Vastavuoroinen suhde
Fysiikkaa usein kehutaan sanomalla, että se on empiirinen tiede. Olen itsekin kurssillani Fysiikkaa runoilijoille nostanut empiirisyyden yhdeksi kolmesta fysiikkaa määrittelevästä piirteestä, teorioiden ja matemaattisen mallintamisen rinnalle.
Joskus empiirisyydellä tarkoitetaan vain sitä, että teorian ennustuksia verrataan havaintoihin. Empiirisyydessä on kuitenkin kyse monimutkaisemmasta ja vastavuoroisemmasta suhteesta teorian ja havaintojen välillä. Havaintoja ei käytetä vain teorioiden testaamiseen, vaan myös niiden rakentamiseen. Ja aivan kuten vain havainnot voivat varmentaa, mitkä teoriat pitävät paikkansa, ainoastaan teoriat voivat vahvistaa, mitkä havainnot ovat oleellisia.
Kosmisen inflaation löytäminen 1980-luvulla havainnollistaa asiaa. Keskeinen inflaatioideaan johtanut havainto on se, että maailmankaikkeus näyttää samanlaiselta joka puolella. Ennen inflaation löytämistä tämä ei ollut sen enempää ristiriidassa minkään tunnetun teorian kanssa kuin yhdenkään niistä ennustus. Jos empiirisyyden käsittäisi vain ennustusten testaamisena, tällä havainnolla ei siis olisi mitään merkitystä.
Tutkijat kuitenkin päättivät nostaa havainnon seikaksi, joka kaipaa selitystä. Ratkaisuksi esitettiin se, että hiukkasfysiikan suuren yhtenäisteorian olomuodon muutokseen liittyvä tyhjön energia johtaa avaruuden laajenemisen kiihtymiseen varhaisina aikoina eli kosmiseen inflaatioon. Tämä kiihtyvä laajeneminen tasoittaa avaruuden.
Pian hahmotettiin, että inflaation aikana kvanttivärähtelyistä syntyy epätasaisuuksia aineen jakaumassa, ja nämä toimivat kaiken myöhemmän rakenteen siemeninä. Tämä teoreettinen oivallus ohjasi laskemaan täsmällisesti, millaisia siemeniä inflaatio synnyttää, sekä tekemään havaintoja kosmisesta mikroaaltotaustasta ja galaksien jakaumasta, joihin näitä ennusteita voi verrata.
Ongelmaa siitä, että maailmankaikkeus näyttää suuressa mittakaavassa samalta kaikkialla oli ensin yritetty tuloksetta ratkaista vain yleisen suhteellisuusteorian keinoin. Jotkut suhteellisuusteoreetikot vastustivatkin inflaatiota, koska he pitivät sen hiukkasfysiikan puolelta tulevia ideoita yleiselle suhteellisuusteorialle vieraina. Ehkä tunnetuin hiukkasfysiikan huonosta vaikutuksesta valittava suhteellisuusteorian taitaja on Nobelilla vuonna 2020 palkittu Roger Penrose, joka piti erityisesti olomuodon muutosta ongelmana.
Pian itse asiassa osoittautuikin, että teoria, jossa olomuodon muutokseen liittyvä tyhjön energia ajaa inflaatiota on ristiriidassa havaintojen kanssa. Ajatukselle suuresta yhtenäisteoriasta ei ole löytynyt havainnoista tukea, ja se on sittemmin mennyt pois muodista.
Oleellista oli kuitenkin se, että päädyttiin soveltamaan hiukkasfysiikan käsitteitä ja työkaluja kosmologiaan ja hylättiin puhtaan suhteellisuusteoreettinen lähestymistapa. Pian kehitettiinkin inflaatiolle lukuisia malleja, jotka sopivat havaintoihin ja ovat ennustaneet niitä erinomaisesti.
Tämä on esimerkki siitä, miten teoria voi olla hedelmällinen, vaikka se on väärin. Jos empiirisyyden ymmärtäisi naiivisti vain teorioiden testaamisena havaintojen kautta, virheellisillä teorioilla ei olisi empiiristä arvoa. Tutkimuksessa havaintoja kuitenkin käytetään myös teoreettisen ajattelun perusteiden uudelleen arvioimiseen.
Teknologian kehityksessä näkyy samanlainen vuorovaikutus. Uuden teknologian mahdollistamat havainnot johtavat uudenlaisiin teoreettisiin ideoihin, jotka osoittavat millaisia kokeita kannattaisi tehdä. Tätä varten puolestaan kehitetään teknologiaa, jota ei muuten olisi tultu ajatelleeksi.
Koska ymmärryksemme rakentuu aiemman ja osittain virheellisen tiedon pohjalle, empiirisyyden ytimessä oleva käsitysten pohtiminen havaintojen kautta on tärkeä tapa arvioida uudelleen ajattelun perusteita. Samasta syystä empiirisyyden osuutta tieteessä ei voi pelkistää yhdeksi metodiksi, jonka seuraaminen varmasti johtaisi edistykseen.
