Fysiikan maailmankuva 2015

Transkriptio

1 Fysiikan maailmankuva 2015 Luento 6/Juha Vaara (Merkittävä osa esitettävästä materiaalista on peräisin FT Teemu S. Pennaselta) SISÄLTÖ Moderni fysiikka ja maailmankuvan muutos Fysiikan lait ennustusvoima ja ilmiöiden selitys Tietoisuuden rooli maailmankuvassa Ajan luonteesta Aikamatkustus? 1

2 Modernin fysiikan vaikutus maailmankuvaan Yhdessä kvanttifysiikka ja suhteellisuusteoria siis loivat pohjan modernille fysiikalle. Pelkistäen voidaan sanoa, että toinen selittää pienen mittakaavan ilmiöt ja toinen suuren. Niiden väliin jää (mittakaavamielessä) klassinen fysiikka, joka toimii hyvänä approksimaationa ihmisen kokoluokkaa olevissa ilmiöissä. Hieman pelkistäen tämä on nykyfysiikan antama kuva maailmankaikkeudesta tällä hetkellä. Siirtymä klassisesta moderniin fysiikkaan oli suuri ja sitä voidaan aivan hyvin sanoa vallankumoukseksi. Maailmankuva 1800-luvun lopulla erosi huomattavan paljon nykyisestä. Tällöin uskottiin, että kaikelle olisi yksinkertainen mekaaninen selitys ja maailma olisi kuin suuri kellokoneisto, jossa on paljon liikkuvia osia, mutta kaiken voisi periaatteessa tarkasti ennustaa jos tunnettaisiin (mitattaisiin) tarkasti nykyinen tila. 72 Kvanttimekaniikka on teoria joka sisältää todennäköisyyksiä. Esim. atomitason suureen teoreettinen ennuste on x 40% todennäköisyydellä tai y 60% todennäköisyydellä. Mittauksessa saamme aina jommankumman tuloksen, mutta emme voi etukäteen ennustaa millään keinolla kumpi tulee. Todennäköisyydet ovat olennainen osa kvanttimekaniikkaa eikä niitä voi sivuuttaa millään keinolla. Kaikissa mikromaailman perimmäisissä prosesseissa on kyse todennäköisyyksistä ja ympärillä näkyvä maailma on jonkinlainen keskiarvo. Yritettäessä selvittää onko todennäköisyyksien takana joitain mekanismeja, jotka voisivat selittää ne, ei olla onnistuttu. Nykytutkimus ei keskity piilotettujen mekanismien selvittämiseen vaan fyysikot hyväksyvät todennäköisyydet osaksi luonnon toimintaa. Jumala pelaa sittenkin arpapeliä? 73 2

3 On siis hyväksytty, että kvanttimekaniikan todennäköisyydet kuvaavat sitä osaa luonnosta josta ei voi saada enempää tietoa. Tätä ei tule sekoittaa ajatukseen, että mitään ei voisi ennustaa. Kvanttimekaniikka ennustaa niiden vaihtoehtojen joukon (ja kullekin todennäköisyyden), jotka voidaan saada tietyssä mittauksessa, mutta ei enempää. Uskotaan, että kaikki mitä voidaan ylipäänsä tietää, sisältyy kvanttimekaniikan ennusteisiin. Todennäköisyyksien esiintyminen vain kertoo, että kaikkea ei voidakaan tietää. Tämä on ristiriidassa klassisen fysiikan (periaatteessa täysin) ennustettavan maailmankuvan kanssa. Nykytiedon mukaan emme siis voi edes periaatteessa ennustaa kaikkea. Maailmankuva muuttui siis tavallaan monimutkaisemmaksi, koska mukaan tuli epävarmuuksia, joita ei voida kiertää mitenkään. Tieteellisen maailmankuvan tarkoitus on kuvailla todellisuutta sellaisena kuin se on eikä sellaisena kuin sen haluaisimme olevan. Voimme siis nähdä, että klassisen fysiikan maailmankuva oli epätäydellinen ja se täydentyi kun saatiin lisää tietoa luonnon toiminnasta. 74 Yleisen suhteellisuusteorian vaikutus maailmankuvaan tuli siitä, että se mahdollisti maailmankaikkeutta kokonaisuutena tutkivan tieteenalan, kosmologian, synnyn. Teoria antoi mahdollisuuden ennustaa maailmankaikkeuden käyttäytymistä ja sen kehitystä. Siitä voitiin johtaa maailmankaikkeuden laajeneminen ja jopa sen synty, alkuräjähdys eli Big Bang. Maailmankaikkeuden tutkimuksessa hyödynnetään yleisen suhteellisuusteorian lisäksi myös muita fysiikan osa-alueita, kuten hiukkasfysiikkaa. Hiukkasfysiikalla on suuri merkitys sen selvittämisessä mitä varhaisessa maailmankaikkeudessa tapahtui heti alkuräjähdyksen jälkeen. 75 3

