Jos ymmärrät kvanttimekaniikkaa…

15.8.2013
(C) Buu-klubben

(C) Buu-klubben

Voiko kvanttifysiikka muuttua enää kummallisemmaksi kuin se jo on? Kyllä voi. Uuden tutkimuksen jälkeen arkijärkiparka menee entistä pahemmin solmuun, jos se yrittää ymmärtää miten maailma pohjimmiltaan oikein toimii. (”Arkijärkiparka” – maistelepa hetki sitä sanaa, suomi on kaunista!)

Spukhafte Fernwirkung, aavemainen etävaikutus, näin kuvasi turhautunut Albert Einstein yhtä kvanttifysiikan kummallisuutta, sitä miten hiukkaset tuntuvat tekevän yhteistyötä, vaikka minkäänlainen tiedonkulku niiden välillä ei olisi mahdollista.

Laskunsa osaavat teoreetikot laskeskelivat hiljattain, että tämä Einsteinin manaama aavemaisuus koskee avaruudellisen etäisyyden lisäksi myös ajallista etäisyyttä (Wiegner ym. 2011). Tuoreessa artikkelissa taitavat käytännön ”kvanttimekaanikot” raportoivat kokeestaan, joka vahvistaa tämän kvanttifysiikan aiemmin tutkimattoman merkillisyyden (Megidish ym. 2013). Kokeessa yhteistyötä tekivät hiukkaset, joista ensimmäinen tuhoutui ennen kuin jälkimmäinen oli vielä syntynytkään.

Yritän seuraavaksi värikkäiden pallojen avulla havainnollistaa näitä uusia tutkimustuloksia.*  Jos havainnollistuksen jälkeen ymmärrät miten kvanttimekaniikka toimii, niin olet ymmärtänyt jotain väärin…**

Lomittuminen spooky action in distance

Lomittuneiden hiukkasten seikkailua. Ylhäältä alas: hiukkasten etäisyys kasvaa, mutta salaperäinen yhteys niiden välillä säilyy (katkoviiva). Hiukkanen yllätetään mittaamalla. Tulosta ei voi etukäteen tietää (”punainen” vai ”vihreä”), mutta kun se on selvillä toisenkin hiukkasen ”aaltofunktio romahtaa”. Toinen hiukkanen osoittautuu aina ”punaiseksi” ja toinen ”vihreäksi”. Paitsi jos mitataankin jotain ihan muuta. Silloin hiukkaset eivät olekaan ”punaisia tai vihreitä” vaan ”violetteja tai keltaisia”.

Kuvassa 1 seurataan kahta lomittunutta hiukkasta. Lomittuneet hiukkaset ovat juuri niitä hiukkasia, jotka tuntuvat tietävän toistensa tekemisistä ilman, että mikään tieto virtaa niiden välillä.

Megidishin ym. (2013) kokeessa hiukkaset olivat fotoneja eli valoa, mutta ne voisivat olla myös elektroneja tai mitä vaan muita maailman perusrakennuspalikoita (tai perusrakennusjotain).

Yleensä kokeissa lomittuneet hiukkaset syntyvät yhtäaikaa samasta lähteestä, mutta kuten myöhemmin nähdään, näin ei tarvitse olla.

Lomittuneiden hiukkasten mahdottomalta vaikuttava yhteistyö ilmenee, kun toisesta hiukkasesta mitataan jokin sopiva ominaisuus. Toinen hiukkanen omaksuu välittömästi toisen, vastakkaisen ominaisuuden (tämän voi myöhemmin tarkistaa). Kuvassa 1a tämä ominaisuuspari on punainen/vihreä väri. Kuvassa 1b mitattavaa toista ominaisuusparia on kuvattu väreillä violetti/keltainen.

Ai, että mikä siinä kahden hitusen synkronoinnissa on niin ihmeellistä”? Juju on siinä, että hiukkaset eivät etukäteen tiedä mitä ominaisuutta niistä mitataan. Mitattavat asiat voivat olla keskenään ristiriitaisia, sellaisia, että molempia ominaisuuksia hiukkasella ei (arkijärjellä ajatellen) voi olla yhtäaikaa. Kuvan 1 väripallovertauksen mukaan hiukkanen ei voi olla yhtäaikaa esimerkiksi sekä punainen että violetti.

Kvanttifysiikan mukaan ominaisuudet eivät ole hiukkasissa ”valmiina”, ne syntyvät vasta kun mitataan.

Hiukkasten etäisyydellä ei ole väliä.  Toinen hiukkanen voi olla olohuoneessasi ja sen kanssa lomittunut hiukkanen Alfa Kentaurissa. Silti ne tuntuvat tietävän välittömästi, että mitä kaverille tehdään. Jos havaitset olohuoneesi hiukkasella jonkin piirteen, Alfa Kentaurin hiukkanen omaksuu heti vastakkaisen piirteen. Voit tarkistaa asian postitse Alfa Kentaurista. Vastauksen saaminen kestää kahdeksan vuotta ja yhdeksän kuukautta, jos posti kulkee valonnopeudella.

Entanglement swapping particles never coexisted

Ylhäältä alas: alkutilanteessa on kaksi lomittunutta hiukkasparia. Ensimmäisestä parista toinen hiukkanen mitataan (tulos: ”punainen”) ja toinen ketjutetaan toisen hiukkasparin toisen hiukkasen kanssa ”Bell-tilaan”, jolloin ne lomittuvat. Kakkoshiukkasparin jäljelle jäänyt hiukkanen osoittautuu ”punaiseksi” mitatun hiukkasen lomittuneeksi pariksi (”vihreä”). Ei haittaa vaikka ensimmäinen hiukkanen tuhoutui mittaustapahtumassa jo ennen kuin jälkimmäinen oli syntynytkään.

Kokeet olivat jo aiemmin todistaneet, että lomittumista voi ketjuttaa (”entanglement swapping”; Pan ym. 1998). ”Aavemaisen” yhteydenpidon voi siirtää lomittuneen parin hiukkaselta toisen lomittuneen parin hiukkaseen. Tämä onnistuu, kun molemmista hiukkaspareista yksi hiukkanen viedään yhteen niin, että ne lomittuvat. Jäljelle jääneet pitävät yhteyttä, vaikka eivät ole koskaan tavanneet.

Megidishin ym. (2013) kokeen uusi jippo oli, että lomittuneiden hiukkasparien ei tarvitse olla edes yhtäaikaa olemassa. Lomittumisen loikkaaminen saadaan toimimaan, vaikka ensimmäisen parin toinen hiukkanen olisi jo mitattu ja mittaamisen seuraksena tuhoutunut ennen kuin jälkimmäinen hiukkaspari on syntynytkään. Kun ensimmäisestä parista jäljelle jäänyt hiukkanen lomitetaan uuden parin toisen hiukkasen kanssa, koko neljän hiukkasen sopasta ainoana ehjänä ulos putkahtava hiukkanen osoittautuu ihan ensimmäisenä mitatun hiukkasen lomittumiskaveriksi – vaikka nämä hiukkaset eivät ole olleet samaan aikaan edes olemassa.

”Käsittämätöntä soopaa?” Käsittämätöntä – kyllä. Soopaa – ei. Kvanttimekaniikkaa käytetään, koska se toimii (bitches)!

Voit laskea ja rakentaa ja värkätä ja ennustaa ja luottaa aina siihen, että kvanttimekaniikasta saat oikeat luvut älyttömän tarkasti. Pulma on vain, että ennusteet ovat tilastollisia. Yksittäistapauksista ei koskaan tiedä mitä tapahtuu. Outous on siinä, että mistä ison hiukkasjoukon ennustettavuus kumpuaa, kun yksittäistapaukset ovat ennustamattomia.

Tässä jutussa käsitellyillä kvanttimekaniikan uusilla ihmeellisyyksilläkin voi olla käytännön sovellutuksia.

Käytännön hyötyä? Kuinka viehättävän vanhanaikaista! Oikea asenne tieteelliseen perustutkimukseen.

”Hyötyä? Käytännössä? Kuinka viehättävän vanhanaikaista!” – oikea asenne tieteelliseen perustutkimukseen. Kuva: Gonick ja Willis 1983

Odotapa vain, ehkä tulevaisuudessa läppärisi onkin kvanttitietokone, jonka toiminta perustuu näihin kvanttikummitusten aaveyhteyksiin ja yhteyksien pomppimiseen yli avaruuden ja ajan. Tai kaikki salausjärjestelmät murretaan kvanttien kummittelun avulla. Tai teleportaatio lakkaa olemasta pelkkää tieteiskirjallisuutta. Ihan totta, näistä jutuista puhutaan oikeissa tieteellisissä artikkeleissa.

