Atomia ei ole olemassa

Ennen siirtymistäni tietoteorian ja mielenfilosofian pariin tutkin runsaan vuoden verran metafysiikkaa ja fysiikan filosofiaa. Fysiikan filosofian parissa tein järkyttävän löydön. Koulussa meille opetettiin, että maailma koostuu atomeista. Kuinka ollakaan, itse atomin planeettamallin kehittäjä, Niels Bohr, väitti kuitenkin, ettei tämä pidä paikkaansa. Itse asiassa atomia ei ole oikeastaan edes olemassa.

Vaikka ajatus olevaisen jakamattomasta perusyksiköstä, atomista, juontaakin juurensa antiikin filosofi Demokritokseen, on se nykyisessä merkityksessään hämmästyttävän tuore käsite. Nykyisen atomiteorian siemenet kylvettiin 1800-luvun alussa, ja sen ensimmäinen varsinainen läpimurto syntyi 1897 kun J.J. Thomson löysi elektronin. Runsas vuosikymmen myöhemmin Ernest Rutherford löysi puolestaan atomiytimen.

Vuonna 1927 muotoiltiin kuuluisa kvanttimekaniikan Kööpenhaminan tulkinta, jonka arkkitehteina toimivat muun muassa Niels Bohr ja Werner Heisenberg. Kööpenhaminan kokouksissa päätettiin muun muassa käyttää Bohrin ”planeettamallia” atomin kuvaamiseen tuolloin myös suositun Thomsonin ”rusinapullamallin” sijaan. Eikä mennyt aikaakaan, kun atomin voima valjastettiin jo sekä hyvässä että pahassa.

Mutta mistä tässä kaikessa on oikeasti kysymys?

Thomson löysi elektronin tutkiessaan katodiputkia – siis niitä samoja, joihin kuvaputkitelevisio perustuu. Hän havaitsi katodiputkissa säteilyilmiöitä, joita olemassa olevat fysiikan teoriat eivät kyenneet selittämään. Thomson esitti olettaman siitä, että negatiivisesti varautuneet alkeishiukkaset, elektronit, selittäisivät ilmiön. Ja pian olettamuksen tueksi tarjotut yhtälöt saivat vahvistuksen.

Rutherford puolestaan testasi niin sanottua alfasäteilyä mittaamalla radioaktiivisen säteilyn kulkeutumista kultakalvon lävitse. Hän huomasi, että säteilyä ei tullutkaan läpi niin paljon, kuin elektroniteoria antoi ymmärtää, ja että osa säteilystä kimposi takaisin kultalevystä. Rutherford esitti, että elektronipilven keskellä on oltava positiivisesti varautunut ydin, josta alfasäteet kimpoavat. Ja pian tämänkin hypoteesin tueksi tarjotut yhtälöt saivat kokeellisen vahvistuksen.

Kukaan ei ollut kuitenkaan nähnyt ainuttakaan elektronia, alfasädettä tai atomiydintä. Koko tänä aikana oli havaittu ainoastaan hohdetta katodisädeputkessa ja täpliä valokuvauslevyllä. Kukaan ei ollut suinkaan keksinyt esimerkiksi mikroskooppia, jolla voisimme tarkastella atomeita nätissä rivissä. Itse asiassa sellaisen keksiminen on teoreettisestikin mahdotonta.

Juju on siinä, että olettamalla elektronin Thomson pystyi ennustamaan juuri tietynlaisen hohteen katodisädeputkessa. Ja samaten olettamalla atomiytimen, Rutherford pystyi ennustamaan tietyn määrän täpliä valokuvauslevyllä.

Atomiteoria perustuukin viime kädessä vahvoihin olettamuksiin. Se perustuu erittäin nokkelien ihmisten erittäin hyvin perusteltuihin arvauksiin. Yhtä hyvin kultalevyn kätköissä voisi kuitenkin asustaa pikkiriikkisiä vihreitä tonttuja, jotka pelaavat alfasäteillä tennistä. Mikään havaintokokemus ei sulje pois tällaista vaihtoehtoa.

