Maailma on yksi

25.4.2014
ARTIKKELI (4/14) | Mitä jos yksi teoria voisi selittää vapaan tahdon ongelman, alkeishiukkasten rakenteen, kvanttifysiikan kaksoisrako­kokeen, evoluution ja sen, miksi menneiden aikojen törttöilyjä on hankala jälkikäteen korjata?

Occamin partaveitsi on tieteenfilosofinen periaate, jonka mukaan yhtä selitysvoimaisista teorioista tulisi suosia yksinkertaisempaa. Einstein muotoili saman niin, että luonnonlaki on sitä vaikuttavampi, mitä yksinkertaisempia ovat sen lähtökohdat ja mitä laajempi sen vaikutuksen ala.

Paras teoria olisi siis simppeli teoria, joka selittäisi kaiken. Kuulostaa hurjalta. Hurjalta se kuulosti aluksi myös biofysiikan professori Arto Annilan mielestä. Vaikka fysiikka on paljastanut kokeillaan ja mittauksillaan maailmasta valtavasti asioita, ovat jotkut sen hellimistä teorioista olleet käsitteellisessä korkealennossaan vieraan oloisia.

Demokritos ja Parmenides antiikin Kreikassa, Galileo Galilei, Isaac Newton, Ludwig Boltzmann. He kaikki ajattelivat, että maailma koostuu jakamattomista perusosasista. Tätä kreikan sana ἄτομος merkitsi, jakamatonta.

Atomi-nimi kuitenkin tärvääntyi kappaleelle, joka oli kuin olikin jaettavissa. Annilan mukaan antiikin filosofien perusta on silti pätevä. He vain turvautuivat logiikkaan kokeiden sijaan.

— Mitä jos peruskappale olisikin valokvantti eli fotoni? Se on pienin tunnettu osanen, jonka sitoutuminen tai vapautuminen liittyy kaikkiin kemiallisiin ja ydinreaktioihin.

Annila on tutkinut aihetta vuosia. Hän on vähä vähältä vakuuttunut siitä, että mikä tahansa tilan muutos voisi olla reaktio, jossa valokvantti joko sitoutuu tai vapautuu.

— Kun nostan kynän pöydältä, aiheutan tilan muutoksen aamupalani voimin. Ja aamupala on valmistettu auringonvalolla eli fotoneilla. Kun pudotan kynän, fotoneita pitää siis puolestaan vapautua. Miksi emme näe valoa tai tunne lämpöä?

FOTONIT KAIKKIALLA | Lämpöä ja valoa ei to­siaan voi aina havaita, vaikka fotonit olisivatkin läsnä. Jos kaikki koostuu valokvanteista, mistä sitten rakentuu avaruus, pimeä ja kylmä tyhjiö? Ymmärtääkseen, miten fotoni voisi olla perimmäinen rakennusosa, se tulee mieltää aaltona.

— Jos kahden fotonin aallot ovat keskenään vastakkaisissa vaiheissa, niin että toisen aallonpohja on toisen huippu, ne sammuttavat toisensa. Emme havaitse sähkömagneettisia voimia, mutta fotonit etenevät edelleen tiheysaaltona, Arto Annila kuvaa.

Nykyfysiikan mukaan tyhjiöstä voi koeolosuhteissa muodostua materiaa, kuten elektroneja tai positroneja. Kvanttifysiikka olettaakin tyhjiön sisältävän kvantteja, joskin virtuaalisia.

— Tyhjiö koostuu todellisista fotoneista, jotka ovat pareittain ja keskenään vastakkaisissa vaiheissa. Kun elektroni ja positroni kohtaavat toisensa, ne annihiloituvat eli tuhoutuvat. Silloin havaitaan syntyvän muutamia fotoneita, mutta ehkä syntyykin myös pimeitä fotoneita. Ei tarvitse olettaa mitään virtuaalista.

Jos valokvanttien avulla voidaan selittää tyhjiön ominaisuuksia, miten on sitten alkeishiukkasten laita? Atomithan koostuvat protoneista, neutroneista ja elektroneista, jotka puolestaan rakentuvat niitäkin pienemmistä kvarkeista.

— Hienorakennevakio kertoo meille, että elektroni käsittää 138 kvanttia. Rakenteeltaan se on torus, kela, kuten André-Marie Ampere jo päätteli. Yksinkertainen malli pitää kutinsa mit­tausten kanssa, kuten myös positronin ja neutronin mallit. Alkeishiukkasmalleja voi koota ikään kuin legopalikoilla rakentelisi.

LAKI | Ajatellaan, että kaikki koostuu valokvanteista. Jos fysikaalinen maailma toimii lainmukaisesti, eikö voisi olettaa, että on laki, jota seuraavat sekä perusosaset että niistä muodostuva todellisuus?

— Tätä tukevat havainnot kaikkialla näkyvistä vinoista, s-muotoisesti kertyvistä logaritminormaalisista jakaumista. Bakteerit kasvavat näin, samoin teollisuudenalat. Maanjäristysten jakauma on samanlainen kuin erikokoisten aivoaluei­den aktivoitumisjakauma. Galaksien verkostojen rakenne muistuttaa kaupungin liikenneverkkoa.

