Kvanttisirkuksesta kirjoittaessani mainitsin kvanttimekaniikan epädeterminismistä ja epämääräisyydestä.

Determinismi tarkoittaa sitä, että kaikki on periaatteessa ennustettavissa. Klassisessa fysiikassa systeemin kehitys määräytyy sen alkutilasta ja siihen vaikuttavista voimista. Jos tuntee systeemin tilan jonain hetkenä täydellisesti, niin voi ennustaa sen käytöksen äärettömään tulevaisuuteen ja tietää millainen se on ollut kaikkialla menneisyydessä. Malliesimerkki tästä on aurinkokunta, jonka ratoja voi klassisen mekaniikan lakien avulla pikakelata tulevaisuuteen ja menneisyyteen niin pitkälle kuin jaksaa laskea. Klassisen fysiikan maailma on kellokoneisto vailla vaihtoehtoja. Jo maailmankaikkeuden alussa on määrätty miten kaikki tulee tapahtumaan, ja tämän voi saada tietoonsa kunhan vain mittaa maailman tarkasti. (Nykyään tuntuu muuten hieman hassulta käyttää karkeaa, analogista konetta kuten kelloa tarkkuuden symbolina.)

Kvanttimekaniikan mukaan näin ei ole. Maailman käyttäytymistä ei voi ennustaa. Alkutilasta voi laskea vain eri tulevaisuuksien todennäköisyydet, ei yhtä totuutta. Yleensä todennäköisyyksistä puhuttaessa ajatellaan niiden ilmaisevan tiedon puutetta. Kvanttimekaniikassa tällaista tietoa ei ole olemassakaan, vaan tapahtumat ovat aidosti sattumanvaraisia: mikään sääntö ei kerro, mikä tulevaisuus valikoituu. Kolikon kääntöpuoli on, että menneisyyttä ei voi päätellä nykyhetkestä, koska tänne on päädytty laittomien oikkujen seurauksena, ei huolellisesti polkua seuraten. Kvanttimekaniikan aikakäsitys onkin erilainen kuin klassisen mekaniikan, koska sattumanvaraisuus kulkee vain yhteen suuntaan: menneisyys on määrätty mutta yksityiskohdiltaan tuntematon. (Ajan rooli fysiikassa on kiinnostava aihe, josta kirjoitan kenties toiste enemmän.)

Sen lisäksi, että tulevaisuus ei ole määrätty, myös nykytila on yleensä epämääräinen. Hiukkasista puhuttaessa sanotaan joskus, että ne kulkevat kahta reittiä samaan aikaan, Schrödingerin kissasta taasen että se voi olla sekä elävä että kuollut. Tätä kummalliselta tuntuvaa tilannetta kenties selventää jos sanoo, että kissan tila ei ole määrätty: ennemmin kuin puoliksi kuollut ja puoliksi elossa, kissa ei ole kumpaakaan. On vain tietty todennäköisyys, että kun asia tarkistetaan, se on joko elossa tai kuollut. Hiukkaskokeissa tällaista omituista käytöstä on mitattu jo pitkään, kissojen kohdalla sitä ei ole koskaan nähty. Kvanttimekaniikka ei kerro, miten sen kuvaamasta epämääräisestä todellisuudesta päästään arkikokemukseemme, jossa niin kissoilla kuin muillakin isoilla hiukkaskimpuilla näyttää olevan määrätty tila.

Kvanttimekaniikan löytäneet fyysikot kehittivät asiasta 30-luvulla fysiikan keskuksena toimineen Kööpenhaminan mukaan nimetyn tulkinnan. Kööpenhaminan tulkinta on lyhykäisyydessään seuraava: kvanttimekaaniset tilat ovat epämääräisiä, kunnes niitä havaitaan. Kun tehdään koe ja mitataan, yksi mahdollisista vaihtoehdoista valikoituu sattumanvaraisesti. Tämä yksinkertaiselta kuulostava resepti toimii käytännössä, joten kvanttimekaniikkaa käyttävät fyysikot eivät yleensä mieti asiaa sen enempää kuin automekaanikot vaivaavat mieltään kysymyksillä siitä, miksi ruuvimeisselit loppujen lopuksi toimivat.

Tilan epämääräisyyden täsmällisesti osoittavista Bellin epäyhtälöistä vastuussa ollut fyysikko John Bell kuulemma sanoi eräässä puheessaan, että useimmat fyysikot ajattelevat, että nämä kummallisuudet kyllä ratkeavat, kunhan istuu alas ja miettii vartin, mutta kun asiaa rupeaa oikeasti tutkimaan, huomaa ettei se olekaan niin helppoa.

