0

سؤال وجواب: أحدث كارفر ميد ثورة في أجهزة الكمبيوتر. هل يمكنه فعل الشيء نفسه للفيزياء؟

لا يتأثر كارفر ميد بالأشياء المعقدة. بالنسبة له ، فإن التحدي الأكبر هو اتخاذ نظام معقد وإيجاد طريقة لتبسيطه دون إغفال أي من ميزاته الأساسية.

في عصر تم فيه رسم الدوائر المتكاملة لأجهزة الكمبيوتر يدويًا من قبل مصممي الطباعة الحجرية المهرة ، صمم رائد الإلكترونيات الدقيقة في Caltech مخططًا سهّل على أي شخص وضع آلاف الترانزستورات على شريحة متحكم واحد. لقد فاز مؤخرًا ابتكاره في أوائل السبعينيات – المسمى التكامل واسع النطاق جدًا ، أو VLSI – بجائزة كيوتو 2022 المرموقة.

لعبت VLSI دورًا محوريًا في ثورة أشباه الموصلات. لقد غذى الارتفاع الأسي في عدد الترانزستورات التي يمكن وضعها على شريحة ، مما أدى إلى تقلص أجهزة الحوسبة مع توسيع قدراتها.

بعد معالجة حركات الإلكترونات حول رقاقة صغيرة ، أصبح Mead مهتمًا بالقوانين الأساسية للفيزياء التي تحكم حركتها. أخذ على عاتقه إعادة صياغة قواعد الكهرباء والمغناطيسية ، والتي يتم تدريسها الآن بالطريقة التي كانت عليها عندما اقترحها جيمس كليرك ماكسويل في عام 1865.

بالاعتماد على أكثر من قرن من التجارب الفيزيائية الحديثة ، ابتكر ميد صورة أكثر شمولية للظواهر الكهرومغناطيسية. يعتمد نهجه على فيزياء الكم ، التي تتعامل مع الإلكترونات والفوتونات ولبنات بناء المادة الأخرى كموجات وجسيمات.

أطلق ميد على النتيجة “الديناميكا الكهربائية الجماعية” واستخدم هذا المصطلح كعنوان “للكتاب الأخضر الصغير” حول الموضوع الذي نشره في عام 2001. وهو الآن أستاذ فخري في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، يواصل العمل في هذا المشروع وغيره من المشاريع.

تحدث مع The Times عن رحلته من تكنولوجيا الكمبيوتر إلى الفيزياء الأساسية.

هل يمكنك وصف أساسيات الديناميكا الكهربائية الجماعية؟

فكر في الإلكترون كموجة ، لها تردد يتوافق مع طاقتها وطول موجي مرتبط بزخمها. يحتوي الموصل الفائق على كثافة هائلة من الإلكترونات ، مقترنة ببعضها البعض بحيث تشكل حالة كمية جماعية عملاقة تسمى المكثف. إنه مثل إلكترون واحد هائل.

عندما نصنع سلكًا من موصل فائق ، فإن انتشار موجة التكثيف على طول السلك يسمى التيار الكهربائي ، ويطلق على تردد موجة التكثيف اسم الجهد.

وبالتالي فإن مكونات الكهرومغناطيسية هي كمية في الأصل.

إذن أنت تقول أن الفيزياء من أجل تغيير؟

لم تكن فيزياء الكم معروفة في أيام ماكسويل ، لذا لم يكن الأصل الكمي للتفاعلات الكهرومغناطيسية مرئيًا. للأسف ، لا تزال النظرية الكهرومغناطيسية تدرس بالطريقة القديمة.

ما هو الفرق الأكبر بين الديناميكا الكهربائية الجماعية والنهج الكلاسيكي؟

أهمية الإمكانات. الهندسة الكهربائية ، التي جعلت عالمنا الحديث ، مبنية على فكرة الإمكانات. كثير من الفيزيائيين لا يفهمون حقًا الإمكانات – يعتقدون أنها خدعة رياضية. لكن في الواقع ، إنه مفهوم عميق جدًا جدًا.

في الدائرة الكهربائية ، يشبه تكثيف الإلكترون في السلك تدفق الماء عبر أنبوب. نسمي تدفقه التيار الكهربائي ، ويسمى ضغطه الجهد الكهربائي أو الجهد.

هل توفر الديناميكا الكهربائية الجماعية رؤى جديدة لا يمكنك الحصول عليها من خلال النظرية القياسية للكهرباء والمغناطيسية؟

بالنسبة للأشياء القياسية ، تحصل على نفس الإجابة مع كليهما. ولكن هناك أشياء يسهل توجهي في شرحها.