* En käyttänyt tässä jutussa sellaisia sanoja kuin polarisaatiotaso tai spin. Piirtelin sen sijaan värikkäitä palloja. Alkeishiukkaset ovat tietysti ihan liian pieniä ollakseen minkään värisiä. Eivätkä ne ole pallojakaan. Toisaalta polarisaatio ja spin vievät mielikuvat hiukkasten heilumiseen ja pyörimiseen ja ne mielikuvat voivat olla yhtä harhaanjohtavia kuin värikkäät pallot.

** Richard Feynman sanoi, tai mahdollisesti ei sanonut, mutta ainakin Feynmanin tyyliin olisi hyvin sopinut sanoa: ”jos luulet ymmärtäväsi kvanttimekaniikkaa et ymmärrä kvanttimekaniikkaa”.

Lähteet:

Megidish, E., Halevy, A., Shacham, T., Dvir, T., Dovrat, L. ja Eisenberg, H. S. 2013:  Entanglement swapping between photons that have never coexisted. Phys. Rev. Lett. 110: 210403 (pdf)

Pan, J.-W., Bouwmeester, D., Weinfurter, H.  ja Zeilinger, A. 1998: Experimental entanglement swapping: Entangling photons that never interacted. Phys. Rev. Lett. 80: 3891-3894 (pdf)

Wiegner, R., Thiel, C., Zanthier, J. von ja Agarwal, G. S. 2011: Quantum interference and entanglement of photons that do not overlap in time. Opt. Lett. 36: 1512-1514 (pdf)

”How quaint!” -kuva:

Gonick, L. ja Wheelis, M. 1983: Cartoon guide to genetics. Barnes & Noble. 215 s. Vanha, mutta edelleen aivan mahtava sarjakuva perinnöllisyystieteestä.


Rauta

8.4.2013

Alkuaineita käsittelevä sarjani on edennyt jo ensimmäiseen osaansa. Tällä kertaa esittelyvuorossa on rauta.

Rautaisessa 7,26 kg kuulassa on hiiltä suunnilleen se seitsemän kilogramman yli menevä osa. Ihan puhtaasta raudasta valmistettuun kuulaan tulisikin lommoja turhan helposti.

Rautaisessa 7,26 kg kuulassa on hiiltä suunnilleen se 0,26 kg. Ihan puhtaasta raudasta valmistettuun kuulaan tulisikin lommoja turhan helposti.

Keskeltä on hyvä aloittaa!

Rauta on keskiraskasta ainetta. Aine puolestaan on jotain millä on massaa – jotain minkä Theodore Grayn määritelmän voi tiputtaa varpailleen (Gray 2009). Massa puolestaan on energiaa tiiviissä muodossa. (E=mctiedättehän?)

Yhden luonnonlain mukaan epäjärjestys eli entropia kasvaa maailmankaikkeudessa koko ajan. Entropiaperiaate määrää kätevästi myös ajan suunnan; järjestys vähenee ja satunnainen kohina lisääntyy sitä mukaa kun aika kuluu. Kellään ei tosin ole aavistustakaan, että miten on syntynyt se maailmankaikkeuden alkuperäinen järjestys, joka ajan mittaan murenee.

Epäjärjestyksen kasvun periaatteesta seuraa, että aineella on taipumus hajota säteilyksi. Alunperin tiivis ja hyvään järjestykseen pakattu aine pääsee säteilyksi muututtuaan karkaamaan epäjärjestyksessä avaruuden tuuliin.

Aine hajoaa säteilyksi sillä edellytyksellä, että se jotenkin siinä onnistuu. Ennen kuin aineen energia voi vapautua säteilyksi, sillä voi olla ylitettävänä monta kynnysreaktiota, jotka eivät vapauta energiaa vaan päinvastoin vaativat sitä jostain ulkopuolelta lisää.

Kun raskasta alkuainetta hajotetaan, lopputuloksena on kevyempiä alkuaineita, jotka ovat yhteensä vähän kevyempiä kuin alkuperäinen aine. Massaa on kadonnut. Toisaalta kun kevyet alkuaineet yhdistyvät, lopputuloksena on raskaampaa alkuainetta, mutta ei ihan niin raskasta kuin alkuperäiset aineet yhteensä. Massaa on taas kadonnut.

(Ai, että miksi juuri näin tapahtuu? En lähde pohtimaan sitä tässä, koska se tie vie vain kvanttifysiikkaan. En ymmärrä kvanttifysiikkaa. Kukaan muukaan ei ymmärrä kvanttifysiikkaa.)

Ydinvoimalat toimivat raskaita aineita hajottamalla vapautuvalla energialla. Aurinko puolestaan toimii kevyiden aineiden yhdistyessä vapautuvalla energialla.

Mutta palataan rautaan. Arvaatteko mikä alkuaine on kevyiden ja raskaiden aineiden puolivälissä? Mistä aineesta ei saa lamppuun valkeaa halkaisemalla eikä toisaalta tähtiin puhtia muihin aineisiin yhdistämällä?

Nikkeli. Tarkkaan ottaen oikea vastaus kysymykseen on nikkeli… Oletan nyt kuitenkin, että oikea vastaus on rauta, selitän sitten myöhemmin, että miksi…

Maailmankaikkeus on menossa kohti kaikkien aikojen rautakautta. Raskaat aineet hajoavat ja kevyet yhdistyvät, kunnes kaikki aine on muuttunut raudaksi. Kuten Raimo Keskinen aikanaan asian ilmaisi Modernin fysiikan alkeiden luennolla: ”Harva meistä nyt on rautaa, mutta tulevaisuudessa kaikki – eikä mikään enää ruostu, koska missään ei ole enää happea.

En malta olla mainitsematta tässä taas samaisen luentosarjan lopetuslauseita, niitä paremmaksi kun ei oikein voi pistää: ”Sellainen oli tarina maailmankaikkeudesta. Onko maailmankaikkeudesta mitään kysyttävää?

Rautaa ja kaikkia muita raskaita alkuaineita on maailmankaikkeuden mittakaavassa vain mitättömiä hippusia verrattuna kevyimpiin alkuaineisiin vetyyn ja heliumiin. Tähtitietelijöillä onkin viehättävä tapa kutsua kaikkia muita aineita kuin vetyä ja heliumia ”metalleiksi”.

Alkuainevelho Dmitri Mendelejev

Alkuainevelho Dmitri Mendelejev. Kuva: Wikipedia.

Ihan paikka paikoin rautaa voi olla runsaastikin. Esimerkiksi Maapallo on kuuden tuhannen triljoonan tonnin ainehippunen, jonka ytimestä iso osa on rautaa. Maapallon pinnassakin rauta on yksi yleisimmistä alkuaineista.

Raudan tutuimpia ominaisuuksia ovat, että se on harmaata, kovaa, se ruostuu ja siihen tarttuu magneetti.

Ensimmäinen fakta, harmaa väri pätee lähes kaikkiin muihinkin metalleihin – kemiallisessa mielessä metalleihin, ei tähtitieteellisessä.

Tähän väliin sopiikin tietokilpailukysymys: mitkä kolme metallia eivät ole harmaita? Vain puhtaat alkuaineet lasketaan, ei mitään sekoituksia.

Raudan yhdisteet ovat usein punaisia. Rautayhdisteiden takia esimerkiksi monien eläinten veri ja Marsin pinta ovat punaisia

Toinen fakta, raudan kovuus, on siitä huono, että se ei ihan tiukasti otettuna ole totta. Kovuus on tietysti suhteellinen käsite, mutta puhdas rauta on aika pehmeä metalli. Alumiinikin on kovempaa kuin rauta.

Arkikokemuksesta tuttu raudan kovuus johtuu siitä, että rauta ei tavallisesti ole puhdasta, vaan seassa on hiiltä. Hiili tekee raudasta kovempaa, mutta samalla hankalammin taottavaa.  Ovelilla käytännön konsteilla saadaan säädetyä raudan hiilimäärää ja hapetettua hiiltä ja muita raudan epäpuhtauksia niin, että raudasta syntyy terästä.

Kolmas fakta, raudan ruostuminen, on ihan totta, mutta ruostuminen sinänsä ei ole mikään ongelma. Ongelma on se, että ruostunut rauta vaatii enemmän tilaa kuin ruostumaton. Siksi ruostuneen rautaesineen pinta lohkeilee pois ja alta paljastuu aina uusi kerros rautaa ruostumiselle alttiiksi. Monet muutkin metallit kuin rauta ruostuvat eli hapettuvat helposti, mutta niiden hapettunut pinta ei haperru, vaan jää suojakerrokseksi alla olevalle metallille.