Esimerkiksi Kööpenhaminan tulkinta herättää joukon kiusallisia kysymyksiä. Kuka kelpaa havaitsijaksi? Jos fyysikon sulkee laatikkoon, eikö hän voi havaita itseään? Miksei sitten kissakin? (Opiskellessani yliopistolla luennoitsija Raimo Keskinen sanoi, että havaitsijalla pitää olla vähintään teoreettisen fysiikan lyhyt oppimäärä, mikä sulkisi pois useimmat kissat, mutta arvelen, että selitys ei kestä kriittistä tarkastelua.) Viimeistään kosmologiaa ajatellessa tulee outo olo. Ei ole ketään maailmankaikkeuden ulkopuolista havaitsijaa, joten miten kaikkeuden tila määräytyy? Vaikka sisällä oleva havaitsija kelpaisi, niin mitä pitäisi ajatella maailmankaikkeudesta ajalta ennen ihmisten (tai dinosaurusten tai muiden havaitsijoiden, keitä he sitten ovatkaan) syntyä?

Jotain edistystä näiden asioiden ymmärtämisessä on tapahtunut sitten 1930-luvun. On hahmotettu, että ilmiö nimeltä dekoherenssi selittää se, miksei koskaan havaita kissojen olevan epämääräisessä tilassa, vaikka hiukkasten kohdalla moinen voidaan todentaa. Kyse on siitä, että kun systeemin osaset vuorovaikuttavat keskenään, ne kytkeytyvät yhteen siten, että niiden tila on määrätty tai määräämätön yhtä aikaa. Esimerkiksi jos sulkee kissan laatikkoon, niin se vuorovaikuttaa ympäristönsä kanssa hengittämällä, liikkumalla tai, jos huonosti käy, jopa naukumalla.

Dekoherenssi on hyvin voimakas ilmiö, pienikin kosketus riittää yhdistämään systeemin ja havaitsijan. On käytännössä mahdotonta eristää kissaa niin voimakkaasti, ettei siitä tulisi jotain tietoa. Alkeishiukkasten, tai niiden pienten kokoelmien, kohdalla näin kuitenkin voidaan tehdä. Laboratoriossa voidaan lähettää yksi eristetty fotoni, niin että se kulkee koskematta mihinkään ja ottamatta mihinkään kantaa. Koska fotoni ei kytkeydy yhteen laboratorion kanssa, sen tila voi mennä kovin epämääräiseksi.

Dekoherenssi selittää, miksei arkiskaalan kappaleiden kohdalla nähdä kvanttimekaniikan jännittäviä ilmiöitä. Mutta se tarjoaa vain puoli ratkaisua. Dekoherenssi kertoo, että havaitsija ja kissa ovat erottamattomia, niin että jos fyysikon tila on määrätty, niin sitten on kissankin. Mutta se ei sano mitään siitä, miksi tällä parilla sitten on määrätty tila. Mukaan voidaan ottaa kaikki havaitsijat, kissat ja kaikki mitä olemassa onkaan, jolloin palataan kysymykseen siitä miksi maailmankaikkeus näyttää määrätyltä. Ongelma tulee vastaan sellaisten fyysikoiden mittapuilla konkreettisten asioiden kuin kosmisen mikroaaltotaustan ja galaksien jakauman yhteydessä. Niiden epätasaisuuksien arvellaan periytyvän muinaisten aikojen satunnaisista värähtelyistä. Mikä ne on saattanut määrättyyn tilaan maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin murto-osan aikana?

Fysiikkaa mystifioidaan usein turhan päiten, mutta kvanttimekaniikan ytimessä on syvä mysteeri, jonka äärellä kaikkien ymmärrys on toistaiseksi osoittautunut vajavaiseksi.

Kommentit (2)

Ajankäytön hallinta | Tiede.fi

[...] Merkittävin kvanttifysiikan mukanaan tuoma muutos liittyy siihen, että maailma ei ole deterministinen. Vaikka tietäisi systeemin alkutilan täsmällisen tarkasti, sen lopputila ei ole ennustettavissa. On mahdollista ennustaa vain se, millä todennäköisyydellä saadaan mitäkin mittaustuloksia. Ennen kuin mittaus tehdään, systeemin tila ei ole määrätty, se vastaa osittain yhtä mittaustulosta, osittain toista. Vasta mitattaessa systeemi asettuu määrättyyn tilaan. (Tämä on varsin yksinkertaistava kuvaus; tarkemmin aiheesta täällä.) [...]

Otto

Oletko Syksy perhtynyt Karen Baradin kehittelyihin Niels Bohrin tulkinnoista. Hän pyrkii ylittämään ongelmaa ulkopuolisesta tarkkailijasta toteamalla, että tutkimusasetelmassa tarkkailja on aina sisäpuolinen. Tämän toteaminen edellyttää siis objektiivisuuden uudelleenmääritystä. Itselleni "Meeting the Universe Halfway" -kirja oli erittäin kiintoisa.

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