Miksi kaiken teorialla on merkitystä?

11.1.2017 klo 20.13, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Laskennallisen materiaalifysiikan professori Kai Nordlund pyysi minut Tieteen päiville puolustamaan sitä, että kaiken teorian löytämisellä olisi väliä. Puhuin aiheesta tänään. Esitys meni jokseenkin näin.

Fysiikassa on kahdenlaisia lakeja: perustavanlaatuisia ja emergenttejä.

Emergentit lait voidaan, ainakin periaatteessa, johtaa muista tunnetuista laeista. Esimerkiksi molekyylit rakentuvat atomeista, joten niiden lait palautuvat atomifysiikkaan. Vastaavasti solujen toiminta palautuu molekyyleihin ja eläinten käytös soluihin. Usein emergentit lait ovat hyvin erilaisia kuin niiden pohjalla olevat lait. Esimerkiksi vettä ja muiden nesteitä kuvaava hydrodynamiikka poikkeaa muodoltaan ja luonteeltaan täysin atomeja kuvaavista laeista. Yleensä emergenttejä lakeja ei pystytä edes yksinkertaisissa tapauksissa käytännössä johtamaan, vaikka se olisi periaatteessa mahdollista. Esimerkiksi kvarkit ja niiden vuorovaikutukset ovat hyvin yksinkertaisia, mutta niistä koostuvien protonien, neutronien ja muiden hiukkasten ominaisuuksia ja vuorovaikutuksia –eli ydinfysiikkaa– ei vieläkään pystytä täysin päättelemään kvarkeista lähtien. Vasta 2000-luvulla aiheesta on saatu luotettavia tuloksia supertietokoneiden avulla, mutta vieläkin vain pieni osa ydinfysiikasta osataan palauttaa kvarkkien ominaisuuksiin.

Perustavanlaatuisia lakeja ei voida, ainakaan toistaiseksi, johtaa mistään. Tällä hetkellä meillä on kaksi perustavanlaatuista fysiikan teoriaa. Kvanttikenttäteoria kuvaa ainetta ja aineen osien välisiä vuorovaikutuksia, ja yleinen suhteellisuusteoria kuvaa aika-avaruutta ja sen vuorovaikutusta itsensä ja aineen kanssa. Tiedämme kuitenkin, että nämä kaksi tukipilaria eivät ole viimeinen sana. Ne ovat vain approksimaatioita jostain vielä perustavanlaatuisemmasta teoriasta, jota ei vielä tunneta: kvanttigravitaatioteoriasta.

Kvanttiteoria ja gravitaatio on onnistuneesti yhdistetty kosmisessa inflaatiossa, joka kuvaa sitä, miten kaikki maailmankaikkeuden rakenteen siemenet ovat syntyneet aineen ja aika-avaruuden kvanttivärähtelyistä maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin perukoilla. Inflaatio on ainoa fysiikan osa-alue, missä kvanttigravitaatiota on pystytty kokeellisesti luotaamaan, ja havainnot ovat varmentaneet teorian ennusteita. Inflaatiossa kvanttiteoria ja gravitaatio yhdistetään kuitenkin vain hyvin yksinkertaisella tavalla, eikä tiedetä, miten ne kokonaisuudessaan nivoutuvat yhteen.

Monet tutkijat odottavat, että kvanttigravitaatioteoria olisi aidosti perustavanlaatuinen siinä mielessä, että sitä ei edes periaatteessa voisi johtaa mistään: lopullinen sana todellisuudesta. On kuitenkin mahdollista, että kvanttigravitaation takana on vielä uutta fysiikkaa ja kaiken teoria on luultua kauempana. Periaatteessa teorioiden ketju saattaa myös jatkua loputtomiin, niin että mitään kaiken teoriaa ei ole, ainoastaan yhä tarkempia ja tarkempia kuvauksia.

Kaiken teoria luultavasti poikkeaisi ennusteiltaan kvanttikenttäteoriasta (tai ainakin sen tämänhetkisestä perustavanlaatuisesta toteutuksesta, Standardimallista) ja yleisestä suhteellisuusteoriasta vain hyvin pienissä mittakaavoissa, isoilla energioilla ja vahvoissa gravitaatiokentissä. Kvanttigravitaatioon liittyvien ilmiöiden odotetaan tyypillisesti olevan merkittäviä vain pituusskaaloilla, jotka ovat pienempiä suhteessa protoniin kuin mitä protoni on suhteessa meihin. On kuitenkin kaksi syytä, miksi kaiken teorian löytäminen ei ole vain akateeminen kysymys. (Huvittavaa ja huolestuttavaa muuten, että yleisessä kielenkäytössä sana ”akateeminen” tarkoittaa samaa kuin ”merkityksetön”.)

