Pidin torstaina 13.9. puheen Jyväskylän yliopistolla ensimmäisen vuoden fysiikan opiskelijoiden opintojen alun kaksiviikkoisen ”lentävän lähdön” päätteeksi. Joitain suureellisesti otsikoidun puheen aiheita on esiintynyt blogissa aiemmin; puhe meni suunnilleen näin. (Varoitettakoon että sana tiede tarkoittaa tässä lähinnä luonnontiedettä.)

varjelukset.jpeg

”On ilo ja kunnia olla kutsuttu puhumaan ihmisille, jotka ovat alkamassa perehtymään maailman järjestyksen takana oleviin lakeihin, joiden avulla voi muokata todellisuutta. Minä nimittäin pidän Harry Potter -kirjoista, huolimatta niiden lukuisista ongelmista. Kuten todellisessa maailmassa, Tylypahkassa lait ovat rationaalisia: loitsut toimivat samalla tavalla ja toistettavasti ajankohdasta, paikasta ja henkilöstä riippumatta. Eräs asia, joka minua kirjoissa häiritsee (jätetään sellaiset seikat kuin hahmonkirjoitus ja juonenkuljetus sikseen) on se, että taikuuteen syventyminen vaikuttaa vain irrallisten tiedonpalojen opettelulta. Taikuuden opiskelu ei edellytä ymmärryksen muodostumista, sitä että hahmottaisi maailman järjestyksen eri tavalla ja veisi ajatuksensa uusille reiteille. Todellisessa maailmassa on toisin, ja fysiikassa kehittyminen vaatii ymmärryksen kasvattamista, ei vain tietomäärän lisäämistä.

Niin Harry Potterin maailmassa kuin oikeassa maailmassa todellisuuden tehokas muokkaaminen vaatii työkaluja. Harry Potter –kirjoissa taikuuden työkalut on valmistettu käsityönä ja ne ovat pieniä, kuten kuvasta näkyy. Oikeasti ihmeellisiä asioita mahdollistavat tieteen työkalut --laitteet-- ovat teollisesti tuotettuja, ja usein hyvin suurikokoisia - lentäminen vaatii monivaiheisessa tuotantoketjussa valmistettua jättimäistä apuvälinettä, hyvin tehty luuta ei riitä.

Olemme niin tottuneita tieteen työkaluilla tehtäviin asioihin, jotka olisivat vaikuttaneet parisataa vuotta sitten taikuudelta, että emme tule ajatelleeksi miten ihmeellisiä ne ovat. Voimme kämmeneen sopivalla metallin ja lasin (ja kokonaan uudenlaisen hämmästyttävän aineen, muovin) palalla puhua maailman toiselle puolella, selvittää millainen sää on huomenna, jopa katsoa Maapalloa kiertoradalta. Toisaalta laitteilla voi tehdä hirvittäviä asioita, kuten tuhota kokonaisen kaupungin avainta kääntämällä puolessa tunnissa. Pienempimuotoisetkin kiroukset ovat mahdollisia, poloniumin avulla ihmisiä voi saada kuolemaan näkymättömän voiman vaikutuksesta. Eräs taikuuden kuvaston asia, jota tieteessä ei ole, on toismaailmallisten olentojen kutsuminen: todellisuudessa palvelijat pitää rakentaa. Golemeita onkin aika lailla, ja lentäviä tappajademoneitakin valmistetaan jatkuvasti lisää.

Myös käsitteellinen maailmamme on muuttunut. Ymmärrämme, että avaruus on täynnä radioaaltoja, joiden avulla saamme tietoa tuhansien kilometrien päässä olevista tapahtumista, tiedämme tähtien olevan toisia aurinkoja; jopa sellainen fysiikan monimutkainen teoreettinen käsite kuin energia on osa arkipäiväistä ajatteluamme.

Mikä erottaa todellisen maailman taikuuden ja tieteen ? Kummassakin rakennetaan malli maailmasta ja pyritään vaikuttamaan tapahtumiin mallin tuoman ymmärryksen avulla. On helppo huomata, että tieteen työkaluja käyttämällä saa aikaan merkittäviä muutoksia maailmassa, mutta taikuuden tapauksessa näin ei tapahdu. Mutta mikä on syynä tähän eroon, mitkä ovat tieteen ne piirteet, joiden takia se toimii?

Tieteen olemuksen hahmottamiseksi on hyödyllistä katsoa prototiedettä. Tätä ei tule sekoittaa pseudotieteeseen, joka matkii tieteen ulkoasua vailla sen sisältöä. Prototiede on tieteen historiallinen esiaste, jossa on mukana jotain tieteen piirteitä, mutta ei kaikkia.

vitruvius.jpeg

Tämä on yksi Leonardo da Vincin tunnetuimpia piirroksia, Vitruviuksen mies vuodelta 1487. Siinä on ihminen, jonka kehon suhteet ovat matemaattisen täsmälliset ja kaksi geometrista perusmuotoa, ympyrä ja neliö. Ajatuksena on, että ihminen on maailmankaikkeuden kuva ja maailmankaikkeus on ihmisen mittojen mukainen.

On harhaanjohtavaa, että da Vinci usein yhdistetään tähän kuvaan, koska se edustaa sitä, minkä hän jätti taakseen, antiikin ajan käsityksiä, joita pidettiin totena riippumatta niiden suhteesta havaintoihin. Da Vinci sen sijaan käytti havaintoja lähtökohtiensa tarkistamiseen. Hänen reittinsä anatomisten havaintojen pariin kulki kuvataiteen kautta, missä oli luonnon havainnoista mallintamisen perinne. Vitruviuksen miehen jälkeen da Vinci teki mittauksia siitä, millaisia ihmisten mittasuhteet todella ovat.

mittaus.jpg

Da Vinci oli loistava havaitsija ja täsmällinen muistiinmerkitsijä, ja muistiinpanojen yksityiskohtaisuus ja tarkkuus on tieteen keskeinen piirre. Merkittävämpää oli kuitenkin se, että kun da Vinci huomasi, että ihmisten mittasuhteet eivät vastaa antiikista periytyneitä käsityksiä, hän hylkäsi nämä käsitykset ja muotoili uudet niiden tilalle.

Anatomisessa tutkimuksessaan da Vinci osoitti hämmästyttävää kykyä johtopäätösten tekemisestä monimutkaisten havaintojen pohjalta. Da Vincin työssä esiintyi kuitenkin vain alkeellisesti havaintojen täsmällinen mallintaminen matematiikan avulla. Tähän saattoi vaikuttaa se, että useat da Vincin tutkimat systeemit kuten ihmisruumis ja veden turbulenssi ovat niin monimutkaisia, että niitä on vaikea kuvata matematiikan avulla.

kepler.png

Tämä kuva on toisen prototieteilijän, Johannes Keplerin, kirjasta Mysterium Cosmographicum vuodelta 1600. Da Vincin lailla Kepler perusti kuvansa maailmasta havaintoihin, tässä tapauksessa Tycho Brahen merkintöihin siitä, miten planeetat ja Aurinko näyttävät liikkuvan taivaalla. Kepler kehitti Aurinkokunnalle mallin, jossa viiden säännöllisen monitahokkaan väliin jäävien pallojen säde vastaa hänen aikanaan tunnettujen planeettojen etäisyyksiä Auringosta. Malli vastasi saatavilla olevia havaintoja, mutta hedelmällisempiä olivat hänen myöhemmin löytämänsä säännöt, jotka nykyään tunnetaan Keplerin lakeina, joiden mukaan planeetat kulkevat ellipsejä Auringon ympäri tietyllä nopeudella.

Kepler rakensi uuden käsityksen tarkkojen havaintojen pohjalta ja ilmaisi sen matemaattisesti. Jotain kuitenkin puuttui: sekä sisäkkäiset monitahokkaat että ellipsit ovat vain malleja, eivät teorioita: ne eivät liitä planeettojen ratoja muihin ilmiöihin. 1600-luvun loppupuolella Isaac Newtonin muotoilema klassinen fysiikka ylitti rajan prototieteestä tieteeseen selittämällä Keplerin lait yksinkertaisesta gravitaatiolaista lähtien, mikä yhdisti planeettojen radat komeettojen ja kuiden sekä Maapallolla putoavien kappaleiden liikkeeseen. Newtonin teoria ei kerro vain sitä, millaisia havainnot ovat, vaan myös sen millaiset säännöt ovat niiden taustalla.

Yksityiskohtaisen matemaattisen muotoilun avulla maailmaa koskevat väitteet voi määritellä selkeästi. Tämä helpottaa sitä, että tarkkojen havaintojen perusteella voidaan kiistatta selvittää pitääkö väite paikkansa. Prototieteilijä Francis Baconin sanoin vuodelta 1620,

“Truth emerges more readily from error than from confusion.”

Onkin syytä mainita, että suuri osa niistä teorioista, joita fyysikot huolellisesti muotoilevat, on väärin. Ei niin, että ne olisivat matemaattisesti virheellisiä (joskus kyllä sitäkin), vaan osoittautuu, että ne eivät kuvaa todellisuutta. Muuten ei oikein voisi ollakaan, koska tutkimuksessa on kyse uuden löytämisestä, eikä etukäteen voi tietää, missä päin se luuraa. Fysiikassa saa jo opinnoissakin sen kokemuksen, että joutuu tunnustamaan itselleen olleensa väärässä ja muuttamaan ajatteluaan. Tästä on hyötyä fysiikan ulkopuolellakin, ja fysiikka saattaa olla erityisen otollinen tämän oppimiseen, koska siinä väitteet ovat selkeämpiä ja niiden paikkansapitävyys on kiistattomampaa kuin vaikkapa ihmistieteissä.

