Kissan kanssa laatikossa

29.9.2018 klo 21.06, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Olin viime viikolla Pariisissa APC-instituutissa konferenssissa The Universe as a Quantum Lab. Nimensä mukaisesti tapaaminen liikkui kvanttifysiikan ja kosmologian yhteisellä, enimmäkseen tuntemattomalla maaperällä.

Tällä hetkellä on kaksi perustavanlaatuista fysiikan teoriaa: yleinen suhteellisuusteoria ja kvanttikenttäteoria. Suhteellisuusteoria ymmärretään täysin, mutta kvanttifysiikasta on vielä käsittämättä yksi pieni seikka, nimittäin se, miksi maailma arkiskaalalla ei näytä sellaiselta kuin kvanttifysiikka kertoo.

Ei myöskään tiedetä sitä, miten nämä kaksi teoriaa sopivat yhteen, eli mikä on se perustavanlaatuisempi teoria, josta ne ovat approksimaatioita. Asian selvittämistä vaikeuttaa se, että kvanttifysiikalle ominaiset ilmiöt ovat yleensä merkittäviä vain pienessä mittakaavassa, kun taas yleinen suhteellisuusteoria tyypillisesti näyttäytyy vain isoilla etäisyyksillä.

Kosmologia on kuitenkin poikkeus. Varhaisessa maailmankaikkeudessa aineen tiheys on iso ja mittakaavat ovat pieniä, ja tilanteen kuvaamiseen tarvitaan sekä kvanttifysiikkaa että yleistä suhteellisuusteoriaa. On esitetty moneen suuntaan versovia ajatuksia siitä, miten nämä kaksi kohtaavat maailmankaikkeuden alkuhetkinä, esimerkiksi James Hartlen ja Stephen Hawkingin ehdotus, jossa maailmankaikkeus syntyy tyhjästä kvanttivärähtelynä. Toistaiseksi kuitenkin vain yksi idea on tuottanut ennustuksia, joita on onnistuneesti verrattu havaintoihin: kosminen inflaatio.

Inflaation aikana varhainen maailmankaikkeus laajenee kiihtyvällä tahdilla ja sen koko kasvaa ainakin tuhatmiljardismiljardiskertaiseksi. Tämän takia pienet kvanttivärähtelyt venyvät kosmisiin mittoihin ja jäätyvät. Nämä tyhjästä syntyneet epätasaisuudet ovat galaksien siemeniä, ja nykyään taivaalta voi lukea galaksien jakaumasta (sekä kosmisesta mikroaaltotaustasta), millaisia ensimmäisen sekunnin murto-osan kvanttivärähtelyt olivat.

Yksi APC:n konferenssissa käsitelty kysymys on se, kuinka tarkkoja jälkiä inflaation ajan tapahtumista on meille jäänyt. Inflaation aikainen valtava laajeneminen nimittäin pyyhkii epätasaisuuksien jakaumasta pois kvanttifysiikalle leimalliset ominaisuudet. Osaamme laskea, millaisia epätasaisuuksia kvanttivärähtelyt synnyttävät, ja havainnot vastaavat tuloksia. Mutta jokin klassisen fysiikan prosessi voisi periaatteessa synnyttää samanlaisen jakauman – sen kvanttikummallisuutta on vaikea nähdä. (Teknisesti sanottuna vaihtoehtojen välinen interferenssi on pieni.)

Viime aikoina on esitetty kiinnostavia ideoita, siitä miten inflaation kvanttiluonteeseen päästäisiin käsiksi, mutta toistaiseksi ei ole keksitty signaalia, joka olisi tarpeeksi iso, että sen erottaisi. Yritykset ovat kuitenkin osoittaneet sen, että inflaatiossa lähestytään sekä kysymystä kvanttifysiikan ja yleisen suhteellisuusteorian yhdistämisestä että sitä miksi arki ei näytä kvanttifysikaaliselta. Useimmiten nämä kysymykset pidetään erillään.