Ensinnäkin kaiken teorialla voi olla yllättäviä teknologisia sovelluksia. 1800-luvun lopulla klassinen fysiikka, eli Newtonin mekaniikka ja Maxwellin sähkömagnetismi, kuvasivat hyvin kaikkia arkiskaalan ilmiöitä, ja kuvaavat vieläkin. Mutta vaikka atomit ovat yhtä pieniä suhteessa meihin kuin me olemme suhteessa Aurinkoon, niiden lakien löytäminen on mullistanut arkielämän. Vetyatomia tutkittaessa löydettiin kvanttimekaniikka, mihin pohjautuu kaikki elektroniikka ja nykykemia, sekä DNA:n ja muiden biologisten rakennuspalikoiden ymmärtäminen. Arkemme on kvanttimekaniikan sovellusten läpitunkema. Olisi ollut 1800-luvulla täysin mahdotonta ennustaa, millaisia sovelluksia atomifysiikalla tulee olemaan, saati sitten aavistaa siihen pohjaavan teknologian ajamia yhteiskunnallisia muutoksia. Yhtä lailla on mahdotonta sanoa, millaisia sovelluksia kaiken teorialla voi olla.

Toisekseen, kvanttiteoria ja yleinen suhteellisuusteoria muuttivat perin pohjin kuvamme todellisuudesta. Kvanttimekaniikka paljasti, että arkikäsityksemme aineesta, tapahtumisesta ja olemisesta ovat tyystin virheellisiä. Yleinen suhteellisuusteoria mullisti kuvamme ajasta ja avaruudesta, ja avasi oven maailmankaikkeuden historiaan. Emme vieläkään täysin sulattaneet näitä muutoksia, emme esimerkiksi hahmota, miten arkimaailma seuraa kvanttimekaniikasta. Kaiken teoria oletettavasti muuttaisi käsityksemme yhtä perinpohjaisesti, tavoilla, joita on mahdotonta vielä kuvitella.

Fysiikan sovellusten merkitystä on vaikea yliarvioida. Jos Maapallolla koskaan päästään tilanteeseen, missä ihmiset voivat kaikki elää ihmisarvoista elämää ja osallistua yhtäläisesti ihmisyhteisön asioihin, niin se on mahdollista ainoastaan fysiikan sovellusten, kuten modernin tiedonvälityksen, avulla. Yhtä tärkeää on kuitenkin se, miten fysiikka auttaa meitä ymmärtämään maailmaa: se selittää sateenkaaren värit, kertoo tähtien olevan kaukaisia aurinkoja, paljastaa maailmankaikkeuden historian olevan meidän historiaamme. Lyhyesti sanottuna, fysiikka kehystää inhimillisen kokemuksen.

30 kommenttia “Miksi kaiken teorialla on merkitystä?”

  1. Mika sanoo:

    Haluaisitko hiukan avata sitä, mitä tarkoittaa, jos ”Periaatteessa teorioiden ketju saattaa myös jatkua loputtomiin, niin että mitään kaiken teoriaa ei ole, ainoastaan yhä tarkempia ja tarkempia kuvauksia.”?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Sitä, että ei ole aidosti perustavanlaatuista teoriaa, jota ei voitaisi johtaa mistään, vaan kaikki teoriat ovat emergenttejä.

      1. Mika sanoo:

        Eikö kuitenkin olisi oletettavaa, että yhä hienojakoisempaan todellisuuden kuvaukseen mentäessä, jossain vaiheessa ”päästään pohjalle”?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Valtaosa alan tutkijoista ajattelee tosiaan että on olemassa kaiken teoria, muuta vaihtoehtoa ei usein edes mainita.

          1. Mika sanoo:

            Minun on tosiaan hiukan hankala kuvitella, millainen olisi sellaisen todellisuuden rakenne, jossa kaikki teoriat olisivat loputtaman emergenttejä, eikä (edes teoriassa) mitään perustavanlaatuista ”pohjarakennetta” olisi.