Thomas S. Kuhn kirjoittaa vuonna 1962 julkaistussa kirjassaan The Structure of Scientific Revolutions tieteen tekemisestä seuraavasti:

"A man may be attracted to science for all sorts of reasons. Among them are the desire to be useful, the excitement of exploring new territory, the hope of finding order, and the drive to test established knowledge. [...] The scientific enterprise as a whole does from time to time prove useful, open up new territory, display order, and test long-accepted belief. Nevertheless, the individual engaged on a normal research problem is almost never doing any one of these things.”

Kuhn jakaa tutkimuksen normaalitieteeseen ja vallankumoukselliseen tieteeseen; jaosta on keskusteltu ja kiistelty paljon, mutta vähintäänkin se on hyödyllinen lähtökohta. Normaalitieteessä on kyse ongelmanratkaisusta annetun teorian viitekehyksessä. Vallankumouksessa sen sijaan hylätään vanha teoria ja rakennetaan uusi.

Suurin osa tutkimuksesta on olemassa olevien teorioiden ja mallien yksityiskohtien tarkastelua, murroksia tulee harvoin. Mullistukset eivät ole irrallaan yksityiskohtien tutkimisesta, ne päinvastoin perustuvat siihen. Fysiikan opinnoissakin laskuharjoitusten tekemisen ja esimerkkien läpikäymisen kautta oppii ymmärtämään fysiikan teorioita, oivallus kehittyy yksityiskohtaisen toiminnan kautta. Fysiikan perusteiden opiskelua voi verrata nuottien opetteluun ja soittimen käsittelyn harjoittelemiseen.

higgs.jpeg

Kuvassa on Peter Higgs, 4. heinäkuuta 2012, kun uusi hiukkanen julistettiin löydetyksi CERNissä -- luultavasti kyseessä on hänen nimeään kantava Higgsin hiukkanen. Higgs oli yksi kuudesta, jotka kehittivät hiukkasta koskevan teorian, hän julkaisi tutkimuksensa aiheesta vuonna 1963. Tuolloin ajatus oli hiukkasfysiikassa uusi, mutta se oli jo esiintynyt kiinteän olomuodon fysiikassa. Tieteessä, kuten taiteessa, uudet ideat eivät synny tyhjästä, vaan vanhojen palojen yllättävästä yhdistelystä ja kehittämisestä. Silloinkin kun tutkimuksessa läpimurron tekee yksittäinen ihminen, se ei olisi mahdollista ilman yhteisön kasaamaa yksityiskohtaista tietoa.

cms.gif

Tässä on osa CMS-koeryhmää, joka ATLAS-ryhmän ohella löysi hiukkasen. Niin kokeellisessa kuin teoreettisessakin fysiikassa on useita erilaisia tehtäviä, ja toisaalta samaakin aihetta voi tutkia eri tavoin. Aivan kuten musiikissa, fysiikan tutkimuksessa on erilaisia henkilökohtaisia tyylejä, ei ole vain yhtä tapaa tehdä tutkimusta. Kaikki ne pohjaavat kuitenkin perusteiden hallintaan, siihen, että opettelee ymmärtämään ja käsittelemään kieltä, jolla todellisuuden rakenne on syvällisimmin ilmaistu.”

Kommentit (2)

Sunnuntaikosmologi

Tässä tuleekin se mielenkiintoinen kysymys esiin että mihin ajallisesti asettaa raja prototieteen ja nykykäsityksen mukaisen tieteen (siis luonnontieteen) välille ?
Kari Enkvist uusimmassa kirjassaan sanoo ohimennen suunnilleen näin että vasta 1800-luvulla tulevat vastaan ensimmäiset "kunnon tiedemiehet". Ja Newtonhan harrasti myös alkemiaa.
Tuo prototieteen ja tieteen välinen raja on tietysti veteen piirretty viiva mutta jos se on johonkin laitettava niin mihin sinä sen panisit ?

Syksy Räsänen

Sunnuntaikosmologi:

Sanoisin Newtonin ja klassisen fysiikan olevan ensimmäisenä tieteen rajan tällä puolen. (Ei ole oleellista, mitä muuta tutkija harrastaa tieteen lisäksi, jos se ei vaikuta tieteeseen. Newtonin mekaniikka ja optiikka taitavat olla aika erillään hänen alkemiastaan.)

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