi Louis de Broglie víkkaði verulega skammtabyltinguna sem var í gangi. Árið 1923 birti de Broglie röð greina þar sem þeir settu fram þá tilgátu að tvívirkni bylgjuagna væri eiginleiki alls efnis, ekki bara ljóss. Hann skrifaði niður jöfnu sem tengdi massa og hraða eindar við bylgjulengd, fjarlægðina sem bylgja endurtekur sig yfir. Þetta varð grunnurinn að doktorsritgerð hans árið 1924. Þremur árum síðar staðfesti George Paget Thomson að rafeindir haguðu sér í samræmi við fullyrðingar de Broglie. Árið 1929 hlaut de Broglie Nóbelsverðlaun fyrir framlag sitt til líkamlegrar þekkingar.
Við kennum jöfnu de Broglie – og forvera Einsteins hennar – margoft í námskrá okkar við háskólann í New Hampshire. Nemendur sjá það í nútíma eðlisfræðinámskeiði, kynningu á háþróuðum hugtökum í eðlisfræði í smáskrefstíl. Þeir sjá það síðan aftur í varmafræðinni og í inngangi þeirra að skammtafræðiferli. Ég kenni það líka á stjörnufræðinámskeiðinu mínu. Þetta er allt til að segja að búist er við að eðlisfræðingur þekki mjög vel bylgju-agna tvískiptingu og hafi aðstöðu með stærðfræðilegu formi þess.
Eitthvað sem við kennum ekki í tímum er að í raun eru til aðrar túlkanir við öldu-agna tvískiptingu, þar á meðal túlkun sem de Broglie sjálfum hefur þróað og þróað að fullu síðar af eðlisfræðingi. Davíð Bohm. Á þessari mynd eru bylgja og ögn samtímis. Það eru enn aðrar hugmyndir þar sem þú getur útskýrt gögnin algjörlega með því að nota bylgjulíkan, án þess að ögn sé nauðsynleg.
Ég komst á aldur og hélt að þetta væri vandamál fyrir heimspekinga, ekki eðlisfræðinga. Svo breyttist ég í eðlisfræðing sem stundaði líka heimspeki og þau mörk þóttu mér æ undarlegri. Áhugi minn á því hvernig kynþáttur, kyn og stétt móta niðurstöður í eðlisfræði varð til þess að ég spurði hvers vegna við útilokum hugmyndafræðilegar áskoranir skammtafræðinnar frá kennslustofunni. Örláta skýringin er sú að við höfum bara svo mikinn tíma með nemendum og við þurfum að taka erfiðar ákvarðanir um hvað við eigum að kenna.
En það er líka þannig að nemendur koma í kennslustofur okkar að hluta til vegna þess að þeir eru hrifnir af undarlegum eðlisfræðikenningum eins og skammtafræði. Því miður, frá hagfræðilegu sjónarhorni, er mikið að græða með því að vita hvernig á að reikna og að lokum verkfræðingur með þessar hugmyndir, jafnvel þótt við eigum í erfiðleikum með að gera hugmyndafræðilegan skilning á þeim. Það eru engin augljós líkamleg forrit til að reyna að skilja huglægan kjarna málsins.
Ég skil alveg rökfræðina í vinnunni hér, en hún er líka svo augljóslega takmarkandi. Nemendur eru sviknir út af tækifæri til að hugsa djúpt um óvæntar leiðir líkamlega heimsins á minnstu mælikvarða, og það er í sjálfu sér misbrestur í menntun.
Chanda Prescod-Weinstein er lektor í eðlisfræði og stjörnufræði og kjarnadeild í kvennafræðum við háskólann í New Hampshire. Rannsóknir hennar í fræðilegri eðlisfræði beinast að heimsfræði, nifteindastjörnum og ögnum umfram staðlaða líkanið.