Esimerkki suuresta hedelmällisestä teoriasta, jonka oma maaperä kuihtui. Voitko selventää mitkä havainnot viittaa siihen, ettei olomuodon muutosta tapahtunut ennen inflaatioita? Tarkoittaisi, että inflaatiokenttä olisi primääri energian olomuoto.
Kyse ei ole ihan tuosta, asia jäikin tekstissä epäselväksi. Koetan avata.
Suuri yhtenäisteoria yhdistää sähköheikon ja vahvan vuorovaikutuksen yhdeksi vuorovaikutukseksi korkeilla energioilla. Koska ne kuitenkin käyttäytyvät eri tavalla niillä energioilla, joilla olemme niitä mitanneet, niiden yhteys pitää rikkoa. Tämä tehdään siten, että on olemassa joukko higgsinkaltaisia kenttiä, jotka vuorovaikuttavat eri tavalla suurta yhtenäisvuorovaikutusta välittävien eri hiukkasten kanssa.
Korkeilla energioilla nämä higgsinkaltaiset kentät eivät anna hiukkasille massoja, mutta kun energia laskee tietyn rajan alle, niiden olomuoto muuttuu, ja ne tekevät osasta välittäjähiukkasia raskaita.
Ensimmäisissä hiukkasfysiikan inflaatiomalleissa ajatuksena oli, että olomuodon muutokseen liittyvä energiatiheys ajaisi inflaatiota. Jos näin olisi, niin inflaatio päättyisi siten, että kenttä tunneloituu tilasta, missä sen energiatiheys on iso tilaan, missä sen energiatiheys on pieni. Tunneloituminen kuitenkin voi tapahtua eri aikaan eri paikoissa, joten syntyisi eri olomuotojen kuplia, vähän kuten veden kiehuessa. Näistä kuplista jäisi vahva jälki nykymaailmankaikkeuteen, jollaista ei nähdä.
Niinpä todettiin, että pitää olla joku muu mekanismi inflaatiolle, ja keksittiin, että tyhjön energiaa ja tunneloitumista ei tarvita, ja siirtymä isosta energiatiheydesta pieneen voi olla hidas ja jatkuva.
Tunneloitumisesta:
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/lapi-harmaan-kiven/
Suuresta yhtenäisteoriasta:
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/parempi-vaarassa-kuin-sekaisin/
Kiitos vastauksesta.
Pitäisikö yhtenäisteorian vaatima higgsin kaltainen kenttä olla vielä olemassa jossain muodossa? Ilmeisesti kevyempi higgsin serkku on melko poissuljettu.
Kyllä. Samalla tavalla kuin Standardimallin Higgsin kenttä täyttää avaruuden ja antaa W- ja Z-bosoneille (ja muille hiukkasille) massat, yhtenäisteorian higgsinkaltainen kenttä täyttäisi avaruuden ja antaisi osalle sen välittäjähiukkasista massat.
Jokunen vuosi sitten havainnot vielä sallivat sen, että olisi olemassa Higgsin hiukkanen, joka on tuntemaamme kevyempi. En tiedä, onko mahdollisuus jo suljettu pois.
”Koska ymmärryksemme rakentuu aiemman ja osittain virheellisen tiedon pohjalle, empiirisyyden ytimessä oleva käsitysten pohtiminen havaintojen kautta on tärkeä tapa arvioida uudelleen ajattelun perusteita.”
Millaista noituutta ovatkaan olleet Aristoteleen antiikkisen fysiikan kannattajille Galileon inertialaki, eli että kappale voi liikkua ilman jatkuvaa ulkoista voimaa, tai Newtonin painovoimalaki, jossa voima välittyy ilman kosketusta. Sittemmin epätarkkuusperiaate löi lopullisesti jauhot suuhun Aristoteleen perikunnalle. Olisi kovin mieluisaa tietää, että minkä kaiken suhteen me nyt 2000-luvulla elämme ’antiikin aikaa’. Ehkäpä aika-avaruuden neliulotteinen ja jatkuva rakenne tulee jonakin päivänä menemään lopullisesti säpäleiksi.
”Ehkäpä aika-avaruuden neliulotteinen ja jatkuva rakenne tulee jonakin päivänä menemään lopullisesti säpäleiksi.”
Siinä missä toiset näkevät paradigmojen muuttuvan, näkevät toiset vain nousevan vuoroveden, joka kuljettaa saastan pois.
Itse olen sitä mieltä, että empirian kaltaiseksi kriteeriksi tulisi nostaa myös se, miten epäparadoksaalisesti ihmismieli ilmiömaailman selityksen kokee. Ihmiseltä ihmiselle ja tiedettä elämää varten on edelleen hyvä ohjenuora.