BLOGIT

Joskus kysytään, paljonko fysiikassa kyseenalaistetaan vallitsevia näkemyksiä, esimerkiksi kuinka paljon vaihtoehtoja yleiselle suhteellisuusteorialle mietitään.

Vastauksen antaminen on suoraviivaista. Kaikki hiukkaskosmologian tutkimus on ilmaiseksi saatavilla nettiarkistossa arXiv. Pikaisella vilkaisulla näkyy tämän viikon kolmen ensimmäisen päivän aikana ilmestyneen 37 suhteellisuusteorian tuolle puolen menevää artikkelia. Viikko ei ole poikkeuksellinen, joten vuosittain niitä ilmestyy varovaisesti arvioiden yli tuhat. On tosin vaikea päättää, minkä katsoo suhteellisuusteoriaa kyseenalaistavaksi tutkimukseksi, kahdesta syystä.

Ensinnäkin, fysiikassa on kaksi perustaa, suhteellisuusteoria ja kvanttikenttäteoria, erityisesti sen Standardimallina tunnettu sovellus. Nämä ovat keskenään ristiriidassa. Peruskäsitykseemme siis kuuluu tieto siitä, että jompikumpi teoria ei ole täysin oikein, ja yleisesti uskotaan, että molemmat ovat väärin. Kaiken hiukkasfysiikan, ja yleensä kvanttimekaniikan, LHC:stä virtapiireihin, voisi täten lukea suhteellisuusteoriaa kyseenalaistavaksi. Mielekkäämpää on toki laskea vain sellainen työ, jossa ehdotetaan vaihtoehtoja -tai oikeammin laajennuksia- suhteellisuusteorialle itselleen; ylläoleva luku 37 on saatu näin.

Tässä tullaan toiseen, oleellisempaan ongelmaan. Fysiikan tutkimuksessa on tärkeää syynätä tunnettujen asioiden yksityiskohdat perin juurin, mutta myös uusille alueille matkaaminen on sen erottamaton osa. Kosmologian keskeisten kokeellisten kysymysten –inflaatio, pimeä aine, pimeä energia, baryogenesis– tutkimus vie suhteellisuusteorian ja Standardimallin ulkopuolelle, ja yhtenäisteoriat kuten säieteoria ovat jo lähtökohdiltaan täysin erilaisia kuin suhteellisuusteoria tai Standardimalli. Tunnettujen teorioiden laajentaminen on hiukkaskosmologian arkea, parinkymmenen artikkelin päivävauhdilla.

Ennemmin pulmana on se, että suuri osa työstä on turhan spekulatiivista. On totta, että spekulaatio tapahtuu enimmäkseen yhteisesti hyväksytyn alueen sisällä, ja sen ulkopuolelta on vaikeampaa tuoda ideoita yleiseen tietoon. Mutta nämä raamit ovat verrattomasti avarammat kuin pelkästään suhteellisuusteorian ja Standardimallin rajaama kokeellisesti varmennettu tieto.

Sen sijaan tutkimus ei kyseenalaista varmennettuja teorioita niiden pätevyysalueella. Malleja joissa maa on litteä tai yleinen suhteellisuusteoria ei vaikuta binääripulsarien kiertymiseen ei tarvitse vilkaista kahta kertaa: ne ovat ristiriidassa tunnettujen tosiseikkojen kanssa. Kun viikottain ilmestyy kymmeniä artikkeleita, vain uskottaviin kannattaa yleensä sijoittaa aikaa, eikä järjettömiin koskaan.

On oikeampaa puhua tunnetun tiedon laajentamisesta kyseenalaistamisen sijaan. Hieman tarkemmin voidaan sanoa, että tämänhetkiset teoriat ovat oikeassa nyt ja aina omalla pätevyysalueellaan, ainakin mitä tulee ennusteisiin. Uudet teoriat kertovat, mitä tapahtuu vanhan teorian rajojen ulkopuolella, ja samalla määrittävät edeltäjiensä pätevyysalueen. Teoria itsessään ei voi tietää, mihin kaikkeen se kelpaa, ainoastaan jokin ulkopuolinen voi antaa rajat.