Kvanttifysiikan teoria kertoo todennäköisyydet eri havainnoille, mutta ei sitä, mikä niistä todella toteutuu. Yleensä ajatellaan, että tila määräytyy kun sitä havaitaan, eikä tarvita tätä yksinkertaista reseptiä enempää. Mutta jos haluaa tarkastella huolella, mitä havaitseminen tarkoittaa, joutuu pian ongelmiin.

Kosmologiassa ongelma tulee vastaan, koska havaitsija ja tutkittava systeemi eivät ole erillisiä, vaan me havaitsijat olemme osa havaitsemaamme systeemiä. Galaksien olemassaolo -ja siis meidän olemassaolomme- perustuu siihen, että nyt havaitsemillamme varhaisen maailmankaikkeuden kvanttivärähtelyillä on tietty arvo, joten tuntuu ylivoimaisen vaikealta ajatella että tämä arvo määräytyisi vasta sitä havaitessa. Kosmologiassa Schrödinger ja kissa ovat samassa laatikossa.

Kun aloin lukea kosmologien tutkimuksia aiheesta, minusta tuntui alkuun, että en oikein ymmärrä, miten kirjoittajat käsittävät tämän havaitsijan ja maailmankaikkeuden suhteen. Pariisin tapaamisessa hahmotin, että aiheen tutkijat eivät itsekään ole asiasta aivan perillä. Hämärä seutu perimmäisten kysymysten liepeillä kiehtoo, ja asiassa on päästy jonkin verran eteenpäinkin, dekoherenssin saralla.

Aina näiden ongelmien pohtimiseen ei ole suhtauduttu yhtä suopeasti kuin nykyään. 70-luvulla kvanttimekaniikan perusteiden tutkimuksella oli niin huono maine, että arvostettu julkaisu Physical Review antoi editoreilleen kirjallisen ohjeen, että jos aihetta koskevassa artikkelissa ei ole analyysiä uusista havainnoista, ainoastaan teoreettista tarkastelua, niin se hylätään suoralta kädeltä ilman vertaisarviointia. Niinpä alan pioneerin John Bellin tutkimusta julkaistiin kirjoituskoneella naputelluissa pienen levityksen lehtisissä.

Kvanttimekaniikan yhdistämisessä arkeen on kutkuttavaa se, että teorian matemaattinen rakenne on yksinkertainen ja selkeä, mutta havaintojen kuvaaminen siinä vaikuttaa tavattoman monimutkaiselta. Kvanttigravitaation tapauksessa itse teoriakin on oletettavasti vaikeaselkoinen.

APC:n konferenssissa näkyi miten paljon erilaisia ideoita kvanttigravitaatiosta ja kvanttifysiikasta vielä on. Osallistujilla oli erimielisyyksiä muun muassa siitä onko ollenkaan oikein käsitellä aika-avaruuden geometriaa kvanttifysikaalisesti ja siitä kuvaavatko kvanttimekaniikan todennäköisyydet uskomuksia, tietämättömyyttä vai todellisuuden ominaisuuksia? Toisaalta teorioiden ja kokeiden välillä on joskus yllättäviä kosketuspintoja. Esimerkiksi gravitaatioaaltojen havaitsemiseen tarvittavaa teknologiaa testannut satelliitti LISA Pathfinder teki tarkkoja mittauksia peilien vakaudesta avaruudessa, ja ne sattumoisin myös antavat tiukimman rajan tietyille malleille, joissa kappaleiden tila määräytyy koko ajan ilman mitään havaitsijaa.

Kokeiden eteneminen onkin vaikuttavaa. Nykyään laboratoriossa osataan valmistaa ja mitata interferenssi-ilmiöitä, joissa eri vaihtoehdot ovat 54 sentin päässä toisistaan. Schrödingerin kissan sijaan (joka on sekoituksessa elävää ja kuollutta) kokeessa atomi on sekoituksessa tilaa, jossa se valitsee oikealle tai vasemmalle menevän reitin. Schrödinger esitti ajatuskokeensa osoittaakseen, että kvantti-ilmiöiden ei pitäisi ulottua arkiskaaloille, mutta nyt vaihtoehtojen välinen etäisyys on jo kädenmitan verran, vaikka kappaleiden koko onkin kaukana kissoista. Saa nähdä löydetäänkö jotain kiinnostavaa ensin laboratoriossa vai taivaalta.