Raudan hapenkestävyyttä voidaankin parantaa sekoittamalla siihen muita metalleja. Ruostumatonta terästä saadaan lisäämällä teräkseen reilusti kromia. Jos teräksestä halutaan rakentaa esimerkiksi sukellusvene, kannattaa lisätä myös molybdeeniä. Muilla metalleilla raudan ominaisuuksia voi vielä viritellä lisää.

Neljäs fakta, magneetin tarttuminen rautaan on kiperä aihe. En osaa selittää magneettisuutta. Ongelma on sama kuin aikaisemmin tässä jutussa, kun olisi pitänyt selittää miksi atomiytimien hajoamisissa ja yhdistymisissä vapautuu energiaa. Kvanttifysiikan rajat tulevat vastaan ja kvanttifysiikka puolestaan on liian kummallista ymmärrettäväksi. Raudasta saa kuitenkin magneettisuuden pois lämmittämällä: 770 asteiseen rautamötikkään ei enää tartu magneetti, ähä!

Vai voittaako nikkeli sittenkin raudan?

Tarkistaessani faktoja tätä juttua varten, huomasin, että yksi olennainen ”faktani” on pielessä.

Raimo Keskisen luento, josta opin, että rauta on vakain alkuaine pidettiin ennen vuotta 1995. Siihen asti ”yleisesti tiedettiin”, että raudan isotoopilla 56 on matalin sidosenergia kaikista alkuaineista. Sitten M. P. Fewell (1995) tuli huomanneeksi, että ei se näin olekaan: fysiikan oppikirjoissa ja tietosanakirjoissa oli vain elänyt väärää tietoa. Raudan toisella isotoopilla, rauta-58:lla, on niukasti pienempi sidosenergia kuin rauta-56:lla. Ei siinä vielä mitään, rautaahan sekin on – mutta yksi nikkelin isotooppi, 62Ni, on vielä hiukan molempia rautoja vakaampi.

Virheen syy oli luultavasti siinä, että rauta-56 on luonnollinen päätepiste ketjureaktiolle, mihin tähdissä fuusioituva aine lopulta päätyy.* Nikkelin 62-isotooppia ei tähdissä juuri synny, eikä oikein missään muuallakaan. Rauta saa siis käytännössä hyvän etumatkan nikkeliin verrattuna maailmankaikkeuden tulevaisuuden aineena, mutta, periaatteessa, suunta onkin kohti nikkeliä.

Rauta-56 on melkein huipulla, mutta ei ihan.


Rauta-56 on melkein huipulla, mutta ei ihan. Kuva: Wikipedia.

Tähtien räjähtäessä supernoviksi olosuhteet ovat niin rajut, että rautaa ja nikkeliä raskaampiakin alkuaineita pääsee syntymään, mutta niissä reaktioissa ei enää vapaudu, vaan kuluu energiaa. Liian raskaiden alkuaineiden synty jarruttaa supernovankin puhtia.

Kaiken aineen muuttuminen lopulta raudaksi tai nikkeliksi kestää tietysti kauan. Kukaan ei esimerkiksi tiedä onko protoni epävakaa. Jos protonit hajoavat lopulta itsekseen, kaikki aine hajoaa myös itsekseen ja muuttuu säteilyksi. Se jo tiedetään, että jos protonit hajoavat, niiden puoliintumisaika on yli 1033 vuotta. Jos protonit hajoavat  ja siihen menee aikaa keskimäärin esimerkiksi 10100 vuotta, kaikki aine ehtii muuttua säteilyksi ennen kuin se muuttuu raudaksi tai nikkeliksi. Raudaksi tai nikkeliksi muuttuminen ei ole 10100 vuodessa oikein päässyt alkuunkaan. Sellaiseen menisi aikaa, no, tosi kauan. Eivät nämä näin isot numerot oikeastaan tarkoita mitään.

Aika joka kuluu kaiken aineen muuttumiseen säteilyksi, raudaksi tai nikkeliksi on niin pitkä, että ei ole mitään erityistä syytä ajatella, että maailmankaikkeus eläisi niin vanhaksi. Jos eläisi, niin käytännössä hyvin tarkasti 100% maailmankaikkeuden iästä olisi vielä edessä ja hyvin tarkasti 0% takana. Eli käytännössä maailmankaikkeudessa ei olisi vielä tapahtunut mitään.

* Esimerkiksi noin kymmenen auringon massaisissa tähdissä alkaa vedyn vähetessä ja paineen kasvaessa pii käydä polttoaineesta. Heliumytimet pääsevät tähden sisuksissa törmäilemään yhä raskaampiin aineisiin. Ketju menee näin: pii->rikki->argon->kalsium->titaani->kromi->rauta-52->nikkeli-56. Lopputulos olisi nikkeliä, mutta tämä tähdissä syntyvä nikkelin isotooppi on epävakaa, se hajoaa nopeasti ensin koboltiksi ja sitten raudan 56-isotoopiksi. Tavallinen rauta on tähtiaineen päätepysäkki.

Vastaus tietokilpailukysymykseen: metallit jotka eivät ole harmaita ovat kulta, kupari ja cesium. Cesium on kauniin kullankeltaista, mutta se on ”huono korumetalli”, kuten Gray (2009) asian ilmaisee, ”sillä se räjähtää joutuessaan kosketuksiin ihon kanssa”.

-Kolkkala, M. – luotiset.wordpress.com

Viitteet:

Fewell, M. P. 1995: The atomic nuclide with the highest mean binding energy. Am. J. Physics 63: 653-658. Pdf.

Gray, T. 2009: Kiehtovat alkuaineet. Suom. T. Hautala ja H. Ruuhinen 2010.  Docendo. Rautaesineitä Grayn alkuaineiden kokoelmasta.

Edit 1.5.2013: Kirjoitin tämän jutun ensimmäiset kappaleet uusiksi, kun oikolukijani sanoi, että ne tökkivät…


Kirjojen kulttuurievoluutiota III – eli laiskaa kesäkirjoittelua

4.2.2013

Tällä ei nyt niin kauheasti ole itse asian kanssa tekemistä, mutta täytyyhän sitä joskus päästä vähän elvistelemäänkin.” (Esko Valtaoja: Kaiken käsikirja: Mitä jokaisen tulisi tietää, s. 87)

Suhtautumiseni Valtaojan kirjaan on kaksijakoinen. Tärkein ensiksi: on mahtavan hienoa aina kun joku kirjoittaa luonnontieteeseen painottuvan populaarikirjan suomeksi, varsinkin jos kirjoittaja on itse pätevä tutkija, osaa kirjoittaa sujuvaa tekstiä ja on kiinnostunut laajasti muistakin aloista kuin omastaan. Pienellä kielialueella on selvää, ettei tiedekirjoitushommalla elä, joten innostusta on oltava kirjoittamisessa mukana. Huono puoli on, että Valtaoja ei ole tällä kertaa ehtinyt tai jaksanut tehdä järin hyvää kirjaa.

Kaiken käsikirjan ensiselailussa tuli olo, että kestänköhän edes lukea koko kirjaa, mutta järjestin sitten niin, että oli käytännössä pakko (tiesin joutuvani olemaan viikon verran sairaalassa, enkä ottanut juuri muuta lukemista mukaan…)

Tunnen kirjoittajan vain tämän kirjojen kautta, en ole koskaan nähnyt Valtaojaa livenä ja televiosiossakin muistaakseni vain kerran, jossain lastenohjelmassa (katson aika vähän televisiota). Sosiaalinen media pullauttelee aika ajoin Valtaojan lehtijuttuja luettavaksi (tykkään niistä yleensä). Valtaojan ja piispa Pihkalan yhteisiä kirjoja en ole lukenut, koska en ole kiinnostunut uskonnoista. (Lisäys: katsoin telkkaria.)

Aloitan arviointini seitsemännestä luvusta, koska se on minusta ehkä kirjan paras, luvun nimi on Historia. Luku tarjoilee virkistävää, sopivasti provosoivaa tekstiä. On mukava ajatella, että historiankirjoissa kerrotaan lähinnä siitä kuinka apinalaumat riitelevät resursseista.