على سبيل المثال ، خذ التدفق الكمي. يصف هذا كيف يتدفق شيء ما عبر منطقة بكميات منفصلة. في السبعينيات ، لاحظ العلماء أن التدفق المغناطيسي حول كعكة صغيرة من موصل فائق يتصرف بهذه الطريقة. إذا كان لديك مجموعة منهم ، فستحصل على مغناطيس دائم. هذا هو المغناطيس الدائم – مجموعة من الحلقات الصغيرة فائقة التوصيل ، واحدة في كل ذرة. وجميعهم مصطفون.

بتوسيع هذا إلى مغناطيسين ، يمكنك فقط حساب ما يفعلونه مع بعضهم البعض وستحصل على الطاقة بشكل جميل. من خلال التفكير في الأمر كنظام كمي ، تمنحك الديناميكا الكهربائية الجماعية الإجابة الصحيحة بطريقة أكثر وضوحًا من النهج الكلاسيكي. وهذا شيء أساسي عميق يمكنك قياسه.

البعض وجده ممتع جدا لكن إذا نظرنا إلى الوراء ، نجد أن الكتاب لا يحتوي على تفسير كافٍ ، لذلك يصعب على الناس متابعته. مرة أو مرتين في السنة ، أتلقى بريدًا إلكترونيًا من شخص يقول ، “لقد التقطت للتو ما قلته في كتابك الأخضر الصغير ، وقد غير حياتي.” وبعد ذلك سيبقى صامتًا لمدة عام أو عامين آخرين.

هل تخطط لتوسيعه أكثر؟

نعم ، أنا أعمل بجد على ذلك.

هل تعتقد أنه سيكون من المفيد تدريب الجيل القادم من علماء الفيزياء بهذه الطريقة الجديدة والشاملة؟

نحن نطور أشياء جديدة في الفيزياء طوال الوقت. دعنا نقول فقط ، كتقريب ، لدينا مضاعفة المعرفة كل خمس أو 10 سنوات. بعد عدد قليل من هؤلاء ، لن يكون من الممكن تثقيف الناس بعد الآن ، لأن هناك الكثير من الأشياء الجديدة.

لذلك لديك حقًا خياران فقط. الأول هو أنه يمكنك فقط أن تصبح أضيق وأضيق ، حيث تتعلم المزيد والمزيد عن القليل والأقل حتى تعرف كل شيء عن لا شيء. أو يمكنك العودة وإدراك أن المعرفة الجديدة التي حصلنا عليها تتيح طريقة أعمق بشكل لا يصدق لفهم المجال وعلاقاته المفاهيمية.

هناك فكرة واسعة الانتشار مفادها أن العلم الجديد يؤدي إلى ابتكارات جديدة. هل هذا صحيح دائما؟

يكاد يكون هذا صحيحًا أبدًا.

معظم الأشياء التي تحدث ليست روح العصر السائد على الإطلاق. إنه ما يبدع فيه الناس ويخرجون ويجربونه ، ومعظمه لا يعمل. معظم الأشياء التي قمت بها لم تنجح ، لكنني أحيانًا أحصل على شيء يعمل. وهو شعور جيد حقًا!

ما هي أنواع الابتكارات الأخرى التي تعمل عليها؟

لقد قضيت الكثير من الوقت في العمل على التنظيم الأمثل لأنظمة المعلومات. الكمبيوتر المبرمج بشكل عام – مثل الكمبيوتر المحمول أو الهاتف الذكي – الذي نستخدمه اليوم يضيع موارده كثيرًا. إنه يفعل شيئًا واحدًا بسيطًا ، ويستخدم الكثير من الطاقة للقيام بكل شيء بسيط.

لقد بدأنا في تطوير طرق يمكنك من خلالها استخدام تكنولوجيا السيليكون مع الترانزستورات لمحاكاة الأشياء التي تقوم بها أدمغة الحيوانات. إذا كنت تدرس الجهاز العصبي للحيوانات ، فإن التنظيم يختلف تمامًا عن جهاز الكمبيوتر للأغراض العامة ، وهو موفر للطاقة بشكل غير عادي – يستغرق دماغنا حوالي 20 واط فقط لتشغيله.

كوني أستاذًا فخريًا يمنحني الوقت للتفكير بعمق أكبر في الأشياء ، ومتابعة الجهود مثل الكتاب الأخضر الصغير ، والتساؤل عن أشياء مثل ما يحدث في الدماغ.

تم تحرير هذه المقابلة من أجل الطول والوضوح.