Havainnoista tieteellisesti
Tutkitaan
valoa taskulamppuesimerkillä. Ajatellaan, että olemme tarkastelemassa
taskulamppua tyhjiössä, jonka seinät eivät lainkaan heijasta valoa (tai niin
kaukana, että valo ei ehdi heijastuksen jälkeen palata tarkastelun aikana).
Halpaan menit. Kuva ei nimittäin olisi lainkaan tällainen. Kuvan tulisi olla itse asiassa täysin musta. Taskulamppu
ei nimittäin näkyisi, mikäli se suuntaisi valoa vain eteenpäin, eikä sen
enempää pitäisi näkyä valoakaan. Valon näkymättömyys onkin eräs valon ominaisuuksista.
Kuva on
kuitenkin tavallaan hyvä, sillä siinä voidaan havaita valoa heijastavan pinnan
harveneminen, mitä ei voitaisi tietenkään havaita täysin mustasta mallikuvasta.
Tämä voidaan havaita esimerkiksi pingistä pelatessa hämärässä, jolloin pallon
liikerata alkaa muuttua epäselvemmäksi, kun ilta pimenee (valon määrä vähenee). Eli kun kuljemme tarpeeksi kauas
valosta niin se alkaa välkkyä. Mikäli meillä on sammakko, joka on opetettu pomppaamaan aina kun se havaitsee valoa niin taskulampun edessä se pomppisi reidensä järkyttäville hapoille sillä se havaitsisi valoa jatkuvasti (miläli sammakko ei räpyttelisi silmiään). Jos vaikkapa suuntaamme taskulampun valokeilan kuuhun jonne olemme vieneet samaisen sammakon niin sammakko pomppisi vain erittäin pitkien aikajaksojen välein (siis mikäli sammakko kestää kuun olosuhteet, mistään muualta ei tule valoa, valo pääsisi mukavasti läpi ilmakehästä...). Kuvasta herääkin kysymys: Voiko valo harventua
kuinka harvaksi tahansa, jossakin äärellisessä tilassa? Tätä voidaan tutkia
aukko kokeella, joka on esitelty kuvassa
Kysymys
muuttuukin muotoon: Voiko valokeilan varjostimella olevan alan pinta-ala olla miten
pieni hyvänsä, kun varjostimia lisätään. Vastaus on tietenkin: ei. Ymmärrämme
valon koostuvan fotoneista. Fotonia ohuemmaksi emme voi valon sädettä saada. On
kuitenkin ilmiselvää, että asettaessa levyjä enemmän valo alkaa vilkkua, koska
valo taipuu reiästä päästyään (sitä enemmän mitä ohuempi reikä varjostimessa
on) ja tällöin tarpeeksi kauan levittyään enää vain harvakseltaan fotoneja
kulkee reiästä. Tämä taipuminen eli diffraktio on tuttu ilmiö esimerkiksi
hilojen yhteydessä diffraktion interferenssin aiheuttamista valomaksimeista mikä on esitetty kuvassa
Valoa voidaan käsitellä myös kuten aaltoa ja kuva on tehty sen perusteella. Kuvassa valonsäde tulee hilaan (jokainen pystyviiva kuvaa aallon huippua) eli sellaiseen levyyn jossa on tässä tapauksessa kaksi aukkoa. Läpäistessään hilan alltojen huiput taipuvat ympyrän kaaren muotoiseksi. Kun näin tapahtuu kahdesta reiästä tulevalle valonsäteelle niin aallot kohtaavat. Mieti hetki itseäsi kylpyammeessa läikyttämässä veden pintaa. Aallot tuhoutuvat kun huippu ja pohja kohtaavat. Vastaavasti aalto vahvistuu kun kaksi huippua kohtaavat. Samalla tavalla kuviossa huippuja esittävät ympyrän kaaret kohtaavat ja aiheuttavat valomaksimeja varjostimelle. Mielenkiintoinen piirre kuitenkin on, että
nämä valomaksimit saadaan myös silloin, kun valon lähde lähettää vain yhden
fotonin hilaa kohti. Kuitenkin, niin kuin totesimme, reikiä ollessa vain yksi,
tilanne on täysin normaali. Fotoni ei myöskään voi hajota pienempiin osiin,
sillä erityiset ilmaisimet kertoisivat, mikäli raosta kulkisi hajonneen fotonin
osa.