Historialuku alkaa johdannolla: ”Maailmanhistoriassa on ollut vain neljä todella merkittävää tapahtumaa: Homo sapiensin synty Afrikassa, lähtö alkukodista levittäytymään ympäri maailman, maanviljelyksen keksiminen ja tieteen keksiminen.” Heh, juuri tällaista olennaisen tiivistämistä mukava pilke silmäkulmassa Kaiken käsikirjalta kaipaisin.

Jos vähän saivartelen sanoilla, noista neljästä vain viimeinen on historiaa, muut ovat esi-historiaa, niistä ei ole säilynyt kirjoitettua tietoa (ei ole ollut mitä säilyä). Mutta niin ajatellen tuo on oikeastaan vielä parempi: Maailmanhistoriassa on vain yksi todella merkittävä tapahtuma: tieteen keksiminen (ja tiede on saanut selville nuo kolme esihistoriallista merkittävää tapahtumaa). Aikaskaalan kaventaminen tosin johtaa kysymään, että eivätkö vaikka kirjapainotaidon tai, vähän varhaisempi, taiteen keksiminen ole todella merkittäviä tapahtumia? Vaimon(?) taidegallerian puksuna on mukava puuhastella, mutta ei taiteilu nyt sentään kosmologialle vertoja vedä?

Ihmiskunnan todellinen historia on kertomusta siitä, mitä tapahtui ihmisille, ei siitä mitä tapahtui vallanpitäjille ja heidän suunnitelmilleen maailman tai joen vastakkaisen rannan valloittamiselle.” Valtaoja pistää keisarit ja diktaattorit tyylikkäästi oikeaan mittakaavaan, häviämään jo naurettavien muutamien satojen vuosien jälkeen pieniksi kuriositeeteiksi ja sitten unohduksiin. Ehkäisypillerin keksijän esittäminen Hitleriä merkittävämpänä ihmisenä on hieno veto. Uskontojen perustaminenkin on (toivottavasti) pikkuhiljaa jäämässä pois muodista, niin että jos lukija mielii mukaan Valtaojan mainitsemaan ”Ihmiskunnan 100 suurinta” -kirjan  tuleviin painoksiin, tieteily lienee varmin uranvalinta (taiteilemallakin voi tietysti yrittää ohittaa vaikka Jeesuksen).

Viides luku nimeltä Elämä on myös aika huippu (kunnes kosahtaa vanhaan ongelmaan eli fylogeneettisten puiden väärinymmärtämiseen). Elämän tarinasta piirtyy elokuva-analogian kautta mukavan päätön ja todenmukainen tarina: ”pitkän ja huolellisen juonikehittelyn jälkeen päähenkilöt ovat lopultakin päätyneet ensimmäisille treffeilleen, kumartuvat juuri suutelemaan, ja PAM! Valtava räjähdys, ja savun ja pölyn laskeuduttua jäljellä ei ole enää pariskuntaa, ei itseasiassa koko ravintolaa eikä kaupunkiakaan”. Edistystä on tapahtunut Avoin tie -kirjasta, jossa Valtaoja harhautui ajattelemaan, että biologisella evoluutiolla olisi selkeä suunta yksinkertaisesta monimutkaiseen.

Sitten se kosahdus. Elämän sukupuiden väärin ymmärtäminen on niin yleinen ongelma ammattibiologeillekin, en meuhkaa siitä tässä pitkään (kiinnostuneille: Miten tulkita sukupuita ihan väärin). Sanottakoon vain että tällaisen lauseen: ”Keskimääräinen älykkyystaso on kasvanut aina uuden oksanhaarauman kasvaessa elämän sukupuuhun”  voi kirjoittaa vain joku, joka ei ymmärrä, miten elämän sukupuita tulkitaan. Vastaava virhe oli jo Valtaojan ensimmäisessä kirjassa Kotona maailmankaikkeudessa (arkkien ja muun elämän sukulaisuus, s. 93), joka muuten on tähänastisista kirjoista sekä syvällisin että hauskin. Erään planeetan ihmeitä -blogi korjailee tyylikkäästi Valtaojan tämän kertaisia sekoiluja sukupuiden ja älykkyyden kehityksen kanssa.

Hillis plot

En malttanut olla lisäämättä tällaista kuvaa… Kysymys mikä nykyisistä eliöistä on lähinnä jotain varhaista (kehittymättömintä) oksanhaaraa palautuu lopulta triviaaliksi matemaattiseksi kysymykseksi: mikä ympyrän kehän pisteistä on lähinnä ympyrän keskipistettä…? Kuvasta sopii yrittää demonstroida ”älykkyystason keskimääräistä kasvua jokaisessa puun oksanhaaraumassa”. Kasvien kohdalla sukupuuta esimerkiksi on tosi monta haaraumaa, kasvien täytyy olla jo älyttömän fiksuja…? (Tutki kuvaa suurempana.)

Ihmislajien evoluutio on Kaiken käsikirjassa esitetty hyvin. Valsteen (2012) Ihmislajin syntyä on luettu tunnollisesti ja hyvä niin. Valsteen tekstin tiivistelmään ei ole paljon lisäämistä, on turhaa elvistelyä mainita kahdessakin kohtaa ehtineensä jo nähdä (”Naturea ja Scienceä tarkoin seuraavana”) jotain erilaisia lukuja Valsteen kirjaan verrattuna (simpanssin, bonobon ja ihmisen linjojen erkaantumisajankohdat) – varsinkin kun luvut menevät pieleen. ”Simpanssit ja bonobot [...] paiskasivat kättä vain kaksi miljoonaa vuotta sitten.” Naturejutussa, jossa bonobon perimä julkaistiin arvioidaan simpanssin ja bonobon erkanemisajankohdaksi noin miljoona vuotta ja mainitaan luvun olevan sopusoinnussa useimpien aikaisempien tutkimusten kanssa (Prüfer ym. 2012, juttua pitää jaksaa lukea kolmannelle sivulle asti).

Alkuräjähdykseen ja maailmankaikkeuden kehitykseen on käytetty kaksi lukua ja hyvä niin, aihe on älyttömän kiehtova tämän oman alansa Valtaoja hallitsee. Kelpo tekstiä, ainoa mikä aina häiritsee tällaisissa, on kosmologien kevytmielinen suhtautuminen äärettömän käsitteeseen, sitä ei kunnioiteta tarpeeksi. Tästäkin olen kirjoittanut aiemmin sen verran, että riittäköön tässä, että en ymmärrä miten edes ”N-ulotteinen superasukki” kykenisi havaitsemaan vähempiulotteisia äärettömiä universumeja kokonaisuudessaan (”kuplina”); emme mekään voi havaita ääretöntä yksiulotteista viivaa. Ääretön on kuitenkin jotain mitä ei voi havaita ja minkä olemassaoloa ei voi ikinä todistaa.

Kuva: Wikipedia

Antropista periaatetta Valtaoja varoo mainitsemasta ja puhuu aihetta liipatessaan vähän itsensä kanssa ristiin: ”Pienessä mielessäni epäilen, että maailmankaikkeudella on tarkoituksensa, ja ainakin yksi sen tarkoituksista on tuottaa tänne eläviä olentoja, jotka pystyvät olemaan tietoisia maailmankaikkeudesta”  ja myöhemmin: ”On tietysti helppo ajatella, että ilman älyä maailmankaikkeudessa ei olisi paljonkaan järkeä. Miksi panna pystyyn koko suurenmoinen show, jos ei ole katselijoita? Niin houkuttelevalta kuin tällainen ajatus tuntuukin, ainakin minusta itsestäni se ei ole perusteltavissa – tai ainakaan kukaan ei ole esittänyt järkeenkäypiä perusteluja, mystiikka sikseen.” Jos tietoisuus ja äly katsotaan suunnilleen samaksi asiaksi, niin Valtaoja epäilee siis maailmankaikkeudelle jotain tarkoitusta, jolle ei ole järkeenkäypiä perusteita. Kieltämättä antropinen periaate on älyttömän kinkkinen aihe. (Ehkä aihetta käsiteltäisiin siinä ”Metafysiikan perusteet osa XLVII:ssä”, mikä Valtaojan tekisi mieli dumpata roskakoriin…)

Valtaoja valittaa (oikeutetusti) kuinka älytön huuhaa ja hömppä lainailee nykyisin energian, säteilyn ja ulottuvuuksien kaltaisia fysiikan termejä kuulostaakseen uskottavammalta. Valtaoja itse on lukenut ilmeisesti hindulaisuudesta, eikä malta olla lainaamatta termejä sieltä, ”Shiva tanssii” Järjestyksen kasvu -luvusta alkaen kirjassa vähän joka paikassa.