4 FYSIIKAN LAKI VS. ILMIÖN SELITYS? Kumpi on todellista, matemaattinen laki vai fenomenologinen tulkinta/selitys? o Insinöörin ja fyysikon ero? Richard Feynman vs. David Deutsch? o Instrumentalistin mielestä teorian tai lain tarkoitus on ennustaa koetuloksia, antaa oikea vastaus esitettyyn kysymykseen o Ääriesimerkki: positivistin mielestä väitteet, lait, havainnot, jotka eivät ennusta koetuloksia, ovat merkityksettömiä! o Mutta: oikean kysymyksen löytäminen ei ole itsestäänselvää, se vaatii usein syvällistä fenomenologiaa ja --- fyysikkoa! o Reduktionisti pyrkii selityksiin analysoimalla, purkamalla ilmiöitä perustavaa laatua oleviin osiinsa. Esim. ajatukset kaiken teoriasta. Tarpeellinen lähestymistapa, mutta ei riittävä, koska on olemassa ns. emergenttejä ilmiöitä. o Holisti pyrkii selityksiin korkean tason ilmiöistä lähtien, esim. ihmiskeskeisessä maailmankuvassa ihmisestä itsestään! umpikuja. TIETOISUUDEN ROOLI MAAILMANKUVASSA Kaikki tieteelliset havainnot muuttuvat lopulta heikoiksi, sähköisiksi signaaleiksi keskushermostossamme Inhimillinen tietoisuus on ollut määräämässä mittausjärjestelyitä, kysymyksenasettelua jne., esim. erottamaan toisistaan kahden kilpailevan teorian antamat ennusteet Tieteelliseen toimintaan ja siten myös sen seurauksena kehittyvään maailmankuvaan vaikuttaa siis myös inhimillinen tietoisuus Maailmankuva on esimerkki emergentistä luonnonilmiöstä Tieteellisen prosessin ymmärtämiseksi meillä tulee olla myös tiedon teoria, epistemologia 4

5 Tieteellisen prosessin kaksi perusmetodia ovat induktio ja deduktio Induktiossa havaintoaineisto yleistetään (esim. ekstra- tai interpoloidaan) ja tuotetaan ennusteita Induktion ongelma: se ei tuota olemassaolevasta maailmankuvasta riippumattomia selityksiä Kanaesimerkki (Bertrand Russell): o kana havaitsee maanviljelijän tuovan sille päivittäin ruokaa o kana päättelee induktiivisesti maanviljelijän olevan hyväntahtoinen olento, joka jatkaa sen ruokkimista. Tämä on kanan selitys havainnoilleen o eräänä päivänä kana kuitenkin syödään päivälliseksi o! induktiivinen, olemassaolevaan maailmankuvaan perustuva päättely johti täysin väärään ennusteeseen! 5

6 Deduktiossa keksitään selityksiä ongelmien ratkaisemiseksi Deduktiossa lähtökohtana ovat useimmiten olemassaolevat selitykset (teoriat), ja kokeiden/havaintojen rooli on toimia selityksien kritiikin lähteenä Esimerkki selityksestä: Hugh Everett (1957) & David Deutsch: Kvanttimekaniikan monimaailmatulkinta: o Kvanttimekaanisten mittausten kaikki tulosvaihtoehdot toteutuvat rinnakkaisten maailmankaikkeuksien (universumien) muodostamassa multiversumissa o Esim. kaksoisrakokokeessa fotonin vaihtoehtoiset reitit toteutuvat rinnakkaisissa maailmankaikkeuksissa; kussakin maailmankaikkeudessa realisoituu (=havaitaan mittalaitteilla) vain yksi reitti o Havaittava = kouraantuntuva hiukkanen vs. toisen maailmankaikkeuden varjohiukkanen o Varjohiukkasia on huimasti enemmän kuin kouraantuntuvia hiukkasia, koska rinnakkaisia maailmankaikkeuksia on lukematon määrä 6

7 o Rinnakkaisten maailmankaikkeuksien olemassaolo havaitaan epäsuorassa vuorovaikutuksessa kouraantuntuvien hiukkasten kanssa, ilmenee interferenssiilmiöissä o Rinnakkaiset maailmankaikkeudet eivät ole siis täysin eristettyjä toisistaan o Interferenssi havaittavissa riittävän samanlaisten rinnakkaisten maailmankaikkeuksien välillä, siis sellaisten, joissa hiukkasten radat ovat hyvin samanlaiset o Ajatuskoe: Schrödingerin kissa 7

8 o Monimaailmateoria tarjoaa selityksen havainnoille, jotka kvanttimekaniikan formalismi ennustaa oikein o Useimmat fyysikot omaksuvat pragmaattisen näkökulman, jonka mukaan kvanttimekaniikassa on kyse toteuvien ja muiden mahdollisten reittien vuorovaikutuksesta ja varjohiukkanen on tapa, jolla todellinen hiukkanen olisi voinut käyttäytyä o Mittauksen tuottama aaltofunktion lokalisoituminen on hankalasti selitettävä kaukovaikutus ilman monimaailmatulkinnan omaksumista. Esim. Einstein-Podolsky-Rosen (EPR)- ajatuskoe: 8

