Monimutkaista mutta ei mahdotonta – Miten maallikko saa kiinni maailmankaikkeuden hännänpäästä?

Ilman kvanttimekaniikkaa et lukisi tätä juttua, sillä sinulla ei olisi kännykkää eikä tietokonetta. Fysiikalla ei kuitenkaan vain tehdä rahaa, vaan etsitään vastauksia elämän mysteereihin.

teoreettinen fysiikka
Tietokonemosaiikkina toteutettu sinikeltainen jin ja jang -symboli.
Taolaisessa jin ja jang -symbolissa kaksi perusvoimaa ruokkii toisiaan. Maailman merkittävimpiin fyysikkoihin kuuluneen tanskalaisen Niels Bohrin mielestä symboli oli oivallinen myös fysiikassa vaikuttavien voimien kuvaamiseen.MAMJODH / CC BY 2.0

Brittiläisen fyysikon Stephen Hawkingin 30 vuotta sitten ilmestynyt esikoiskirja Ajan lyhyt historia on noussut Suomessa uudelleen viiden myydyimmän tietokirjan joukkoon hänen kuolemansa jälkeen.

Ajan lyhyestä historiasta vitsaillaan, että se on eniten myyty vähiten luettu kirja. Se on kuitenkin päätynyt miljoonien ihmisten ostoskassiin eri puolilla maailmaa. Ostajilla on ollut halu ainakin yrittää hahmottaa maailmankaikkeutta.

Mutta miten tavallinen ihminen voi päästä kiinni fysiikan suuriin kysymyksiin, joissa jo kieli uhkaa karata maallikon käsittämättömiin? Kuka Hawkingin kuoltua puhuisi fysiikkaa niin, että maallikkokin voi saada hännänpäästä kiinni?

Monelle meistä fysiikka-sana tuonee mieleen lähinnä kouluaineen, jonka läpi usein räpisteltiin mitenkuten, erityisesti innostumatta. Myös Helsingin yliopiston humanistisen tiedekunnan varadekaani, filosofi Paavo Pylkkänen sanoo pelänneensä pärjäämistään lukion fysiikassa niin paljon, että satsasi siihen tosissaan.

Hyvinhän fysiikka häneltä sitten sujuikin, mutta ei herättänyt intohimoja, Pylkkänen tunnustaa. Fysiikan kiinnostavuuden hän havaitsi vasta innostuttuaan filosofiasta.

– Joskushan ajatellaan, että ihmiset eivät tee mitään, ellei se ole hauskaa tai hyödyllistä. Minusta nämä ovat itsessään kiinnostavia asioita. Kyllä se kiinnostus varmaan uteliaisuudesta lähtee.

Paavo Pylkkänen
Paavo PylkkänenLinda Tammisto

Monimutkaista mutta kiehtovaa

Pylkkänen korostaa hyvien opettajien ja hyvien kirjojen merkitystä. Koulutusjärjestelmältä hän toivoo, ettei se perustuisi liikaa pelkkään työpaikan tavoitteluun, vaan antaisi tilaa uteliaisuuden syttymiselle.

Parhaassa tapauksessa nuorena luettu hyvä kirja käynnistää elinikäisen prosessin, kun lukiessa tajuaa, että asiat ovat monimutkaisia mutta samalla kiehtovia.

– Ihmisellä on lyhyt elämä, mutta ehkä sen aikana pystyy selvittämään jotakin tästä olemassaolosta, Pylkkänen sanoo.

Tämä jutun lopussa on hänen kirjasuosituksiaan. Monet ovat filosofien ammattikirjallisuutta, mutta eivät mahdottomia ymmärtää, hän lupaa. Kirjoittajat ovat fyysikkoja, mutta yleisönä ovat filosofit.

– Ellei näistä asioista kirjoiteta selkeästi, niin eivät niitä filosofitkaan ymmärrä, vaikka haluaisivatkin, Pylkkänen myöntää.

