Kööpenhaminan takana
Nykyfysiikan perustana olevat suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka ovat arkijärjelle vieraita. Niiden käsitteet ovat kovin erilaisia kuin ne, mitä syntyjämme käytämme maailman hahmottamiseen.
Suhteellisuusteoria laajentaa käsityksiämme ajasta ja avaruudesta kauas arjen tuolle puolen. Se kuitenkin nivoutuu jokapäiväiseen kokemukseemme saumattomasti siinä mielessä, että suhteellisuusteoria myös selittää, miksi avaruus ja aika näyttävät arkisen yksinkertaisilta niissä olosuhteissa, joihin olemme tottuneet. Toisin on kvanttimekaniikan kohdalla. Kvanttimekaniikan omituisuudet liittyvät siihen, että sen mukaan todellisuus on epädeterministinen ja epämääräinen.
Epädeterminismi tarkoittaa sitä, että ei ole mahdollista ennustaa sitä, mitä tapahtuu, ainoastaan todennäköisyyksiä eri vaihtoehdoille. Esimerkiksi LHC-kiihdyttimen kokeissa voidaan ennustaa vain se, millä todennäköisyydellä mitäkin hiukkasia syntyy ja mihin suuntaan ne lähtevät. Epämääräisyys tarkoittaa sitä, että asioiden nykytila ei ole määrätty. Ennen kuin törmäyksessä syntyneet hiukkaset iskevät detektoriin, ne eivät ole kulkeneet mitään reittiä, vaan ovat tilassa, jossa niillä on tietyt todennäköisyydet ollut kulkea eri teitä.
Yleensä epämääräisyyttä käsitellään Kööpenhaminan tulkintana tunnetulla reseptillä. Sen mukaan systeemin tila on epämääräinen, kunnes se havaitaan, joten fyysikoiden pitää vain laskea todennäköisyyksiä ja verrata niitä havaintoihin. David Mermin on kuvaillut tätä sanoilla ”turpa kiinni ja laske”. (Usein tämä kyseenalaisen lennokas lausahdus laitetaan virheellisesti Richard Feynmanin nimiin.)
Kööpenhaminan toimintaohje nostaa havaitsijan keskeiseen rooliin, mikä törmää ylitsepääsemättömään ongelmaan viimeistään siinä vaiheessa, kun tarkastellaan kosmologiaa. Kosmisen inflaation mukaan kaikki maailmankaikkeuden rakenteet (mukaan lukien me) ovat syntyneet sekunnin ensimmäisen murto-osan aikaisista kvanttivärähtelyistä. Jos kvanttivärähtelyillä ja siten maailmankaikkeuden rakenteilla ei ole määrättyä tilaa ennen kuin joku on paikalla havaitsemassa niitä, mutta havaitsijat syntyvät kvanttivärähtelyistä, päädytään umpikujaan. Kvanttimekaniikka, tai ainakin ymmärryksemme siitä, on puutteellinen. Onkin esitetty useita ideoita Kööpenhaminan tulkinnan jättämän aukon paikkaamiseksi.
Yksi ehdotus on se, että kvanttimekaniikan takana on deterministinen teoria. Klassinen fysiikka näyttää deterministiseltä, mutta sen takana on epädeterministinen kvanttimekaniikka. Ehkä seuraava taso on taas deterministinen, ja kvanttimekaniikan epädeterminismi ja epämääräisyys ovat näennäisiä? Klassisessa fysiikassa käytetään todennäköisyyksiä kuvaamaan tilanteita, joissa systeemin tila on määrätty, mutta sitä ei tarkalleen tunneta, ja kvanttimekaniikassakin voisi olla kyse vain tietämättömyydestä. Ajatus on houkutteleva, koska se näyttäisi helposti ratkaisevan kvanttimekaniikan omituisuudet: ne johtuisivat vain siitä, että sovellamme teoriaa sen pätevyysalueen ulkopuolelle, eli otamme sen liian vakavasti.
Ehdotukset tällaisiksi deterministisiksi teorioiksi eivät kuitenkaan ole saaneet suosiota fyysikoiden keskuudessa. Tähän on kaksi syytä. Ensinnäkin, Bellin epäyhtälöön liittyvät koetulokset osoittavat, että maailma on joko epämääräinen ja epädeterministinen, tai sitten epälokaali. Epälokaalius tarkoittaa sitä, että maailmankaikkeuden eri osat tietävät mitä kaikkialla muualla tapahtuu koko ajan etäisyydestä riippumatta, tai ainakin tieto niiden välillä kulkee valoa nopeammin. Tätä on vaikea sovittaa yhteen suppean ja yleisen suhteellisuusteorian kanssa.
Toinen determinististen teorioiden ongelma on se, että kvanttimekaniikka toimii kokeellisesti erittäin hyvin. Kvanttikenttäteoria, jossa kvanttimekaniikka on yhdistetty suppeaan suhteellisuusteoriaan, toimii vielä paremmin. Itse asiassa se on tarkimmin testattu fysiikan teoria, eikä mitään poikkeamia siitä ole löydetty. Niinpä determinististen teorioiden pitäisi toistaa kvanttiteorian ennustukset hyvin tarkasti täysin toisenlaiselta pohjalta. Tämä ei ole helppoa, ellei teoriaa kyhää niin, että sen ennusteet ovat lähtökohtaisesti tismalleen samat kuin kvanttiteorian.
