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Text File  |  1992-08-28  |  5.8 KB  |  123 lines

  1.                 ÄåΣ#                                                          SCIENCE, Page 57Can We Really Understand Matter? 
  2.  
  3.  
  4. By EUGENE LINDEN
  5.  
  6.  
  7.     Few tasks are more daunting than standing in the path of a
  8. charging theoretical physicist who is hell-bent on getting
  9. funding for the next particle accelerator. As practitioners of
  10. the hardest of the hard sciences, physicists do little to
  11. discourage their aura of intellectual supremacy, particularly
  12. when suggesting to Congress that a grand synthesis of all the
  13. forces of nature is at hand if the Government will only cough
  14. up a few billion dollars more. But what if this confidence is
  15. misplaced? What if the barriers to knowledge are higher than
  16. many physicists like to admit?
  17.  
  18.     For much of this century, scientists have known that the
  19. comfortable solidity of things begins to break down at the
  20. subatomic level. Like the Hindu veil of Maya, the palette from
  21. which nature paints atoms proves illusory when approached. From
  22. afar, this world appears neatly separated into waves and
  23. particles, but close scrutiny reveals indescribable objects
  24. that have characteristics of both.
  25.  
  26.     Physicists have prospered in this quirky realm, but neither
  27. physics nor the rest of science has fully digested its
  28. implications. Inside the atom is a world of perpetual
  29. uncertainty in which particle behavior can be expressed only
  30. as a set of probabilities, and reality exists only in the eyes
  31. of the observer. Though the recognition of this uncertainty
  32. grew in part out of Albert Einstein's work, the idea bothered
  33. him immensely. "God does not play dice with the universe," he
  34. remarked.
  35.  
  36.     The set of mathematical tools developed to explore the
  37. subatomic world is called quantum mechanics. The theory works
  38. amazingly well in predicting the behavior of quarks, leptons
  39. and the like, but it defies common sense, and its equations
  40. imply the existence of phenomena that seem impossible. For
  41. instance, under special circumstances, quantum theory predicts
  42. that a change in an object in one place can instantly produce
  43. a change in a related object somewhere else -- even on the
  44. other side of the universe.
  45.  
  46.     Over the years, this seeming paradox has been stated in
  47. various ways, but its most familiar form involves the behavior
  48. of photons, the basic units of light. When two photons are
  49. emitted by a particular light source and given a certain
  50. polarization (which can be thought of as a type of
  51. orientation), quantum theory holds that the two photons will
  52. always share that orientation. But what if an observer altered
  53. the polarization of one photon once it was in flight? In
  54. theory, that event would also instantaneously change the
  55. polarization of the other photon, even if it was light-years
  56. away. The very idea violates ordinary logic and strains the
  57. traditional laws of physics.
  58.  
  59.     The two-photon puzzle was nothing more than a matter of
  60. speculation until 1964, when an Irish theoretical physicist
  61. named John Stewart Bell restated the problem as a simple
  62. mathematical proposition. A young physicist named John Clauser
  63. came upon Bell's theorem and realized that it opened the door
  64. to testing the two-photon problem in an experiment. Like
  65. Einstein, Clauser was bothered by the seemingly absurd
  66. implications of quantum mechanics. Says Clauser, now a research
  67. physicist at the University of California, Berkeley: "I had an
  68. opportunity to devise a test and see whether nature would
  69. choose quantum mechanics or reality as we know it." In his
  70. experiment, Clauser, assisted by Stuart Freedman, found a way
  71. of firing photons in opposite directions and selectively
  72. changing their polarization.
  73.  
  74.     The outcome was clear: a change in one photon did alter the
  75. polarization of the other. In other words, nature chose quantum
  76. mechanics, showing that the two related photons could not be
  77. considered separate objects, but rather remained connected in
  78. some mysterious way. This experiment, argues physicist Henry
  79. Stapp of Lawrence Berkeley Laboratories, imposes new limits on
  80. what can be established about the nature of matter by proving
  81. that experiments can be influenced by events elsewhere in the
  82. universe.
  83.  
  84.     Clauser's work pointed out once again that the rules of
  85. quantum mechanics do not mesh well with the laws of Newton and
  86. Einstein. But most physicists do not see the apparent disparity
  87. to be a major practical problem. Classical laws work perfectly
  88. well in explaining phenomena in the visible world -- the motion
  89. of a planet or the trajectory of a curveball -- and quantum
  90. theory does just as well when restricted to describing
  91. subatomic events like the flight of an electron.
  92.  
  93.     Yet a small band of physicists, including Clauser and Stapp,
  94. are disturbed by their profession's priorities, believing that
  95. the anomalies of quantum theory deserve much more
  96. investigation. Instead of chasing ever smaller particles with
  97. ever larger accelerators, some of these critics assert, physics
  98. should be moving in the opposite direction. Specifically,
  99. science needs to find out whether the elusiveness of the
  100. quantum world applies to objects larger than subatomic
  101. particles.
  102.  
  103.     No one worries about the relevance of quantum mechanics to
  104. the momentum of a charging elephant. But there are events on
  105. the border between the visible and the invisible in which
  106. quantum effects could conceivably come into play. Possible
  107. examples: biochemical reactions and the firing of neurons in
  108. the brain. Stapp, Clauser and others believe that a better
  109. understanding of how quantum theory applies to atoms and
  110. molecules might help in everything from artificial-intelligence
  111. research to building improved gyroscopes. For now, though,
  112. this boundary area is a theoretical no-man's-land. Certainly
  113. physicists are a lot further from understanding how the world
  114. works than some would have Congress believe.
  115.  
  116.  
  117.  
  118.  
  119.  
  120.  
  121.  
  122.  
  123.