Newtonin maailmankaikkeus oli kellokoneisto

Tällä jutulle ei ehkä olisi tarvetta, jos ajattelisimme fysiikasta yhä Sir Isaac Newtonin tavoin.

– Newtonin fysiikka oli sellaista, että perusperiaatteet saattoi ymmärtää myös innostunut maallikko. Maailmankaikkeus ajateltiin ikään kuin kellokoneistona. Silloin 1500- ja 1600-luvuilla oli tullut ensimmäisiä mekaanisia laitteita, joilla sitä voitiin havainnollistaa, Paavo Pylkkänen sanoo.

Fysiikka antoi mallia muille tieteenaloille. Seuraavilla vuosisadoilla ajateltiin ihminenkin koneena.

– Tieteiden hierarkiassa fysiikalla oli aikanaan tällainen asema. Joskus puhutaan freudilaista peniskateutta mukaillen fysiikkakateudesta, Pylkkänen kertoo.

Philosophiae naturalis principia mathematica -teos avattuna nimiaukeamalta
Newton mullisti tieteellistä ajattelua tällä vuonna 1687 ilmestyneellä teoksellaan. Hänen oma kappaleensa ensipainoksesta muistiinpanoineen on Trinity Collegen kirjastossa Cambridgessa.Andrew Dunn / CC BY 2.0

Vanhassa fysiikassa luonto ajateltiin ankaran deterministiseksi. Uskottiin, että kun tiedetään luonnonlait, niin voidaan ennustaa ja hallita luontoa.

Lisäksi ajateltiin, että kaikki maailmassa koostuu osistaan. Ideana oli, että jos kokonaisuuden pilkkoo osiin ja ymmärtää niiden vuorovaikutuksen, niin ymmärtää myös, miten koko systeemi toimii.

– Fysiikan tilanne oli tällainen hyvin pitkään. Murros tapahtui 1900-luvun alussa, kun tulivat suhteellisuus- ja kvanttiteoriat, kauan ennen Hawkingia. Hän sitten aikanaan sovelsi niitä hienolla tavalla, sanoo Paavo Pylkkänen.

Kvanttifysiikka on kokonaisvaltaista

Newtonin maailmankuva oli ollut selkeä ja ymmärrettävä. Uusi fysiikka rikkoi sen. Kvanttifysiikalle ovat ominaisia kokonaisvaltaiset ilmiöt. Yksi arkijärkeä hämmentävä asia ovat kaukovaikutukset, joita on havaittu koetilanteissa.

– Jos kaksi kvanttiobjektia, vaikka valofotonia, on ollut yhdessä ja ne viedään erilleen ja tehdään hiukkaselle A jotakin, se näyttäisi vaikuttavan välittömästi hiukkaseen B välimatkasta riippumatta, Paavo Pylkkänen selittää.

Kokeissa etäisyydet ovat jo satoja kilometrejä. Fysiikalle on kuitenkin tyypillistä, että oudoille ilmiöille on monta kilpailevaa selitystä. Myös kaukovaikutuksesta kiistellään.

– Aina on niitä, joiden mukaan kaikki on ennalta määrätty, eikä tapahdu mitään vaikutusta A:sta B:hen.

Pylkkänen avaa kaukovaikutuksen käsitettä kolikko- ja arpanoppavertauksilla.

– Panemme kolikon kahtia, mutta emme katso, kumpi saa kruunan ja kumpi klaavan. Sinä otat toisen puolikkaan ja jäät Helsinkiin. Minä vien toisen mukanani vaikka Pariisiin. Kun avaan kämmeneni ja näen, että minulla on kruuna, saan salamannopeasti tietoa siitä, mitä sinä havaitset Helsingissä.

Euron kolikko.
Selväähän se: Jos yhdellä on kruuna, toisella on oltava klaava.Yle

Kvanttimekaniikassa pätee karkeasti ottaen sama ilmiö, mutta kolikon sijalla olisikin kaksi arpanoppaa.