  2. Ja jollei Maassa päästäisikään, niin avaruussiirtokunnat voisivat olla toinen mahdollisuus, mikä sekin olisi sitten toki fysiikan ansiota.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Jos Maapallolla ei saada oikeudenmukaista yhteiskuntaa aikaan, niin teknologisen sivilisaation elinaika lienee niin lyhyt, että täältä ei avaruuteen levitä. Kirjoitin aiheesta vähän täällä: http://www.hybrislehti.net/unelmia-itsemurhan-partaalla

      1. Eivät yhteiskunnat ole menneisyydessäkään olleet oikeudenmukaisia, ja tässä sitä silti edelleen ollaan. Osa kansoista on kansanmurhattu, mutta laji elää.
        Olen sinänsä samaaa mieltä kanssasi monista tuon hybrislehden kirjoituksen detaljipuolen asioista. Ydinaseet ovat eksistentiaalinen riski. Suurin ympäristöongelma on minusta elinympäristöjen häviäminen ja pirstoutuminen ja siitä johtuva lajien sukupuutto.
        Ja kovasti tehdään töitä sen puolesta että aurinkokuntaan leviämisen aikaskaala olisi mahdollisimman lyhyt. Ei sen takia ettei maapallolla voisi olla, vaan sen takia että O’Neill -tyyppisissä pyörivissä habitaateissa on potentiaalisesti enemmän elintilaa kuin planeetoilla sekä vakaammat olosuhteet.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Kuten jutussa kirjoitan, tilanne on nykyään erilainen:

          ”Kymmeniä tuhansia vuosia lajillamme oli niin suuri lukumäärä ja laaja levinneisyys, että sen tuhoutuminen vaatisi maailmanlaajuisen mullistuksen, mutta emme vielä olleet teknologisesti tarpeeksi edistyneitä, että pystyisimme saamaan sellaisen aikaan. 1900-luvulla tilanne muuttui.”

  3. Markku Tamminen sanoo:

    “Kvanttimekaniikka paljasti, että arkikäsityksemme aineesta, tapahtumisesta ja olemisesta ovat tyystin virheellisiä.”

    Tarkoitatko, että teemme arkikokemustemme perusteella virheellisiä hypoteeseja? Itse kokemuksethan ovat evoluution myötä muodostuneet tarkoituksenmukaisiksi ja toimiviksi, ja ovat tässä mielessä enimmäkseen “oikeita”. Näin ollen se kuva maailmasta, joka arkikokemusten kautta muodostuu, on mielestäni pikemminkin puutteellinen kuin virheellinen.

      1. Eusa sanoo:

        On kyseenalaista arvottaa nisäkäskäsitys virheelliseksi verrattuna kvanttimekaniikkaan. Sillä on kuitenkin miljoonien vuosien koeteltu kehityspolku.

        Kvanttimekaniikan logiikan tulkinnat ovat vielä hyvin hataria. Sitä paitsi, redusoitu mekanismi ja sen emergenssi ovat perusteiltaan yhteismitattomia.

        Se on totta, että ihmisestä tuntuu hienolta saada tietoa niin eri mittaluokasta ja sovellustenkin kannalta tutkimus on tietysti sangen tärkeää. Kiistäisin kuitenkin hokeman arkijärjen vastaisuudesta, kyllä luonnon logiikka, olipa mitä tahansa, on varmasti aina arkijärjellistä, tuntuipa tulkitsijalta miltä tahansa…

      2. Markku Tamminen sanoo:

        Luulen, että tässä on kyse perustavanlaatuisesta erosta ajattelutavoissamme.

        Alkeishiukkaset ja niiden vuorovaikutukset ovat sen laatuisia, että ne mahdollistavat esimerkiksi kärpäsen kaltaisten monimutkaisten rakenteiden olemassaolon. Niinpä meillä on kärpäsiä kiusanamme. Ja ihmisiä tietoisuuksineen. On selvää, että ihminen fysiologisena organismina koostuu alkeishiukkasten vuorovaikutuksista, mutta kun sanotaan, että ihmisen kuvaus voidaan periaatteessa palauttaa kvarkkien värähtelyiksi, annetaan sellainen vaikutelma, että nämä värähtelyt olisivat myös ontologisesti perustavanlaatuisempia kuin ihmiset sellaisina kuin heidät välittömästi kohtaamme. Itse ajattelen, että tämä elämismaailmamme on ontologisesti ensisijainen, ja kvarkkien taso kaikkine kummallisuuksineen vain syventää maailmankuvaamme, joka on pääosin kunnossa.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Alkeishiukkasten käytöstä ei ole mahdollista selittää arkikäsittein, mutta arkikäsitteet on mahdollista selittää alkeishiukkasia kuvaavien lakien avulla. (Tilan romahtamisen osalta tätä tosin ei ymmärretä kokonaan.)