33 kommenttia “Kissan kanssa laatikossa”

  1. Eusa sanoo:

    Onko linkata aiheeseen tuosta Lisa Pathfinderin testauksessa löydetystä rajasta tilakoheraatioille?

  2. Tapsa sanoo:

    Olin vuosi pari sitten Kari Enqvistin yleisöluennolla, jossa olin kuulevinani hänen sanovan, että heti inflaation jälkeen maailmankaikkeuden koko oli luokkaa yksi metri.

    Kuulinkohan oikein?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kysymys ei juuri liity merkinnän aiheeseen, joten en rupea vastaamaan siihen tässä.

      Mutta koska maailmankaikkeuden koosta toisinaan kysellään, saatan kirjoittaa siitä oman merkintänsä.

      1. Tapsa sanoo:

        Ok, asia vain palasi mieleeni tästä lausumastasi:

        ”Inflaation aikana varhainen maailmankaikkeus laajenee kiihtyvällä tahdilla ja sen koko kasvaa ainakin tuhatmiljardismiljardiskertaiseksi.”

        Tuostahan voi päätellä, että maailmankaikkeuden koko osataan arvioida sekä alkuhetkellä että inflaation päätyttyä – sillä tuskin lukua, vaikka iso onkin, sentään ihan hihasta on vetäisty.

        Mutta jään innolla odottamaan mahdollista palaamistasi asiaan!

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Tosiaan, tämä on tavallinen hämmennyksen aihe. Emme tiedä onko maailmankaikkeus äärellinen vai ääretön. Jos se on ääretön, se on aina ollut ääretön. Tällöin tuo ilmaisu viittaa siihen, että minkä tahansa maailmankaikkeuden äärellisen osan koko kasvaa tuolla tekijällä.

          Maailmankaikkeuden koosta vähän täällä:

          https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/muotoja-ilman-mittanauhaa/

  3. Sunnuntaikosmologi sanoo:

    Onko sinulla mielipidettä siitä miten 70-luvun Physical Reviewin editorin, sellaisen jolla ei ollut tulevaisuudesta kertovaa kristallipalloa käytettävissä, olisi pitänyt menetellä ?
    En tunne kyseistä alaa, mutta voisin kuvitella että Bellin artikkeli oli yksi lukemattomien ihan hyvästä syystä unholaan jääneiden samaa aihetta käsittelevien artikkelien joukossa.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      En tunne tuon ajan tilannetta. Mutta kvanttimekaniikan perusteiden miettimisestä on sittemmin versonut tilan määräytymistä jne. tutkivien mallien lisäksi kvantti-informatiikka, joka on paljon tutkittu fysiikan haara.

      Toisaalta suurin osa fysiikan artikkeleista aiheesta kuin aiheesta jää hyvästä syystä unholaan, vain pienellä osalla on kestävää arvoa.

      1. Syksy Räsänen sanoo:

        On myös syytä ottaa huomioon, että julkaisut fysiikan lehdissä ovat tutkijoiden tärkein meriitti.

        Jos lehden johto päättää, että se ei hyväksy artikkeleita aiheesta X, niin he käyttävät merkittävää valtaa sen suhteen, mitä pitäisi tutkia ja mitä ei.

        (Tosin 1970-luvulla tilanne alan työpaikkojen suhteen taisi olla vähemmän kilpailtu ja vähemmän numeroihin keskittyvä kuin nykyään.)

  4. Jari Toivanen sanoo:

    Tuosta ”maailmankaikkeus syntyy tyhjästä kvanttivärähtelynä”. Onko se ymmärrettävä, että ensin oli klassinen laatikko tyhjää, jossa sitten tapahtui tyhjän kvanttivärähtely, vai voiko tyhjän kvanttivärähtelyä tapahtua ilman, että ensin on se tyhjä.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Ajatuksena on se, että koko maailmankaikkeus, mukaan lukien aika ja avaruus, syntyvät tyhjästä. Pitää kuitenkin valmiiksi olla fysiikan lait, että näin voi tapahtua, ja tämä voi herättää kaikenlaisia filosofisia kysymyksiä.

