Juttu on julkaistu Yliopisto-lehdessä 5/2025.
Kuuntele juttu Tiedettä rakkaudella -kanavalta Soundcloudista tai Spotifysta.
”Jos emme voi todistaa hänen olevan väärässä, jättäkäämme hänet huomiotta.”
Näin tylysti fyysikko J. Robert Oppenheimerin väitettiin tyrmänneen entisen väitöskirjaohjattavansa, fyysikkona arvostetun David Bohmin.
Bohm julkaisi vuonna 1952 Physical Review -lehdessä artikkelin, jossa hän esitti niin sanotun pilottiaaltoteorian. Sen mukaan vallitseva näkemyksemme fysiikan alkeishiukkasiin kuuluvasta elektronista olisi perustavanlaatuisesti puutteellinen. Bohm arvioi monien kvanttimaailman outouksien selittyvän siten, että elektroni olisikin yhtä aikaa sekä hiukkanen että sitä ohjaava pilottiaalto.
Princetonin yliopiston kollegat yrittivät turhaan löytää artikkelin matematiikasta virheitä. Uskottavana teoriaa ei silti pidetty. Niinpä siihen vastattiin Oppenheimerin ehdotuksen mukaisella hiljaisuudella.
Muuttuvat maailmankuvat
Pilottiaaltoteoriaa ei vieläkään hyväksytä yleisesti. Siihen on kuitenkin viitattu tuhansia kertoja ja sillä on nä kyvää kannatusta etenkin filosofian ja fysiikan rajapinnassa, kertoo teoreettisen filosofian yliopistonlehtori Paavo Pylkkänen, joka työskenteli Bohmin kanssa Lontoon yliopistossa 1980-luvulla.
Nyt Pylkkänen vetää Helsingin yliopistossa filosofian hanketta, joka selvittää, millä lailla fysiikan teorioita rakennetaan ja mitkä ovat niiden arviointikriteerit.
Tieteenhistorian kumouksista löytyy paljon esimerkkejä, kuten siirtyminen maapallokeskeisestä aurinkokuntamallista aurinkokeskeiseen tai newtonlaisen fysiikan korvautuminen suhteellisuusteorialla.
— Fysiikan maailmankuva on muuttunut monesti. Onko siis syytä olettaa, että nykyinen käsityksemme on lopullinen totuus, Pylkkänen kysyy.
Nykyfysiikan tärkeimmät teoriat, suurta mittakaavaa käsittelevä yleinen suhteellisuusteoria ja pienen pientä koskeva kvanttimekaniikka, eivät sovi yhteen, vaikka molemmat toimivat. On siis selvää, etteivät ne kuvaa koko todellisuutta vaan uusia ideoita tarvitaan.
Juttu jatkuu kuvan jälkeen.
Dynamiikan puolesta
Yhden vaihtoehdon tarjoaa tekniikan tohtori, Helsingin yliopiston kunniatohtori Tuomo Suntola. Millennium-palkittu Suntola tunnetaan erityisesti atomikerroskasvatuksen eli ALD:n kehittäjänä.
Viime vuosikymmenet Suntola on vienyt eteenpäin ajatusta dynaamisesta universumista. 1990-luvulla kehitetty teoria perustuu näkemykseen maailmankaikkeudesta eräänlaisena supistuvan ja laajenevan neliulotteisen pallon pintana.
Fyysikkopiireissä teoriaa ei juuri noteerata.
Suntola on yrittänyt saada aiheesta julkaisuja alan tiedelehtiin, mutta ne kieltäytyvät julkaisemasta artikkeleja, jotka eivät jaa yleisesti hyväksyttyä eli suhteellisuusteoriaan perustuvaa käsitystä maailmankaikkeudesta.
2000-luvun alussa Hubble-teleskoopin havainnot supernovaräjähdyksistä kulkeutuneesta valosta eivät selittyneet suhteellisuusteorialla.
Matemaatikko Robert Day teki vuonna 2004 analyysin erilaisista vaihtoehtoisista selitysmalleista. Niistä tarkimmaksi osoittautui Suntolan dynaamiseen universumiin perustuva yksinkertainen malli.
Day ja Suntola laativat aiheesta yhteisen julkaisun fyysikkojen ArXiv-tietokantaan. Se meni läpi.
— Seuraavaksi tarjosin uutta artikkelia, jossa selitin, mihin laskelmat perustuivat. Se sai olla tietokannassa vain hetken, kunnes se poistettiin.
Toistaiseksi fyysikot eivät ole aiheesta innostuneet, kun taas filosofit ovat avarakatseisempia, Suntola arvioi.