          1. Markku Tamminen sanoo:

            Tämä on tietenkin totta, koska arki-ilmiöiden selittämiseksihän kvanttiteoria on kehitetty, mutta halusin vain sanoa, että arkikäsitteet eivät välttämättä ole virheellisiä vaan joskus hyvinkin toimivia elleivät ne johda virheellisiin, kokemuksen kanssa ristiriidassa oleviin hypoteeseihin. Mielestäni useimmat arkielämämme käsitteet ovat tällaisia.

          2. Syksy Räsänen sanoo:

            Kvanttiteoriaa ei ole kehitetty arki-ilmiöiden selittämiseksi, vaan atomien.

          3. Olen huonompi sanoo:

            Mutta kvanttiteorian kehitys alkoi kyllä valon kummallisuuksista, eikä atomien – siitähän sana kvantti tulee myös.

        2. Esimerkiksi tietokone koostuu transistoreista jne., joten koneen toiminta voidaan periaatteessa palauttaa niiden toimintaan. Mutta toisaalta koneen käyttäytyminen riippuu (tietyin oletuksin) vain ohjelmasta, ei transistoreista tai edes prosessorin käskykannasta. Reduksionismi ei ole ainoa vaihtoehto, vaan vain yksi näkökulma asiaan.

      3. Markku Tamminen sanoo:

        Otetaan nyt vaikka deterministinen vs. indeterministinen käsitys tapahtumisesta. Jos sanon taitavalle biljardin pelaajalle, että pallon A osuessa palloon B pallo B lähtee mielivaltaiseen suuntaan, hän varmaan sanoisi, että olen lopettanut lääkityksen liian aikaisin. Deterministinen käsitys tapahtumisesta on tässä tapauksessa oikea, indeterministinen väärä. Alkeishiukkasista pelaajamme ei ehkä ole kuullutkaan, ja vaikka olisikin, toteaisi varmaan että ne saavat hänen puolestaan käyttäytyä niin mielivaltaisesti kuin haluavat.

  4. KariL sanoo:

    Kiitos esitelmästäsi tieteen päivillä, se oli ihan paikallaan tuossa sessiossa. Kommentoisin huomautustasi kuinka modernit teknologiat ovat fysiikan sovelluksia. No ainakin fysiikka selittää teknologiaa pätevästi ja auttaa kehittämään sitä. Monet teknologiat on kutenkin syntyneet itsenäisesti ja ennen selittävää fysiikkaa. Lämpövoimakoneet on tuttu esimerkki. Transistorista oli patentteja 1920-luvulla, ja kun toimiva laite syntyi noin 1956, sitä ei ensin osattu selittää (Bellin ryhmä ja Matare & Welker). Led keksittiin 1920-luvulla ja sitten uudestaan 1960- luvulla. Elektroniputki keksittiin kun leikittiin hehkulampuilla, ja siitä (oikeastaan kaasunpurkausputkista) tuli tärkeä fyysikkojen työkalu joka demonstroi mm että kvantit on reaalisia (Planck ei kai ensin uskonut siihen). Olen leikkinyt ajatuksella millaista olisi teknologia ilman fysiikkaa. Mahdoton eksperimentti koska fysiikka on aina ollut niin lähellä. Mutta voihan kuvitella. Varmaan teknologia olisi vähemmän tehokasta, mutta olisi kiva tietää, miten erilaista se olisi. Jokinlainen steampunk- maailma kai.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Nykyteknologiaa ei voisi olla ilman fysiikan teorioita, joiden yksityiskohtaiseen tutkimiseen se perustuu.

      1. KariL sanoo:

        Eipä tietenkään. Minä pohdiskelinkin miten outoa teknologiaa meillä voisi olla jos se kehittyisi pelkästään kokeilujen ja evolutiivisten parannusten varassa. Niinkuin elollinen luonto.