      1. Jari Toivanen sanoo:

        Ja mistä ei voi puhua, siitä täytyy vaieta.

      2. Eusa sanoo:

        Ilmeisestikin eräs filosofia on, että koska ”matematiikka on ikuista”, luonnonlait perustuisivat pohjimmiltaan matematiikkaan – esim. lukuteoriaan, jolla toisiinsa muuten sekoittuvat määrät ulottuvuuksissa voidaan jäsentää mm. alkulukujaollisuuksin.

        Tuollaisen fundamentaalimatematiikan tutkiminen vailtettavan usein johtaa numerologisiin virityksiin. On kuitenkin joitain ihan varteenotettavia matemaattisia ilmiöitä, joilla on helposti todettavia kytköksiä siihen mitä fysikaalisesta todellisuudesta havaitsemme – esim. Riemannin zeetta-funktion ominaisuudet ovat mielestäni sellaista kauraa.

        Onko sinun kohdallesi osunut jotain matematiikkaa, jossa olisit nähnyt ihan fundamentaalia fysiikan lainalaisuuden mahdollisuutta? (ei vain mitatun ilmiön kuvausmatematiikkana).

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Kysymys ei juuri liity merkinnän aiheeseen, joten ei siitä sen enempää.

          1. Eusa sanoo:

            No, merkitse muistiin vaikka pyyntönä omalle merkinnälleen ”matematiikan rooli fyysisen todellisuuden mahdollistajana”.

  5. Jorma Kilpi sanoo:

    Olen aina ihmetellyt miten kissa voitaisiin saada sellaiseen tilaan että se ei vuorovaikuta muun maailmankaikkeuden kanssa. Olen siinä (harha?)käsityksessa, että vuorovaikutuksessa informaatiota siirtyy ja informaation siirtyminen on mittaus riippumatta siitä tulkitseeko joku sitä informaatiota. Kvanttitasolla erilliset objektit voivat jotenkin kummasti jakaa yhteisen informaation sopivan vuorovaikutuksen jälkeen. Tai ovatko ne vuorovaikutuksen jälkeen enää erillisiä objekteja?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      En ole varma ymmärränkö kysymystä.

      Se, mitä ”mittaus” tarkoittaa on kvanttimekaniikassa monimutkaista.

      Mutta kissan ja havaitsijan tilan kytkeytymisessä toisiinsa (teknisesti sanoen lomittumisessa) on tosiaan kyse informaation välittämisestä.

      Asiaan liittyvästä dekoherenssista (joka ei ratkaise ongelmaa mittauksesta) hieman täällä:

      https://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/maarattyina_yhteen

      1. Eusa sanoo:

        Eikös ongelma mittauksesta ole turha? perustuuko se ajatukselle, että olisi kiva jos mittaus olisi erikseen, eikä mitenkään häiritsisi mittauskohdetta?

        No, onhan itsestään selvää, että kaikki mittalaitteet ovat osa sitä todellisuutta, jota niillä mitatataan. Eikö mittaus ja vuorovaikutus voida täysin rinnastaa, jolloin todellisuus sisältää vain hyvin paljon mittauksia, joista emme vajavaisella tekniikalla vain saa mitään informaatiota? Ja täydellinen determinismi on mahdollinen skenaario…

        1. Lentotaidoton sanoo:

          Eusa.
          Itse olen käsittänyt että mittauksen ”ongelma” ei ole tekninen (tämähän oli se alkuperäinen, varhainen ”selitys” epämääräisyydelle). Vaan sisäänrakennettu teoriaan. Tietysti ”sisäänrakennettu” ei ole aina samaa kuin selitys. Joka tapauksessa täydellinen determinismi edellyttäisi mielestäni ei-lokaalisuutta. Lomittumisessa ei tapahdu informaationvaihtoa (yksi ja sama kvanttitila). Informaationvaihto vasta dekoherenssissä. ”Ongelma” on mittaus/mittaaja ja dekoherenssi, jotka pitäisi voida ”poisselittää”.

          Vakioheitto tähän ongelmaan ovat piilomuuttujat ja monimaailmatulkinta, jotka eivät oikein ”kolahda” (voi hyvin johtua rajoittuneisuudestani).