Yleensä perustavanlaatuiset teoriat rakennetaan jonkin periaatteen pohjalle, ja tästä seuraa uudenlaisia ilmiöitä. Esimerkiksi suhteellisuusteorian mukaan informaatio ei voi kulkea valoa nopeammin, mikä johtaa gravitaatioaaltoihin, joita ei ole Newtonin gravitaatioteoriassa. Ehdotetut deterministiset teoriat sen sijaan lähtevät olemassa olevan teorian ennusteiden toistamisesta. Jos ennusteet ovat täysin samat, on kyseenalaista, voiko puhua uudesta teoriasta, vai onko kyseessä vain erilainen tulkinta.
Uuden kaavun laittaminen vanhan teorian ylle voi olla houkuttelevaa silloin, jos uusi asu on entistä siistimpi. Mutta sen sijaan, että deterministiset ehdotukset selkeyttäisivät teoriaa, ne ovat lisänneet siihen ylimääräistä rakennetta, josta ei kuitenkaan seuraa mitään uutta. Lisäksi nämä teoriat ovat epälokaaliutensa vuoksi arkijärjelle vieraita, joten outoudesta ei päästä täysin eroon. Ei tiedetä, ovatko deterministiset ehdotukset väärin, mutta toistaiseksi ne ovat olleet hedelmättömiä.
Toinen vaihtoehto Kööpenhaminan tulkinnalle on muuttaa kvanttimekaniikkaa siten, että tietyissä olosuhteissa systeemin tila määräytyy itsestään. Tällöin säilytetään kvanttimekaniikan epämääräisyys ja epädeterminismi, mutta päästään eroon havaitsijaan liittyvistä ongelmista. Eräs motivaatio tällaisille teorioille tulee kvanttifysiikan toisesta puutteesta: ei vielä tiedetä, miten gravitaatiota pitäisi käsitellä kvanttimekaanisesti. On ehdotettu, että gravitaatio saisi aikaan tilan määräytymisen, vaikka enimmäkseen kvanttigravitaatiota tutkitaan erillään epämääräisyyden ongelmasta, eikä idea ole alan tutkijoiden keskuudessa juuri saanut jalansijaa.
Tällaisten ehdotusten rakentelulle on sama rajoite kuin deterministisille teorioille: teoria ei saa olla ristiriidassa kvanttimekaniikan kokeellisen menestyksen kanssa. Tässä tapauksessa ongelma voi olla jopa pahempi, sillä tilojen määräytyminen itsestään on iso muutos, ja se johtaa helposti muihinkin poikkeamiin. Tunnen näitä teorioita lähinnä sen osalta, miten niitä on sovellettu kosmiseen inflaatioon, ja siinä kehitys ei ole pitkällä. Toisaalta sellaiset tilanmääräytymisteoriat, jotka on tarkoitettu selittämään laboratorio- ja kiihdytinkokeita, eivät vaikuta selittävän kosmologista tilannetta kovin hyvin.
Sekä deterministisen että itsestään määräytyvän teorian mahdollisuus on kiinnostava, mutta ennen kuin ryhtyy sellaisia rakentelemaan, pitäisi olla varma siitä, että kvanttimekaniikkaa on todella tarpeen muokata. Emme nimittäin tiedä, onko systeemin tila koskaan määrätty, vain sen, että se näyttää meistä määrätyltä. Inflaation yhteydessä mainitsin ongelman siitä, että jos systeemin tila on määrätty vain, koska on havaitsijoita, mutta havaitsijoiden olemassaolo edellyttää sitä, että tila on määrätty. Tämän ongelman voi kääntää ratkaisuksi sanomalla, että maailman näkeminen määrättynä on edellytys sille, että koemme olevamme olemassa.
On esitetty erilaisia ideoita siitä, miten tämä voisi tapahtua. Niillä on yhteistä se, että maailma on todella koko ajan epämääräinen, mutta koemme siitä vain pienen osan: pyrkimyksenä on selittää vain kokemuksemme, ei koko maailmaa kerralla. Ilmiö nimeltä dekoherenssi on tässä keskeisessä osassa. Jotkut tällaisten ideoiden kannattajat ovat sitä mieltä, että he ovat ratkaisseet kaikki kvanttimekaniikan tulkintaongelmat, ja mitään selitettävää ei enää ole. Suurin osa fyysikkojen yhteisöstä ei kuitenkaan ole samaa mieltä (tai ei edes pidä ehdotuksia niin kiinnostavina, että olisi tutustunut niihin).
Tilanne on sinänsä kummallinen, että kvanttimekaniikan matematiikka on melko yksinkertaista, toisin kuin yleisen suhteellisuusteorian tai kvanttikenttäteorian, joten luulisi olevan helppoa tarkistaa, onko jokin sitä koskeva väite oikein vai väärin. Kvanttimekaniikan käsitteellinen ero arkiajatteluun on kuitenkin niin iso, että teoriaa päivittäin käyttävien tutkijoidenkin voi olla vaikea hahmottaa, mitä kaikkea siitä seuraa. Esimerkiksi epämääräisyyden osoittava Bellin epäyhtälö esitettiin vasta 1964, vaikka se on suoraviivainen sovellus kvanttimekaniikan perusteista. Kvanttimekaniikan käsitteiden sulauttaminen ajatteluun on tutkijayhteisölläkin vielä kesken, vaikka teoria on kohta sata vuotta vanha.
6 kommenttia “Kööpenhaminan takana”