– Sinä pidät toisen ja minä otan toisen. Voin taas mennä hyvin kauas, sinne Pariisiin. Kun heitän noppaani, tiedän, mitä sinä saat, kun heität omaasi. Vaikka niin, että jos saan kolmosen, niin tiedän, että ahaa, sinä saat kuutosen.

Teorian mukaan tulos ei ole ennalta määrätty, mutta yhteys on olemassa. Arkijärjellä sitä on hyvin vaikea käsittää, toisin kuin kolikkoesimerkkiä, Pylkkänen myöntää.

Lomittumiseksi kutsuttua ilmiötä pyritään hyödyntämään tämän päivän teknologiassa. Tällainen toisiinsa kietoutuneiden objektien prosessi on ajateltu kaikkein tehokkaimmaksi tavaksi esimerkiksi pankkikoodin salaamiseen.

– Sen on ajateltu olevan niin herkkä, että se paljastaa heti, jos joku yrittää mennä häiritsemään sitä. Siksi kvanttitietokoneiden kehittämiseen on satsattu valtavasti rahaa.

Kvanttiteorian taustalla ovat ilmiöt, joihin Albert Einstein ja Erwin Schrödinger kiinnittivät huomiota jo 1930-luvulla. Vielä silloin niitä ei kuitenkaan pystytty testaamaan kokeellisesti ja hyödyntämään.

– Joku on sanonut, että kolmannes Yhdysvaltain kansantaloudesta perustuu kvanttiteorian sovelluksiin. Sieltä tulevat tietokoneet ja transistorit ja puhelimet ja niin edelleen, Pylkkänen kertoo.

Karttaohjelma matkapuhelimen näytöllä.
Tämäkään ei onnistuisi ilman kvanttimekaniikkaa.Mika Moksu / Yle

Tulkinnoista kiistaa pian vuosisata

Kvanttiteoria kuvaa hyvin pienen mittapuun prosesseja, mutta mitä siellä mikrotasolla varsinaisesti on?

– Siitä on edelleen monta eri käsitystä. Koska mikromaailmaa ei voi havaita samalla tavoin kuin tätä tuttua ja turvallista makromaailmaa, eri tulkinnoille jää pelivaraa. Tätä kiistaa on käyty kohta sata vuotta, sanoo Paavo Pylkkänen.

Tanskalainen Niels Bohr yritti antaa ensimmäisen tulkinnan kvanttiteorialle 1920-luvulla. Tuo Kööpenhaminan-tulkinnaksi kutsuttu selitys korosti sitä, että emme voi tietää vastausta – ja jos jotakin tiedämmekin, niin jotakin muuta jää tietämättä.

Kun Bohr aateloitiin, hän valitsi vaakunaansa taolaisen jin ja jang -symbolin, jossa kohtaavat toisiaan täydentävät perusvoimat.

– Bohrille se kuvasi sellaisia asioita kuin objektin paikkaa ja liikemäärää, jotka ovat molemmat tärkeitä mutta eivät mittaamalla kerro toisistaan mitään, Pylkkänen kertoo.

Einstein liitutaulun edessä.
Albert Einstein luennoimassa Wienin yliopistossa vuonna 1921.Itävallan kansalliskirjasto

Haarautuuko maailmankaikkeus?

Einstein ei onnistunut omassa selitysyrityksessään, mutta 1950-luvulla David Bohm esitti mallin, jossa elektroni oli yhtä aikaa sekä aalto että hiukkanen. Samalla vuosikymmenellä Hugh Everett keksi monimaailmatulkinnan: jos kvanttiobjektilla on kaksi vaihtoehtoa, niin ehkäpä molemmat toteutuvat ja maailmankaikkeus haarautuu.

– Nämä löytyvät edelleen populaarikirjallisuudesta. Vaikkapa lentokentillä myytävien kirjojen joukossa voi hyvinkin olla aina yksi, jossa näitä teorioita käydään läpi; esimerkiksi jokin Brian Greenen kirja.

Yritykset selittää fysiikan ilmiöitä maallikolle ymmärrettävällä tavalla eivät ole uusi asia, vaan perinne on siinäkin jo pitkä, Pylkkänen sanoo.

