B55 metų elgų fizikas ir muzikantas profas Bobas Coecke’as nori dėstyti kvantinę fiziką masinei auditorijai. Paradoksų kupina teorija, apibūdinanti mikroskopinę sritį, tapo pagrindine mokslinės fantastikos dalimi iš Marvel’s Skruzdėlis į daugkartinį Oskarą Viskas Visur Viskas iškart. Tai labai keista, o Jungtinėje Karalystėje šis dalykas dažniausiai skirtas fizikos specialybės bakalaurams, nes tam reikia kovoti su sudėtinga matematika. Tačiau Coecke, buvęs Oksfordo profesorius, sukūrė sistemą be matematikos, naudodamas diagramas pradedantiesiems, aprašytas Kvantas nuotraukose, jo knyga su daktaru Stefano Gogioso, kuri buvo išleista šių metų pradžioje. Vasarą jie atliko edukacinį eksperimentą, mokydami vaizdinio metodo JK moksleivius, kurie vėliau viršijo Oksfordo universiteto magistrantūros fizikos studentų egzaminų balų vidurkį.
Kvantinė fizika yra žinoma ezoterinė. Kodėl dauguma žmonių net turėtų norėti tai studijuoti?
Pagalvokite apie AI. Pagalvokite apie tai, kaip pasaulis dabar pakliuvo. Milijardų dolerių įmonės yra atsakingos už revoliuciją, kuri galėtų kontroliuoti pasaulį ir niekas nesupranta, ką jos daro. 20 metų buvau Oksfordo profesorius, o dabar dirbu pramonėje, su Quantinuum, kuriu kvantinius kompiuterius [machines designed to exploit subatomic physics to one day outperform conventional computers]. Norime, kad žmonės suprastų, ką darome nuo pat pradžių, kol technologija dar nepavirs milžiniška. Mes norime padaryti Stem [science, technology, engineering and mathematics] įtraukti daugiau, padaryti kvantinį įtraukesnį. Tai visiškai priešinga, bet pramonėje dabar galiu atlikti šį edukacinį eksperimentą.
Jūsų edukaciniame eksperimente dalyvavo 54 15–17 metų moksleiviai, atsitiktinai atrinkti iš maždaug 1000 pretendentų iš 36 JK mokyklų – daugiausia valstybinių mokyklų. Paaugliai dvi valandas per savaitę praleisdavo internetinėse pamokose, o po aštuonių savaičių jiems buvo atliktas testas, kuriame buvo pateikti klausimai iš Oksfordo antrosios pakopos kvantinės fizikos egzamino. Daugiau nei 80% mokinių praėjo ir maždaug pusė pelnė pasižymėjimą. Ar jus nustebino jų sėkmė?
Vienu metu ketinau atšaukti visą reikalą, nes maniau, kad tai bus visiška nelaimė. Iš pradžių norėjome, kad vaikai bendrautų vieni su kitais socialiniuose tinkluose arba bendrautų internetu, bet tai nebuvo leidžiama dėl eksperimento etinių gairių. Pagalvojau, kokia tai edukacinė patirtis, jei nemoka susikalbėti?
Tai yra „Covid“ karta: nė vienas iš jų neįsijungė fotoaparato [for the online classes], todėl žiūrėjome į juodą ekraną. Nė vienas iš jų neuždavė klausimų balsu, tiesiog rašė. Pagal visus standartus tai buvo sunkus mokymo iššūkis. Matėme ir mokinių savigarbos problemą. Tačiau daugumai vaikų patiko, kad paskelbėme, kad jums nereikia sudėtingų matematikos žinių. Matematika buvo kliūtis vaikams, kurie norėjo gauti šias žinias.
Ir tada mes grąžinome numerius. Jiems sekėsi žymiai geriau, nei matome iš universiteto lygio studentų. Egzaminai buvo laikomi akli, todėl nežinome, kiek jų atėjo turėdami tikslą siekti Stem. Šiuos duomenis apdorojame.
Kaip sugalvojote šį „kvantinio paveikslėlio“ metodą? Ar iš pradžių jis buvo skirtas vaikams ir pradedantiesiems?