”Ei sitä suppeampaa suhteellisuusteoriaakaan jaksaisi taas selittää”? Kaiken käsikirjassa ei mainita suppeampaa suhteellisuusteoriaa!

Yhden kappaleen keskellä suppeampaa suhteellisuusteoriaa vähän piileskelee kvanttifysiikan ja yleisen suhteellisuusteorian seassa: ”Kaikella on syynsä. Kahdessa paikassa ei voi olla yhtä aikaa. Torpan mummokin tietää, että jokin joko on tai ei ole. Aika kulkee tasaisesti ja on sama kaikille. Identtiset kaksoset ovat samanikäisiä. Mennyt on mennyttä ja tulevaisuus tulevaa. Asiat tapahtuvat tietyssä järjestyksessä. Yhdensuuntaiset viivat eivät koskaan kohtaa. Fyysikko  vain pudistelee päätään ja hymyilee kärsivällisesti: sori vaan, mutta todellisuus ei nyt satu olemaan arkijärjen mukainen”. Torpan mummolle puistellaan päätä ja hymyillään, mutta ei sitten tällä kertaa yritetäkään kertoa millainen suppeamman suhteellisuusteorian kuvaama todellisuus on.

Kirjassa on häiritsevää alentavuutta, professoritason älykkyydellä (s. 115) kerrotaan asioita ja oletetaan lukijan hämmästyvän:  ”Heh heh, paljastit juuri korttisi: olet naiivi realisti”. Arkijärjen vastaiset kvanttifysiikka ja etenkin suppeampi suhteellisuusteoria oletetaan kyllä lukijalle tutuksi kauraksi, mutta arkijärjen vastainen solipsismi oletetaan sitten jostain syystä lukijalle ”tyrmäysiskuksi”, josta ei ole ikinä ennen kuultukaan. (”Å samma på svenska, kieliviisastelijat!” Keksiikö joku, mitä tuo heitto tarkoittaa solipsismin yhteydessä sivulla 19?)

Kaikkiaan kirjan idea on hyvä, suomeksi tällaista ei ole vielä tehty (jos ei Markus Kajon ”Ihmisen käsikirjaa” lasketa…). Vanhasta muistista tulee paikoin oikein hyvää juttua, mutta ”yritys tiivistää kaikki olennainen maailmasta ja ihmisestä, aineesta ja hengestä, pariin sataan sivuun” jää melko vaisuksi yritykseksi. Mihinkään ei oikein jakseta paneutua kunnolla, kirjan hyvän rungon päälle liimaillaan satunnaisen oloisesti sitä sun tätä enemmän tai vähemmän aiheeseen liittyvää; osa aasinsilloista on niin heikkoja, että aasit putoavat jokeen.

Hyviä juttuja

Viimetorstailaisuus”, eli ei voi todistaa, etteikö maailmaa luotu viime torstaina. Russell näemmä käytti aikamäärettä viisi minuuttia, mutta viime torstai kuulostaa mukavammalta.

Täällä tapahtuu kaiken aikaa yhä kummallisempia asioita: pimeyteen ilmestyy sokaisevana loistavia kaasupalloja, ja hieman myöhemmin avaruuden pölyhiukkaset takertuvat toisiinsa ja kasvavat kivimöykyksi, jonka pinnalla kiiluvasilmäiset apinat hyppäävät alas puusta ja alkavat rakentaa kuuraketteja.”  Osuvaa tiivistämistä, mukavia sanoja, tämä on Valtaojaa parhaimmillaan.

E-ELT = ”eurooppalaisten ältsin suuri teleskooppi”  :-)

Ei niin hyviä juttuja

jumalat kyrpiintyvät” Ei toimi ruma sana kirjoitetussa tekstissä, ei; ältsin suuri teleskooppi oli mukavampaa huumoria minusta, makukysymys tietysti.

Muuten, jos rusina liikkuu mummon pullassa sitä ei kannata syödä.” Ai, mikä siellä pullassa sitten on?

Vastasyntyneillä lapsilla aivot vievät kaksi kolmannesta [energiasta] – uskomaton suhdeluku, kun ajattelee, että ne rääpäleet eivät osaa kuin kolme temppua, rääkymisen, kakkimisen ja tissin lutkuttamisen.” Totta, professorit osaavat paljon enemmän temppuja. Jos yksilönkehitystä aletaan tekstissä miettiä, niin vähän voisi minusta tosissaankin valaista sitä mieletöntä prosessia, kun vauvan aivot ottavat hallintaan valtavaa uutta informaatiotulvaa ja järjestelevät sitä itse itseään ohjelmoiden hallittavaan ja ymmärrettävään muotoon.

”Ei nyt oikein jaksais”?

En ole vielä ehtinyt lukea kirjaa [Dalai Laman "Mind and life"], mutta eiköhän se putkahda esille uskontoa käsittelevässä luvussa

Kuukauden ahkera työ ja kolme- neljäkymmentä vuotta sitten opitun mieleen palauttaminen varmaan riittäisi [...] mutta taidanpa antaa olla
[sähköheikon vuorovaikutuksen teoriasta].

Kenties jokin pani hyvin nuoren kosmoksen laajenemaan inflatorisesti [...]  en edes yritä heitellä tähän lukuja

”[...] maailmankaikkeutemme voi olla seurausta [...] vaikkapa toisiinsa törmäävistä braaneista. (Mikä on braani? Sillä ei ole oikeastaan mitään merkitystä [...]).

Juutuin tähän kohtaan useaksi päiväksi koettaessani keksiä keinoa kuvata fysiikan nykyisiä perusteorioita edes jotenkin ymmärrettävällä ja lyhyellä tavalla. Aivan turhaan, tietysti; suomeksikin löytyy monia kokonaisia kirjoja, jotka koettavat kuvata kvanttifysiikkaa ilman matematiikan apua – mutta se on loppujen lopuksi mahdotonta

Pyyhe kehään, takkaan tuli ja makkaraa paistamaan…?

Minä, minä, minä…

Esko Valtaojan Kaiken käsikirja kertoo aika paljon – Esko Valtaojasta. Näköispatsasta mietitään taas (tälla kertaa ei sentään planeetan kokoista), irrallisille heitoille moottoripyörällä ajelusta tai kilon sianpotkan syömisestä en keksi muuta merkitystä kuin vihjata lukijalle, että kirjoittaja on Äijä. Valtaoja vertaa melkein vastasyntynyttä maailmankaikkeuttakin itseensä: ”suhteessa sama kuin jos minusta olisi otettu kuva Kemin keskussairaalassa viisitoista tuntia syntymäni jälkeen”. Kuulostaisi mukavammalta sanoa, että ”sama kuin sinusta, arvon lukija, olisi otettu kuva viisitoista tuntia syntymäsi jälkeen” (ikäkorjaus pitäisi vain tehdä). Jos teoksen nimi on niin mahtava kuin Kaiken käsikirja, sen pitäisi kestää aikaa niin pitkälle tulevaisuuteen, että kellään ei ole enää aavistustakaan miltä Esko Valtaoja näytti vanhana, saati vauvana.

”On tässä kierretty muutakin kuin tahkoa”?

Työmatka La Palman tähtitornille, kirjoittamassa taiteilija- ja tutkijaresidenssissä eteläisessä Italiassa, vaeltamassa Grand Canyonissa…

Berliinissä Valtaoja näkee oluttuopin kuivuvassa vaahdossa jotain syvällistä, mutta ei oikein osaa päättää mitä. ”Ihan shelvää tamilhin kielishtä kirjoitushta täshä, hips, eikush shittenkin elämän shynty”?

Virheitä

Muita merkittäviä virheitä kuin sukupuiden väärin ymmärtämisen en huomaa, jotain pientä aina.

Jäkälät eivät ole kasveja.

North Sentinel Island… Siellä elävät maailman viimeiset aidosti kivikautiset metsästäjä-keräilijät”; pokkana vaan: ”maailman viimeiset”. Kukaan ei ole varma minkä verran kontakteja Amazonin alueen ja Papua-Uuden-Guinean viimeisillä metsästäjä-keräilijäheimolla on ollut muuhun maailmaan, mutta varmasti joukossa on yhtä aitoja kuin mainitulla saarellakin.

[Aine, energia, voimat, paikka ja aikaovat mitä ilmeisimmin olemassa naiiveimmallekin realistille” – vähiten naiiville realistille, kai?

Halle Berry

Jos laitettaisiin vierekkäin oranki, gorilla, simpanssi ja Halle Berry – viimeksi mainittu tietysti ilman vaatteita – objektiivinen tutkija ei voisi välttyä johtopäätökseltä, että ihmisen ja ihmisapinoiden väliset erot ovat pienempiä kuin apinoiden keskinäiset erot. (Halle Berryn kohdalla objektiivisuuden säilyttämisessä voisi tietysti olla omat ongelmansa.)” Kiitos, ymmärsin tämän yskän jo ensimmäisestä lauseesta, oikeastaan ymmärsin sen jo aikaisemmista kirjoista. Tekstissä olisi muutenkin tiivistämisen varaa ihan virketasollakin (kustannustoimittajan hommia, kai): ”Tule tänne ja juttele kanssani, tai jos se ei saa sinua vakuttuneeksi, voin vaikka vetää sinua turpiin jos ei muu auta”.

Tiivistelmä

Kirjasta jää vähän sellainen olo, että ”pakkohan sekin oli vääntää ja uhrata kesälomapäivistä kolme tuntia kirjoittamiseen; kun oli ne apurahatkin tullut saatua”.

Aiemmat arviot

Kirjojen kulttuurievoluutiota I – Kotona maailmankaikkeudessa ja Avoin tie: kurkistuksia tulevaisuuteen

Kirjojen kulttuurievoluutiota II – Ihmeitä: kävelyretkiä kaikkeuteen

Kuvat

Maailmankaikkeuden kehitys: Wikipedia
Elämän kehitys: http://www.zo.utexas.edu/faculty/antisense/tree.pdf

(C) Kolkkala, M. – luotiset.wordpress.com


Luotiklusteri, ihminen ja pieni kivi

30.10.2011

Luin Tähtisen ja Flynnin (2008) kirjaa, jonka pääaiheet ovat suuri ja tuntematon pimeä aine ja vielä suurempi ja vielä tuntemattomampi pimeä energia – oikein valaiseva kirja. Maailmankuvani kirjaimellisesti avartui pimeiden asioiden lisäksi tähtitieteilijöille varmasti hirmu tuttujen valoisien asioiden suhteen.

Pysähdyin kirjaa lukiessani ihastelemaan ja ihmettelemään Luotiklusteriksi kutsuttua isoa galaksijoukkoa. Luotiklusteri on syntynyt kosmisessa kolarissa, missä galaksijoukko on törmännyt suoraan ja kovaa päin toista galaksijoukkoa.

Mittasuhteet galaksijoukoista puhuttaessa ovat hämmentävän isoja. Hämmentävintä on ehkä se, että paikan päällä juuri mikään ei näyttäisi törmäävän juuri mihinkään, mutta kokonaisuutena mäjäys on silti maailmankaikkeuden tunnetun historia isoimpia.

Luotiklusterin ja toisen ison galaksijoukon kolarin jäljet ovat täältä meiltä Linnunradasta katsottuna juuri sopivan tuoreet, noin sadan miljoonan vuoden ikäiset (1). Satojen triljoonien kilometrien läpimittaisten galaksirykelmien varsinaisessa törmäyksessä on tietysti kestänyt tovi, vaikka törmäysvauhti on ollut viisitoista miljoonaa kilometriä tunnissa.

Olennaista galaksijoukoissa on, että galakseja on niissä hyvin harvassa. Kun galaksijoukot törmäävät, niiden galaksit eivät juuri törmää toisiinsa. Galaksijoukot lipuvat majesteettisesti toistensa läpi. Vaikka kaksi galaksia törmäisikin, galaksien tähdet eivät juuri törmäisi, tähtiä on galakseissa niin harvassa, että galaksit vain purjehtisivat toistensa läpi.

Mikä sitten oikein törmää, jos eivät galaksit eivätkä tähdet? Vastaus on kaasu. Kaasu on tosin vähän outo ilmaisu, kun puhutaan galaksien välisestä avaruudesta. Jos galaksien välisestä ”kaasusta” ottaisi näytteen purkkiin ja toisi sen maapallolle, purkista löytyisi ylivoimaisesti paras supertyhjiö mitä täällä on nähty; parhaissakin ihmisen tekemissä tyhjiöissä on satatuhatta kertaa enemmän ainetta kuin galaksien välisessä kaasussa.

Luotiklusteri on kuvassa oikeanpuoleinen mötikkä. Vaaleanpunainen on lähinnä kaasua, sininen on gravitaation paljastamaa pimeää ainetta ja valkoiset ja oranssit täplät ovat valoisia galakseja.

Galaksien välinen kaasu on ”kuumaa”. Kuumakin on vähän outo ilmaisu tässä yhteydessä. Lämpö on liikettä. Kuumassa kaasussa ainehiukkaset liikkuvat kovaa. Lämpötilaksi muutettuna ainehiukkasten liike vastaa kymmeniä miljoonia asteita. Galaksien välisessä kaasussa ainetta on kuitenkin niin naurettavan vähän, että eipä galaksien välisessä avaruudessa kuuma tulisi, jos sinne menisi.

Nyt päästään tämän jutun pääpointtiin: galaksijoukot ovat isoja. Niiden törmäys olisi paikan päällä katsottuna juuri yhtä jännittävää kuin voi kuvitella kahden supertyhjän tyhjiön törmäyksen olevan – mitään ei näkyisi. Kokonaisuutena katsoen törmäys on kuitenkin tolkuttoman iso (2). Totta kyllä, yksinäiset orvot ainehiukkaset (ionisoituneet vety- ja heliumatomit) liikkuvat kovaa ja kun ne sitten viimein sattuvat törmäämään, törmäys on atomitasolla raju. Törmäävät atomit ”vinkaisevat” liikkeelle säteilykvantin. Galaksijoukkojen mittasuhteissa näistä vinkaisuista kasvaa kosminen karjunta. Törmänneet galaksijoukot säteilevät kuin jättimäinen kasa hulluksi tulleita hammaslääkärin röntgenlaitteita (3).

(Varoitus, jutussa seuraa vähittäinen siirtymä filosofiseen hömppään.)

Tähtitaivaan alla ihmisillä on ollut perinne tuntea itsensä pieneksi. Varsinkin sen jälkeen kun tajuttiin, että tähdet ovat aurinkoja. Tarkemmin sanottuna yötaivaalla näkyvät ”lukemattomat” auringot ovat oman galaksimme lähiaurinkoja ja vielä niiden kirkasta eliittiä. Hyvissä olosuhteissa pari ihan läheisintä naapurigalaksiamme erottuu pelkillä silmillä. Muita pitää tähystää kaukoputkella. Kymmenientuhansien triljoonien kilometrien päässä majailevaa Luotiklusteria tähystetään muun muassa satelliitin röntgenteleskoopilla.

Kuuden tuhannen triljoonan tonnin maapallo ei (paljon) liikahda, jos sitä potkaisee, maapallo on pieni aurinkoihin verrattuna, auringot ovat pieniä galakseihin verrattuna, galaksit ovat pieniä… pointti ymmärretty. Ihminen on pieni. Mutta entäs sitten? Miksi iso olisi tärkeämpää kuin pieni? En keksi yhtään järkevää selitystä.

En yritä nostaa ihmistä mihinkään taianomaiseen ja muusta maailmasta riippumattomaan asemaan, päinvastoin. Ihminen on ainutlaatuinen eläinlaji ja esimerkiksi vesinokkaeläin on toinen ainutlaatuinen eläinlaji. Yksi vesinokkaeläimen ainutlaatuisista piirteistä on sähköaisti nokkaa muistuttavassa kuonossa. Yksi ihmisen ainutlaatuisia piirteitä on kyky saada selville, että on olemassa jotain sellaista kuin toisiinsa törmääviä galaksijoukkoja. Totta kyllä, useimmat ihmiset eivät mieti usein törmääviä galaksijoukkoja. Ihmiset miettivät suurimman osan elämäänsä lähinnä toisia ihmisiä (4), eikä siinä ole mitään pahaa. Monet muutkin eläinlajit ovat äärimmäisen kiinnostuneita lajikavereistaan. Suvullisesti lisääntyvälle ja sosiaaliselle lajille lajikaverit ovat elämän ja kuoleman kysymys.

Ihmisen merkitystä ei pidä vähätellä siksi, että ihminen on pienempi kuin galaksijoukko – ja aivan yhtälailla esimerkiksi pienen kiven merkitystä ei pidä vähätellä siksi, että se on pienempi kuin ihminen. Jokainen pieni kivi on ainutlaatuinen. Samanlaista ei voi olla jo pelkästään sen takia, että jokaisella kivellä on ainutlaatuinen sijaintinsa aika-avaruudessa. Juuri tällaista pientä kiveä ei voi olla olemassa ilman juuri tällaista maailmankaikkeutta – ja päinvastoin - juuri tällaista maailmankaikkeutta ei voi olla olemassa ilman juuri tällaista pientä kiveä! (Kiviä paljon pienempien alkeishiukkasten maailmassa yksilöllisyys on häilyvä käsite, elektronia ei voi sanoa yhtä varmasti ainutlaatuiseksi kuin pientä kiveä, mutta alkeishiukkasten parissakin jokainen tapahtuma on ainutlaatuinen.)

Viimeisenä vetona pieniä asioita väheksyvälle voi sanoa, että maailmankaikkeuskin on joskus ollut pieni, pienempi kuin pienin kivi – ja luulen, että voi ihan liioittelematta sanoa, että maailmankaikkeus on tärkeä…?

(1) Sata miljoonaa vuotta on tietysti kosmisesti lyhyt aika, mutta inhimillisesti niin pitkä että siitä on vaikea saada otetta. Mittakaavaa voi hakea vaikka mannerlaattojen liikunnasta: sadan miljoonan vuoden päästä Afrikka ja Eurooppa ovat törmänneet toisiinsa ja Välimeren paikalla on vuoria; toisaalta dinosaurukset rellestivät ”maailman valtiaina” (lue: yleisimpinä planeettamme isoista elukoista) reilusti yli sata miljoonaa vuotta.

(2) Tuhat noniljoonaa joulea – vertaa: http://en.wikipedia.org/wiki/Orders_of_magnitude_(energy)

(3) Osaisiko joku sanoa kuinka paljon enemmän kaksi törmännyttä galaksijoukkoa säteilee kun hammaslääkärin röntgenlaite, en onnistunut selvittämään tätä relevanttia asiaa? Muutenkin otan mielelläni vastaan korjauksia jutun puutteista ja virheistä.

(4) Ostapa vaikka sanomalehti tai aikakauslehti ja laske jutut, jotka eivät kerro ihmisistä…

Viite:

Tähtinen, L. Ja Flynn, C. 2008: Universumin pimeä puoli. Ursa. 192 s. (Luotiklusterista 1E 0657-66 kerrotaan sivuilla 81-97. )

(C) Kuvakollaasi: vaaleanpunainen tuhru: Markevitch, M. ym., Nasa; sininen tuhru ja valkoiset ja oranssit täplät: Glowe, D. ym., Nasa.

(C) Teksti: Kolkkala, M. – luotiset.wordpress.com


Kupla ja partaveitsi

23.2.2011

…jatkoa viime numerosta

”Sekunnin päästä alkupamauksesta alkoi ”taivaalla” olla myös jonkin verran kouriintuntuvaa töhnää; pääasiassa fotoneja, elektroneja ja neutriinoja sekä niiden antihiukkasia ja hieman protoneja ja neutroneita, joita tietenkin myös tarvitaan, kun tehdään maailmankaikkeuksia, senhän ymmärtää assistenttikin” (Kajo 2003).

Piti ottaa vielä toinen erä tämän maailmankaikkeusjutun kanssa. Yritin tällä kertaa olla oikein looginen ja jäljittää tarkasti, mikä minua oikein häiritsee siinä ajatusmallissa, että kaikkien mahdollisten maailmankaikkeuksien olisi pakko toteutua, jos maailmankaikkeuksia olisi äärettömän monta (e.g. Chown 2007)? Yritän seuraavassa purkaa tämän mallin pala palalta; mitä kaikkea pitäisi olettaa, että se voisi olla totta?

Tämän ”kaikkien maailmojen mallin” perusoletus on ymmärtääkseni, että maailmankaikkeuksia on äärettömästi, mutta yksittäiset maailmankaikkeudet ovat kaikin puolin äärellisiä, niillä on äärellinen määrä ”tiloja” missä olla. Jos yksittäisen maailmankaikkeuden vaihtoehtoisia tiloja olisi äärettömästi, en ainakaan keksi miten ikinä voisi olla varma, että kaikki vaihtoehdot ovat toteutuneet. Vaihtoehtoja olisi liikaa (äärettömästi liikaa). Miten voisi tietää kumpi ääretön olisi ”isompi”: maailmankaikkeuksien määrä vai yksittäisen maailmankaikkeuden tilojen määrä? (Olisivatko nämä äärettömät ”numeroituvia” vai ”ylinumeroituvia”)?

Jonkinlaisten luonnonlakien olemassaolo on toinen pakollinen oletus kaikkien maailmojen mallin toimivuudelle. En ainakaan osaa kuvitella mitä sellaisen maailmankaikkeuden olemassaolo voisi tarkoittaa, jossa ei olisi mitään luonnonlakeja. Olemassaolo vaatii jatkuvuutta ja pysyvyyttä. Ilman luonnonlakeja jatkuvuutta ja pysyvyyttä ei olisi. Ilman luonnonlakeja maailmankaikkeus olisi täysin satunnainen, kaikki asiat tapahtuisivat ilman syytä eikä mistään seuraisi mitään. Ilman luonnonlakeja ei voisi laskea ”protoneja” tai ”kaikkia mahdollisia maailmankaikkeuden tiloja”. Ilman luonnonlakeja mikään ei määräisi, että jos tässä on nyt protoni, niin siinä pitää olla seuraavassa hetkessäkin protoni. Ilman luonnonlakeja mikään ei määräisi, että jos tässä nyt on maailmankaikkeus, niin siinä pitää seuraavassa hetkessäkin olla maailmankaikkeus. Ilman luonnonlakeja mikään ei määräisi, että olisi edes mitään ”seuraavaa hetkeä”.

”Kaikkien mahdollisten maailmankaikkeuksien” voi siis varmaankin katsoa tarkoittavan ”kaikkia luonnonlakien sallimia maailmankaikkeuksia”.

Hyvä, oletetaan siis ääretön määrä äärellisiä maailmankaikkeuksia, joissa on luonnonlakeja. Seuraava käsiteltävä oletus on, että luonnonlait eivät saa olla äärettömän tarkkoja. Ääretön tarkkuus luonnonlaeissa johtaisi erikoistapaukseen, jossa kaikki mahdolliset maailmankaikkeudet toteutuisivat kyllä, mutta niitä mahdollisia maailmankaikkeuksia olisi vain yksi! Kun maailmankaikkeudet syntyisivät ja kehittyisivät täsmälleen samojen lakien mukaan äärettömän tarkasti, niiden välille ei missään vaiheessa tulisi mitään eroa. Pienen pienikin satunnaisuuden siemen kyllä riittäisi, pieni poikkeama luonnonlaeista, yksikin seuraus ilman syytä – ja maailmat lähtisivät kulkemaan aivan eri polkuja. Edes hitunen aitoa sattumaa on kuitenkin pakko olettaa, että maailmankaikkeudet voisivat olla erilaisia.

Oletataan siis luonnonlakeja, niin että käsite ”maailmankaikkeus” ylipäänsä tarkottaa jotain ja oletetaan myös sattumaa, niin että maailmankaikkeuksien välille saadaan jotain eroja. Tämän hetkiseen tieteelliseen maailmankuvaan nämä oletukset sopivat hyvin. Luonnonlakeja ainakin omalla maailmankaikkeudellamme selvästi on, juuri niin kuin kunnialliselle olemassaolevalle maailmankaikkeudelle kuuluu. Parhaan tietämyksemme mukaan maailmamme luonnonlainkuuliaisuuden takana kummittelee kuitenkin myös aitoa sattumaa. Periaatteessa maailmankaikkeudesta, jossa on aitoa sattumaa olisi tiedettävä ihan kaikki, että siitä voisi ennustaa yhtään mitään. Käytännössä tilanne ei ole ollenkaan niin paha. Maailmankaikkeutemme on monessa suhteessa oikein hyvätapainen ja ennustettava. Oikein tarkasti tutkittavaksi se ei kuitenkaan suostu niin kuin kaikki kvanttimekaanikot tietävät (ainakaan ilman että tarkkuus jossain muussa asiassa samalla hukataan kokonaan).