Olemme kuitenkin saaneet selville, että yhden fotonin kulkiessa hilasta:
- Fotoni kulkee yhden raon läpi ja
interferoi jonkin kanssa, minkä takia fotoni muuttaa suuntaa rakojen määrästä
ja rakojen etäisyydestä toisiinsa riippuen.
- Interferoivat oliot ovat kulkeneet
muiden rakojen läpi.
- Interferoivat oliot käyttäytyvät
täysin samoin kuin fotonit lukuun ottamatta sitä, että ne ovat näkymättömiä,
eivätkä näy tunnistimissa.
Nämä oliot
ovat eräänlaisia pimeäfotoneja, joita voidaan havaita ainoastaan
interferenssissä havaittavien fotonien kanssa. Voimme siis päätellä, että
tällaisia pimeäfotoneja kulkee aina havaittavien fotonien kanssa enemmän kuin
havaittavia fotoneja, sillä lähetettäessä yksi fotoni hilaan, jossa on neljä
rakoa, voidaan interferenssi havaita edelleen. Kuinka paljon tarkalleen näitä
pimeäfotoneja on? Kokeellisesti ei ole mahdollista saada selville tätä
ylärajaa, mutta jokin alaraja on määritettävissä. Nimittäin laboratoriossa
suurin laserin valaisema pinta-ala on neliömetri ja siihen tehtävien reikien
pienin käytännöllinen halkaisija on mikrometri. Tällöin varjostimeen saadaan 1012
(biljoona) mahdollista reiän paikkaa ja näin ollen havaittavan fotonin
yhteydessä kulkee vähintään biljoona pimeää fotonia.
Edellinen
päätelmä on kuitenkin pätevä vasta, kun ymmärretään, mikä pimeäfotoni on. Pimeäfotonissa
on mullistavaa se, että se on itse asiassa toisen todellisuuden olio.
Pimeäfotonit ovat nimittäin olioita, jotka käyttäytyvät samalla tavalla kuin
havaittavat fotonit olisivat voineet käyttäytyä, mutta ei käyttäytynyt näin.
Kvanttimekaniikka käsitteleekin siis pohjimmiltaan todellisen ja mahdollisen
vuorovaikutusta. Interferenssi onkin siis vain erikoistilanne, jossa fotonin ja
sitä vastaavien pimeäfotoneiden radat erkanevat vain hetkeksi ja yhtyvät
uudelleen (erkanevat, saapuvat hilaan ja muodostavat maksikin
varjostimelle). Interferenssin
havaitseminen edellyttää kaikkien näiden maailmankaikkeuksien välistä
vuorovaikutusta hiukkasten, joiden paikat ja muut ominaisuudet eivät ole samat. Fotonilla on siis oma maailmankaikkeus, jossa
se voidaan havaita vain saman maailmankaikkeuden olion kanssa. Vastaavasti muiden maailmankaikkeuksien fotonit voidaan havaita meidän maailmankaikkeudessa vain interferenssissä.
Interferenssi
ei kuitenkaan ole vain fotoneiden erikoisominaisuus, nimittäin
kvanttimekaniikka ennustaa (ja kokeellisesti voidaan osoittaa), että
interferenssiä tapahtuu kaikilla hiukkasilla. Esimerkiksi elektroneja on
suihkutettu hilaan jonka takana oleva valokuvauslevy on valottunut
aaltomaisesti (aalto on Schrödingerin yhtälön mukainen). Näin ollen jokaisella
neutronilla on myös useita pimeitä neutroneita. Pimeähiukkaset voidaan myös
havaita vain epäsuorasti havaittavien hiukkasten kanssa. Voidaan siis todeta,
että todellisuus on paljon suurempi kuin mittalaitteidemme havaitsema
todellisuus (Todellisuuden rakenne. David Deutch.
2007).
Katsotaampa vielä teoriaa kaiken käytännön keskelle. Stephen Hawking keksi
ajatella koko maailmankaikkeutta hiukkasena, jolla siis olisi aiemmin mainittujen hiukkasten ominaisuuksien mukaan rinnakkaismaailmankaikkeuksia.
