Ketjun viimeinen lenkki
Poiminnoista kurssilta Fysiikkaa runoilijoille aiheista on vuorossa toiseksi viimeinen aihe, kosmologia. (Luentomoniste löytyy täältä.) Aiemmissa osissa on käsitelty klassista mekaniikkaa ja uudenlaista kauneuden muotoa, suppeaa suhteellisuusteoriaa ja vääriä ideoita, yleistä suhteellisuusteoriaa ja suurta järjettömyyttä, kvanttimekaniikkaa ja ymmärryksen rajoja, ja sitä miten kvanttikenttäteoriaa määrää aineen ja vuorovaikutukset.
Ennusteiden tekemiseen fysiikassa tarvitaan kaksi asiaa. Ensimmäinen on fysiikan lait, jotka kertovat, mistä osista tutkittava systeemi koostuu ja miten ne vuorovaikuttavat toistensa kanssa. Klassisessa mekaniikassa aine rakentuu pistemäisistä hiukkasista, jotka kohdistavat toisiinsa voimia. Suhteellisuusteoriassa ja kvanttifysiikassa osaset ja niiden vuorovaikutukset ovat monimutkaisempia, mutta periaate on sama. Fysiikan lait kertovat vain, millaiset tapahtumat ovat mahdollisia, ne eivät riitä kertomaan, mitä todella tapahtuu.
Yksikäsitteisten ennusteiden saamiseksi pitää tuntea myös systeemin alkutila. Kun tiedetään, millainen systeemi on nyt, niin lait kertovat, miten se kehittyy. Esimerkiksi Aurinkokunnan planeettojen tämänhetkisistä paikoista ja nopeuksista voi ennustaa niiden liikkeet. Kun mennään tarpeeksi kauas ajassa, pitää antaa alkuehdot sille, millaisesta kaasupilvestä planeetat tiivistyivät; sitä varten puolestaan pitää tietää, miten pöly oli muodostunut varhaisten tähtien räjähdyksissä, millä tapaa tähdet olivat syntyneet, mistä niiden siemenet olivat peräisin ja niin edelleen.
Esimerkki näyttää, miten kosmologiset kysymykset kehystävät kaiken fysiikan tutkimuksen, kun mennään tarpeeksi pitkälle. Se osoittaa myös, että kosmologiassa ei riitä fysiikan lakien tunteminen, vaan myös alkuehdot ovat tutkimuksen kohde. Asian voi ilmaista myös niin, että kosmologisten havaintojen avulla voidaan saada tietoa kaikkeuden alkutilanteesta.
Klassinen fysiikka ja suhteellisuusteoria ovat deterministisiä: kaikilla syillä on seuraus. Asiat ovat tietyllä tavalla nyt siksi, että ne olivat aiemmin tietyllä tavalla. Tällainen selitysten ketju ei koskaan pääty, aina tarvitaan aikaisempi syy.
Kvanttifysiikka on kuitenkin osoittanut, että maailmankaikkeus on epädeterministinen. (Asiassa tosin on sellainen epävarmuus, että kvanttifysiikkaa ei ymmärretä täysin.) Niinpä on seurauksia, joilla ei ole syitä. Kaiken näkemämme rakenteen siementen arvellaan syntyneen kvanttivärähtelyistä kosmisessa inflaatiossa ensimmäisen sekunnin murto-osan aikana. (Ei tosin tiedetä, mitä oli ennen inflaatiota, vai oliko mitään.) Kvanttikenttäteorian lait ennustavat vain todennäköisyysjakauman näille pienille epätasaisuuksille, ja ainoastaan yksi vaihtoehto erilaisista mahdollisuuksista toteutuu. Koska kvanttifysiikka on epädeterminististä, mikään sääntö ei määrää sitä, mikä mahdollisuuksista valikoituu: kaikki rakenne syntyy sattumasta. Selitysten ketju saavuttaa loppunsa, tai pikemminkin alkunsa.
Taitaa olla selvää, että kvanttifysiikka osoittaa havaittavan todellisuuden olevan tilastollinen. Tuskin voimme koskaan päätellä, että se olisi epädeterministinen.
Fysiikan tekemisen kannalta hedelmällistä on olettaa, että kaikkeus on deterministinen. Esimerkki: kun hiukkasen ominaisuudet ovat levinneet ympäristöön, on mielestäni viisaampaa ajetella, että hiukkanen on tilastollisesti useassa mahdollisessa paikassa kuin että toteaisi sen olevan useassa paikassa samanaikaisesti.
Sama koskee kosmologiaa. Osa johtopäätösten valinnoista kapeuttaa helposti jatkotutkimusta, esim. pimeän energian tapauksessa globaalin aikakehityksen johtopäätös havaitsijakeskeisyyden perusteella (eri havaitsijoiden aikakehitykset voivat kompensoida) tai pimeä aine massamaisen käyttäytymisen perusteella (massailmiö voi syntyä muustakin energiasta kuin aine-energiasta).
Onko nykyään mitään edes etäisesti varteenotettavia muita selityksiä havainnoille kuin maailmankaikkeuden kiihtyvä laajeneminen, vai onko se järkevän epäilyn ulkopuolella?
Ks. http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/kirkkaudesta_pimeyteen
Viidessä vuodessa todistusaineisto kiihtyvän laajenemisen puolesta on kasvanut, mutta se ei mielestäni ole järkvän epäilyn ulkopuolella. Sen sijaan laajeneminen on kyllä selvästi hidastunut odotettua vähemmän.
