Miksi kaiken teorialla on merkitystä?

11.1.2017 klo 20.13, kirjoittaja Syksy Räsänen

Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Laskennallisen materiaalifysiikan professori Kai Nordlund pyysi minut Tieteen päiville puolustamaan sitä, että kaiken teorian löytämisellä olisi väliä. Puhuin aiheesta tänään. Esitys meni jokseenkin näin.

Fysiikassa on kahdenlaisia lakeja: perustavanlaatuisia ja emergenttejä.

Emergentit lait voidaan, ainakin periaatteessa, johtaa muista tunnetuista laeista. Esimerkiksi molekyylit rakentuvat atomeista, joten niiden lait palautuvat atomifysiikkaan. Vastaavasti solujen toiminta palautuu molekyyleihin ja eläinten käytös soluihin. Usein emergentit lait ovat hyvin erilaisia kuin niiden pohjalla olevat lait. Esimerkiksi vettä ja muiden nesteitä kuvaava hydrodynamiikka poikkeaa muodoltaan ja luonteeltaan täysin atomeja kuvaavista laeista. Yleensä emergenttejä lakeja ei pystytä edes yksinkertaisissa tapauksissa käytännössä johtamaan, vaikka se olisi periaatteessa mahdollista. Esimerkiksi kvarkit ja niiden vuorovaikutukset ovat hyvin yksinkertaisia, mutta niistä koostuvien protonien, neutronien ja muiden hiukkasten ominaisuuksia ja vuorovaikutuksia –eli ydinfysiikkaa– ei vieläkään pystytä täysin päättelemään kvarkeista lähtien. Vasta 2000-luvulla aiheesta on saatu luotettavia tuloksia supertietokoneiden avulla, mutta vieläkin vain pieni osa ydinfysiikasta osataan palauttaa kvarkkien ominaisuuksiin.

Perustavanlaatuisia lakeja ei voida, ainakaan toistaiseksi, johtaa mistään. Tällä hetkellä meillä on kaksi perustavanlaatuista fysiikan teoriaa. Kvanttikenttäteoria kuvaa ainetta ja aineen osien välisiä vuorovaikutuksia, ja yleinen suhteellisuusteoria kuvaa aika-avaruutta ja sen vuorovaikutusta itsensä ja aineen kanssa. Tiedämme kuitenkin, että nämä kaksi tukipilaria eivät ole viimeinen sana. Ne ovat vain approksimaatioita jostain vielä perustavanlaatuisemmasta teoriasta, jota ei vielä tunneta: kvanttigravitaatioteoriasta.

Kvanttiteoria ja gravitaatio on onnistuneesti yhdistetty kosmisessa inflaatiossa, joka kuvaa sitä, miten kaikki maailmankaikkeuden rakenteen siemenet ovat syntyneet aineen ja aika-avaruuden kvanttivärähtelyistä maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin perukoilla. Inflaatio on ainoa fysiikan osa-alue, missä kvanttigravitaatiota on pystytty kokeellisesti luotaamaan, ja havainnot ovat varmentaneet teorian ennusteita. Inflaatiossa kvanttiteoria ja gravitaatio yhdistetään kuitenkin vain hyvin yksinkertaisella tavalla, eikä tiedetä, miten ne kokonaisuudessaan nivoutuvat yhteen.

Monet tutkijat odottavat, että kvanttigravitaatioteoria olisi aidosti perustavanlaatuinen siinä mielessä, että sitä ei edes periaatteessa voisi johtaa mistään: lopullinen sana todellisuudesta. On kuitenkin mahdollista, että kvanttigravitaation takana on vielä uutta fysiikkaa ja kaiken teoria on luultua kauempana. Periaatteessa teorioiden ketju saattaa myös jatkua loputtomiin, niin että mitään kaiken teoriaa ei ole, ainoastaan yhä tarkempia ja tarkempia kuvauksia.

Kaiken teoria luultavasti poikkeaisi ennusteiltaan kvanttikenttäteoriasta (tai ainakin sen tämänhetkisestä perustavanlaatuisesta toteutuksesta, Standardimallista) ja yleisestä suhteellisuusteoriasta vain hyvin pienissä mittakaavoissa, isoilla energioilla ja vahvoissa gravitaatiokentissä. Kvanttigravitaatioon liittyvien ilmiöiden odotetaan tyypillisesti olevan merkittäviä vain pituusskaaloilla, jotka ovat pienempiä suhteessa protoniin kuin mitä protoni on suhteessa meihin. On kuitenkin kaksi syytä, miksi kaiken teorian löytäminen ei ole vain akateeminen kysymys. (Huvittavaa ja huolestuttavaa muuten, että yleisessä kielenkäytössä sana ”akateeminen” tarkoittaa samaa kuin ”merkityksetön”.)

Ensinnäkin kaiken teorialla voi olla yllättäviä teknologisia sovelluksia. 1800-luvun lopulla klassinen fysiikka, eli Newtonin mekaniikka ja Maxwellin sähkömagnetismi, kuvasivat hyvin kaikkia arkiskaalan ilmiöitä, ja kuvaavat vieläkin. Mutta vaikka atomit ovat yhtä pieniä suhteessa meihin kuin me olemme suhteessa Aurinkoon, niiden lakien löytäminen on mullistanut arkielämän. Vetyatomia tutkittaessa löydettiin kvanttimekaniikka, mihin pohjautuu kaikki elektroniikka ja nykykemia, sekä DNA:n ja muiden biologisten rakennuspalikoiden ymmärtäminen. Arkemme on kvanttimekaniikan sovellusten läpitunkema. Olisi ollut 1800-luvulla täysin mahdotonta ennustaa, millaisia sovelluksia atomifysiikalla tulee olemaan, saati sitten aavistaa siihen pohjaavan teknologian ajamia yhteiskunnallisia muutoksia. Yhtä lailla on mahdotonta sanoa, millaisia sovelluksia kaiken teorialla voi olla.

Toisekseen, kvanttiteoria ja yleinen suhteellisuusteoria muuttivat perin pohjin kuvamme todellisuudesta. Kvanttimekaniikka paljasti, että arkikäsityksemme aineesta, tapahtumisesta ja olemisesta ovat tyystin virheellisiä. Yleinen suhteellisuusteoria mullisti kuvamme ajasta ja avaruudesta, ja avasi oven maailmankaikkeuden historiaan. Emme vieläkään täysin sulattaneet näitä muutoksia, emme esimerkiksi hahmota, miten arkimaailma seuraa kvanttimekaniikasta. Kaiken teoria oletettavasti muuttaisi käsityksemme yhtä perinpohjaisesti, tavoilla, joita on mahdotonta vielä kuvitella.

Fysiikan sovellusten merkitystä on vaikea yliarvioida. Jos Maapallolla koskaan päästään tilanteeseen, missä ihmiset voivat kaikki elää ihmisarvoista elämää ja osallistua yhtäläisesti ihmisyhteisön asioihin, niin se on mahdollista ainoastaan fysiikan sovellusten, kuten modernin tiedonvälityksen, avulla. Yhtä tärkeää on kuitenkin se, miten fysiikka auttaa meitä ymmärtämään maailmaa: se selittää sateenkaaren värit, kertoo tähtien olevan kaukaisia aurinkoja, paljastaa maailmankaikkeuden historian olevan meidän historiaamme. Lyhyesti sanottuna, fysiikka kehystää inhimillisen kokemuksen.