– Kyllähän jo Einstein aikoinaan oli hyvä kirjoittaja. Ja Niels Bohr. Hän kehitti atomimalleja ja kvanttiteorian tulkintaa ja oli monilahjakas filosofi, joka kirjoitti laajasti biologiasta ja psykologiasta.

Pylkkäsen mukaan 1920- ja 1930-luvut olivatkin kulta-aikaa, jolloin fyysikot olivat syvällisiä ajattelijoita. Tuon ajan tekstit ovat edelleen kiinnostavaa luettavaa myös filosofeille, hän sanoo.

Filosofia jäi hipeille

Tilanne muuttui, kun suurvallat alkoivat kilpailla atomiaseilla.

– Jotkut tieteenhistorioitsijat väittävät, että sen jälkeen pienryhmien opetus muuttui isoiksi massaluennoiksi ja filosofia jäi kokonaan pois. Haluttiin ”kvanttimekaanikkoja”, joiden ei pitänyt miettiä syntyjä syviä vaan keskittyä aseteollisuuden tarpeisiin.

Muutaman viime vuosikymmenen ajan fysiikassa on ollut taas pehmeämpi jakso, Paavo Pylkkänen kertoo. Perusteita on alettu pohtia enemmän, ja siihen on hänen mukaan osittain inspiroinut vanha filosofinen pohdiskelu.

Vaikka virallinen fysiikka oli 1980-luvulle asti aika kovaa, väliin mahtui vaiheita, joissa uusi fysiikka sai jo jalansijaa. Hippiliikkeestä löytyi hengenheimolaisia.

– Sanfranciscolaisissa hippikahviloissa oli fyysikoita, jotka halusivat puhua kaukovaikutuksista ja muista. Heistä tuli omanlaisiaan guruja.

Teltan seinään kiinnitettyjä käsin kirjoitettuja kylttejä.
"Olet Maan ja maailmankaikkeuden jumalallinen, kaunis olento – eikö se ole ihmeellistä?" Hippileirin kyltti heijastelee nykyfysiikan henkeä.Tim Parkinson / CC BY 2.0

Itämainen ajattelu ja fysiikka löivät kättä

Hippiajan teoksista tunnetuin on Fritjof Capran Fysiikka ja tao. Kirja korosti fysiikan kokonaisvaltaisuutta itämaisen uskonnollisen ajattelun tavoin.

– Kun intialainen ajattelu löi läpi länsimaissa, erityisesti tietysti Kaliforniassa, niin ehkä nykyfysiikka koettiin liittolaiseksi. Kaikki eksoottisuudet, joita kvanttimekaniikasta löytyi, kuten kaukovaikutukset, sopivat hyvin yhteen pehmeän ja kokonaisvaltaisen ”peace, love and happiness” -ajattelun kanssa.

Akateemisissa piireissä moni pudisteli päätään tällaiselle hippitouhulle, mutta osittain siitä nousivat kvantti-informaatio ja kvanttilaskenta, jotka ovat nykyisin iso juttu, Pylkkänen sanoo.

– Kaikki eivät tietenkään hyväksy, että se meni näin, mutta on siinä tällaisia jänniä kulttuurisia tekijöitä.

Pylkkänen nostaa tuolta ajalta Capran Fysiikan ja taon ohelle toisen bestsellerin, Gary Zukavin kirjoittaman Dancing Wu Li Masters, ”Tanssivat Wu Li -mestarit”.

– Kyllä niiden täytyi olla viihdyttäviäkin, koska niitä myytiin miljoonia kappaleita.

Mies lukee kirjaa
Kimmo Hiltunen / Yle

Kiinnostuitko kokeilemaan? Tässä listaa kirjastoreissuille!

Kari Enqvistin ja Esko Valtaojan tuotannon oheen Paavo Pylkkäsellä on suomalainen suositus, joka on voinut jäädä huomaamatta: *Tarja Kallio-Tammisen Kvanttilainen todellisuus * vuodelta 2008.