Onko kosmisen inflation teoria mahdollisesti niin lujalla pohjalla että Alan Guthilla olisi lähitulevaisuudessa edessään reissu Tukholmaan ?
Ja jos näin käy, niin jakaisiko hän palkinnon jonkun kanssa ? Kenen ?
Guth ei ollut ensimmäinen, joka esitti inflaatiota. Häntä ennen ilmestyi paperit Starobinskylät ja Kazanakselta, joissa oli jotain (mutta ei kaikkia) samoja ideoita.
Muita tärkeitä alkuaikojen tekijöitä olivat Sato, Mukhanov, Chibisov, Linde, Albrecht, Steinhardt, Hawking ja Moss. Monet heistä ovatkin jo saaneet palkintoja inflaatiosta.
En osaa sanoa, annetaanko inflaatiosta Nobelin palkinto pian vaiko ei. Nobeleita (toisin kuin monia muita fysiikan palkintoja) myönnetään vain asioille, jotka on kokeellisesti varmennettu. Inflaation ennusteet ovat olleet hyvin paikkansapitäviä, mutta kilpailijoitakin on vielä. Kenties palkinnon voisi antaa inflaatiolle tärkeiden kvanttivärähtelyiden ymmärtämisestä.
”Kaiken näkemämme rakenteen siementen arvellaan syntyneen kvanttivärähtelyistä kosmisessa inflaatiossa ensimmäisen sekunnin murto-osan aikana.”
Hienoa nähdä kerrankin täsmällistä puhetta tällaisessa tekstissä! Joskus näkee tuonkin asian kovin maailmaa syleilevänä väitteenä, suorastaan räikeästi provosoiden, että ”KAIKKI syntyi ensimmäisen sekunnin murto-osan aikana.” Kun esim. tämä lause syntyi vasta tätä kirjoittaessa. 🙂
Mutta tämä: ”kaikki rakenne syntyy sattumasta”. No ei sentään. Esim. tämän lauseen rakenne (joka fysikaalisesti näkyy tuossa näytöllä)syntyi äsken minun oman suunnitteluni tuloksena.
Sattuma on tosiaan ongelmallinen käsite. Jos ajatellaan noita inflaation aikaisia tapahtumia, voidaan kai esittää niinkin radikaali väite kuin että ”kaikki on syntynyt sattumalta”. Vaikka sattuma tässä mielessä voitaisiinkin fysiikassa formuloida matemaattisesti, tämä formulointi ei mielestäni kuitenkaan voi vastata kysymykseen ”miksi kaikki on sellaista kuin on?”, vaan korkeintaan kysymykseen ”millaisella mekanismilla kaikki on syntynyt?”. Jos nyt sitten siihenkään.
Kiitos muuten mainiosta blogista. Näitä ei taida Suomessa tästä aihepiiristä muita ollakaan.
Tieteen ”tehtävä” ei olekaan antaa vastauksia miksi-kysymyksiin. Miksi? Siksi, että niissä intuitiivisesti oletetaan syy ja tavallisesti myös syyn antaja. Tiedämme uskonnollisen lähestymistavan hedelmättömyyden. Siis ei: miksi (why) maailma on olemassa, vaan kuinka (how) maailma on olemassa. Jälkimmäisen puitteissa on mahdollista antaa tieteellisesti perusteltuja vastauksia. Hyvä kirja: Lawrence M Krauss: a universe out of nothing.
Monen fysiikan ilmiön kohdalla miksi-kysymys on aivan asiallinen ja vastattavissa, vieläpä helpommin kuin kuinka-kysymykseen. Maailman olemassaolon miksi-kysymykseen voi ainakin tulevaisuuden tiede vastata antamalla maailman alkuehdot.
Jos taas tarkoitetaan perimmäistä syytä, se voisi olla tietoisuus, koska tietoisuuden ikuinen ja täydellinen olemattomuus tekee mahdottomaksi, että mitään voisi olla olemassa.
Subjekti-objekti -suhde on tosiaan todellisuuden ytimessä. Siksi fysiikka ei mielestäni voi koskaan kehittää todellista kaiken teoriaa, koska sen tutkimuskohteena on vain tämän suhteen toinen osapuoli.
Tietoisuus on emergentti monimutkaisten aivojen fysikaalinen ominaisuus. Siis puhdasta fysiikkaa. Tietoisuudella ei ole mitään tekemistä ”täydellisen olevaisuuden” tai ”ikuisuuden” kanssa.
Mitä on ”täydellinen olevaisuus”? Hölynpölyä. ”Maailman alkuehdot” on yksikertaista kirjoittaa, se mitä se tarkoittaa on lähinnä turhaa absurdista metafysiikkaa. Eli uskontoa. Tiede ei argumentoi uskonnollisesti.
Myös Ludwig Wittgenstein ajatteli Tractatuksessaan, että kysymys ”millainen maailma on” kuuluu tieteen piiriin, mutta kysymys ”miksi maailma on” kuuluu lähinnä mystiikan alaan. Hänkään ei kuitenkaan pitänyt viime mainittua sellaisena näennäiskysymyksenä kuin jotkut nykyiset luonnontieteilijät, joille kaikki filosofointi on vierasta. Myös filosofisiin kysymyksiin voi suhtautua avoimin mielin eikä mitään uskonnollisia ennakko-oletuksia tarvitse olla.