Alkuasetelma ei määrää lopputulosta

Vuonna 1902 saksalainen fysiikan jatko-opiskelija yritti saada akateemista työtä. Kun hänen yliopistoille lähettämänsä hakemukset tyrmättiin yksi toisensa jälkeen, hän pyrki yläasteen opettajaksi. Tässäkään ei tärpännyt, johtuen erityisesti hänen huonoista suosituksistaan. Opintomenestys kun ei ollut kärkiluokkaa, eikä kaveri oikein tullut toimeen professorienkaan kanssa.

Lopulta opiskelijan tuttava sai järjestettyä hänelle suojatyöpaikan sveitsiläisestä patenttitoimistosta. Patenttitoimistossa puuhastellessaan hän kirjoitti lukuisia fysiikkaa koskevia papereita. Paperit olivat hyvin keskinkertaisia, ja joissain oli jopa virheitä. Nuorukaista ajoi kuitenkin eteen päin palava rakkaus fysiikkaa kohtaan.

Vuonna 1905 saksalaisnuorukainen julkaisi viisi artikkelia.

Ensimmäinen paperi hyväksyttiin hänen väitöstyönään.

Toinen ansaitsi hänelle fysiikan Nobelin palkinnon.

Kolmas paperi mullisti käsityksemme maailmankaikkeuden rakenteesta. Se esitteli erityisen suhteellisuusteorian.

Alkuasetelma ei määrää lopputulosta.

PS. Katso täältä aiheeseen liittyvä inspiraatiovideo, jossa kerrotaan lisää samanlaisia tarinoita.

Missä lymyää fysiikan Kopernikus?

CERN:in lippulaiva, suuri hadronitörmäyttäjä LHC on rakennettu muun muassa siksi, että fyysikot pystyisivät sen avulla havaitsemaan Peter Higgsin mukaan nimetyn alkeishiukkasen, Higgsin bosonin. Fyysikot esittävät, että Higgsin bosoni voi toimia avaimena suureen yhtenäisteoriaan – fysiikan malliin, joka selittää kaikki tunnetut fysikaaliset ilmiöt.

On todennäköistä, että Higgsin bosoni löydetään pian.

Tilanne on kuitenkin tieteenfilosofisesti hämmentävä. Samalla nimittäin havaittaneen, ettei ennustettua läpimurtoa sittenkään tapahtunut.

Hiukkasfysiikka elää tällä hetkellä nähdäkseni vähän saman tapaista tieteellistä murrosvaihetta, kuin se, jonka Ptolemaioksen ajanlaskun alussa kehittämä maakeskinen astronominen malli kävi läpi 1500-luvun taitteessa. Selittääkseen taivaankappaleiden kiehkuraiset liikkeet, Ptolemaios oletti, että ne seuraavat niin sanottuja episyklejä. Kiertoratojensa sisällä planeetat kieppuivat siis vielä pienillä ympyränmuotoisilla pienoisradoilla. 1500-luvulle asti teoriasta poikkeavat havainnot selitettiin olettamalla lisää tällaisia pienoisratoja.

Ptolemaioksen ratkaisu ei kuitenkaan tyydyttänyt Nikolaus Kopernikusta. Kopernikus mullisti lopulta 1500-luvun puolessa välissä koko tähtitieteen kiinnittämällä auringon maailmankaikkeuden keskipisteeksi. Näin planeettojen kiertoradat muuttuivat kauniiksi sisäkkäisiksi ympyröiksi.

Viimeisen viiden vuosikymmenen ajan standardimallia on kehitetty samaan tapaan kuin Ptolemaioksen astronomiaa. Kun on havaittu uusi ja ennustamaton mittaustulos, on sen selittämiseksi esitetty uudenlaisia alkeishiukkaisia. Näiden uusien olioiden olemassaoloa on sitten testattu, kunnes testitulokset ovat vastanneet oletuksia.

Kun teoria on kokoelma olettamuksia, joita ei voi aistinvaraisesti varmentaa, on kuitenkin vain ajan kysymys, milloin sellainen koeasetelma saadaan aikaiseksi, joka vahvistaa sen. Rakentamalla riittävän monta erilaista hiukkaskiihdytintä, löytyy ennen pitkää varmasti sellainen apparaatti, jonka nojalla esimerkiksi Higgsin bosonin voidaan sanoa olevan todistetusti olemassa.

Toivottavasti kukaan new age -hörhö ei kuitenkaan tulkitse väittämääni niin, että standardimalli olisi jotenkin teoreettisesti väärä. Se on paras ja tarkin malli, jonka varassa pystymme selittämään maailmaa, jossa elämme. Mutta yksikään teoria ei ole virheetön. Nikolaus Kopernikus mullisti käsityksemme taivaankappaleista. Jossakin lymyää kenties jo nyt myös fysiikan Kopernikus.