Tämä kaikkialla ilmenevä laki on Annilan mukaan paitsi olemassa, myös löydetty jo muutamia kertoja. Se on Newtonin toinen liikelaki (1687), Pierre Louis Maupertuis’n pienimmän vaikutuksen laki (1746) ja  Nicolas Sadi Carnot’n muotoilema termodynamiikan toinen pääsääntö (1824).

— Koulussa Newtonin liikelaki opetetaan muodossa F=ma, voima on massa kertaa kiihtyvyys. Newton ei itse kirjoittanut sitä näin, Annila huomauttaa.
Newtonin muotoilun mukaan voima on liikemäärän muutos aikayksikössä. Liikemäärän derivaatta ajan suhteen, F = d(mv)/dt = ma + vdm/dt, pitää sisällään myös massan muutoksen.

— Einstein kertoo meille, että massan muutos on energian muutos. Ja vapautuva energia vapautuu kappaleesta ympäristöön tai toisin päin.
Tavallisissa tapauksissa massan muutoksen huomioiminen ei ratkaisevasti muuta tulosta, mutta kyseessä on silti merkittävä seikka.

— Massan muutos on monesti hyvin pieni, mutta jollei energian eli valokvanttien vapautumista huomioida, liikelaki ei kuvaa maailmaa.

Maailma on jatkuvassa muutoksessa, ja liikelait kuvaavat miten tuo muutos tapahtuu. Newton sanoo, että puro virtaa rinnettä alas jyrkintä mahdollista reittiä. Maupertuis’n mukaan muutkin energiavirrat kulkevat nopeinta tietä. Carnot puolestaan sanoo, että entropia kasvaa mahdollisimman nopeasti.

— Kun järjestelmään tuodaan lämpöä tai sitä vapautuu, järjestelmän tilan on muututtava. Valo valitsee aina nopeimman reitin, sanoo Pierre de Fermat.

Niin, ja kaikkihan on pohjimmiltaan valoa.

LAIN ORJAT | Maupertuis käsitteli aikanaan pienimmän vaikutuksen periaatteen avulla talouselämää ja biologiaa siinä missä fysiikkaakin. Maupertuis’n laki ei kuitenkaan maistunut kehittyvälle luonnontieteelle.

— Fysiikan haluttiin olevan laskettavaa, eikä Maupertuis’n yhtälöä voi ratkaista. Fysiikan idea on ennustettavuus. Fysiikan ongelma on, että luonto ei ole ennustettava.

Vaikka joki virtaa aina nopeinta reittiä, sen perusteella ei voi ennustaa, millaisen suiston se muodostaa. Muuttuvassa liikkeessä kvantteja vapautuu aina ympäristöön. Siten ympäristön tila muuttuu. Ja ympäristön tila vaikuttaa liikkeeseen. Koska liikkuvan kappaleen ja ympäristön tila muuttuvat jatkuvasti, liikeyhtälöä ei voida laskea.

— Luonnonlaissa ei ole sattumaa, kaikelle on syynsä. Silti alkutilanteesta ei voi laskea lopputilannetta. Kun kaikki riippuu kaikesta, liikeyhtälöä ei voi ratkaista.

KAIKEN TEORIA | Maupertuis’n tavoin Annila on teoriansa soveltamisen suhteen kaikkiruokainen. Jos kaikki koostuu fotoneista ja niiden välittämät energiavirrat noudattavat luonnonlakia, teorian sovellusalaa ei ole syytä rajata.

Tietenkin eläinpopulaatioiden kasvu, puhumattakaan yhteiskunnallisista asioista, on huomattavan monimutkaista. Lainomaisuuksista voi  tosin hyvin nähdä epädeterminismille tunnusomaisen kehämäisen syy vai seuraus -ajattelun.

— Jos ihmispopulaatio ei olisi kasvanut suureksi, emme olisi voineet kuvitellakaan tällaista fossiilisten polttoaineiden keruuta tai ydinvoiman pystyttämistä. Toisaalta ilman suhteellisen helppoja ja halpoja energialähteitä emme koskaan olisi voineet lisääntyä näin hurjasti. Muna vai kana?

Laskettavuuteen pyrkivälle tieteelle epädeterminismi on epämieluisaa. Siksi fysiikka suuntautui liikeyhtälöihin, joista voidaan tavallisesti poistaa aikaulottuvuus koordinaatiston muutoksella. Tasapainotilainen liikeyhtälö voidaan ratkaista.

— Nämä kuvaukset ovat miellyttäviä, mutta ne eivät ole tästä muuttuvasta maailmasta.

YKSINKERTAISEMMIN | Mekaniikan perusteista käsin Annila pöllyttää myös joitakin modernin fysiikan teoreettisia oletuksia. Hän ei näe tarvetta yleisen suhteellisuusteorian kaarevalle aika-avaruudelle tai pimeälle energialle.