Atomiteoria on kyllä toistaiseksi paras olemassa oleva maailman koostumuksen selittäjä, ja sen nojalla voidaan tehdä upeita juttuja ydinvoimaloista tietokoneisiin. Siksi se selättää suurimman osan sen korvikkeeksi tarjotusta huuhaasta mennen tullen. Atomiteorian suurin anti onkin sen huikean ennustusvoimainen matemaattinen sisältö.

Itse atomia on kuitenkaan tuskin olemassa. Samat ilmiöt voi selittää käytännössä lukemattomilla muillakin tavoilla. Tästä syystä usein sanotaankin, että Kööpenhaminan tulkinnan maailmaselitys kuuluu: ”Suu suppuun, ja jatka laskemista!”

7 thoughts on “Atomia ei ole olemassa

  1. Hyvä artikkeli! Maailma ei välttämättä ole sellainen, kun meille sanotaan tai me itse olemme päätelleet. Teoriatkin ovat vain teorioita ja mallit ovat vain malleja.

    Totuus sen sijaan on tuolla jossain. Ehkä. En tiedä 😉

  2. Lauri,

    Kiitos kommentista! On itse asiassa hyvin todennäköistä, että iso osa perususkomuksistamme on vääriä ja hatarasti perusteltuja. Siitä huolimatta ne ovat pääsääntöisesti myös *toimivia* – atomiteoriakin toimii loistavasti monissa elämän haasteissa, vaikka se korvattaneenkin lähivuosina jollakin yksityiskohtaisemmalla (esimerkiksi säieteorialla tai kvanttikenttäteorialla, joissa atomin kaltainen otus nähdään hyvin erilaisessa valossa).

    Ja totuus on toki jossain – mutta sekin voidaan aina nähdä usealla eri tavalla.

  3. Asd,

    Kiitos mielenkiintoisesta linkistä! Kyllähän atomitason rakenteita on ”nähty” jo yli kaksikymmentä vuotta. Esimerkiksi kvanttitunnelointiin perustuvilla STM-mikroskoopeilla on kuvannettu atomeita jo 90-luvulla: IBM:n insinöörit kirjoittivat firmansa nimen yksittäisillä atomeilla jo vuonna 1990.

    Sinänsä TEM, STM ja muut huipputarkat apparaatit eivät kuitenkaan muuta tekstin tieteenfilosofista pointtia: kaikki mikrotasolla tapahtuvat havainnot ovat aina teoriakuormittuneita. Sekä TEM että STM hyödyntävät kvanttimekaniikan teoreettisia olettamia. Kummassakin tapauksessa siis esimerkiksi tietynlainen atomirakenne otetaan annettuna; ensimmäisessä tapauksessa kyseessä ovat muun muassa oletukset elektronien luonteesta, jälkimmäisessä kvanttitason ilmiöstä nimeltä tunnelointi. Ja näissä on kyse nimenomaan matemaattisesti ennustusvoimaisista teorioista, ei maailmanselittämisestä.

  4. Nyt menee herra filosofilla tieteenfilosofiset pohdinnat päin petäjää!

    Atomit nyt vain ovat olemassa. Esimerkiksi vetyatomi on tasapainotila protonin ja elektronin välillä: coulombinen potentiaali vetää hiukkasia toisiaan kohti ja ”heiserbergin paine” (kvanttimekaniikan mallin ennustama todellinen ilmiö) taas työntävät hiukkasia erilleen, kun ne tulevat tarpeeksi lähelle. Protoneilla ja neutroneilla on myös oma sisäinen rakenteensa (kvarkit) ja niitä käsittelee Standardimalli.

    Kööpenhaminassa ei todellakaan päätetty mitään ”rusinapullamallista”, sillä se malli oli täysin epävakaa ja spekulatiivinen. Planeettamalli taas oli hyvä esiaste, mikä johti lopulta oikeaa tulokseen.