Unohtaa ei kannata myöskään Georg Henrik von Wrightin teostaTiede ja ihmisjärki (1987). Hän oli varsin pessimistinen maailman suhteen, mutta jos hänellä jotakin toivoa oli, niin se liittyi nimenomaan fysiikan ja biologian kokonaisvaltaisiin ilmiöihin, Pylkkänen sanoo.

– Hän ajatteli, että kaikki nämä ympäristö- ja muut ongelmat johtuvat osittain vanhasta tieteellisestä rationalismista, joka on luonnon hallitsemista ja hyväksikäyttöä. Hän pohti, voitaisiinko harmonisempaan tulevaisuuteen päästä uudella fysiikalla, jossa ihminen on enemmän osallistuja kuin hallitsija.

Aikanaan von Wright leimattiin romanttiseksi antiteknologiksi, mutta tänä päivänä hänen huippuajattelijan tekstejään lukee uusin silmin, Pylkkänen sanoo.

Napakasti kvanttiteoriasta: A Very Short Introduction

Suomeksi käännetyistä kirjoita Pylkkänen suosittelee yhtenä David Bohmin ja David Peatin teostaTiede, järjestys ja luovuus (1992). Hän kertoo käyttäneensä sitä kurssikirjana ja havainneensa, että se toimii tukena myös silloin, jos ihminen etsii muutosta.

Bohmin mielestä tieteestä puuttui aito keskustelu, joten hän alkoi kehittää keskustelumenetelmiä. Hän on ollut monille inspiraationa, Pylkkänen kertoo.

Englanninkielisistä kirjoista hänen ykkösuosituksena on John Polkinghornen napakka, satasivuinen Quantum Theory: A Very Short Introduction (2002).

– Jos pitäisi estää se, että ensimmäisestä lukukokemuksesta tulee traumaattinen, niin tästä kannattaisi ehdottomasti aloittaa! Se on niin lyhytkin, ettei siinä mene ikä ja terveys.

Niille, jotka ovat valmiit näkemään hieman vaivaa englannin suhteen, Pylkkänen ehdottaa myös ”hyvällä tavalla rautalangasta väännettyä” David Albertin kirjaa Quantum Mechanics and Experience (1992). Suosituslistalla on myös Jennan Ismaelin How Physics Makes Us Free (2016).

Peter Lewisin filosofeille kirjoittamasta teoksesta Quantum Ontology (2016) Pylkkänen sanoo, että se ei ole aivan helppo, mutta kuitenkin äärimmäisen selkeä.

Lisää myös internetistä

Hawkingin yhteistyökumppanin Roger Penrosen The Shadows of the Mind (1994) on kvanttiteorian ja tietoisuuden yhteyden hyvä selittäjä, Pylkkänen sanoo. Hänen oma teoksensa Mind, Matter and the Implicate Order (2007) tarkastelee tätä aihetta Bohmin teorioiden valossa.

Hippiliikkestä ja fysiikasta kertovista kirjoista Fritjof Capran Fysiikka ja tao (1973) on saatavilla suomeksi. Gary Zukavin Dancing Wu Li Masters (1979) ja Pylkkäsen niin ikään suosittelema David Kaiserin How the Hippies Saved Physics (2011) ovat jääneet suomentamatta.

Brian Greenen yleistajuisista ja viihdyttävistäkin teoksista on suomennettu kaksi: Kosmoksen rakenne: Avaruus, aika ja todellisuus (2005) ja Kätketyt ulottuvuudet: Supersäikeet, ajan halkeamat ja maailmanselityksen haaste (2000).

Jos kirjasto on liian kaukana, tiedonlähteitä löytyy myös internetistä. Paavo Pylkkäsen vinkki verkkosivuksi ja hakusanaksi ovat Stanford Encyclopedia of Philosophy (siirryt toiseen palveluun) ja "quantum". Lisää hänen lukusuosituksiaan löytyy Niin & näin -lehden sivulta (siirryt toiseen palveluun).