9 AJAN LUONTEESTA Filosofinen näkökulma: ajan virtaus on prosessi, joka muuttaa tulevaisuuden vaihtoehtoiset tapahtumat kiinnitetyksi menneisyydeksi Suhteellisuusteoria! neliulotteinen aikaavaruus, eri paikoissa ja/tai liiketiloissa olevien havainnoijien käsitys samanaikaisuudesta on erilainen Staattinen, kiinnitetty aika-avaruus, josta eri havaitsijat näkevät erilaisia yhtä ajan hetkeä vastaavia leikkauksia 9

10 Kausaliteetti ja vapaa tahto illuusioita deterministisessä avaruusajassa??? Kvanttimekaniikka kuitenkin pakotti luopumaan determinismistä! monimaailmatulkinta: Determinismi toimii multiversumissa, universumien kokoelmassa. Tapahtumien erilaiset mahdolliset kulut toteutuvat rinnakkaisissa maailmankaikkeuksissa Analogia valokuvien avulla: o Yhden universumin yksi hetki "! valokuva o Yhden universumin kaikki hetket "! avaruusaika, valokuvapino (erilaisissa tiloissa olevat havaitsijat näkevät hiukan erilaisissa perspektiivissä olevia valokuvia) o Multiversumi "! avaruusaikojen kokoelma, supervalokuva o Supervalokuva kehittyy ajan filosofisen tulkinnan mukaisesti liki deterministisesti piirteissä, jotka klassinen fysiikka kuvaa hyvin, ja kvanttimekaniikan säätelemänä, eiennustettavasti mikroskooppisissa yksityiskohdissa 10

11 Toisten universumien valokuvat ovat fundamentaalisesti samanlaisia kuin oman maailmankaikkeutemme eri ajan hetkiä vastaavat valokuvat Jälkimmäiset liittyvät läheisemmin meihin, koska pystymme seuraamaan ja tulkitsemaan siirtymistä niiden välillä fysiikan lakien, esim. Newtonin mekaniikan kuvaamina Monimaailmatulkinta oikeuttaa filosofisen käsityksen ajan virrasta, sekä mahdollistaa kausaliteetin ja vapaan tahdon! Tarkastellaan kolikon heittoa prosessina, jonka kahta mahdollista lopputulosta vastaavat eri universumit o Pystysuunta vastaa eri universumeita, lopputilanteessa puolet niistä vastaa kruuna -tulosta o Multiversumissa lantin heitto on deterministinen prosessi, subjektiivisesti vain yksi vaihtoehto toteutuu (yhdistelmätilaa kruuna+klaava ei havaita) 11

12 Ajan nuoli termodynaamisessa mielessä: informaatiota häviää havaitsijan näkökulmasta: o Alkutilanteessa lantti pyörii ja kaikissa kuvan universumeissa nähdään prosessin mahdolliset lopputulokset o Lopputilanteessa kussakin universumissa on toteutunut vain yksi vaihtoehto, ja tieto toisesta mahdollisesta vaihtoehdosta on hävinnyt. Paikallaan olevasta kruunasta tai klaavasta ei voi päätellä, että lantti on joskus pyörinyt, eikä ole esim. ollut aikojen alusta levossa o Kuvitteellinen multiversumin havainnoija näkee molemmat lopputilat yhtä aikaa, ja omaa tiedon niihin johtaneesta satunnaisprosessista (lantti on joskus pyörinyt) Maailmankaikkeuden mahdollisten tilojen lukumäärä (W kaavassa S = k B ln W) kasvaa ajan funktiona! TDII! 12

13 AIKAMATKUSTUS MENNEISYYTEEN? Yleinen suhteellisuusteoria mahdollistaa, esim. Einsteinin yhtälöiden ratkaisut pyörivien mustien aukkojen tapauksessa Paradoksit? Matkustan menneisyyteen ja surmaan isoisäni lapsena! en koskaan synnykään! en voi matkustaa menneisyyteen Ei ongelmaa, koska monimaailmakuvassa päädytään toiseen maailmankaikkeuteen kuin mistä lähdettiin Ajan tulkinta hetkien jonona on approksimaatio: Kvanttimekaniikan ja yleisen suhteellisuusteorian yhdistämiseen pyrkivissä teorioissa yleinen piirre ovat universumien väliset kytkennät mittakaavassa m (Planckin pituus) ja s (Planckin aika) Einsteinin yhtälöiden singulariteettien (alkuräjähdys, mustat aukot, alkeishiukkasten suurienergiaiset törmäykset) lähellä kausaliteettikäsite menettää merkityksensä (syy ei aina edellä seurausta ) 13