Esimerkiksi suhteellisuusteoria määrää, että kun nopeudet ovat hitaita valonnopeuteen verrattuna ja gravitaatio heikkoa, Newtonin teoria toimii kelpoisasti, vaikka onkin perusteiltaan väärin. (Oikeastaan noiden kahden teorian suhde on kyllä monimutkaisempi kuin miltä päältä näyttää.) Suhteellisuusteorian runko on osaltaan vielä tarkemmin varmennettu kuin Newtonin teoria koskaan, eikä sitä voi pätevyysalueeltaan pois leikata — uusia oksia kyllä varmasti versoo.

LHC on törmäyttänyt hiukkasia hieman yli vuoden, ja on nyt kiinni helmikuuhun asti. Innokkaimmat odottavat löytöjä jo ensi vuonna. Koska hiukkasfysiikan Standardimalli ei toimi ilman Higgsin hiukkasta enää LHC:n luotaamilla energioilla, muutaman vuoden kuluessa löytyy väistämättä joko Higgs tai jotain muuta, olettaen että laitteiden kanssa ei tule vaikeuksia.

Standardimallin yleisesti luultavimpana pidetty laajennus perustuu supersymmetriaan, jossa kaikilla Standardimallin hiukkasilla on tasavertainen (mutta raskaampi) supersymmetrinen partneri. Supersymmetria on on saavuttanut 1980-luvulta alkaen niin vakaan aseman, että useat hiukkasfyysikot uskovat sen olevan olemassa, ja odottavat vain, koska LHC varmistaa heidän odotuksensa.

Supersymmetrian eräs motivaatio on se, että ollakseen sopusoinnussa havaintojen kanssa Higgsin hiukkanen ei saa olla tunnettuja Standardimallin hiukkasia paljoa raskaampi. Alkeishiukkaset kuitenkin vuorovaikuttavat keskenään ja muuttavat toistensa massoja. Higgsin hiukkasen massa seuraa raskainta hiukkasta, niin että sen odottaisi olevan yhtä raskas kuin tämä. Voitaisiin siis päätellä, että ei olisi olemassa mitään hiukkasia, jotka olisivat raskaampia kuin nyt tunnetut.

Tiedetään kuitenkin, että Standardimalli ei ole viimeinen sana fysiikasta, koska se ei kuvaa kaikkia havaintoja eikä päde mielivaltaisen lyhyillä etäisyyksillä. Jos uusien hiukkasten massat ovat isompia kuin nykyisten, niin on luonnollista, että niitä ei ole havaittu, koska kiihdytinten energiat eivät ole riittäneet niitä saavuttamaan. Sen sijaan on vaikea ymmärtää, miten voisi olla mahdollista, että uusia hiukkasia ei olekaan, tai että ne olisivat kaikki kevyitä. (Tästä on kyllä mielenkiintoisia ehdotuksia, joista kenties myöhemmin lisää.) Miksi siis Higgs on niin kevyt? Tämä on hieman samanlainen pulma kuin tyhjön energian kohdalla: sen odottaisi olevan niin iso kuin isoin teoriasta löytyvä energiaskaala, mutta jostain syystä havaittu arvo on paljon pienempi.

Supersymmetrian taustalla on viehättävää matematiikkaa, mutta sen suosio fyysikoiden keskuudessa perustuu siihen, miten se ratkaisee tämän ristiriidan odotusten ja havaintojen välillä Higgsin massan suhteen. Supersymmetriassa hiukkaset ja niiden superpartnerit vaikuttavat Higgsin massaan tismalleen yhtä paljon, mutta eri suuntiin: jos hiukkanen tuo lisää massaa, niin sen puoliso vie pois saman verran. Näin Higgs säilyy tyynesti paikallaan, olivat sitä riepottavat hiukkaset miten raskaita tahansa.

Aina luultavimpana pidetty mahdollisuus ei kuitenkaan toteudu. Supersymmetrialla on ongelmia, eikä sen toimivuudesta ole toistaiseksi saatu mitään kokeellista näyttöä. Eräs kiinnostavimpia vaihtoehtoja supersymmetrialle on tekniväri (technicolor). Havainnot huutavat jonkinlaista uutta hiukkasta, mutta alkeishiukkas-Higgsin massa liian iso. Jos ongelman ilmaisee näin, ratkaisu tuntuu selvältä: ehkä Higgs ei ole alkeishiukkanen? Tekniväri tarttuu tähän mahdollisuuteen.

