Ulos umpikujista
Kirjoitin Helsingin opettajien ammattiyhdistyksen HOAY lehteen Rihveli 2/2021 artikkelin Ulos umpikujista kvanttifysiikan kehityksestä ja epämääräisestä todellisuudesta. (Artikkeli on vapaasti luettavissa linkin takana.) Kerron muun muassa näin:
Pitkään monet pitivät kvanttimekaniikan taustalla olevan todellisuuden pohtimista tuhoon tuomittuna touhuna. Kuten fyysikoiden fyysikko Richard Feynman totesi vuonna 1964: ”Älä kysy itseltäsi, jos vain voit välttää sitä, ”Miten voi olla näin?”, koska menet hukkaan ja joudut umpikujaan, josta kukaan ei ole paennut. Kukaan ei tiedä miten voi olla näin.”
Onneksi kaikki eivät uskoneet varoituksia, ja kvanttimekaniikan ymmärtämisessä on 1980-luvulta lähtien edistytty paljon.
”…emme tiedä miksi arki näyttää yksinkertaiselta.”
Tämä on hyvä kysymys. Arvelisin että vastaus löytyy enemmän aivojemme rakenteesta kuin fysiikasta. Aivomme ovat kehittyneet pitämään kantajansa hengissä luonnossa. Yksi niiden ominaisuuksista on että ne yksinkertaistavat aistihavaintoja aika paljon ennen kuin ne päätyvät tietoisuuteen. Tämä tapahtuu, koska tietoisuus on sarjamuotoinen prosessi, joka ylikuormittuisi jos tietoa tulisi enemmän. Yksinkertaistusprosessi on alitajuinen, joten emme pysty katsomaan tai muokkaamaan sitä kovin helposti.
Totta, mutta tässä viittaan yksinkertaisuudella siihen, että maailma näyttää määrätyltä eikä kvanttimekaanisen epämääräiseltä.
Eikö tuo selity sillä että arki ilmöt vuorovaikuttavat jatkuvasti. Jos satunnaisilmiötä mittaa jatkuvasti, se näyttäytyy odotusarvona? Niin tai näin, kvanttifysiikan vanha retoriikka on tuhoisaa: Jos vanha guru on käytännössä sanonut, että jos luulet ymmärtäväsi tätä, olet idiootti, niin uusi sukupolvi ei uskalla olla vastaan, vaikka ymmärtäisikin. Samasta syystä opettaja ei saa sanoa koetta vaikeaksi.
Jatkuva vuorovaikutus on keskeinen osa dekoherenssina tunnettua ilmiötä. Kuten artikkelissa kirjoitan, se selittää vain osan ongelmasta.
Hieman aiheesta myös täällä: http://www.tiede.fi/artikkeli/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/maarattyina_yhteen
Dekoherenssi ei selitä, miten tila romahtaa, eikä sitä, miksi vain klassiset tilat ovat niitä joita havaitaan, ei niiden sekoitusta, eli mikä on klassisilta näyttävien tilojen erikoispiirre, joka valikoi ne.
”Arvelisin että vastaus löytyy enemmän aivojemme rakenteesta kuin fysiikasta”
Ja aivojemme rakenneko ei olisi selitettävissä fysiikalla? Toki se ei (vielä) onnistu. Niinkuin ei ”onnistu” yleensäkään ”selittää” fysiikan kvanttimekaniikan epämääräisyyttä (koulukuntia toki on).
Evoluution luomat aivot ovat triviaali selitys käyttäytymisellemme. Emme tarvitse elossa pysyäksemme tietoa aivojen kvanttimekaniikasta (vaikka se siellä alla häärääkin).
Se miltä maailma näyttää riippuu myös siitä, mitkä hiukkaset tuon kuvan välittävät. Jos silmä käyttäisi havainnoimiseen elektroneja eikä fotoneja, niin maailma näyttäisi hyvin erilaiselta ja yksityiskohtaisemmalta. Fotonin aaallonpituus saa aikaan sen, että epämääräisyys aistimuksesta häviää.
Kvanttimekaanisen epämääräisyyden puute arjessa ei selity sillä, että havaitsemme fotonien avulla.
Onko epämääräisyyttä yritetty liittää systeemin massaan? Tuli vaan taas nojatuolissa mieleen, että jos kaksoisrakokokeissa interferenssi vaimenee sitä mukaan kun hiukkasen/molekyylin massa kasvaa, niin eikös se ole selvä merkki siitä, että mitä suurempi massa niin sitä vähemmän hiukkanen voi epälokalisoitua. Ja voisi myös olettaa, että kasvava sidosenergia ilmentää tätä asiaa: kun protoni ja elektroni lähestyvät toisiaan, niin systeemi muuttuu vähemmän ja vähemmän epämääräiseksi. Suurissa systeemeissä on paljon vuorovaikutusta ja sen mukanaan tuomaa sidosenergiaa eli käytännössä massaa.
