Raja-aitojen pystyttämistä
Palaan kurssin Fysiikkaa runoilijoille aiheisiin. Olen aiemmin käynyt läpi klassisen taivaanmekaniikan paljastamaa uudenlaista kauneuden muotoa, suppean suhteellisuusteorian syrjäyttämää eetteriä esimerkkinä järkevästä mutta väärästä ideasta sekä sitä, miten yleinen suhteellisuusteoria lopetti Newtonin tuomitseman suuren järjettömyyden. Nyt on vuorossa kvanttimekaniikka ja ymmärryksen rajat.
Fysiikka on kasvattanut ymmärrystämme maailmasta verrattomasti. Sen lisäksi, että se on vastannut moniin ihmisiä pitkään askarruttaneisiin kysymyksiin, fysiikka on avannut ovia uusiin ilmiöihin, joita ei aiemmin tultu edes ajatelleeksi. Usein ei ole lainkaan selvää, mitä tietty fysiikan teoria pystyy selittämään. Esimerkiksi Isaac Newtonin gravitaatioteorian mukainen Aurinkokunta ei ole stabiili, vaan planeetat voivat ajautua radoiltaan toistensa häiritseminä. Newton piti tätä ongelmana, koska oli vaikea käsittää miten planeetat voisivat säilyttää ratansa pitkiä aikoja, ja hän sysäsi ratkaisun Jumalan harteille. Nykyään tiedämme, että Aurinkokunta on käynyt läpi monia muodonmuutoksia, ja planeettojen siirtyminen välillä lähemmäs ja sitten kauemmas Auringosta on keskeinen osa Aurinkokunnan kehitystä. Niinpä ratojen epävakaus on osoitus Newtonin teorian menestyksestä, ei sen puutteista.
Fysiikan kehitys ei ole ainoastaan laajentanut ymmärrystämme, se on myös rajannut joitakin alueita ymmärryksen ulottumattomiin osoittamalla, että jotkut kysymykset eivät ole mielekkäitä.
Klassisessa mekaniikassa aine koostuu hiukkasista, jotka ovat pieniä jyväsiä, joilla on tietty paikka ja nopeus. Tästä lähtökohdasta aineen ymmärtämisessä on kyse vain siitä, että tiedetään paremmin, millaisia voimia hiukkaset kohdistavat toisiinsa ja mitä siitä seuraa. Klassinen sähkömagnetismi järkytti tätä kuvaa jo 1800-luvulla tuomalla mukaan sähkömagneettiset kentät, joita ei voi kuvata hiukkasten avulla. Kvanttimekaniikka meni vielä pidemmälle: se ei vain lisännyt uutta, vaan kajosi myös hiukkasten luonteeseen, joka luultiin jo tunnetuksi.
Kvanttimekaniikan mukaan hiukkasilla ei ole määrättyä paikkaa eikä nopeutta, ainoastaan tietty todennäköisyys olla jossain paikassa ja liikkua jollain nopeudella. Mitä tarkemmin paikan todennäköisyys on keskittynyt johonkin alueeseen (eli mitä luultavammin hiukkanen löytyy sieltä), sitä laajemmalle nopeuden todennäköisyys on levinnyt. Tämä pitää paikkansa myös päinvastoin: mitä tarkemmin määrätty kappaleen nopeus on, sitä epämääräisempi sen paikka on. Tämä todellisuuden piirre tunnetaan nimellä Heisenbergin epämääräisyysperiaate. Joskus kuulee käytettävän ilmaisua Heisenbergin epätarkkuusperiaate, mutta kyse ei ole siitä, että hiukkasen ominaisuuksia ei tiedettäisi tarkasti, vaan se, että niistä ei ole enempää tiedettävää. Kysymykset ”missä hiukkanen todella on” ja ”mitä rataa hiukkanen todella liikkui” (esimerkiksi kaksoisrakokokeessa) eivät merkitse mitään.