Totta toistaiseksi
Nykyisistä teorioista pidetään kiinni niiden puutteista huolimatta, koska niitä on todennettu monin erin tavoin. Esimerkiksi suhteellisuusteoriaa on testattu lukuisin kokein ja mittauksin, ja tulokset ovat olleet uskottavia. Myös Suntolan ja Dayn analysoimat supernovahavainnot voi selittää pimeän energian avulla.
Teorioiden kumoukset ovat usein lopulta pienempiä kuin on ajateltu, Paavo Pylkkänen huomauttaa.
Ennen Einsteinia tunnettiin teoria valoaaltojen väliaineena toimivasta eetteristä. Vaikka teoriasta luovuttiin, valon liikkeen kuvaamiseen käytetyt yhtälöt olivat käyttökelpoisia.
Uudet teoriat voivat siis rakentua vanhojen päälle.
Tieteenfilosofi Karl Popperin keskeisiä ajatuksia oli se, ettei mikään teoria voi koskaan kuvata todellisuutta loputtoman tarkasti. Emme voi sanoa, että teoria on tosi, voimme vain sanoa, ettei sitä ole vielä kumottu.
Silti jotkut tieteenfilosofit ajattelevat, että teorioiden kuva maailmasta lähestyy totuutta. Esimerkiksi Popper ja Ilkka Niiniluoto puhuvat totuudenkaltaisuudesta: vaikka mikään teoria ei kuvaisi oikein jotain todellisuuden osa-aluetta, paras teoria on se, joka olisi lähinnä kuvausta, joka on tosi.
Ongelma on kuitenkin se, ettemme tiedä mikä on totuus, Pylkkänen sanoo.
— Tieteessä ensin hyväksytyllä teorialla on aina etulyöntiasema, jolloin haastajien pitää kumota se. Mutta onko aiemmin keksitty automaattisesti parempi?
Ajan Ongelma
Popperin mukaan jokaisen vakavasti otettavan teorian pitäisi olla kumottavissa. Jos dynaamisen universumin teoria on pielessä, mikseivät fyysikot kumoa sitä?
Haluttomuuteen on yksinkertainen selitys, kertoo vanhempi yliopistonlehtori Esko Keski-Vakkuri Helsingin yliopistosta.
Hän ei ole tutustunut dynaamiseen universumin malliin ja puhuu aiheesta yleisellä tasolla.
— Aikaa on rajallinen määrä ja jokaisella tutkijalla on jatkuvasti kymmeniä omaa tutkimusalaa sivuavia papereita luettavaksi, Keski-Vakkuri kuvaa.
Pelkästään Keski-Vakkurin omasta tutkimuskohteesta, alkeishiukkasfysiikasta, julkaistaan ArXiv-tietokannassa tuhansia kirjoituksia vuodessa.
— Koskaan ei tiedä, herättääkö oma julkaisu mielenkiintoa vai ei. Kukaan ei voi automaattisesti odottaa huomiota.
Villeimmille ideoille on muita foorumeja, mutta niillä julkaisut hukkuvat vielä helpommin.
Vaihtoehtoisista teorioista ei ole pulaa. Fyysikot saavat runsaasti yhteydenottoja tiedeyhteisön ulkopuolisilta henkilöiltä, joilla olisi ainakin omasta mielestään käypiä ratkaisuja fysiikan pulmiin.
Matemaattinen fyysikko John Baez on jopa kehittänyt ”sekopääindeksin”, jossa yhteydenottajia pisteytetään vaikkapa teorian epämääräisyyden, tunnustuksen vaatimisen tai tieteiskirjallisuuteen vetoamisen mukaan.
Suntola ymmärtää tutkijoiden turhautumista monentyyppisiin yhteydenottoihin.
— Saan niitä aika paljon itsekin.
Juttu jatkuu kuvan jälkeen.
Tieteellistä pääomaa
Tieteenhistoria kirjoitetaan usein yksittäisten tutkijoiden sankaritarinoiksi, vaikka tutkimus on useimmiten yhteistyötä.
Esimerkiksi Einstein toimi osana fyysikkojen yhteisöä ja kävi aktiivista kirjeenvaihtoa muiden eturivin tutkijoiden kanssa.
Se, ketä kuunnellaan, riippuu paljon siitä, kuinka uskottavana puhujaa pidetään ja kuinka paljon hänellä on tieteellistä pääomaa, Pylkkänen huomauttaa.
Esimerkiksi Bohm keräsi tieteellistä pääomaa kirjoittamalla arvostetun kvanttifysiikan oppikirjan ja kehittämällä plasmafysiikan teoriaa. Hänen teoriaansa ei ensin ohitettu, vaan yritettiin kumota. Se sysättiin syrjään vasta, kun kumoaminen ei onnistunut.
Nykypäivän fysiikoista Pylkkänen mainitsee Nobel-palkitun brittifyysikon Sir Roger Penrosen, jolla on ollut melko radikaaleja ajatuksia kvantti-ilmiöistä jopa älykkyyden, tietoisuuden ja vapaan tahdon ongelmien ratkaisijoina.
— Moni ei taida jakaa hänen näkemyksiään, mutta häntä kuitenkin kuunnellaan, Pylkkänen sanoo.
Suntola on arvostettu henkilö. Hänet on muiden meriittien ohella mainittu jopa mahdollisena Nobelin palkinnon saajana. Eikö hänellä ole tieteellistä pääomaa?
— Niinhän sitä luulisi, mutta ei se oikein taida auttaa. Ajatuksena tuntuu olevan, että vaikka olisi kova nimi teollisuudessa, niin ei se auta tässä, Suntola toteaa.
Vielä ehtii
Tieteessä argumentin esittäjällä ei oikeastaan pitäisi olla väliä. Tärkeää on se, selittääkö uusi teoria maailmaa tarkemmin kuin vanha ja näyttääkö se eri testeissä kantavuutensa.
Fysiikan perusteorioiden kokeellinen testaaminen ei kuitenkaan ole ihan helppoa. Vaikka suhteellisuusteoriaa on paikoin vaikea ymmärtää arkijärjellä, se todistetusti selittää lukuisia havaittuja ilmiöitä planeettojen radoista ja atomikelloista alkaen. Jos jokin havainto, kuten universuminen laajeneminen, ei tunnu sopivan teoriaan, sitä voidaan täydentää pimeän energian kaltaisilla korjauksilla.
On vaikea järjestää koetta, jossa dynaaminen universumi osoittautuisi selkeästi paremmaksi tai huonommaksi kuin suhteellisuusteoriaan pohjaavat selitysmallit.
Yksi mahdollinen tapa viedä teoriaa eteenpäin voisi Esko Keski-Vakkurin mukaan olla se, että Suntola palkkaisi tunnetun suhteellisuusteoreetikon arvioimaan teoriaa.
— Tosin silloin kannattaa suhtautua rakentavasti myös mahdolliseen negatiiviseen palautteeseen, Keski-Vakkuri tuumii.
Tuomo Suntolaa ajatus ei innosta.
— Minä haluan mennä perinteistä reittiä, en väkisin vaan väsyttämällä. Olen varma, että ajan myötä dynaamisen universumin teorian arvo ymmärretään. Ei ole mitään kiirettä.
Yliopisto-lehti on Helsingin yliopiston tiedelehti, joka on sitoutunut journalistin ohjeisiin.
Dynaamisen universumin teorian mukaan kolmiulotteinen maailmankaikkeutemme on itse asiassa neliulotteisen pallon pinta. Pallo vuoroin supistuu singulariteetiksi, aika-avaruuden vääristymäksi, luovuttaen painovoimaenergiaa. Sitten se jälleen laajenee sitoen itseensä aiemmin luovuttamansa energian.
Laajenemisnopeus on yhtä kuin valon nopeus. Toisin kuin suhteellisuusteoriassa, valon nopeus ei kuitenkaan ole vakio, vaan muuttuu pallon laajenemisnopeuden mukana ja on siis ollut erilainen eri kohdissa maailmankaikkeuden ikää.
Dynaamiseen universumin teorian mukaan aika ei ole suhteellista. Kellot käyvät eri tahtiin, koska liikkeessä oleva kello sitoo osan energiastaan liikkeeseen. Nopeasti liikkuva kello sitoo enemmän energiaa, minkä vuoksi esimeriksi raketissa kiitävän astronautin kello käy hitaammin kuin avaruuslennon tarkkailijan. Dynaamisen universumin teorian mukainen maailmankaikkeus olisi ainakin ajan osalta suhteellisuusteoriaa helpompi hahmottaa.
Teorian perusteita on pohdittu 1900-luvun alusta alkaen. Maallikon on vaikea arvioida sen uskottavuutta, mutta fyysikkojen valtavirtaa teoria ei ole vakuuttanut.
Parikymmentä vuotta sitten suomalaisfyysikot Tuomas Lappi ja Antti Gynther kritisoivat teoriaa siitä, ettei se näyttäisi olevan systemaattinen siinä, vaikuttaako painovoima neljänteen ulottuvuuteen vai ei. Teoria ei kestänyt matemaattista tarkastelua.
Ei ole syytä olettaa suhteellisuusteorian olevan väärässä vain siksi, että sen hahmottaminen intuitiivisesti on vaikeaa, fyysikot toteavat. Ihmisen ymmärrys ei ole luonnon mitta.