Kun avaruuden tyhjiö on täynnä pareittaisia pimeitä fotoneita, pimeää ainetta tai pimeää energiaa ei enää tarvita laskuja täydentämään. Ja kvanttimekaniikankin abstraktit selitykset ovat vieraantuneet todellisuudesta, professori arvioi.

Kvanttimekaniikalle keskeisessä kaksoisrakokokeessa ammutaan fotoneita tyhjiössä kohti levyä, jossa on kaksi reikää. Levyn toisella puolella on ilmaisinseinämä, jossa näkyy fotonien aiheuttama interferenssikuvio tummine ja vaaleine raitoineen. Interferenssikuvio syntyy, kun aallot, esimerkiksi valo, kohtaavat toisensa. Siksi on kummallista miksi kuvio näkyy, vaikka fotoneita lähetettäisiin vain yksi kerrallaan.

Kvanttimekaniikka selittää ilmiön näin: fotoni on samanaikaisesti eri paikoissa, joten interferenssi syntyy sen kulkiessa ilmaisimeen kaikkia mahdollisia reittejä. Arto Annilalla on toinen tulkinta.

— Kun ymmärrämme, että tyhjiö ei ole tyhjä, vaan se koostuu pareittain toisensa sammuttaneista valokvanteista, niin valolähteestä ammutut fotonit interferoivat niiden kanssa. Ikään kuin tuuppivat niitä eteenpäin.

Kaksoisrakokokeen voi havainnollistaa ajattelemalla venettä, joka saapuu satamaan, jota suojaa kaksiaukkoinen aallonmurtaja. Kun vene kulkee toisesta aukosta, sen jälkeensä jättämät aallot kulkevat myös toisesta. Tällöin ei ihmetytä, miksi vene keinuu laiturissa omissa laineissaan.

Kaikki on jälleen yllättävän yksinkertaista.

MINÄ JA MUUT | Annila kutsuu teoriaa kokonaisvaltaiseksi luontokäsitykseksi.  Jokainen on oman ympäristönsä eli energiaerojensa armoilla. Mitään ei voi tarkastella ulkoapäin vaikuttamatta kohteeseen.

— Kvanttimekaniikassa tunnetaan Heisenbergin epämääräisyysperiaate, jonka mukaan emme voi yhtä kvanttia tarkemmin selvittää, missä tilassa joku on. Emme tosiaan voikaan.

Kun haluamme nähdä jotakin, meidän tulee saada verkkokalvoillemme ainakin yksi valokvantti kohteesta, ja tuolloin kohteen tila on muuttunut vähintään kvantin verran. Kun aistimme kylmän, aistimme sen niin, että kvantteja karkaa meistä.

— Tutkimuskin vaikuttaa aina maailmaan. Vähän niin kuin tekisi riistalaskentaa ampumalla lintuja. Kyllä se vaikuttaa populaatioon.

Kun kaikki koostuu samoista dynaamisesti toisiinsa vaikuttavista osasista, on vaikea toisaalta tehdä eroa subjektin ja objektin, minän ja maailman tai elollisen ja elottoman välille.

— Vapaa tahto on suotta nähty vain filosofisena ongelmana. Se on vapaata energiaa ajatella ja toimia. Niin kauan kuin sitä on käytettäväksi, on epädeterminismin mukaan vaihtoehtoja.
Usein emme voi korjata virheitämme, koska meillä ei ole riittävästi energiaa palauttaa töppäilyssä taivaan tuuliin karanneita fotoneja entisille paikoilleen, Annila tuumaa.

VÄLITTÄJÄ | Arto Annila ei koe, että hän olisi keksinyt mitään uutta. Perusteet tulevat antiikista ja lainmukaisuuksien matemaattiset muotoilutkin vuosisatojen takaa.
Koska kyseessä on kaiken teoria, yksikin vastaesimerkki kumoaa sen.

— Yhtäkkiä huomasin olevani tekijä näissä yhtälöissä. Aluksi olin järkyttynyt, että tämmöi­nenkö tämä maailma nyt on. En koe ajavani asiaa sydänverellä, mutta en ole vastaesimerkkejä löytänyt.
Annila onkin etsinyt aineistoa, jossa lainalaisuus ei pätisi.

— Fysiikan tuloksilla on kvantitatiivista vertailuvoimaa, jolla teorian voisi haastaa. Biologia ja käyttäytymis- ja yhteiskuntatieteet tarjoavat trendejä ja paljastavat monimutkaisia riippuvuussuhteita yksinkertaisesti selitettäväksi.

Annila on käsitellyt tutkimusartikkeleissaan kokonaisvaltaisen luontokäsityksen pohjalta muun muassa evoluutiota.

Ja miksipä ei. Annilan artikkeleita on ilmestynyt arvostetuissa kansainvälisissä julkaisuissa, mutta keskustelua ei ole syntynyt.

— Voisi sanoa, että kirjoitukseni eivät ole vielä saaneet osakseen ansaitsemaansa hyökkäystä, Annila haastaa.

 

Lue lisää aiheesta: Kestävä kehitys