Kosmokseen kirjoitettua

Miksi kissa on sekaisin?

17.8.2026 klo 20.06, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmologia

Kvanttimekaniikka on kokeellisesti tarkimmin varmennettu ja teknologisesti hedelmällisin fysiikan teoria (etenkin kun lasketaan mukaan kvanttikenttäteoria, joka yhdistää kvanttimekaniikan ja suppean suhteellisuusteorian). Sillä on toisaalta myös ansaittu maine vahvasti arkijärjen vastaisena.

Kvanttimekaniikan keskeinen kummallisuus on se, että maailman tila voi olla epämääräinen, eli se voi olla sekoituksessa kahta havaittavaa mahdollisuutta. Erwin Schrödinger havainnollisti tätä ajatuskokeella laatikossa olevasta kissasta, joka on sekoituksessa elävää ja kuollutta ennen kuin avaamme laatikon.

Schrödingerin mielestä ajatuskoe osoitti, että kvanttimekaniikka on puutteellinen, koska se johtaa tällaiseen järjenvastaiselta vaikuttavaan tulokseen. Nykyään kun kvanttimekaniikka on kokeellisesti tarkkaan varmennettu, asia nähdään päinvastoin: kissa osoittaa, että maailma on outo.

Selitän tässä hieman sitä, miksi kvanttimekaniikassa on tällaisia sekoitustiloja ja missä kohtaa tilanne muuttuu oudoksi.

Kvanttimekaniikassa systeemin käytöstä kuvaa yhtälö, joka on kissan tavoin nimetty Schrödingerin mukaan. Schrödingerin yhtälö on lineaarinen, mikä tarkoittaa sitä, että kahden ratkaisun summa on myös ratkaisu. (Tekninen termi tällaiselle sekoitukselle on superpositio.) Tässä ominaisuudessa ei ole mitään kummallista, se on fysiikassa aika yleinen.

Esimerkiksi sähkömagneettista kenttää kuvaavat Maxwellin yhtälöt ovat lineaarisia. Valo on sähkömagneettisia aaltoja. Lineaarisuuden takia kahden valoaallon yhteisen vaikutuksen saa selville laskemalla ne yhteen. Kahden taskulampun aiheuttama valoaalto on summa yksittäisistä valokeiloista, ja se on sekoitus kahden aallon aallonpituuksia ja -korkeuksia.

Valon kirkkaus ei kuitenkaan ole erillisten valokeilojen kirkkauksien summa, koska kirkkaus ei riipu lineaarisesti aallon korkeudesta. Siinä on interferenssitermi, eli osa joka riippuu kummastakin aallosta ja joka puuttuu, jos mukana on niistä vain yksi.

Toinen esimerkki on heikot vesiaallot. Jos vettä vähän häiritsee kahdella kädellä, niin aalto on kummankin käden synnyttämien aaltojen summa. Muuttamalla käden vispausta voi säätää sekoitusta vapaasti.

Kvanttimekaniikassa lineaarisuudesta seuraa outoja asioita, koska teoriassa on myös sellainen ominaisuus, että vain tietyt havaintoarvot ovat mahdollisia. Esimerkiksi atomin energia on kvantittunut, eli se voi saada vain tiettyjä kokonaisluvuilla luetteloitavia arvoja. Vastaavasti atomi lähettää valoa vain näitä energioita vastaavilla aallonpituuksilla. Koska yhtälöt ovat lineaarisia, atomin (tai valon) kahden tällaisen tilan summa on myös mahdollinen tila, mutta toisaalta sitä ei voi havaita. Vastaavasti summa tiloista, missä kissa on kuollut tai elossa on myös sallittu tila, mutta sellaista ei koskaan havaita.

Miten tällainen sekoitus sitten pitäisi ymmärtää? Klassisen fysiikan tapauksessa ei ole ongelmaa, koska kahden aallon summa on havaittavissa: valon aallonpituus voi olla mitä tahansa, toisin kuin kvanttimekaniikassa.

Kvanttimekaniikan ongelma ratkeaa todennäköisyystulkinnan kautta. Kahden havaittavan tilan summa tulkitaan siten, että kun systeemiä havaitaan, niin se on jommassakummassa tilassa, ja tuloksen todennäköisyys riippuu siitä, kuinka suurella painolla tilat ovat mukana summassa.

Atomin havaitaan siksi aina lähettävän vain sallittuja aallonpituuksia, ja kissan havaitaan aina olevan elossa tai kuollut. Tämä tulkinta vastaa havaintoja hyvin, mutta se on vain osa tarinaa. Nimittäin voidaan kokeellisesti tarkistaa, että tila on todella sekoituksessa ennen kuin se havaitaan.

Yksinkertaisin tapaus on kaksoisrakokoe, mistä olen kirjoittanut täällä. Siinä voidaan mitata kahden havaittavan tilan interferenssi, mikä osoittaa, että ne olivat molemmat mukana sekoituksessa. Kvanttimekaniikan epämääräisyyden yhdistämisessä arkisen mittakaavan havaintoihin eli sen selittämisessä, miksi emme havaitse kissoja elävän ja kuolleen sekatilassa on edetty paljon, mutta asiaa ei vieläkään ymmärretä täysin.

Outouden ytimessä ei ole se, että kvanttimekaniikan matematiikka olisi vaikeaa –päin vastoin, lineaariset yhtälöt ovat erityisen helppoja– vaan se miten vaikeaa on yhdistää tämän suoraviivaisen matematiikan selvät ennusteet arjen havaintoihin monimutkaisista systeemeistä kuten kissoista.

Viimeisimmät Nobelin palkinnot asian tiimoilta on annettu vuonna 2022 kokeista, jotka osoittivat, että tila tosiaan on epämääräinen, ja  viime vuonna 2025 kvanttimekaanisen käytöksen osoittamisesta isoissa systeemeissä.

Varmaan tällä hetkellä eniten huomiota saanut sovellus kvanttimekaniikan epämääräisestä tiloista on kvanttilaskenta, joka pohjaa niihin. Suomen kansallinen kvanttilaskentainstituutti InstituteQ muuten sattumoisin kertoo mitä kvanttilaskennalle kuuluu Tiedekulman tilaisuudessamme syyskuun 11. päivä.