کارور مد کامپیوترها را متحول کرد. آیا او می تواند همین کار را برای فیزیک انجام دهد؟ – بررسی همه مجله خبری


کارور مد تحت تأثیر چیزهای پیچیده قرار نمی گیرد. تا آنجایی که به آن مربوط می شود، بزرگترین چالش پذیرش یک سیستم پیچیده و یافتن راهی برای ساده سازی آن بدون از دست دادن هیچ یک از ویژگی های اصلی آن است.

در عصری که مدارهای مجتمع کامپیوتری به سختی توسط طراحان لیتوگرافی ماهر ترسیم می شد، یکی از پیشگامان میکروالکترونیک در Caltech طرحی را ابداع کرد که برای هر کسی به راحتی می تواند هزاران ترانزیستور را روی یک تراشه میکروکنترلر قرار دهد. نوآوری او در اوایل دهه ۱۹۷۰ – به نام ادغام در مقیاس بسیار بزرگ یا VLSI – اخیرا برنده جایزه معتبر کیوتو ۲۰۲۲ شد.

VLSI نقش اساسی در انقلاب نیمه هادی ها ایفا کرده است. این به میزان زیادی تعداد ترانزیستورهایی را که می‌توانستند روی یک تراشه قرار بگیرند افزایش داد و دستگاه‌های محاسباتی را کوچک کرد و در عین حال قابلیت‌های آنها را افزایش داد.

مید پس از تجسم حرکات الکترون ها در اطراف یک تراشه، به قوانین اساسی فیزیک که بر حرکت آنها حاکم است علاقه مند شد. او وظیفه تنظیم مجدد قوانین الکتریسیته و مغناطیس را بر عهده گرفت که اکنون به روشی که جیمز کلرک ماکسول در سال ۱۸۶۵ پیشنهاد کرده است مورد مطالعه قرار می گیرد.

مید با تکیه بر بیش از یک قرن آزمایش در فیزیک مدرن، تصویر جامع تری از پدیده های الکترومغناطیسی ارائه داد. رویکرد او مبتنی بر فیزیک کوانتومی است که الکترون‌ها، فوتون‌ها و سایر اجزای ماده را امواج و ذرات در نظر می‌گیرد.

مید نتیجه را “الکترودینامیک جمعی” نامید و از آن اصطلاح به عنوان عنوان “کتاب سبز کوچک” در مورد موضوعی که در سال ۲۰۰۱ منتشر کرد استفاده کرد. اکنون که استاد بازنشسته در Caltech است، به کار بر روی این پروژه و پروژه های دیگر ادامه می دهد.

با تایمز درباره سفر او از فناوری کامپیوتر تا فیزیک پایه صحبت کنید.

آیا می توانید اصول الکترودینامیک جمعی را توضیح دهید؟

الکترون را موجی با فرکانس متناسب با انرژی و طول موج متناسب با تکانه آن در نظر بگیرید. یک ابررسانا دارای چگالی عظیمی از الکترون های جفت شده با هم است که در نتیجه حالت کوانتومی غول پیکری به نام خازن شکل می گیرد. مثل یک الکترون بزرگ است.

هنگامی که از یک ابررسانا سیم می سازیم، انتشار موج تراکم در طول سیم را جریان الکتریکی و فرکانس موج تراکم را ولتاژ می نامند.

بنابراین، اجزای الکترومغناطیسی منشأ کمی دارند.

پس شما می گویید که فیزیک باید تغییر کند؟

فیزیک کوانتومی در زمان ماکسول ناشناخته بود، بنابراین منشا کوانتومی برهمکنش های الکترومغناطیسی قابل توجه نبود. متأسفانه، نظریه الکترومغناطیسی هنوز به روش قدیمی تدریس می شود.

بزرگترین تفاوت بین الکترودینامیک جمعی و رویکرد کلاسیک چیست؟

اهمیت قابلیت ها. مهندسی برق، که دنیای مدرن ما را ساخته است، بر اساس مفهوم پتانسیل ساخته شده است. بسیاری از فیزیکدانان واقعاً پتانسیل را درک نمی کنند – آنها فکر می کنند که این یک ترفند حسابی است. اما در واقع، این یک مفهوم بسیار بسیار عمیق است.

در یک مدار الکتریکی، تراکم الکترون در یک سیم مشابه جریان آب در یک لوله است. جریان آن را جریان الکتریکی و فشار آن را پتانسیل یا ولتاژ الکتریکی می نامند.

آیا الکترودینامیک جمعی بینش جدیدی ارائه می دهد که نمی توان از طریق نظریه استاندارد الکتریسیته و مغناطیس به دست آورد؟

برای موارد استاندارد، با هر دو پاسخ یکسانی دریافت می کنید. اما مواردی وجود دارد که روش من توضیح را آسان تر می کند.

به عنوان مثال، کوانتیزاسیون جریان را در نظر بگیرید. توضیح می دهد که چگونه چیزی در یک منطقه در مقادیر گسسته جریان می یابد. در دهه ۱۹۷۰، دانشمندان متوجه شدند که شار مغناطیسی اطراف کیک کوچک یک ابررسانا به این شکل عمل می کند. اگر مجموعه ای از آنها داشته باشید، آهنرباهای دائمی دریافت خواهید کرد. این یک آهنربای دائمی است – گروهی از حلقه های ابررسانای کوچک، یکی برای هر اتم. و همه به صف شدند.

با تعمیم این دو آهن‌ربا، می‌توانید محاسبه کنید که آنها با یکدیگر چه می‌کنند و انرژی بسیار خوبی دریافت خواهید کرد. با در نظر گرفتن آن به عنوان یک سیستم کوانتومی، الکترودینامیک جمعی پاسخ صحیح را به روشی ساده تر از روش کلاسیک به شما می دهد. و این چیزی عمیقا اساسی است که شما فقط می توانید آن را اندازه گیری کنید.

برخی آن را بسیار جالب می دانند. اما در نگاهی به گذشته، کتاب به اندازه کافی توضیح نمی دهد، بنابراین مردم برای دنبال کردن آن مشکل پیدا می کنند. یک یا دو بار در سال، ایمیلی از شخصی دریافت می‌کنم که می‌گوید: “تو فقط آنچه را که در کتاب سبز کوچکت گفتی برداشتی و زندگی من را تغییر دادی.” و سپس تا یکی دو سال دیگر آرام خواهد بود.

آیا قصد دارید آن را بیشتر گسترش دهید؟

بله، من سخت روی آن کار می کنم.

آیا فکر می کنید تربیت نسل بعدی فیزیکدانان به این روش جدید و جامع سودمند است؟

ما همیشه در حال توسعه چیزهای جدید در فیزیک هستیم. به طور کلی، ما هر پنج یا ۱۰ سال دو برابر دانش داریم. پس از چند مورد از این موارد، امکان آموزش افراد وجود نخواهد داشت زیرا چیزهای جدید زیادی وجود دارد.

بنابراین شما واقعاً فقط دو گزینه دارید. اولین مورد این است که شما فقط می توانید باریک تر و باریک تر شوید و بیشتر و بیشتر در مورد چیزهای کم و کمتر یاد بگیرید تا زمانی که همه چیز را در مورد هیچ بدانید. یا می توانید عقب نشینی کنید و متوجه شوید که دانش جدیدی که به دست آورده ایم، راه بسیار عمیق تری را برای درک این رشته و روابط مفهومی آن فراهم می کند.

تصور گسترده ای وجود دارد که علم جدید منجر به نوآوری های جدید می شود. آیا این همیشه درست است؟

تقریباً اصلاً درست نیست.

بسیاری از آنچه اتفاق می افتد به هیچ وجه جریان اصلی نیست. این چیزی است که مردم با آن خلاقیت پیدا می کنند و تلاش می کنند، و بیشتر آن کار نمی کند. بیشتر کارهایی که انجام داده ام جواب نداده اند، اما گاهی اوقات کاری را انجام می دهم که جواب می دهد. و واقعا حس خوبی داره!

روی چه نوآوری های دیگری کار می کنید؟

من زمان زیادی را صرف سازماندهی بهینه سیستم های اطلاعاتی کردم. کامپیوتری که به طور کلی برنامه ریزی شده است – مانند لپ تاپ یا تلفن هوشمند – که امروزه از آن استفاده می کنیم، اتلاف عظیمی از منابع است. یک کار ساده انجام می دهد و برای انجام هر کار ساده انرژی زیادی می گیرد.

ما در حال توسعه روش هایی هستیم که بتوانید از فناوری سیلیکون با ترانزیستورها برای تقلید از آنچه مغز حیوانات انجام می دهد استفاده کنید. اگر سیستم عصبی حیوانات را مطالعه کنید، این سازمان با یک کامپیوتر همه منظوره بسیار متفاوت است، و به طرز باورنکردنی در مصرف انرژی کارآمد است – مغز ما فقط به حدود ۲۰ وات برای تغذیه آن نیاز دارد.

استاد ممتاز بودن به من این فرصت را می دهد که عمیق تر در مورد چیزها فکر کنم، مانند یک کتاب سبز کوچک به دنبال کارهایم باشم و چیزهایی مانند آنچه در مغز می گذرد را زیر سوال ببرم.

این مصاحبه برای طولانی بودن و وضوح ویرایش شده است.