Esu labai vizualus žmogus. Aš esu ne tik kvantų fizikas, bet ir menininkas ir muzikantas. Tiesą sakant, vienintelė priežastis, dėl kurios atsidūriau kvantinės fizikos srityje, buvo ta, kad norėjau paremti savo muzikinę karjerą – mano roko/metalo/elektronikos sintezės grupė Black Tish šiais metais išleido du albumus. Dešimtajame dešimtmetyje įsidarbinau Oksfordo universiteto kompiuterių mokslų katedroje ir mano vyresnysis kolega Samsonas Abramsky man pasakė, kad mums reikia aukšto lygio programavimo kalbos. [future] kvantiniai kompiuteriai. Normaliam skaičiavimui programuojate nuliais ir vienetais, bet dauguma žmonių nesupranta, kaip tai padaryti. Tačiau visi supranta, kaip naudotis „iPhone“. Kvantinio kompiuterio programavimui norėjome „iPhone“ sąsajos atitikmens. Taigi 2004 m. Abramsky ir aš paskelbėme naują kvantinės mechanikos formalizmą, pagrįstą „kategorijų teorija“. [a well-established branch of mathematics that uses diagrams to describe collections of objects].
Bėgant metams jį kūriau kartu su kitais, o 2017 m. su Aleksu Kissingeriu parašiau apie tai knygą fizikai. Tačiau prasčiausiai mokomi teoriniai fizikai. Jie turi tiek daug ko išmokti. Pusė pagrindinių kvantinio skaičiavimo žmonių sakė: „Jūs darote dalykus su kvailomis nuotraukomis, tai negali būti naudinga, tai per paprasta! O kita pusė pasakė: „Kategorijų teorija tokia sunki, kad tai negali būti naudinga, ji per sudėtinga! Prireikė metų, kad atsikratytume stigmos, kad tai per sudėtinga. Taigi aš parašiau šią naują knygą su Stefano, kuris padarė visas nuotraukas, specialiai tam, kad atliktų šį eksperimentą, kad įrodyčiau, kad tai taip paprasta, vaikai gali tai padaryti ir pranokti Oksfordo antrosios pakopos studentus.
Girdime tiek daug keistų ir nuostabių dalykų apie kvantinę fiziką: katė dėžėje gali būti mirusi ir gyva tuo pačiu metu, kol į ją nepažiūri; dalelės gali būti dviejose vietose vienu metu, nebent jų padėtis būtų išmatuota; informaciją galima „teleportuoti“ tarp kvantinių sistemų. Kaip perteikti šiuos procesus naudojant tik paveikslėlius?
Tai paprasta. Visa tai brėžia kvantines grandines: dėžes, sujungtas laidais [to demonstrate quantum phenomena]. Teleportavimas yra tik dėžių stumdymas laidu. Išmatavimai pavaizduoti dėžėmis, vadinamomis „vorais“, kurios turi daug kojelių arba laidų. Kvantinė dalelė, kuri prieš matuojant gali būti dviejose vietose, nubrėžiama kaip dvi kojos, kurios patenka į vorą – voro kūnas atspindi matavimą – ir viena koja išeina iš kitos pusės, toks rezultatas.
Kokia jūsų viltis dėl kvantinio vaizdingumo ateityje?
Į mane kreipėsi žmonės iš Australijos ir Graikijos vyriausybių, jų švietimo departamentų, kurie domisi tai įgyvendinti. Aš taip pat aistringai noriu tai perkelti į Afriką. Dar ankstyvos dienos, bet mes ten kažką planuojame.
Pradėjau norėdamas pakeisti kvantinės mechanikos supratimą, o vaikus įtikinti lengviau nei suaugusiuosius. Jie neturi išankstinių nusistatymų. Taigi galbūt kita karta tai perneš. Kaip vienas iš kvantinės fizikos įkūrėjų Maxas Planckas kartą pasakė: „Mokslas žengia į priekį po vieną laidotuves“.
- Bobas Coecke yra autorius su Stefano Gogioso Kvantas nuotraukose: naujas būdas suprasti kvantinį pasaulį (Kvantinis)