Kyllä, tällaisia mahdollisuuksia muokata kvanttimekaniikkaa on tutkittu ja tutkitaan vieläkin. Olen kirjoittanut niistä hieman täällä:
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/koopenhaminan-takana/
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kahden-ikkunan-nakoala/
Tuli mieleen sellanen kysymys, että jos de Broglie nappas Nobelin palkinnon yhdistämällä Planckin kvanttiteorian ja Einsteinin suppea suhteellisuusteorian, niin mikä voisi olla vastaava lisäoletus kvanttigravitaation perustaksi? De Broglie siis suttas yhteen E=hf, E~mv^2 ja v=kf, josta seuras kuuluisa kvanttiaallonpituus k=h/(mv). Näin nojatuolifyysikkona voisi olettaa, että jos kvanttigravitaatio on olemassa, niin jokin heuristinen perusyhtälö voidaan muodostaa jo olemassa olevien teorioiden avulla.
de Broglie ei varsinaisesti yhdistänyt kvanttifysiikkaa ja suppeaa suhteellisuusteoriaa, vaan käytti joitakin elementtejä kummastakin. Kvanttifysiikka ja suppea suhteellisuusteoria yhdistettiin vasta vuonna 1948 Tomonagan, Schwingein ja Feynmanin toimesta.
Erilaisia enemmän ja vähemmän heuristisia yhtälöitä kvanttigravitaatiolle on esitetty. Tunnetuin ja yksinkertaisin lienee Planckin skaala: https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kaymattomista-korpimaista-vihoviimeinen/
Planckin skaalahan ei ole invariantti fysikaalisesti. Esimerkiksi se mikä eräälle paikallisuudelle on Planckin pituus on toisessa liiketilassa olevalle eri mittainen. Pitäisi määrittää (Planckin) intervalli, jossa avaruusajan määrä saataisiin kvantitettua. Jaa, mutta meillähän on vakioitu kausaliteetin rajavauhti c – voisiko sillä olla jokin vaikka pariteettinen alirakenne?
Planckin skaalat ovat vain yhdistelmiä luonnonvakioita valonnopeus, Newtonin gravitaatiovakio ja Planckin vakio. On Planckin pituus, aika, energia, pinta-ala jne.. Erilaisissa kvanttigravitaatioteorioissa tai niiden hahmotelmissa ne esiintyvät eri yhteyksissä, tyypillisesti siten, että kvanttigravitaatioille ominaiset ilmiöt ovat merkittäviä kun jokin fysikaalinen suure on Planckin mittakaavaa. (Kvanttigravitaatioilmiöt voivat periaatteessa olla merkittäviä muulloinkin.)
Näissä teorioissa Planckin skaalalla on havaitsijasta riippumaton merkitys, samaan tapaan kuin hiukkastörmäyksissä on erilaisia suureita, jotka mittaavata törmäyksen energiaa, ja joilla on havaitsijasta riippumaton merkitys.
On kyllä myös rakennettu teorioita, joissa esimerkiksi Planckin pituus todella on sinällään sama kaikille havaitsijoille, kuten valon nopeus.
Kaksoisrakokoe on tehty jopa C60-fullereenilla. Eikö delokalisaatio tarkoita, että molekyylin on hajottava, jos se ei mene kokonaan yhden raon kautta ja sitten raon jälkeen palaset taas liittyvät yhteen? Minä en usko tähän vaan fullereenimolkyyli kulkee jommasta kummasta raosta, mutta saa ympäröivän vakuumin interferoimaan.
Isoin kappale, jolla kaksoisrakokoe on tehty, on molekyyli, jossa on 2000 atomia.
En tiedä mitä tarkoitat delokalisaatiolla. Kvanttimekaniikan mukaan maailma ei toimi kuvaamallasi tavalla.
Tämä riittäköön tästä. Muistettakoon, että blogin kommenttiosio ei ole paikka omien fysiikan ideoiden esittelemiseen.
avaako kvanttifysiikan energialait yhtään sitä sattumanvaraisuutta mistä nyt kirjotat?
En tiedä mitä tarkoitat ”kvanttifysiikan energialaeilla”, mutta tämä sattumanvaraisuus on kvanttimekaniikan lakien ytimessä.
Mikä on pienin mittakaava, jossa gravitaatio on kokeellisesti todennettu? Haen lähinnä sitä, että onko mahdollista, että gravitaatio on ”makrotason” voima, eikä se vaikuttaisi mittaluokassa, jossa kvanttifysiikan lait on huomioitava. Ja onko olemassa kokeellista mittausta, jossa samanaikaisesti on huomioitava sekä gravitaation että kvanttifysiikan ilmiöt?
Noin mikrometri.
Gravitaatio on aika-avaruuden geometrian ilmentymä, eli sitä on tiettävästi olemassa niin pitkälle kuin aika-avaruutta.
On mahdollista, että aika-avaruus on vain approksimaatio, ja hyvin pienillä etäisyyksillä on olemassa jonkin muunlainen rakenne (tällaisia ideoita on tutkittu paljon). Jos näin, näiden etäisyyksien täytyy olla hiukkaskiihdyttimissa luodattuja etäisyyksiä, noin 10^(-20) metriä, pienempiä.
Ainoa fysiikan alue, missä on yhdistetty kvanttifysiikkaa ja gravitaatiota siten, että on tehty ennusteita, joita havainnot ovat varmentaneet, on kosminen inflaatio. Siinä on kyse paljon lyhyemmistä etäisyyksistä, mutta ei ole varmaa onko inflaatio totta, vaikka se onkin onnistuneesti selittänyt ja ennustanut havaintoja.
Inflaatiosta, ks:
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/muistinmenetykset-ennustusten-takana/
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/potkut-ylospain/
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kuin-putoava-kivi/
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/eilispaivan-rohkeutta/
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/jokin-sanoo-poks/
http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/taivaallinen_ilmoitus
https://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/littean_maailman_selitys
http://www.tiede.fi/artikkeli/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/kosmoksen_ja_laboratorion_avioliitto
https://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/syntymiskipuja