        1. Thoops sanoo:

          Ehkä kun tekoäly on poistanut tarpeemme opetella tai ajatella monimutkaisia asioita itse ja valtaosa ihmisistä taantuu kokija-yhdistelijöiksi maailmassa joka on täynnä ”taiannomaisia” objekteja ja hilavitkuttimia jotka tuottavat oman energiansa?

        2. Länsimaista differentiaaliyhtälöihin perustuvaa luonnonfilosofiaa voi ajatella paitsi tieteenä joka on kaiken perusta myös utilitaristisesti keksintönä keksintöjen joukossa. Se on tehokas työkalu, mutta ei ainoa sellainen. Esimerkiksi suprajohtavuus löydettiin kokeellisesti, ja siihen päätymiseksi tarvittiin vain kaasujen jäähdytys ja tasasähkö. Sellaiset olisi saatettu keksiä ilman teoriaakin jossain vaihtoehtoisessa historiassa.

          Toisaalta taivaankappaleiden ja avaruusalusten liikkeen tarkka ennustaminen ei varmaankaan onnistu mitenkään ilman differentiaaliyhtälöitä.

          Joissakin yksittäistapauksissa teoretisointi saattaa jopa hidastaa keksimistä, nimittäin jos samalla sorrutaan dogmaattisuuteen.

  5. Lentotaidoton sanoo:

    Räsänen: ”Tilan romahtamisen osalta tätä tosin ei ymmärretä kokonaan”.

    Tämähän on niitä ns Köpistulkinnan suurimpia ongelmakohtia. Romahtaminen ja ”mittaajan” ongelma. Ja sen ”selitämiseksi” tai kokonaan eliminoimiseksi on kehitetty erilaisia ajatelmia (yhtä ongelmallisia ajatelmia kuin Köpistulkinnan dekoherenssin kautta tapahtuva ”romahtaminen” ).

    Räsänen: ”Kvanttiteoriaa ei ole kehitetty arki-ilmiöiden selittämiseksi, vaan atomien”.

    Kommenteissa nämä kaksi asiaa näyttävät sekoittuvan. Sen takiahan Syksy sanoi: ” Emergentit lait voidaan, ainakin PERIAATTEESSA,johtaa muista tunnetuista laeista”. Jokaiselle on tietysti selvää, että käytännössä tämä on toistaiseksi totaalisen mahdotonta . Kuluu paljon tupakkia ja vuosia emergenssin ja reduktion johtamiseen Schrödingerin yhtälöstä, voi olla että sata/tuhat vuotta tai ei koskaan.

    Käsittääkseni vain yksinkertainen vetyatomin reduktio onnistutaan toistaiseksi ”selittämään” kvanttifysiikalla (yksinkertainen kahden kappaleen ongelma).

  6. Pentti S. Varis sanoo:

    Syksy kirjoitti: ”..emme esimerkiksi hahmota, miten arkimaailma seuraa kvanttimekaniikasta.”

    Ainakin joissakin tapauksissa kyseessä voi mielestäni olla karkeistus.

    Niin makroskooppiset kuin mikroskooppisetkin aistimuksiin perustuvat tietoisuuden sisällöt ovat mahdollisesti karkeistuksia, jolloin kvanttifysiikkaa syvempi, toistaiseksi paljastumaton olevaisen taso voi olla olemassa.

    Karkeistuksesta olen nähnyt sanottavan, että se on informaation hukkaamista. Esimerkkejä silmäillessä on tuntunut, että hukattu informaatio on voittopuolisesti epäoleellista ja karkeistumisprosessiin kuuluu paljon monimutkaista informaatiota, jotka siis lisätään systeemiin karkeistaessa. Tällainen tunne tulee esimerkiksi katsellessa Kari Enqvistin esitystä ”luonnonlain” johtamiseksi

    http://www.helsinki.fi/~enqvist/opus.dir/coarsegrain.pdf

    Tässä siis systeemiin lisätään runsaasti matemaattista informaatiota integraalin, eksponenttifunktion jne. muodossa.

    Voin tietenkin olla, ja luultavasti olenkin väärässä. Informaatiolla olen tarkoittanut P.C.V.Daviesin uumoilemaa materiaakin perimmäisenpää ”stuffia”

    http://www.space.com/29477-did-information-create-the-cosmos.html

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *