Η κβαντική φυσική με εικόνες, χωρίς μαθηματικά
Ο Βέλγος φυσικός Bob Coecke 55 ετών, πρώην καθηγητής της Οξφόρδης και μουσικός, θέλει να διδάξει κβαντική φυσική σε ένα ευρύτερο κοινό. Έτσι, επινόησε ένα πλαίσιο χωρίς μαθηματικά χρησιμοποιώντας διαγράμματα για εντελώς αρχάριους. Η μέθοδος περιγράφεται στο βιβλίο που έγραψε με τον Dr Stefano Gogioso και κυκλοφόρησε στις αρχές του 2023 με τίτλο Quantum in Pictures. Κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού, διεξήγαγαν ένα εκπαιδευτικό πείραμα, διδάσκοντας την εικονογραφική μέθοδο σε μαθητές του Ηνωμένου Βασιλείου – οι οποίοι στη συνέχεια ξεπέρασαν τη μέση βαθμολογία των εξετάσεων των μεταπτυχιακών φοιτητών φυσικής του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης.
Ο Coecke σε συνέντευξή του στον Guardian μίλησε για την διδασκαλία της κβαντικής φυσικής και το εκπαιδευτικό του πείραμα, λέγοντας μεταξύ άλλων τα εξής: «Σκεφτείτε την Τεχνητή Νοημοσύνη. Σκεφτείτε πόσο χάλια έγινε ο κόσμος τώρα. Εταιρείες δισεκατομμυρίων δολαρίων ηγούνται μιας επανάστασης που θα μπορούσε να ελέγξει τον κόσμο και κανείς δεν καταλαβαίνει τι κάνουν. Ήμουν καθηγητής στην Οξφόρδη για 20 χρόνια και τώρα εργάζομαι στη βιομηχανία, στην Quantinuum, κατασκευάζοντας κβαντικούς υπολογιστές [μηχανές σχεδιασμένες να χρησιμοποιούν την υποατομική φυσική για να ξεπεράσουν μια μέρα τους συμβατικούς υπολογιστές]. Θέλουμε οι άνθρωποι να καταλάβουν τι κάνουμε από την αρχή, προτού η τεχνολογία γίνει γιγαντωθεί. Θέλουμε να κάνουμε την φυσική, την τεχνολογία, την μηχανική και τα μαθηματικά πιο ανοιχτά σε όλους, να κάνουμε την κβαντική φυσική προσβάσιμη σε όλους. Είναι εντελώς παράλογο, αλλά μέσα από την βιομηχανία μπορώ τώρα να κάνω αυτό το εκπαιδευτικό πείραμα.
Το εκπαιδευτικό μας πείραμα περιελάμβανε 54 μαθητές, ηλικίας 15-17 ετών, που επιλέχθηκαν τυχαία από περίπου 1.000 αιτούντες, από 36 σχολεία του Ηνωμένου Βασιλείου – κυρίως κρατικά σχολεία. Οι έφηβοι περνούσαν δύο ώρες την εβδομάδα σε διαδικτυακά μαθήματα και μετά από οκτώ εβδομάδες έλαβαν ένα τεστ χρησιμοποιώντας ερωτήσεις από μια μεταπτυχιακή εξέταση κβαντικής φυσικής στην Οξφόρδη.
«Πάνω από το 80% των μαθητών πέρασαν και περίπου οι μισοί κέρδισαν διάκριση. Τα πήγαν πολύ καλύτερα από φοιτητές πανεπιστημιακού επιπέδου.»
Ο Coecke κατέληξε στην μέθοδο της «κβαντικής εικονογράφησης» γιατί είναι περισσότερο οπτικός τύπος: «Δεν είμαι απλώς ένας κβαντικός φυσικός, είμαι καλλιτέχνης και μουσικός. Στην πραγματικότητα, ο μόνος λόγος που κατέληξα στην κβαντική φυσική ήταν επειδή ήθελα να υποστηρίξω τη μουσική μου καριέρα – η rock μπάντα μου, Black Tish, κυκλοφόρησε δύο άλμπουμ φέτος. Εργάστηκα στο τμήμα επιστήμης υπολογιστών του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης τη δεκαετία του 1990 και ο συνάδελφός μου Samson Abramsky μου είπε ότι χρειαζόμασταν μια γλώσσα προγραμματισμού υψηλού επιπέδου για [μελλοντικούς] κβαντικούς υπολογιστές. Για κανονικούς υπολογιστές, προγραμματίζετε με μηδενικά και ένα, αλλά οι περισσότεροι άνθρωποι δεν ξέρουν πώς να το κάνουν αυτό. Όμως όλοι ξέρουν πώς να χρησιμοποιούν ένα iPhone. Θέλαμε το ισοδύναμο της διεπαφής iPhone για τον προγραμματισμό κβαντικού υπολογιστή. Έτσι ο Abramsky και εγώ δημοσιεύσαμε ένα νέο φορμαλισμό της κβαντικής μηχανικής το 2004, βασισμένο στη «θεωρία κατηγοριών» [ένας καθιερωμένος κλάδος των μαθηματικών που χρησιμοποιεί διαγράμματα για να περιγράψει συλλογές αντικειμένων].
Με τα χρόνια το αναπτύξαμε περαιτέρω, και έγραψα ένα βιβλίο για αυτό για φυσικούς το 2017 με τον Aleks Kissinger. Αλλά οι χειρότεροι άνθρωποι για να διδάξουν είναι οι θεωρητικοί φυσικοί. Έχουν τόσα πολλά να ξεμάθουν.
Οι μισοί από τους επιστήμονες που εργάζονταν στους κβαντικούς υπολογιστές είπαν: «Κάνετε πράγματα με ανόητες εικόνες, αυτό δεν μπορεί να είναι χρήσιμο – είναι απλοϊκό!»
– Κι από κάτω λογάκια, λογάκια…
Και οι άλλοι μισοί είπαν: «Η θεωρία κατηγοριών είναι τόσο δύσκολη, δεν μπορεί να είναι χρήσιμη, είναι πολύ περίπλοκη!» Χρειάστηκαν χρόνια για να απαλλαγούμε από το στίγμα ότι αυτό ήταν πολύ περίπλοκο. Έτσι γράψαμε αυτό το νέο βιβλίο με τον Stefano, ο οποίος έκανε όλες τις εικόνες, για να αποδείξουμε ότι αυτό είναι τόσο εύκολο, ότι τα παιδιά μπορούν να μάθουν και να ξεπεράσουν ακόμα και τους μεταπτυχιακούς φοιτητές της Οξφόρδης.
Στο βιβλίο όλα σχεδιάζονται ως κβαντικά κυκλώματα: κουτιά συνδεδεμένα με καλώδια [για την επίδειξη κβαντικών φαινομένων]. Η τηλεμεταφορά είναι απλώς η ολίσθηση των κουτιών κατά μήκος ενός καλωδίου. Οι μετρήσεις αντιπροσωπεύονται από κουτιά που ονομάζονται «αράχνες» που έχουν πολλά πόδια ή καλώδια να προεξέχουν. Ένα κβαντικό σωματίδιο που μπορεί να βρίσκεται σε δύο σημεία ταυτόχρονα πριν μετρηθεί, σχεδιάζεται ως δύο πόδια που μπαίνουν σε μια αράχνη – το σώμα της αράχνης αντιπροσωπεύει τη μέτρηση – και το ένα πόδι βγαίνει από την άλλη πλευρά- αυτό είναι το αποτέλεσμα.
Σε ερώτηση για το πώς βλέπει το το μέλλον της κβαντικής εικονογράφησης απάντησε ό,τι τον προσέγγισαν άτομα από τις κυβερνήσεις της Αυστραλίας και της Ελλάδας (!!) εκδηλώνοντας ενδιαφέρον για την εφαρμογή της μεθόδου στα εκπαιδευτικά τους συστήματα.
Και κατέληξε: Ξεκίνησα θέλοντας να αλλάξω τον τρόπο με τον οποίο κατανοείται η κβαντική μηχανική και διαπίστωσα ότι είναι πιο εύκολο να πείσω τα παιδιά παρά τους ενήλικες. Τα παιδιά δεν έχουν προκαταλήψεις. Ίσως λοιπόν η επόμενη γενιά να το προχωρήσει. Όπως είπε κάποτε ο Max Planck – ο φυσικός που άναψε πρώτος την σπίθα της κβαντικής φυσικής: «Η επιστήμη προχωράει με μια κηδεία τη φορά».
διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες: Physicist Bob Coecke: ‘It’s easier to convince kids than adults about quantum mechanics’
Σχόλια
Δημοσίευση σχολίου