    Tavallinen kvanttimekaniikka ei oleta mitään kvanttihiukkasen luonteesta, joten arkikäsitykset lentävistä tykinkuulista saa unohtaa välittömästi. Elektronit voivat jopa samanaikaisesti hävitä ja ilmestyä toisaalla erittäin lyhyillä etäisyyksillä. Atomeissa on positiivinen ydin (protonit ja neutronit) sekä joukko elektroneita ”joissain ympärillä”. Paulin kieltosääntö taas estää identtisiä ainehiukkasia olemasta samassa kvanttitilassa, jolloin atomit, ja aine yleensä, eivät voi lentää toistensa läpi.

    Säieteoria on monen huippufyysikon mukaan harha-askel. Todellisuus voi sen sijaan kvantittunut energian lisäksi myös avaruuden sekä ajan suhteen (plankin aika ja plankin etäisyydet).

    Jos haluaa pohtia syvällisiä, niin kannattaa alkaa miettimään, että miten alkeishiukkaset liikkuvat paikasta toiseen, sillä nykymalleissa asiaa ilmaistaan vain todennäköosyysfunktion aikakehityksenä…

    • Hyvä JuhoL,

      Tarkoituksenihan ei ole suinkaan kritisoida *atomiteoriaa*, joka on mielestäni yksi upeimpia tieteellisiä teorioita, joita on ikinä kehitetty, vaan siitä johdettuja metafyysisiä hypoteeseja. Kysymys siitä, onko olemassa joidenkin sellaisten olioiden luokka, jotka selittävät atomiteorian ennustusvoiman on mielestäni yksiselitteinen, ja vastaus on ”kyllä”. Mutta minkälaisia tähän luokkaan kuuluvat oliot ovat? Tästä meillä on edelleenkiin vain parhaassakin tapauksessa hypoteettista näyttöä.

      Siksi toisekseen, koska tunnut tuntevan kenttää, osaisitko kertoa, minkälaisia käytännön sovelluksia on standardimallilla? Olen yrittänyt jo pitkään löytää jotain sellaisia arkielämän ratkaisuja, jotka edellyttävät standardimallia, mutta toistaiseksi olen vetänyt vesiperän – suurin osa hiukkasfysiikkaa edellyttävästä teknologiasta kun näyttää pärjäävän ihan alkuperäisillä Schrödingerin, Heisenbergin ja muiden yhtälöillä. Minua nimittäin kiusaa hieman se, että standardimallin historiallinen kehitys näyttää hieman samanlaiselta kuin Ptolemaioksen astronomian aikanaan: uuden anomalian ilmetessä se selitetään pois olettamalla uusia alkeishiukkasia, ihan samalla tavoin kuin Ptolemaioksen selittäjät lisäilivät malliin uusia episyklejä sitä mukaa, kun uusia mittaustuloksia saatiin aikaiseksi. Ehkä jossain lymyileekin fysiikan Kopernikus? 🙂

      Tiede ei kerro nähdäkseni lopullisia totuuksia, vaan erittäin hyvin perusteltuja valistuneita arvauksia. Näitä arvauksia voidaan sitten parantaa joko tarkentamalla vallitsevaa mallia huomioimalla tunnetut anomaliat – tai sitten vaihtamalla mallia ihan kokonaan.

  5. Minun mielestäni koska me emme voi olla vaikuttamatta tietoisuuteemme ja tähän elämäksi kutsutttuun ilmiöön niin suurinta luottamusta enemmistössä herättävä teoria ja uskomus toimii jos sen takana on suurin enemmistö ”ajattelevista” tietoisuuksista eli ihmisolennoista ja uusi teoria vaatii tietoisuusmuutoksen alkaakseen toimia uutena uskomuksena ja pohjana uudelle maailman-ja tieteenkatsomukselle.

    Riittääkö vain sokea luottamus tai usko opetettuun maailmankuvaan pitämään sen pystyssä jonkin aikaa ja tarvitseeko uusi mullistava tulevaisuudenkuva, suuren enemmistön ajatuksellisen tuen tullakseen uudeksi uskomukseksi jonka perusteella saadaan uudet sovellutukset toimimaan?

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Google+ photo

Olet kommentoimassa Google+ -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s