Kvanttimekaniikka sumentaa käsityksen hiukkasesta. Jos hiukkanen ei ole pieni jyvänen, jolla on tietty paikka, niin mikä se sitten on? Mitä on se, mitä havaitaan tietyllä todennäköisyydellä? Yksi syy asian hahmottamisen vaikeuteen on se, että kvanttimekaniikassa hiukkasta kuvaava aaltofunktio on hyvin erilainen malli aineesta kuin jyvänen tai aalto, ja tuntuu siksi vieraalta. Mutta kvanttimekaniikan pystyttämät raja-aidat ymmärrykselle ovat perustavanlaatuisempia. Vieläkään ei ymmärretä, miten tuntemuksemme siitä, että todellisuus on määrätty seuraa kvanttimekaniikasta. Havaitseminen ja oleminen ovat klassisessa fysiikassa niin ilmeisiä asioita, että niistä ei ole paljon sanottavaa, mutta kvanttimekaniikassa ne ovat osoittautuneet kaikkein hankalimmaksi kysymykseksi. Ongelman vaikeutta kuvaa se, että joskus kvanttimekaniikka muotoillaan pelkästään havaintojen kautta, sivuuttaen kysymykset niiden taustalla olevasta todellisuudesta.
Kvanttiteorian seuraava porras, kvanttikenttäteoria, selventää hiukkasten luonnetta kenttien tihentyminä, mutta epämääräisyyden selitys jää silti uupumaan. On epäselvää, tarvitaanko siihen uutta teoriaa, vai selittyykö se kvanttifysiikan monimutkaisten seurauksien hahmottamisen kautta kuten planeettojen ratojen kehitys klassisessa mekaniikassa. Vain tutkimus voi kertoa sen, mikä on ymmärrettävissä.
Kiitos vastauksesta edellisessä merkinnässä esittämääni kysymykseen, jota tosin et julkaissut.
Tosiaan mennään niillä rajoilla, että joistain deterministisyyksistä ei välttämättä koskaan voida saada varmaa käsitystä kuinka on ja onko kysymys edes mielekäs. Kaikkeus ei ole kokonaisuus kenellekään havaitsijalle ja keskinäiset havaintoaineistotkin voivat muodostaa vain rajallisia yhteisiä leikkauksia.
Maallikkona herää kysymys onko käsitteelle hiukkanen enää oikeasti tarvetta? Voidaanko kaikki selittää pelkästään kentillä ja aaltofunktioilla?
Hiukkanen on yhtä kelpo käsite kuten aaltokin, mutta perustavanlaatuinen rakennuspalikka se ei enää ole. Asiasta vähän täällä:
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/pikkuhyrrien-kertomaa/
Kvanttimekaniikasta tulee mieleen internetissä pelattavat moninpelit ja niiden ”lag”.
Kaukaa katsottuna toinen pelihahmo näyttää olevan oikein vakaa ja kulkea selkeästi.
Läheltä katsottuna se toinen pelihahmo saattaakin hyppelehtiä edestakaisin (”rubberbanding”), eikä sen sijaintia oikein voi varmaksi sanoa.
Ongelma on siinä, että pelaajien ja palvelimien välillä on viivettä. Joten pelaaja A saattaa nähdä, että pelaaja B juoksee vasemmalle, mutta oikeasti pelaaja B onkin jo kääntynyt päinvastaiseen suuntaan. Jos pelissä on tarkoitus paukutella pyssyllä toisia pelaajia kohti, niin tämä aiheuttaa ilmeisiä ongelmia pelaamisen suhteen.
Mielenkiintoista pohdintaa. Tarvitaanko uutta teoriaa, sen kaiketi tutkimus sitten aikanaan näyttää. Kvanttikenttäteoria ja arjen ymmärrys aistimastamme todellisuudesta tai ”todellisuudesta” tarvinnee yhdistäväksi tekijäksi myös filosofisia pohdintoja?
Onpa tuota paljon pohdittukin. Mielestäni fysiikan kannaltakin asiassa on vielä selvitettävää, ja sen selvittämiseen tarvitaan fysikaalisia pohdintoja, laskemista ja ehkä kokeita.