Tämä tarkoittaa, että maailmankaikkeudella on ääretön määrä mahdollisia
maailmankaikkeuksia. Tämä on esitetty kuvassa
Korvaammekin
nyt maailmankaikkeuden multiuniversumin käsitteellä, sillä kuten huomaamme
multiuniversumi on kaikkien maailmankaikkeuksien kokonaisuus (Hyperavaruus. Michio Kaku 1996). Tämä
voidaan esittää myös toisenlaisella kuvalla
(Todellisuuden rakenne. David Deutch. 2007)
Tämä kuva on
jo vaikeampi. Siinä kuvat esittävät hetkiä eli hetkellisiä kvanttimekaanisia
fysikaalisia tilanteita. Koska aika on kvanttiutunut, niin yksi kuva on aina fysikaalinen
tilanne planckin ajalla eli pienimmällä mahdollisella ajanjaksolla (10^-44s). Havaintomme
kuitenkin paljastaa vain yhden kaikista maailmankaikkeuksista, koska
emme voi havaita kuin omaa maailmankaikkeuttamme ilman interferenssiä (Kaku
1996 ja Deutch. 1997).
Havaintojen merkityksestä filosofisesti
Tutustumme seuraavaksi teoreettisen fyysikon David Deutchin tulkintaan filosofi Karl Popperin ratkaisusta induktion ongelmalle ja tämän avvulla tutkimme fysikaalista aineistoamme.
Olemme nyt havainneet outoja ilmiöitä hiloissa, mutta miten oikeutamme havaintojemme pohjalta multiuniversumiselityksen? Filosofi David Hume esitti kritiikkiä kaikille teorioille, jotka pohjautuvat havainnoille väittämällä kaikkien tämänlaisten teorioiden pohjautuvan kausaaliselle tapahtumien väliselle yhteydelle, jota ei voi havaita (tapahtumien välinen kausaalisuus ei tarkoita muuta kuin, että a=>b, eli jos tapahtuu a niin siitä seuraa b ja tätä seurausta => ei Humen mielestä voinut mitenkään havaita). Käytännössä esimerkiksi voitaisiin havaita, että lappiin matkustaessa aurinko paistaa kellonympäri ja näin tapahtuu toistuvasti, kunnes kerran matkustamme sinne kaamosaikaan ja huomaamme, ettei aurinko paista lainkaan päivänaikana. Kaaviokuvan mukainen teorian tekeminen ei siis ole pätevää
Tätä epäpätevyyttä kuvaa induktion ongelma, joka käytännössä tarkoittaa, että ei ole mahdollista havaita tapahtumien välttämättömyyttä tapahtumien välillä, mikä antaa havainnoista muodostetulle teorialle loogisen epäpätevyyden.
Emme siis voi oikeuttaa mitään teoriaa pelkkien havaintojen avulla niinkiun esimerkistä kävi ilmi. En voi käsittää, että miksi monet pitävät fysikan tutkimusmetodeja induktivistien ajattelutavalla mukaisena. Perusteluja fysiikan vastakkaisuuksia induktivismille:
- Eihän nimittäin yleistetty ennuste ole mikään uusi teoria. Rinnakkaismaailmankaikkeuksien tapauksessa emme esimerkiksi havainnet ensin yhtä maailmankaikkeutta sitten toista ja kolmatta ja päätelleet tästä, että niitä on vähintään 10^12.
- Induktivistien mukaan eräs menetelmä, joka voidaan oikeuttaa havainnoista on ekstrapolointi. Voimmeko muka väittää, että Lappiin matkustaja voi tehdä saman johtopäätöksen valoisuudesta, jos hän käy lapissa aina juhannuksena tai jos hän käy aina lapissa kaamosaikaan. Emme tietenkään, mutta mikä pelastaa meidät lapinmatkustajan tekemiltä johtopäätöksiltä on teoria. Itseasiassa koko ekstrapoloiminen ei nimittäin ole mahdollista mikäli ei aseta havaintoja jollekkin teoriapohjalle. Sama selitys kieltää tällöin myös ekstrapolaation toimimisen pelkkien havaintojen pohjalta.
Mihin sitten teoriamme kuuluisi pohjautua? Se perustuu parhaimpaan mahdolliseen aikaisempaan teoriaan, eikä havaintoluetteloon niinkuin induktivismissä. Itse teoriaankaan ei päästä havaintoluettelosta vaan ongelmasta. Ongelma ei tässä tarkoita mitään olen vessassa eikä täällä ole vessapaperia tapaista hätää, vaan parhaan mahdollisen teorian riittämättömyyttä, suppeutta, raskautta tai ristiriitaisuutta. Tarkasti tämä tapahtuu seuraavan kuvan mukaisesti
Tutkitaanpa seuraavaksi kokeellisesti havaitsemamme tulosten muodostusta multiuniversumiteoriaksi. Ongelmana oli valon outo käyttäytyminen hiloissa jota vanha teoria ei kyennyt selittämään. Asettamalla oletukseksi havaintojemme pohjalta rinnakkaismaailmankaikkeuksien välisen interferenssin löysimme erään selityksen, joka oli paljon aikaisempaa teoriaa laajempi. Seuraavassa blogikirjoituksessa mietimme oliko tämä teoria todella kattavampi ja onko se todella kritiikin kestävä, mutta toistaiseksi oletamme näin.
Tutkimme kuitenkin heti joitain todellisuuden kriteerejä, jotta ymmärrämme, että teoria on vakavastiotettava. Nimittäin on olemassa myös ontologisen antirealismin kantoja kuten solipsismi, jossa ajatellaan, että ihmismielestä riippumatonta todellisuutta ei ole. Tämä kanta on luonnollisesti itseään vastaan sillä mikäli havaitsen muita ihmisiä, jotka ovat solipsismia vastaan, ollessani itse solipsisti ja he ovat vain tietoisuuteni tuotoksia, on "ajattelen siis olen"-lauseen nojalla oltava myös osan minusta muuta kui solipsisti.
Pelkkä solipsismin kieltäminen ei kuitenkaan vielä ole ongelmanratkaisu-prosessin kannalta rittävä peruste kilpailevien teorioiden joukosta sen valitsemiselle, joka sisältää vain sellaisia oletuksia, jotka eivät sisällä mielemme tuotoksen olettamia olioita. Vaikka siis maailma onkin olemassa mielestämme riippumatta, niin mistä tiedämme vaikkapa rinnakkaismaailmankaikkeuksien olevan olemassa.Emme yritä nyt tavoitella mitään totuutta ihmisestä riippumattoman todellisuuden kriteeristä ja ihmisestä riippuvan todellisuuden kriteeristä, mutta muodostamekin todellisuuden kriteerin ja ongelman ratkaisu prosessin välille siteen, joka itse prosessissa tuottaa syvällisempiä ja selittävämpiä selityksiä.
Jos vaikkapa jokin oletettu ratkaisumme sisältäisi seinän, niin mistä voimme olla varmoja, että tämä seinä on olemassa ihmisestä riippumattomasti? Voimme ajatella, että lyödessä pää seinään seinä lyö takaisin. Eli meidän on hyväksyttävä ajatus: jos havaitsemme, että jossain on ikäänkuin seinä (eli se lyö takaisin) niin siinä silloin todella on ihmisestä riippumaton seinä. Ongelmana on, että onko tämä seinä todella teoriamme mukainen seinä, mutta tämä on pikemminkin mahdollisuus kuin ongelmanratkaisu prosessin kaataja, sillä mikäli se ei ole mielestämme riippumaton, niin silloin se näkyy ongelmana ja on prosessin kannalta välttämätön paremman teorian tuottamiseksi, nimittäin teoria on laajempi ja selitävämpi. Miksi tällöin teoria on muka ihmisestä riippumaton? Sen takia, että se selittää monimutkaiisen asian yksinkertaisesti ja vaivattomasti (kutsun tätä teorian kauneudeksi). Siitä kuitenkin seuraa se, että oikeuttaessamme yksityiskohdat ja monimutkaisuudet selittävän yksinkertaisen teorian niin voidaan päätellä että:
Jos asia on yksinkertaisimman selityksen mukaan monimutkainen ja itsenäinen, niin asia on todellinen.
Tämä on laskennallinen kompleksisuuden teoria ja siihen päädymme kunnolla seuraavassa blogikirjoituksessa.
Henrik Villanen