Viime viikolla eräs haastattelija kysyi ensin siitä, mikä on nykykäsityksemme maailmankaikkeudesta ja mitkä ovat kosmologian keskeisiä tutkimuskohteita. Tähän oli helppo vastata. Seuraavaksi hän tiedusteli fysikaalisen ja matemaattisen todellisuuden suhteesta ja siitä, miksi matematiikka toimii niin hyvin maailman kuvaamisessa. Mumisin jotain kysymyksen syvällisyydestä ja olin hetken hiljaa. Osasin sanoa vain, että asia riippuu siitä, onko todellisuus pohjimmiltaan matemaattinen, vai onko fysiikassa kyse pelkästään mallien rakentamisesta kuvaamaan havaintojemme säännönmukaisuuksia, jolloin matematiikan hyödyllisyys selittyy sillä, että se määritelmällisesti kuvaa loogisia suhteita asioiden välillä. (Muutama sananen tästä suhteesta eri näkökulmasta täällä.)

Olen aiemmin maininnut kuinka siitä, että fysiikka käsittelee perustavanlaatuisia aiheita ei seuraa, että fyysikot henkilöinä olisivat jotenkin syvällisiä, eli omaisivat poikkeuksellisen terävän näkemyksen oman alueensa ulkopuolisista asioista - tai oman alueen alla olevista peruskysymyksistä (vaikka fysiikan opiskelu ja tutkimuksen tekeminen voikin auttaa ajattelun kehittämisessä muillakin alueilla).

Thomas Kuhn kirjoittaa teoksessaan The Structure of Scientific Revolutions, että tieteilijöiden motiiveina ovat muun muassa halu tehdä jotain hyödyllistä, uusien alueiden tutkimisen jännitys, toivo järjestyksen löytämiseen ja vimma testata hyväksyttyä tietoa. Heti perään Kuhn huomauttaa, että tutkijat eivät kuitenkaan tavallisesti tee mitään näistä asioista. Kuhn esittää, että tutkimuksessa on yleensä sen sijaan kyse annetussa viitekehyksessä tarkkaan rajatun ongelman ratkomisesta.

Nykyfysiikassa, ainakin hiukkaskosmologiassa, on paljon spekulatiivista tutkimusta, missä esitetään uusia mahdollisuuksia, eikä tutkimuksen kirjoa voi ymmärtää pelkästään ongelmanratkaisusta lähtien. Mutta Kuhn on sikäli oikeassa, että spekulaatiotkin tehdään selkeiden rajojen sisällä, ja ne ovat lähes aina variaatioita tutuista ajatuksista. Ylimääräiset ulottuvuudet saattavat kuulostaa ulkopuolisesta villiltä, mutta tuhansien artikkelien jäljiltä ne ovat peruskauraa.

Tämä tunnettujen alueiden huolellinen läpikäyminen yksityiskohtia myöten muodostaa pohjan uusien löytöjen tekemiselle. Kun asioista ollaan kovin tarkkoja, pienetkin poikkeamat havaitaan ja lokeroidaan, kunnes törmätään asioihin jotka eivät mahdu vanhoihin raameihin.

CMS-ryhmä (lyhenne tulee sanoista Compact Muon Solenoid - detektori on vain kolmikerroksisen talon kokoinen) julkisti 21. syyskuuta LHC:n ensimmäisen havainnon, joka poikkeaa siitä, mitä hiukkasfysiikan Standardimallilta odotetaan. Ennen julkistamista mahdollisuudet virheisiin syynättiin tarkkaan ja käytiin läpi suuri määrä mahdollisuuksia. Esimerkiksi sen jälkeen kun analyysistä käytetystä koodista ei löydetty bugia, kirjoitettiin kaksi uutta riippumatonta koodia ja katsottiin, että ne antavat saman tuloksen, monenlaisten kokeellisten tarkistusten lisäksi. Vieläkään CMS-ryhmä ei väitä, että kyse olisi uudesta fysiikasta: on mahdollista, että protonien vuorovaikutuksia Standardimallissa ei vain ole mallinnettu tarpeeksi hyvin.