Tiede on tarinankerrontaa

Meille on opetettu koulussa, että tiedemiehet tietävät, kuinka asiat ovat. Koulussa tentattiin joukko tosiasioita, ja väärin vastanneet hylättiin. Todellisuudessa tiede on joukko erilaisia olettamuksia, joita päivitetään jatkuvasti. Kuten professori Alison Gopnik totesi UC Berkeleyn kehityspsykologian peruskurssinsa aluksi, yli puolet siitä, mitä hän aikoo opettaa osoitetaan vääräksi seuraavan kymmenen vuoden aikana. Siitä huolimatta Gopnik opetti kurssinsa, niin kuin oli opettanut vuosia aiemminkin.

Tiede ei kerro absoluuttista totuutta.

Tiede kertoo joukon tarinoita, joiden avulla voimme ymmärtää maailmaa paremmin, ja toimia maailmassa paremmin. Kun kvanttifysiikan pioneeri Niels Bohr vertasi atomia aurinkokuntaan, hän ei suinkaan väittänyt, että atomi on pieni aurinkokunta. Sen sijaan hän pyrki välittämään ymmärrystä kymmeniä vuosia opintoja vaativasta, mutkikkaasta matemaattisesta teoriastaan.

Bohr ei olettanut edes, että hänen matemaattinen teoriansa kuvastaisi maailmaa sellaisenaan. Kvanttifysiikka ennustaa kyllä monia ilmiöitä tehokkaasti niin, että pystymme rakentamaan tietokoneita ja ydinvoimaloita – tai vaikkapa näkymättömyysviitan. Monet ilmiöt jäävät kuitenkin kvanttifysiikan selitysvoiman ulkopuolelle.

Pari vuotta sitten osallistuin upeaan havaintofilosofian konferenssiin Lausannessa, Sveitsissä. Viikon kestäneen kokouksen pääpuhujina olivat nyttemmin Cambridgen professorina toimiva Tim Crane sekä Teksasin yliopiston professori Michael Tye. Crane ja Tye kuuluvat nykyajan arvostetuimpiin havaintofilosofeihin. He ovat vanha taistelupari, jotka ovat eri mieltä lähes kaikesta havaintofilosofiaan liittyvästä. Siitä huolimatta superfilosofit eivät suinkaan teilanneet toistensa näkemyksiä väärinä, tai liputtaneet omiaan ainoana oikeana totuutena. Sen sijaan he aloittivat suurimman osan painavimmista argumenteistaan sanomalla: ”I can tell a story…” Samaten kiistatilanteessa filosofit pyysivät toisiaan kertomaan vakuuttavan tarinan argumenttinsa tueksi.

Tiede ja filosofia ovat menetelmiä, joiden avulla yritämme ymmärtää maailmaa, jossa elämme. Sekä tiedemiehet että filosofit ovat pohjimmiltaan tarinankertojia. Tarinan voimaa ei kuitenkaan tule aliarvioida: tiede ei ole mitä tahansa tarinaniskentää. Näillä tarinoilla ammutaan raketteja avaruuteen ja lämmitetään kokonaisia kaupunkeja. Se ei kuitenkaan vielä tarkoita sitä, että tarina olisi tosi.

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!”

Mikä on oikea vastaus?

Insinöörioppilailta kysyttiin kokeessa, miten pilvenpiirtäjän korkeus määritellään barometrin avulla.* Eräs nokkelikko vastasi seuraavaa: sidotaan barometriin naru ja lasketaan barometri pilvenpiirtäjän katolta alas. Korkeus selviää ynnäämällä narun ja barometrin pituus. Oppilaan koevastaus hylättiin.

Oppilas valitti päätöksestä: vastaushan oli kiistatta oikein. Koska vastaus ei kuitenkaan osoittanut fysiikan periaatteiden tuntemusta, päätti lautakunta antaa oppilaalle kuusi minuuttia aikaa esittää vastaus, jolla osoittaa fysiikan tuntemusta.

Istunnossa insinöörioppilas istui hiljaa otsa kurtussa viisi minuuttia. Kun häntä muistutettiin ajan kulusta, hän totesi: ”Minun pitäisi päättää useista vaihtoehdoista sopivin.” Lopulta hän sanoi:

”Barometrin voisi viedä pilvenpiirtäjän katolle ja pudottaa alas. Mittaamalla putoamiseen käytetty aika voidaan rakennuksen korkeus selvittää kaavalla H = 0.5g * t^2. Ikävää barometrin kannalta, tosin.”

”Jos aurinko paistaa, voidaan mitata barometrin varjon pituus ja pilvenpiirtäjän varjon pituus. Mittaamalla vielä barometrin pituus voidaan pilvenpiirtäjän pituus laskea aritmeettisesti.”

”Erittäin tieteellinen vastaus löytyisi sitomalla barometriin pieni narunpätkä ja heiluttamalla sitä ensin maan tasalla ja sitten pilvenpiirtäjän katolla. Pilvenpiirtäjän korkeus selviää kaavalla T = 2 pii neliöjuuri(l/g).”

”Helpointa olisi tietysti mennä pilvenpiirtäjän kellariin, koputtaa talonmiehen ovea ja sanoa: ’Haluatko hienon barometrin? Saat sen, jos kerrot rakennuksen korkeuden.'”

* ”Oikea” vastaus on mitata ilmanpaine maan tasalla ja pilvenpiirtäjän katolla ja laskea rakennuksen korkeus paine-eron perusteella.