  6. Kari O. sanoo:

    Tämäkään kysymys ei liity aiheeseen, mutta kysyn silti, koska se joskus aiemmin (aiheeseen liittyvänäkin) on jäänyt vastaamatta:
    – Usein kirjoitetaan mm. Tähdet ja Avaruus lehdessä, että mustan aukon sisältä ei ”mikään pääse karkaamaan ulos”, (jos ei oteta lukuun Hawkingin säteilyä). Miten on mahdollista että ”näemme” sen sisällä olevan massan aikaansaaman gravitaation?

    Voidaan tietenkin sanoa, että kyse ei ole minkään ulos karkaamisesta, kun pohjimmiltaan siinä gravitaatiossa on kyse avaruuden kaareutumisesta, mutta jotenkin tämä ei vielä riitä vastaukseksi.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Blogin kommenttiosio on tarkoitettu kysymyksille, kommenteille ja keskustelulle, joka liittyy kuhunkin merkintään. Toiveet tulevien merkintöjen aiheista ovat myös tervetulleita.

      Tämä ei ole paikka yleisille kysymyksille mistä tahansa aiheesta fysiikassa.

      1. Kari O. sanoo:

        Ensimmäisellä kysymyskerralla (vuosia sitten) kysymys liittyi kirjoituksen aiheeseen. Varmaan ennemmin tai myöhemmin tulee uusi blogi joka osuu paremmin kuin tämä. Vaan liekö juuri tuota kysymystä kukaan muu aiemmin esittänytkään.

  7. Kari O. sanoo:

    Jos kaikki maailmankaikkeuden ”stuff” on joskus ollut yhdessä pisteessä, eikö tästä seuraa, että kaikki ”stuff” mitä maailmankaikkeudessa on, on kvanttilomittunut keskenään?

    Tämähän periaatteessa mahdollistaa jonkin lajin kaukovaikutuksen melkein minkä tahansa ”otusten” kesken missä tahansa.

    (Lainaan hieman Raimo Keskisen tyyliä, koska se tässä aiheessa näyttää toimivan, jos ei halua erityisesti nimetä jotakin hituja tms.)

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kaikki maailmankaikkeuden aine ei ole ollut yhdessä pisteessä.

      Pitää kuitenkin paikkansa, että näkemämme maailmankaikkeuden kaikki osat ovat olleet kosketuksissa hyvin varhaisina aikoina.

      En ole varma mitä tarkoitat tässä kaukovaikutuksella. Kvanttimekaniikan lomittumiseen ei liity kaukovaikutusta siinä mielessä, että informaatiota välittyisi valoa nopeammin.

      1. Lentotaidoton sanoo:

        Räsänen: Pitää kuitenkin paikkansa, että näkemämme maailmankaikkeuden kaikki osat ovat olleet kosketuksissa hyvin varhaisina aikoina.

        Eli muutenhan ei (havaittava) kosmoksemme olisi näin flat (elikä oomega lähes nolla) sekä näin isotrooppinen ja homogeeninen. Selittyy inflaatiolla, joka ”eristi” havaittavan kosmoksemme kausaalisesti yhtenäiseksi.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Joo, tosin laakeus ja kausaalinen yhteys ovat eri asioita, vaikka seuraavatkin molemmat inflaatiosta. (Notaatio on muuten sellainen, että laakean maailmankaikkeuden Omega=1.)

      2. Kari O. sanoo:

        Kaukovaikutus tulkinnasta riippuen tarkoittanee joko korrelaatiota tai kausaliteettia kaukaisten ilmiöiden välillä siten että tapahtumien välinen aika on lyhempi kuin niiden välinen etäisyys valo(aika)yksiköissä. (Eli ei-lokaalisuus?)

        Pitäydytään korrelaatiossa. Periaatteessa se mahdollistaisi ”oudolla tavalla” samanaikaisia ilmiöitä maailmankaikkeuden eri puolilla. Mitä ne voisivat olla?

  8. Lentotaidoton sanoo:

    ”Notaatio on muuten sellainen, että laakean maailmankaikkeuden Omega=1.”

