1. Seppo Laurema 31.10.2000

Seppo Laurema 31.10.2000 Luonnonfilosofian seura

Avoin kysymys prof. Kaarle Kurki-Suoniolle.

Muistan selvästi kun prof. Kalervo Laurikainen seminaareissa Siltavuorenpenkereellä selostaessaan kvanttimekaniikan Kööpenhaminalaisen tulkinnan perusajatusta ja mikrofysiikan maailman ilmiöihin liittyvää epämääräisyyttä useamman kerran korosti sitä, että mikromaailman 'irrationaalisuus' eroaa oleellisesti siitä epävarmuudesta, joka liittyy esim. nopan heiton tulokseen, joka periaatteellisesti on ennustettavissa. Hiukkasfysiikan ilmiöissä ei sen sijaan yksittäistapahtumien kohdalla voida edes periaatteessa ennustaa lopputulosta.

Sama näkemys sisältyy dos. Ilkka Kiesepän artikkeliin, joka julkaistiin Helsingin Sanomien tiedesivulla lauantaina 18.4.1998 otsikolla "Noppa eroaa elektronista" ja joka on myös luettavissa Internetissä osoitteessa

http://www.helsinginsanomat.fi/uutiset/juttu.asp?id=980418er01& pvm=19980418 .

Laurikaisen selostuksesta minulle jai mieleen tietty epämääräisyyden tunne siitä, että onkohan asia nyt todella niin kuin hän sanoi sen olevan. Ilkka Kiesepän kirjoituksen jälkeen sitten tulikin mieleen 'heureka', mitä tapahtuu silloin, jos noppa ennen viimeistä kellahdustaan jaa särmälleen tasapainotilaan tietämättä kummalle puolelle se lopulta kallistuu? Eikö ole mahdollista, että silloin vain yhden yksittäisen elektronin asema nopan sisällä voi ratkaista kummalle puolelle noppa kallistuu. Ja sen elektronin tarkkaa asemaa meillä ei kvanttimekaniikan kööpenhaminalaisen tulkinnan mukaan ole edes periaatteessa ole mahdollisuutta tietää. Toisin sanoen nopanheiton makrofysikaalinen tilanne palautuu tässä rajatapauksessa mikrofysiikan tasolle. Nopan heiton tulokseen tässä aaritapauksessa voi tietysti olla vaikuttamassa lukuisat muut häiriötekijät kuten ilmavirtaukset, maan ja ympäröivän avaruuden voimakenttien hetkittäiset vaihtelut, avaruussäteily jne. jotka saavat aikaan sen, ettei tulos aina voi olla laskettavissa.

Tähän liittyen herää myös kysymys energian kvantittumisesta yleensä. Meillehän on opetettu, että energia on kvantittunutta, mutta en muista, että siinä yhteydessä koskaan olisi puhuttu liike-energiasta. Siis onko liike-energia välttämättä aina kvantittunutta? Nopan heitossa käytetty työntövoima on tietysti yleensä ihmisen lihasten liike-energiaa, joka syntyy yksittäisten kemiallisten molekyylien välisistä reaktioista ja on siinä mielessä alkuperältään 'kvantittunutta', samoin esim. raketin tai auton polttomoottorin energia. Mutta onko nain välttämättä aina asian laita?

Ystävällisin terveisin Seppo Laurema

PS. Lähetän tämän kysymyksen paitsi prof. Kurki-Suoniolle kaikille

Luonnonfilosofian seuran piirissä oleville tai olleille henkilöille, joita asia voisi kiinnostaa ja joiden sähköpostiosoite on tiedossani. Viimeksi kaikki viestit, joiden tunnuksena oli hotmail.com tulivat takaisin, mutta se ehkä johtui vain tilapäisestä häiriöstä. Seppo Laureman viestissään viittaama artikkeli:

Tiede & ympäristö - Lauantaina 18.4.1998

Ilkka Kieseppä: Noppa eroaa elektronista

Kvanttimaailman "aidot sattumat" paljastavat tieteen urautumat

Suhteellisuusteorian ohella myös kvanttimekaniikka on mullistanut luonnontieteellisen maailmankuvan perusteita 1900-luvulla. Kun suhteellisuusteoria käsittelee maailmankaikkeutta laajoissa mitoissa, kvanttimekaniikka on mikromaailman ilmiöihin soveltuva perusteoria. Vaikka kvanttimekaniikka on teoriana ollut valtaisan menestyksekäs, sen tulkinta on koettu ongelmaksi koko sen 70-vuotisen olemassaolon ajan. Kvanttimekaniikka eroaa aiemmista fysiikan teorioista selvimmin siinä, että se on indeterministinen, tilastollinen teoria. Tosin myös aiemmissa fysiikan teorioissa on tarkasteltu ilmiöitä, joita koskevat ennusteet ovat olleet vain tilastollisia, mutta kvanttimekaniikassa tilastollisuus johtuu itse teoriasta eikä tietomme puutteellisuudesta.

Täydellinen heitto

Nopan heitto näyttää satunnaiselta ilmiöltä, mutta se johtuu vain tietämättömyydestä. Jos osaisimme täsmällisesti säätää nopan paikan ja nopeuden ja tarkoin laskea nopan liikeradan kun se on heitetty, osaisimme heittää nopan tavalla, joka väistämättä tuottaisi haluamamme tuloksen vaikkapa kuutosen.

Kvanttimekaniikassa tilanne on toinen. Kvanttimekaniikka tuottaa tilastollisia ennusteita, esimerkiksi siitä, mihin kohtaan valokuvauslevyllä jokin yksittäinen elektroni osuu tietyssä koejärjestelyssä. Ennen kuin elektroni on osunut valokuvauslevylle, sitä esittää kvanttimekaniikassa paikan ja nopeuden sijasta aaltofunktioksi nimitetty matemaattinen kuvaus. Vaikka elektronin aaltofunktio tunnettaisiin etukäteen täysin tarkasti, ei silti voitaisi tietää, missä elektroni tullaan havaitsemaan, sillä aaltofunktiosta lasketut elektronin tulevaa paikkaa koskevat ennusteet ovat vain tilastollisia.

Kvanttimekaniikan keksineiden fyysikot esittivät teoriastaan niin sanotun "kööpenhaminalaistulkinnan". Sen mukaan alkeishiukkasen aaltofunktio kertoo hiukkasen tilasta kaiken, mitä siitä ylipäätään voidaan tietää. Tästä seuraa, että luonnossa esiintyy tapahtumia, jotka eivät ole ennalta määräytyneitä. Kysymykseen, miksi elektroni osui valokuvauslevyllä juuri siihen mihin se osui eikä johonkin muualle, joudutaan vastaamaan, että se "ei johtunut mistään".

Vaihtoehto Kööpenhaminalle

Fyysikkojen suuri enemmistö on hyväksynyt kööpenhaminalaistulkinnan sen ongelmallisista piirteistä huolimatta, mutta sille on esitetty myös vaihtoehtoja. Joissakin niistä alkeishiukkasille oletetaan ominaisuuksia, jotka eivät ilmene aaltofunktioista ja jotka määräävät ennalta kvanttimekaanisten satunnaisilmiöiden tulokset. Näitä tulkintoja kutsutaan piilomuuttujateorioiksi.

Tunnetuin niistä on kvanttimekaniikan ontologinen tulkinta eli niin kutsuttu David Bohmin teoria. Teoriansa Bohm esitti yksinkertaistetussa muodossa jo 1952, mutta se on herättänyt vilkkaampaa tieteellistä keskustelua vasta tällä vuosikymmenellä. Ontologisessa tulkinnassa kaikilla alkeishiukkasilla oletetaan olevan täsmällisesti määritellyt radat silloinkin, kun ne eivät käy ilmi aaltofunktioista. Siinä väitetään, että on olemassa monimutkainen kvanttipotentiaaliksi nimitetty kenttä, joka ohjaa hiukkasia. Potentiaali vastaa monessa mielessä tavallisen tulkinnan mukaista aaltofunktiota, ja sen avulla lasketut havaittavia ilmiöitä koskevat ennusteet ovat samanlaisia kuin kööpenhaminalaistulkinnassa.

Ontologisessa tulkinnassa ei kuitenkaan selitetä potentiaalin syntyä niin yksityiskohtaisesti kuin aiemmissa fysiikan teorioissa on selitetty esimerkiksi painovoimakentän, sähkökentän ja magneettikentän synty. Ontologisella tulkinnalla ei ole hiukkasta ohjaavan kvanttipotentiaalin synnystä paljon muuta sanottavaa kuin se, että se on määräytynyt hiukkasen ympäristön muodostamasta kokonaisuudesta.

Tämä tuo mieleen tieteenfilosofien usein käyttämän esimerkin, jossa kuviteltu lääkäri vastaa kysymykseen, miksi oopium nukuttaa, sanomalla että oopium nukuttaa, koska sillä on unettavaa voimaa. Ontologisen tulkinnan mukainen selitys hiukkasten radoille ei näytä olevan paljonkaan tätä selitystä parempi.

Fyysikko tekee, mitä fyysikko osaa

Tieteenfilosofi Thomas S. Kuhnin mietelmän mukaan tiede näyttää edistyvän niin nopeasti kuin se edistyy osittain siksi, että usein tiedeyhteisö asettaa itselleen vain sellaisia ongelmia, jotka se pystyy ratkaisemaan. Niitä ongelmia, joita se ei osaa ratkaista, se ei aina miellä tieteellisiksi ongelmiksi lainkaan.

Tämä pätee moderniin fysiikkaan, koska useimmat fyysikot ovat hyväksyneet kvanttimekaniikan tavanomaisen tulkinnan muita tulkintoja liiemmin pohtimatta.

Fyysikot voivat perustella menettelyään nykyteoriansa menestyksellä, mutta tieteenfilosofi voi yhtä oikeutetusti katsoa, että haluttomuus etsiä vaihtoehtoja johtuu normaalitieteen luonteesta: normaalitieteilijä ratkaisee ongelmia koulutuksessa omaksumiensa teorioiden mukaisesti ja sivuuttaa ongelmat, joihin vastattaessa koulutuksesta ei ole apua.

Yksi fysiikan syrjään siirretyistä ongelmista on se, miksi elektroni osuu valokuvauslevyllä juuri siihen mihin se osuu.

Kuhnia mukaillen fysiikka kehittyy nopeasti osittain siksi, että fyysikot eivät mieti tällaisia liian vaikeita kysymyksiä.

Kirjoittaja on Helsingin yliopiston teoreettisen filosofian dosentti I.A. KIESEPPÄ