Standardimallin värivuorovaikutuksessa eli QCD:ssä alkeishiukkasia ovat kvarkit. Ne ovat kuitenkin aina vangittuina, ja vapaana nähdään vain niiden yhteen sidottuja paketteja. Näistä ainoa stabiili –tai ainakin hyvin pitkäikäinen– kokoelma on protoni, lisäksi on olemassa neutroni, kolme erilaista pionia ja kirjava joukko muita kvarkeista koottuja hiukkasia. Kun luodataan protonin kokoa isompia etäisyyksiä, näiden hiukkasten luulisi olevan pistemäisiä alkeishiukkasia. Lähempää katsottuna kuitenkin paljastuu, että niiden sisällä on monimutkainen kahden tai kolmen kvarkin kuvio.

Teknivärissä on sama idea. (Nimi on fyysikoiden huumorintajua osoittaen poimittu elokuvateollisuudesta.) Standardimallia laajennetaan uudella vuorovaikutuksella, teknivärivuorovaikutuksella joka on samankaltainen kuin värivuorovaikutus, ja uusilla alkeishiukkasilla, teknikvarkeilla. Higgsin hiukkanen on vain kimppu teknikvarkkeja, vaikka näyttääkin kauempaa katsottuna alkeishiukkaselta. Värivuorovaikutuksen protonit ja neutronit menettävät merkityksensä, kun tiheys kasvaa niin isoksi, että ne menevät päällekkäin. Teknivärissä käy samoin: kun mennään korkeisiin energioihin, on vain teknikvarkkeja, Higgsin hiukkasesta ei ole enää puhettakaan, joten sen massastakaan ei tarvitse huolehtia.

Värivuorovaikutuksen sidottuja tiloja syntyy kvarkeista suuri suku, ja niin käy teknivärissäkin. Higgsin hiukkasen lisäksi LHC:ssä siis näkyisi muitakin teknikvarkeista kasattuja hiukkasia. Värivuorovaikutuksen tapauksessa protonien, neutronien ja muiden sidottujen tilojen tutkiminen on ydinfysiikan alaa, ja voi olla että QCD:n tuntemisen lisäksi ydinfysiikan menetelmät olisivat hyödyllisiä teknivärille. Tämä on esimerkki siitä, miten vaikeaa on arvata, mitkä fysiikan alueet osoittautuvat tulevaisuudessa hyödyllisiksi.

Teknivärillä on omat ongelmansa, eikä kaikin puolin tyydyttäviä malleja ole vielä saatu aikaan. Lähitulevaisuudessa asia ratkeaa kokeellisesti, ja tiedetään onko supersymmetrialla tai teknivärillä tekemistä Higgsin massan kanssa. Niin kauan kuin havainnot pitävät meitä epävarmuudessa, voi elätellä monenlaisia haaveita.

Muistattehan vielä ilmastoneuvottelut Kööpenhaminassa vuosi sitten? Parisataa valtiota YK:n johdolla yritti sopia keinoista, joilla ilmaston lämpeneminen rajoitettaisiin siedettäviin mittasuhteisiin. Odotukset olivat korkealla, koska Yhdysvalloissa oli vihdoin tiedemyönteinen ja ilmastopoliittisesti vastuullinen presidentti (jolla tosin oli jo silloin ongelmia senaattinsa kanssa). Erittäin hiili-intensiivinen Australiakin oli kääntänyt takkia.

Mutta sitten tuli loistavasti ajoitettu climategate, lumisateet Tanskaan ja olihan siinä talouskriisikin päällä. Köpiksessä ei saatu sovittua juuri mitään. Nyt neuvotellaan lisää Cancunin auringossa, mutta kukaan ei tunnu odottavan neuvotteluilta enää yhtään mitään. Ei edes siitä huolimatta, että cablegate paljasti, että ilmastopolitiikan kyseenalaistajatkin oikeasti uskovat ilmastotieteen valtavirtaan.

En ole koskaan ollut YK:n fani. Kyseinen puljuhan on vanhastaan kansanmurhaajan paras kaveri ja nyt myös homofobin ylin ystävä. Maailman demokraattisilla valtioilla pitäisi olla globaali all-purpose-kerho. Siis vähän kuin Nato mutta avoimempi ja ei-sotilaallinen liittouma. YK ei ole sellainen.

En siis henkilökohtaisesti osaisi kauheasti surkutella, jos YK-vetoinen ilmastopolitiikka päätyy lähivuosina lopulliseen umpikujaan. Lähes 200 maata, joista enemmistö on enemmän tai vähemmän epädemokraattisia, ei yhdessä vuosisadassa ehdi tehdä sitä määrää lehmänkauppoja, joilla jokainen saudiarabianmauripekkarinen voi palata kokouspaikalta siltarumpuihinsa tyytyväisenä kotiin. On siis alettava etsiä toista tietä kansainväliseen ilmastopolitiikkaan.

Ilmastopolitiikan paras keino olisi nykyisen sekavan ja monimutkaisen säätelyn sijaan yksi kaikille sama kansainvälinen hiilidioksidivero, mutta millä ihmeen konstilla siitä päästäisiin sopimukseen?

YK:n sijasta oikea organisaatio voisi olla maailman kauppajärjestö WTO. Eikä asioista oikeastaan tarvitsisi neuvotella siellä lainkaan. WTO voisi hoitaa käytännön byrokratiaa, mutta neuvottelun sijaan kukin maa voi valita joko liittyvänsä hiiliverokoalitioon mukaan tai maksavansa ilmastokoalitioon kuuluviin maihin viedyistä tavaroista hiilitullin.

Tällaista hiiliveron ja -tullin yhdistelmää on esittänyt muun muassa James Hansen.  Verot voisi palauttaa suoraan kansalaisille tai ne voisi käyttää työn verotuksen keventämiseen. Ilmastokoalition ulkopuolisia maita ei tarvitsisi kauhean kauan vokotella järjestelmään mukaan. Jos ne ovat ulkopuolella, ne maksavat vientitavaroistaan hiilitullin järjestelmään kuuluvalle maalle. Jos ne liittyvät mukaan, ne joutuvat verottamaan saman summan itse, mutta voivat käyttää sen rahan haluamallaan tavalla.

Vapaakauppa on niin hyödyllistä, että melkein kaikki maat haluavat olla sen piirissä. Ilmastokoalition ulkopuoliset maat voisivat tietysti käydä vapaakauppa keskenään, mutta jos maailman suurimmat markkinat ovat hiilimuurin takana, houkutus liittyä koalitioon mukaan on suuri.

Maailman suurin markkina-alue on EU. Jotta globaalit päästöt vähenisivät, Kiina, Yhdysvallat ja Intia pitää tietysti saada mukaan, mutta jos EU (ja muutama muu maa, jotka haluaisivat olla ensimmäisten joukossa) ottaisi hiilitullin käyttöön, EU:n teollisuusalue Kiina tulisi todennäköisesti pian perässä. Tuskin Yhdysvallatkaan jättäytyisi kovin pitkäksi aikaa vapaakaupan ulkopuolelle.

Typerissä ihmisissä ei ole rasittavaa niinkään heidän tietämättömyytensä kuin se, että he eivät näytä olevan tietoisia edes omasta tietämättömyydestään.

Joidenkin taitojen osalta välitön palaute estää ihmisiä ylläpitämästä illuusioita omasta erinomaisuudestaan - on harvinaista, että joku joka ei puhu juuri lainkaan ruotsia kuvittelisi selviytyvänsä nopeatempoisesta ruotsinkielisestä keskustelusta. Vähän paremmin kieltä puhuva saattaa jo onnistua tässä itsepetoksessa.

Mutta tietämisen kohdalla on usein päinvastoin. Mitä vähemmän jostakin asiasta tietää, sitä todennäköisempää on, ettei edes ymmärrä, ettei tiedä asiasta mitään. Ilmiön tuntee jokainen, joka on tavannut ilmastonmuutoksen kyseenalaistavan taksikuskin, mutta sille on hienompikin nimi. Kyse on Dunning-Kruger-efektistä.

Dunningia ja Krugeria on myös kritisoitu - ilmeisesti olemme ylipäätään huonoja metakognitiossa eli oman tietotason arvioinnissa, siis riippumatta siitä millä tasolla kognitiomme on. Kokeellinen tutkimus näyttää keskittyvän paljolti suhteelliseen taitoon. Kaikkihan ovat kuulleet, että ylivoimainen enemmistö ajokortinhaltijoista pitää itseään keskimääräistä parempana kuskina. Mielenkiintoisempaa olisi testata, missä määrin ihmiset ovat kykeneviä arvioimaan omat objektiiviset taitonsa. Tietävätkö ihmiset, milloin he todella tietävät jonkin asian ja milloin vain arvailevat?

Luin Dunning-Kruger-efektistä Tommi Uschanovin mainiosta uutuuskirjasta Suuri kaalihuijaus. Kirjoituksia yhteiskunnallisesta tietämättömyydestä. (kirja-arvioni Tiede 11/2010, ei vielä verkossa). Kaalihuijaus on vanha urbaani legenda, joka ilmeisesti kustantajan mielestä oli seksikkäämpi kuin kirjan työnimi Asiantuntijuuden ylistys.

Uschanovin kirja aukeaa moneen suuntaan, joista en kirja-arviossani päässyt käsittelemään kuin paria. Yksi Uschanovin kriittisyyden hauskimpia puolia on, että hän ei tavanomaisten kulttuuripessimistien tapaan sittenkään povaa kulttuurin romahtamista. Yhteiskuntamme tuntuu kestävän melkoisen, suorastaan yllättävän paljon yhteiskunnallista tietämättömyyttä. Oma veikkaukseni on, että tällainen “vikasietoisuus” on nimenomaan edustuksellisen demokratian piirre. Suora demokratia saattaa toimia, mutta se vaatii kansalaisiltaan paljon enemmän.

Kirjan ehkä keskeinen kriittinen sanoma on, että länsimainen kulttuuri on alkanut ihannoida aivan liikaa “itsenäistä ajattelua”, “omilla aivoillaan ajattelevia ihmisiä” ja “kriittisyyttä.” Nämähän ovat periaatteessa mitä hienoimpia valistusarvoja. Mutta kun näihin ihanteisiin ei liitetä mitään varauksia ja ehtoja, ruokimme vain Dunning-Kruger-ilmiötä. Ihmiset ovat mielellään “kriittisiä”, vaikka tietävät puheena olevasta asiasta niin vähän, etteivät edes tiedä, mikä kanta on valtavirtaa ja mikä jollakin tavalla “kriittinen” näkemys. Auktoriteettiuskosta on siirrytty asiantuntijavihaan.

Tieteen suurimmat sankaritarinat ovat näitä kopernikuksia, galileoita ja darwineja, jotka uskalsivat asettua aikansa auktoriteetteja vastaan. Mutta mitä tarkemmin perehtyy tieteen suurien vallankumouksellisten elämäkertoihin, sitä selvemmäksi käy, ettei useimmilla heistä ollut lainkaan vallankumouksellista mielenlaatua. He halusivat tietää, eivät kumota. Kumouksellisuus tuli sivutuotteena tieteellisen menetelmän noudattamisesta.

Vastakkaiseksi, mutta samaa väitettä vahvistavaksi esimerkiksi voi nostaa Freudin. Psykoanalyysi on länsimaisen tieteen hulluimpia harharetkiä. Freud ei kuitenkaan päätynyt siihen tieteellisen menetelmän vaan messiaanisen kunnianhimon kautta. Freud halusi nähdä itsensä kuvainkaatajana, tabujenrikkojana ja kopernikaanisena vallankumouksellisena. Lopputuloksena oli järkyttävän auktoriteettiuskoinen instituutio.

Miten peruskoulun tai lukion opettaja, tiedetoimittaja tai yliopiston professori voisi kannustaa ihmisiä luopumaan auktoriteettiuskosta ilman että se johtaa Uschanovin kuvaamaan asiantuntijavihaan? En tiedä hyvää vastusta tähän kysymykseen. (Mutta sentään tiedän, etten tiedä.)