    Joo sori, kirjoitusvirhe. Siis juuri kuten inflaatiomallit ennustavat.

  9. Jernau Gurgeh sanoo:

    Syksy, totesit:

    ”Ajatuksena on se, että koko maailmankaikkeus, mukaan lukien aika ja avaruus, syntyvät tyhjästä. Pitää kuitenkin valmiiksi olla fysiikan lait, että näin voi tapahtua, ja tämä voi herättää kaikenlaisia filosofisia kysymyksiä.”

    Tähän liittyen Lee Smolinilla on ajatus ajan todellisuudesta: ”Time is real”.

    En ole siihen perusteellisesti tutustunut, mutta hänen pääargumenttinsa taitaa olla, että ei voi olla olemassa luonnonlakeja ajan ulkopuolella. Toisin sanoen ”luonnonlait” kokevat ajan ja siten ne muuttuvat evoluution myötä niin kuin kaikki muukin maailmankaikkeudessa. Ja sitä miten ne muuttuvat, ei voi ennustaa, koska muuttumisen ennustaminen tarvitsisi taakseen ajassa muuttumattoman luonnonlain, ja niitähän ei Smolinin argumentin mukaan juuri ole.

    Oletko sinä perehtynyt yhtään Smolinin argumentteihin, onko niissä mitään ideaa?

    Nuo filosofiset ongelmat, jotka mainitsit, koskettaa myös matematiikkaa. Onko numerot eli matematiikka olemassa?

    Platonismin mukaan se on olemassa abstraktina ajasta ja avaruudesta riippumattomana oliona. Näin ollen matematiikka on luonnonlait.

    Nominalismin mukaan se on konkreettista ajassa ja avaruudessa. Se on siis syntynyt yhdessä maailmankaikkeuden ja luonnonlakien kanssa ja on tarkka kuvaus maailmankaikkeudesta.

    Fiktionalismin mukaan se on vain ihmisen keksimä työkalu, jolla ei ole mitään yhteyttä mihinkään. Sillä voidaan vain tehdä eri tarkkuudella toimivia approksimaatioita maailmankaikkeudesta.

    Onko sinulla fyysikkona tähän jotain kantaa tai ajatusta asiasta, kuinka itse koet tämän?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      En osaa sanoa, ovatko esimerkiksi kokonaisluvut olemassa. Jos ovat, en tiedä mitä olemassaolo tarkoittaa, mutta kummalta tuntuu myös sanoa, että ne eivät ole.

      Ajatuksiani asiasta vähän täällä:

      https://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/kaikki_jarjestyksessa

    2. Kari O. sanoo:

      Kieli ainakin jossain määrin ohjaa ajatteluamme tässä.

      Onko niin että luonnonlait ’löydetään’ tai ’uudelleen-löydetään (re-search)’ vai onko niin että ne ’keksitään’.

      Edellinen vaihtoehto viittaa siihen, että löydetään jotain joka on (aina ollut) olemassa, tässä maailmankaikkeudessa ainakin. Jonkinlainen Platonin idea siis.

      Jälkimmäinen siihen että ihminen keksii täysin uutena ideana jotain jota ei luonnossa ole (koskaan ollut). Artefakti siis. Tuskinpa kukaan löytää luonnosta esim. 10 miljardin transistorin mikrosiruja, vaikka ne perustuvat tunnettuihin luonnonlakeihin.

      Pohjimmiltaan kysymys lienee jotain sellaista, että voiko ihminen keksiä sellaisen uuden luonnonlain, jota luonnossa ei vielä ole ollut.. mikä ei vaikuta kovin todennäköiseltä. Se voisi silti olla jopa ihan toimiva työhypoteesi sille, joka vielä haluaa jotain uusia Nobelin arvoisia luonnonlakeja löytää. 😉

      Toki voidaan löytää esim. sellaisia uusia kvantti-ilmiöitä, joita ei vielä hetkeä aiemmin osattu mitenkään kuvitella. Hyvänä esimerkkinä Aalto-yliopiston viimeaikaiset tutkimustulokset kvanttiteknologiassa.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *