Olen kirjoittanut enimmäkseen nykyfysiikasta ja ajankohtaisista tutkimuskohteista, kuten pimeästä aineesta, pimeästä energiasta, inflaatiosta ja supersymmetriasta. Virtuaalisten hiukkasten yhteydessä kvanttimekaniikan arkijärjen vastaiset piirteet tulivat esille, joten palaan tähän lähes sata vuotta vanhaan asiaan.

Kvanttimekaniikka sai alkunsa onnistuneena yrityksenä korvata klassisen mekaniikan lait, jotka käsittelivät sitä, miten kokoelma keskenään vuorovaikuttavia hiukkasia käyttäytyy. Tämä hiukkasia käsittelevä kvanttimekaniikan perusteoria saavutti lopullisen muotonsa 1930-luvun alkuun mennessä. Samaa matemaattista rakennetta sovellettiin sitten hiukkasten sijasta kenttiin ja saatiin aikaan kvanttikenttäteoria, joka kuvaa suhteellisuusteorian ohella todellisuutta perustavanlaatuisimmalla tasolla, mihin on toistaiseksi päästy.

Kvanttifysiikan vaikutus arkielämään on ollut perinpohjin mullistava - esimerkiksi kaikki elektroniikka ja moderni kemia pohjaa kvanttiefektien ymmärtämiseen. Kvanttimekaniikka on myös muuttanut täysin käsityksemme todellisuuden luonteesta. Populaarin tason selvityksen tästä yli 80 vuotta vanhasta teoriasta pitäisi kuulua peruskouluopintoihin.

Kvanttimekaniikka on kuitenkin yleisesti huonosti tunnettua. Fysiikassa se on arkinen työkalu, mutta tutkijayhteisön ulkopuolella kvanttimekaniikkaan tuntuu liittyvän paradoksaalisuuden ja kummallisuuden ilmapiiri. On syytä korostaa, että kvanttimekaniikka on sisäisesti ristiriidaton teoria ja sopusoinnussa havaintojen kanssa, joten siinä ei ole mitään paradoksaalista. (Klassinen fysiikka sen sijaan on hyvin paradoksaalinen: se on ristiriidassa sekä itsensä että havaintojen kanssa - siksi se korvattiinkin modernilla fysiikalla.) Kummallista kvanttimekaniikka kyllä on, koska sen näyttämä kuva maailmasta eroaa merkittävästi arkikäsityksistä.

Kvanttimekaniikan keskeinen piirre on se, että maailma on epädeterministinen. Tämä tarkoittaa, että on olemassa asioita, joita ei voi periaatteessakaan ennustaa. Tarkemmin sanottuna, on olemassa asioita, joiden tila ei ole määrätty. Esimerkiksi alkeishiukkasella ei yleensä ottaen ole mitään yhtä sijaintia, vain tietty todennäköisyys olla eri paikoissa.

Se, että kaikkea ei voi ennustaa, ei ehkä ensikättelyssä tunnu huolestuttavalta. Arkielämässäkin kyky ennustaa tulevaisuutta on heikko, koska arkiset systeemit ovat niin kovin monimutkaisia. Mutta se piirre, että asiat eivät ole lainkaan määrättyjä, on hyvin vierasta. Jos heitän kolikon ilmaan, en pysty arvioimaan tarkkaan miten se pyörii lentäessään tai mihin se laskeutuu, mutta tuntuu itsestään selvältä että kolikolla kuitenkin on koko ajan tietty suunta, paikka ja nopeus. Se ei kuitenkaan ole totta.

On olemassa tunnettuja koejärjestelyjä, jotka osoittavat, että asioilla ei aina ole määrättyä tilaa, kuten kaksoisrakokoe. Mainitsen näistä Bellin epäyhtälön, jonka itse koin aikoinaan valaisevaksi. Idea on seuraava. Otetaan kaksi hiukkasta, vaikkapa elektronia, jotka lähtevät samasta paikasta eri suuntiin. Elektroneilla on ominaisuus nimeltä spin, joka voi saada kaksi eri arvoa, sanotaan vaikka ylös ja alas. Kokeessa elektronien spinit eivät ole riippumattomia toisistaan. Yksinkertaisimmassa tapauksessa, jos yhden elektronin spin on ylös, niin toisen spin on alas. Yhteys voi myös olla monimutkaisempi, siten että jos mitataan yhdelle hiukkaselle spin ylös, niin toisen spinillä on tietty todennäköisyys olla alas.

Jos oletetaan vain että kummankin elektronin spinillä on koko ajan joku määrätty arvo ja että spinien mittaukset ovat riippumattomia, voidaan johtaa Bellin nimellä kulkeva epäyhtälö, joka rajoittaa sitä, mikä spin-mittausten tilastollinen yhteys voi olla. (Bellin teoreemasta ja sen merkityksestä todellisuuskäsitykselle enemmän Kyösti Blinnikkan graduun pohjaavassa katsauksessa; epäyhtälön yksityiskohtia voi katsastaa täältä.)

Kokeellisesti havaitaan, että Bellin epäyhtälö ei päde. Toisin sanoen joko spineillä ei ole koko ajan määrättyä tilaa, tai kahden mittauksen välillä on aina jokin yhteys - vaikka ne tehtäisiin niin nopeasti peräjälkeen, että valo ei ehdi matkata niiden väliä. Kvanttimekaniikassa pätee ensimmäinen vaihtoehto: hiukkasten spineillä ei ole mitään arvoa ennen kuin ne on mitattu. Sama koskee kaikkia muitakin hiukkasten ominaisuuksia: asioilla ei yleensä ole määrättyä tilaa. Tämä tietysti pätee myös hiukkasista koostuviin kokonaisuuksiin, kuten kissoihin, koiriin ja sateenvarjoihin. Käytännön merkitys on arkiskaalalla mitätön, mutta periaate ei siitä kalpene.

Ajattelumme on kehittynyt evoluution myötä arvioimaan ympäristöä tietyllä pituus- ja aikaskaalalla. Käsityksemme todellisuudesta heijastaa vain niitä fysiikan piirteitä, jotka ovat merkittäviä tällä rajoitetulla alueella. Kvanttimekaniikan paljastamat pienen skaalan ilmiöt avaavat ovet syvempään todellisuuteen, joka vaikuttaa vieraalta ja epätodelta. Mutta vika ei ole maailmassa, vaan aivoissamme, joiden karkea todellisuuskuva on ainoa mittamme sille, mikä tuntuu todelta. Yhtä lailla suhteellisuusteoria osoittaa, että arkikäsityksemme ajasta ja paikasta on virheellinen - mutta se on toinen totuus, josta kenties myöhemmin lisää.

Kommentit (18)

Alan Dorkin

Hyvä blogi! Kirjoitit muun muassa: ”Kvanttimekaniikan paljastamat pienen skaalan ilmiöt avaavat ovet syvempään todellisuuteen, joka vaikuttaa vieraalta ja epätodelta.”

Kysymys: Miksi ihmiskunta uhraa voimavarojaan kvanttimekaniikan ”syvemmän todellisuuden” tutkimiseen? Mitä ihmiskunnan käytännön elämään liittyvää hyötyä on esim. Higgsin hiukkasen tai vielä sitäkin pienempien partikkeleiden löytämisestä?

Alan Dorkin

Tarkennan vähän edellistä kysymystäni:
Perustelit toki hyvin tutkimuksen tähänastisia merkityksiä, mutta ollaanko nyt menossa jo liian pitkälle?

Alan Dorkin

Kiitos Syksylle! Se oli erinomainen vastaus. Anteeksi, etten ollut sitä itse hoksannut. Olen jatkossa huolellisempi. A.D.

Petri

Haluaisitko valaista hieman tarkemmin tuota mittaamisen käsitettä nykytiedon valossa. Tämä on sikäli olennainen asia, koska noin arkielämän kannalta kysehän on vain tiettyjen vuorovaikutusten kohdistamista mitattavaan kohteeseen mikä noin makrotasolla ilmenee vaikka sillä että kappale laitetaan vaa'an päälle ja punnitaan se. Mutta toisaalta kappalehan vaikuttaa koko ajan gravitaatiokentän kanssa, ei vain punnitushetkellä, vastaavasti elektroni vaikuttaa SM-kentän kanssa myös ennen "mittausta", esim. maapallolla tehdyssä mittauksessa planeetan magneettikenttä lienee aina kuvioissa.

Eli pystytkö avaamaan hieman tarkemmin tuota mittauksen käsitettä atomistisessa kontekstissa, erityisesti asia kiinnostaisi noin mittaustekniikan kannalta mutta oletan että et kenties ole oikea henkilö vastaamaan siihen.

Syksy Räsänen

Petri:

Mittaustekniikasta en osaa kertoa, kokeita on tehty eri hiukkasilla, ja mitattu ainakin valon polarisaatiota on mitattu elektronin spinin sijaan - idea on sama, mutta polarisaatiota on helpompi mitata. En tiedä, millaisia laitteita modernissa laboratoriossa käytetään polarisaation mittaamiseen.

Perinteisesti kvanttimekaniikasta puhuttaessa on ollut tapana kiinnittää huomiota mittaukseen, eli sellaiseen vuorovaikutukseen, jossa tutkittavasta systeemistä saadaan selville jotain informaatiota. Tämä asettaa mittaajan erityiseen asemaan, ja vaikuttaa ihmiskeskeiseltä. Nykynäkökulmasta puhutaan ennemmin siitä, miten vuorovaikutus ympäristön kanssa häiritsee systeemiä.

Mainitsemasi häiriöt ympäristöstä ovatkin yksi syy siihen, miksi kvanttimekaaniset efektit eivät ole yleensä arkiskaalalla merkittäviä, ja niiden näkemiseksi pitää tutkia hyvin eristettyjä systeemejä. Mutta en ole varma, onko kokonaan ymmärretty, miksi arki-ilmiöt käyttäytyvät klassisen fysiikan mukaisesti - tämä on alue, josta en tiedä paljoa.

Asia muuten tulee mielenkiintoisella tavalla vastaan kosmisen mikroaaltotaustasäteilyn kohdalla. Inflaatioskenaarion mukaan mikroaaltotaustan epätasaisuudet ovat syntyneet kvanttivärähtelyistä, joille voidaan ennustaa vain todennäköisyysjakauma. Mikä sitten on tapahtuma, jossa mikroaaltotausta on siirtynyt määrättömästä tilasta määrättyyn tilaan? Vaikka hyväksyisi sen, että elektronin spinillä ei ole tiettyä tilaa ennen mittausta, tuntuu vaikealta ymmärtää mitä tämä tarkoittaa maailmankaikkeuden kohdalla. Käsittääkseni tämä asia ei ole vielä täysin selvä.

Selviö

"Kvanttimekaniikan keskeinen piirre on se, että maailma on epädeterministinen. Tämä tarkoittaa, että on olemassa asioita, joita ei voi periaatteessakaan ennustaa."

Tämä on aina kiehtonut ja häirinnyt minua pitkään. Haluaisin ymmärtää minkälaiset havainnot ja/tai päättelyketjut tarkalleen johtavat tähän lopputulokseen.

Pystyn kyllä uskomaan, että edes teoriassa meidän ei ole mahdollista täydellisesti selvittää kvanttitason syy-seuraus-suhteita, mutta eihän se vielä tarkoita sitä, etteivätkö ne olisi olemassa?

Ja vaikka tuo kausaliteetti menisikin kvanttitasolla nurin niskoin, niin että seuraukset tapahtuisivat ennen syytä, tai että meillä olisi seurauksia ilman syitä (tai päinvastoin), niin eikö se vain tarkoita sitä, että emme ymmärrä näitä asioita tarpeeksi hyvin?

Ehkä aika liikkuu paikallisesti omituiseen suuntaan, ehkä koemme partikkelin vaihtoa toisten ulottuvuuksien kanssa... Miten aito, determinismin lyttäävä satunnaisuus voidaan oikein varmistaa?

Syksy Räsänen

Selviö:

Katso alkuun vaikkapa laittamani linkit Bellin epäyhtälöstä. Populaarikirjojen suhteen olen huono neuvomaan, kun en ole niitä juuri lukenut - kenties voisit kokeilla Enqvistin teosta "Olemisen porteilla".

Kvanttimekaniikka on kausaalinen teoria, eli syyt eivät koskaan tule ennen seurauksia. Epädeterminismi on eri asia: se tarkoittaa sitä, että on seurauksia, joilla ei ole mitään syytä.

Lopullista totuutta determinismistä ei tietenkään tiede voi tarjota: on periaatteessa mahdollista, että kvanttimekaniikan taustalla olisikin joku deterministinen teoria. Mutta sellainen teoria olisi muissa suhteissa hyvin vieras arkijärjelle.

Spin

Edellisen kysyjän pohdintaa jatkaen kysyisin kuinka varmaa / todennäköistä on, että kvanttimekaniikan epädeterminismi on ns. viimeinen sana asiasta? Onko mahdollista, että sen "alapuolelta" löytyy vielä uusia järjestelmiä joissa determinismi palaisi pelikentälle? Ovatko "kaiken teoriat" joissa pureudutaan nykyisin havaittujen alkeishiukkasten teoretisoituihin rakenneosiin myös epädeterministisiä rakenteeltaan?

Hyvä maininta muuten tuosta mittaajan erityisasemasta. Minua on suuresti häirinnyt monissa populaareissa kvanttimekaniikan kuvauksissa esiintyvä kuvaus havaitsijan/mittaajan vaikutuksesta järjestelmään, joista on saanut sen kuvan että tietoinen havainnoija l. ihminen on se vuorovaikuttaja joka lopulta määrittää systeemin tilan. Tämä on tietysti aivan naurettava ajatus.

Break_out

Kiitokset hyvästä blogista, Syksy. Olen alkanut seurailemaan sitä kiinnostuneena (toimin fyysikkona itsekin, mutta hieman eri aihealueella), sillä klassiset fysiikan teoriat ovat varsin mielenkiintoisia.

Tiedustelen, että oletko mahdollisesti seuraillut kvanttikaaoksena tunnettua tutkimusalaa?

Syksy Räsänen

Spin:

Kaikki paljon tutkitut yhtenäisteoriat (kuten säieteoria) ovat epädeterministisiä. Yrityksiä deterministisiksi teorioiksi on tehty, mutta ne eivät ole päässeet alkua pidemmälle.

Kiinnostunut

Kiitos mielenkiintoisesta kirjoituksesta.

Koska tämäntyyppiset aihealueet kiinnostavat minua, olen iloinen että tässä tarjoutuu tilaisuus tarkentaviin kysymyksiin.

1) Kirjoitit: "Klassinen fysiikka sen sijaan on hyvin paradoksaalinen: se on ristiriidassa sekä itsensä että havaintojen kanssa - siksi se korvattiinkin modernilla fysiikalla".

Mikä on tämä klassisen fysiikan sisäinen ristiriitaisuus?

2) Mittausaihetta tässä jo sivuttiinkin, esitän kuitenkin kysymyksen hieman toiselta kannalta:

Voidaanko ajatella, että hiukkaset "mittaavat" vuorovaikutusten kautta jatkuvasti toisiaan, ja siksi makrotason objektit ovat ikäänkuin määrätyssä tilassa ("mitattuina") koko ajan? Ja siitä syystä esim. naapurin kissa ei muutu siirry kuuhun tai muutu vaikkapa mansikkajugurtiksi tuosta vaan, vaan makro-objekteilla siis ikäänkuin todella on määrätty tila ja paikka.

Syksy Räsänen

Kiinnostunut:

1) Yksi esimerkki on se, että klassisen sähkömagnetismin mukaan sähkömagneettisen säteilyn (eli valon) nopeus on sama kaikille havaitsijoille, mikä on ristiriidassa klassisen mekaniikan lakien kanssa. (Tämän ongelman ratkaisuksi keksittiin eetteri.) Toinen olisi se, että klassisen fysiikan mukaan mustan kappaleen säteilyn energia olisi ääretön pienillä aallonpituuksilla.

Klassisessa fysiikassa atomeja ei voi myöskään olla olemassa. (Tätä voi tietysti pitää ristiriitana havaintojen kanssa eikä sisäisenä ongelmana - koska fysiikka kuvaa havaintoja, ei voi vetää selvää rajaa näiden kahden välille.) Kiihtyvässä liikkeessä (kuten ympyräradalla) olevat hiukkaset lähettävät nimittäin sähkömagneettista säteilyä, joten elektronien pitäisi säteillä energiansa pois ja pudota protoneihin hyvin nopeasti.

2) Arkisten esineiden suuri koko ja vuorovaikutus ympäristön kanssa selittää sen, miksi kvanttiefektit ovat pieniä. Ne eivät kuitenkaan ymmärtääkseni riitä tekemään kappaleiden tilasta määrättyjä - tai jos riittävät, ei tiedetä miten.

Vieraita avaruudesta - blogit ...

[...] asiassa ensimmäiset antihiukkaset on havaittu juuri kosmisten säteiden avulla. Kvanttimekaniikan ja suppean suhteellisuusteorian yhdistämisen ensiaskelia oli Paul Diracin vuonna 1928 muotoilema [...]

Ajankäytön hallinta | Tiede.fi

[...] käsitystä ajasta, erityisesti siitä miten ne ovat avanneet mahdollisuuden aikamatkailuun. Myös kvanttifysiikka on mullistanut käsityksen [...]

ksuomala
Liittynyt30.3.2014
Viestejä939

Nyt rupesi kiinnostamaan tuo "klassinen fysiikka on ristiriidassa itsensä kanssa"-juttu. Mitähän Räsänen sillä tarkoitti?

Liittyykö tuohon ultraviolettikatastrofi, ajassa taaksepäin kulkevat ilmiöt kiihtyvässä liikkeessä oleviin sähkövarauksiin liittyen, epäonnistuneet yritykset selittää gravitaatiota vai jokin muu?

Antti

Osaatko sanoa mikä yhteys on hiukkasten stokastisella tilalla kvanttimekaniikan näkökulmasta sekä hiukkasen tilan jakaumalla Bayesläisestä näkökulmasta? Intuitiivisesti niillä tuntuisi olevan joku yhteys jos mittaus muuttaa sekä hiukkasen tilaa että havaitsijan tilaestimaattia.

Seuraa 

Maailmankaikkeutta etsimässä

Blogin päivittäminen on päättynyt.

Syksy Räsänen on teoreettinen fyysikko Helsingin yliopistossa. Syksy kirjoittaa kosmologiasta, hiukkasfysiikasta ja niiden tekemisestä, tai ainakin asioista sinne päin.

Teemat

Blogiarkisto