Eri selitysten tarkkaa syynäämistä ja poissulkemista ei tehdä siksi, ettei haluttaisi myöntää Standardimallin olevan väärässä: uuden fysiikan paljastaminen on LHC:n olemassaolon tarkoitus. Päinvastoin, kaikki mahdollisuudet käydään läpi nimenomaan sen takia, että halutaan olla löydöistä varmoja. Vaikka tieteen ja ei-tieteen välille on vaikea vetää tarkkaa rajaa, tämä asenne on yksi erottava tekijä.

Yksityiskohtien tarkan läpikäymisen mahdollistaa hiukkasfysiikan teorioiden (ja ohjelmoinnin) tiukka matemaattinen rakenne. Matematiikka liittää asioita toisiinsa yksikäsitteisesti, joten periaatteessa kaikki voivat seurata päättelyä samoja sääntöjä noudattaen ja tulla yhteiseen lopputulokseen. Käytäntö on sotkuisempaa, mutta toiminnan säntillisyyttä osaa kenties arvostaa paremmin, jos vertaa siihen epämääräisyyteen, jolla yhteiskunnallisista asioista päätellään. Monimutkaista matematiikkaa voi käyttää ainoastaan sellaisten systeemien kuvaamiseen, jotka ovat tarpeeksi yksinkertaisia: ihmisyhteisöt ovat liian vaikeita.

Fyysikko on asiantuntija tiettyjen teorioiden, mallien ja metodien soveltamisessa. Kirkkaat päätökset mahdollistava yksityiskohtien tarkastelu ei kuitenkaan tuo erityistä ymmärrystä toiminnan viitekehyksen niistä ominaisuuksista, joita ei toimessa tarvitse pohtia - kuten fysiikan ja matematiikan suhteesta. Mitä syvälliseen vaikutelmaan tulee, Terry Pratchettin mukaan kirjailijalle riittää, että tietää yhden asian enemmän kuin lukija. Niinpä fyysikkokin voi vaikuttaa nerokkaalta siksi, että omaa jotain ammattikunnalle erityisiä tietoja, riippumatta siitä, mikä on hänen osuutensa löytöretkessä.

Kommentit (5)

Jp

Taas kerran hyvä kirjoitus Syksyltä, kiitos!

Kirjoitit että CMS:n havainnosta ei vielä voida välttämättä vetää johtopäätöstä että oltaisiin havaittu uutta fysiikkaa, vaan voi olla että protonien vuorovaikutusta ei olla mallinnettu Standardimallissa tarpeeksi hyvin. Tarkoittaako tämä sitä, että Standardimalli ei selitä protonien vuorovaikutusta riittävän hyvin - eikö tällöin olisi kyse nimenomaan "uudesta fysiikasta" jota Standardimalli ei selitä? - vai että Standardimallin perusteella rakennetut tutkimusasetelmat ja tietokonemallit eivät kuvaa Standardimallia riittävän hyvin?

Toinen kysymys, jonka aihe mielessäni herätti, liittyy mallien tarkkuuteen. Makroskooppisissa fysikaalisisa malleissahan käytetään usein likiarvoistuksia, esimerkiksi ajatellaan kappaleen koko massan keskittyvän yhteen pisteeseen, mutta miten on näiden alkeishiukkasten maailmassa liikkuvien mallien ja koeastelmien kanssa? Esimerkiksi niiden, mitä LHC:ssä testataan ja käytetään? Käsitelläänkö näissä malleissa alkeishiukkasia, kuten niiden ajatellaan todella luonnossa esiintyvän, vai tehdäänkö matematiikan ja testiasetelmien yksinkertaistamiseksi vastaavan kaltaisi yleistyksiä kuin painovoiman vaikutuksen yksinkertaistamisessa?

Mr. Pressure

Viittaako LHC:n löytö siihen että hiukkaset kuten neutriinot ja fotonit voivat sittenkin vuorovaikuttaa toistensa kanssa? Siihen että entropia vaikuttaa sittenkin myös neutriinoissa ja fotoneissa olevaan energiaan? Eli siihen että myös neutriinot ja fotonit voivat säteillä energiaaansa jolla ne vuorovaikuttavat toistensa kanssa?

Miksi entropia ei nykyfysiikan mukaan vaikuta esim. fotoneihin?

Eikö valon yleinen punasiirtymä voisi selittyä sillä että entropia vaikuttaa myös fotoneissa olevaan energiaan?

.

Simosilmu

Mielestäni olennaisin ero matematiikan ja fysiikan välillä on, että matematiikka ei lähtökohtaisesti tutki fyysistä todellisuutta. Matemaattisia todellisuuksia on useita(ääretön määrä), riippuen valituista aksioomista. Mistään matemaattisesta todellisuudesta lienee siis turha puhua, se ei ole yksiselitteinen. Fyysisiä todellisuuksia lienee vain yksi jota matematiikan (tietyssä aksioomasysteemissä) avulla voidaan kuvata ilmeisesti hyvin, mutta niin voidaan runoudellakin.

Matemaattiset mallit tosiaan vaikuttaisivat kuvaavan todellisuutta hyvin, mutta itse en jaksa uskovan todellisuuden olevan niin yksinkertainen, että se taipuisi yksinkertaisten malliemme sisään, tai että tällaista mallia olisi ylipäätään olemassa. Koskaan ei kuitenkaan, onneksi, voida saada varmuutta mallien paikkansa pitävyydestä. Koska matemaattisen todellisuuksien suhdetta fysikaaliseen todellisuuteen ei tunneta, on fysiikan hyvin vaikea lopulta tarjota muuta kuin mallleja. Totuuksista kannattaisi puhua varoen.

En nyt enää ole varma, mitä pyrin tässä sanomaan. Ajatus katkesi. Liian diippii shittii.

Syksy Räsänen

Jp:

Jälkimmäistä - siis koodeissa käytetty malli ei välttämättä kuvaa Standardimallia tarpeeksi hyvin. Kvarkkien sitoutuminen protoneiksi, neutroneiksi ja muiksi hiukkasiksi ja näiden sidottujen hiukkasten välinen vuorovaikutus on monimutkainen ja sotkuinen prosessi, eikä sen kaikkia piirteitä osata laskea Standardimallista lähtien, vaan pitää käyttää erilaisia tiettyihin tilanteisiin sopivia approksimaatioita. Tilannetta voi verrata siihen, että vaikkapa ilman virtausta koskevat yhtälöt (ja ilman rakenne perustavanlaatuisella tasolla) tunnetaan, mutta lentokoneen siiville oleellisen turbulenssin laskeminen on vaikeaa.

Standardimallissa perusrakenteina ovat kentät, ja hiukkaset ovat näiden värähtelyjä. Alkeishiukkaset ovat Standardimallissa pistemäisiä, tämä ei ole approksimaatio. (Ei-alkeishiukkasilla on toki äärellinen koko, esimerkiksi protonin sisärakenteen tunteminen on tärkeää törmäysten ymmärtämiselle.)

Syksy Räsänen

Mr. Pressure:

Standardimallissa fotonit ja neutriinot toki vuorovaikuttavat muiden hiukkasten kanssa. CMS:n havainto liittyy protonien käyttäytymiseen, ei fotonien tai neutriinojen.

Entropia on aineen (myös fotonien) ominaisuuksia kuvaava käsite. Ei ole kielellisesti mielekästä sanoa, että entropia vaikuttaisi fotoneihin, sen enempää kuin sanoisi, että tiheys vaikuttaa fotoneihin.

Punasiirtymällä ei ole asian kanssa mitään tekemistä.

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