Maailmankaikkeuden syntymän tämän hetkiseen perusmalliin kuuluu yksi alkuräjähdys ja sitä seuraava kiihtyvä laajeneminen (”inflaatio”), joka venyttää maailmankaikkeutta, tai paremminkin metamaailmankaikkeutta, useammaksi maailmankaikkeudeksi. Syy monien maailmankaikkeuksien syntyyn tässä perusmallissa on erityinen luonnonlaki, jonka mukaan kaikella tiedon kululla on suurin mahdollinen nopeus, valonnopeus. Kiihtyvästi laajenevan maailmankaikkeuden toisistaan loitontuvat osat lakkaavat tämän nopeusrajoituksen takia ajan mittaan vaikuttamasta toisiinsa millään tavoin, eivätkä ne voi enää edes periaatteessa tietää toisistaan mitään; aiemmat saman maailmankaikkeuden osat ovat muuttuneet toisistaan riippumattomiksi itsenäisiksi maailmankaikkeuksiksi.

Alkuräjähdys- ja inflaatiomalli maailmankaikkeuksien (”kuplauniversumien”) syntymälle on siitä kätevä, että sen mukaisesti on luontevaa olettaa kaikkiin maailmankaikkeuksiin samat luonnonlait, ovathan ne alunperin lähtöisin samasta maailmankaikkeudesta. Luonnonlakien voi periaatteessa sallia muuttuvankin, jos ne vain muuttuvat kaikissa maailmankaikkeuksissa samalla tavoin, luonnonlakien muuttumiselle on siinä tapauksessa oltava omat luonnonlakinsa (metaluonnonlait). Jos luonnolait voisivat olla mitä sattuu, maailmankaikkeudetkin voisivat olla mitä sattuu eikä kukaan tietäisi kuinka paljon vaihtoehtoisia maailmankaikkeuksia on. Luonnonlakeja koskee sama vaatimus kuin ihan kaikkea muutakin, vaihtoehtoja ei saa olla äärettömästi tai muuten vaihtoehtoisten maailmankaikkeuksien tilojen määrä karkaa äärettömiin eikä silloin voi mitenkään olla varma kaikkien vaihtoehtojen toteutumisesta ”jossain”.

Luonnonlait ja sattuma – tarkistettu. Seuraava oletus kaikkien maailmojen mallille onkin sitten vailla mitään tieteellistä näyttöä: maailmankaikkeudet ovat kaikissa asioissa epäjatkuvia. Oletukseksi ei riitä että aine on epäjatkuvaa, myös ajan ja avaruuden on oltava epäjatkuvia (kvantittuneita). Jatkuvassa avaruudessa seikkailevalla roinalla olisi äärettömästi paikkoja oleskella jossain ja jatkuvassa ajassa sillä olisi äärettömästi ajanhetkiä tehdä jotain. Äärettömät paikat tai äärettömät ajanhetket puolestaan tarkoittaisivat ääretöntä määrää maailmankaikkeuden mahdollisia tiloja ja tämä sotii taas kaikkien maailmojen mallin ensimmäistä perusoletusta vastaan. Mahdollisia maailmankaikkeuden tiloja saa olla vain äärellinen määrä, joten mikään jatkuvuus ei käy.

Pidän kyllä epäjatkuvuuden oletuksesta, koska se tarkoittaa, että kaikki on hyppäyksellistä eikä mikään ole äärettömän tarkkaa – toisin sanoen äärettömän pientä ei ole olemassa. Maailmankaikkeus ei kuitenkaan välttämättä välitä siitä mistä minä pidän; ajan ja avaruuden epäjatkuvuudet ovat toistaiseksi pelkkää spekulaatiota. Onko koko todellisuus tosiaan pohjimmiltaan digitaalinen? (Kuinka nörttiä.) Toisaalta ei ajan ja avaruuden jatkuvuudestakaan varsinaisesti todisteita ole. Matemaattisena temppuna ”mielivaltaisen pieniin” osiin jakaminen toimii, mutta ehkä matematiikalla ei tässä yhteydessä ole vastinetta todellisuudessa. Sama matemaattinen temppu toimisi, vaikka differentiaalien ei annettaisi pienentyä äärettömiin, vaan niillä olisi jotkin pienimmät mahdolliset arvot, jotka vastaisivat pienintä mahdollista palaa avaruutta ja lyhintä mahdollinen ajanhetkeä.

Yhtäkaikki, piti siitä tai ei, spekulaatiota tai ei – epäjatkuvuus on oletuksissa mukana, joten jatketaan…

Kokoan yhteenvedon kaikista tähän astisista ”kaikkien maailmojen mallin” vaatimista oletuksista: maailmankaikkeuksia on ääretön määrä, mutta yksittäiset maailmankaikkeudet ovat kaikin puolin äärellisiä; aine, avaruus, aika ja luonnonlait ovat epäjatkuvia ja niitä on yksittäisissä maailmankaikkeuksissa äärellisesti. Luonnonlait eivät ole äärettömän tarkkoja, vaan sattumalta voi tapahtua mitä vaan ja kaikki maailmankaikkeuden tilat ovat mahdollisia – kunhan pysytään mainituissa äärellisyyden rajoissa. Seuraako näistä oletuksista, että maailmankaikkeuksissa toteutuvat kaikki mahdolliset vaihtoehdot? Kyllä, yhtä varmasti kuin, että äärettömällä nopanheitolla saataisiin varmasti kaikki mahdolliset tulokset (ja kaikki vielä äärettömän monta kertaa). Noppamaailmankaikkeuden mahdollisia tiloja olisi kuusi (tai yksi siinä erikoistapauksessa, missä luonnolait oletettaisiin äärettömän tarkoiksi). Kaikki mahdolliset vaihtoehdot toteutuisivat näillä oletuksilla varmasti, missä siis vika?

Luulen, että nyt olen paikantanut ongelman ytimen: vika on siinä, että yhdenlainen ääretön hyväksytään, mutta toisenlaista ei. Oletukset sallivat äärettömän suuren olemassa olon (ääretön määrä maailmankaikkeuksia), mutta eivät äärettömän pienen olemassaoloa (asioiden jatkuvuus äärettömän pieniin osiin). Mitään järkeviä perusteita äärettömien epätasa-arvoiselle kohtelulle ei ole.

Minkään asian äärettömyydestä ei ole näyttöä. Maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen mallikaan ei edellytä ääretöntä määrää maailmankaikkeuksia, hirvittävän, käsittämättömän, tajunnan räjäyttävän monia kyllä, mutta äärettömään verrattuna mikä tahansa äärellinen määrä maailmankaikkeuksia on kirjaimellisesti yhtä tyhjän kanssa (äärellinen/ääretön=0). Ääretön ei ole iso luku, se on jotain vahvempaa. Kaikki havainnot voidaan selittää yhtä hyvin olettamalla maailmankaikkeuksia vain hirmu monta kuin olettamalla niitä ääretön määrä. Kumpi valita, äärellinen vai ääretön?

Kun kaksi mallia selittää yhtä hyvin havainnot, ainoa järkevä tapa on pudottaa kaikki turha painolasti ja valita vaihtoehdoista yksinkertaisempi (Occamin partaveitsi -periaate).

Kumpi yksinkertaisempaa : a) maahisia ei ole eikä kyklooppejakaan vai b) maahisia ei ole, mutta kyklooppeja kyllä on?

Jos yhdenlaisista satuolennoista (kykloopeista tai äärettömästä määrästä maailmankaikkeuksia) olisi näyttöä, toisenlaisetkin (maahiset tai äärettömän pieniksi jatkuvat asiat) olisi ehkä enemmän syytä ottaa vakavasti.

Yksinkertaisinta on ajatella, että kaikkea on äärellisesti kunnes toisin todistetaan ja näin ollen kaikkien maailmojen mallin voi huoletta hylätä: kaikki mahdolliset maailmat sisältävä kuplauniversumi puhkeaa Occamin partaveitsellä. Bonuksena äärettömien maailmojen hylkäämisestä kenenkään ei tarvitse tulla hulluksi pohtiessaan mitä kaikkea niissä maailmoissa olisi.

Yhteenveto: edellä on pähkäilty mallia, jonka mukaan kaikkien mahdollisten maailmankaikkeuksien on pakko olla olemassa. Mallin vaatimista oletuksista muut vaikuttavat päteviltä, mutta kompastukiveksi nousee vaatimus maailmankaikkeuksien äärettömästä määrästä. Minulla ei ole mitään aavistusta miten mitään voisi todistaa äärettömäksi (ainakaan äärellisessä ajassa).  Jos joku joskus löytää vastoin odotuksiani maailmankaikkeuksien äärettömälle määrälle pitäviä todisteita niin sitten lupaan kyllä heti uskoa äärettömien maailmojen äärettömiin viulunsoitonopettaja-Einsteineihin (Chown 2007), äärettömiin planeetan kokoisiin Valtaoja-patsaisiin (Valtaoja 2007) -  ja myös äärettömiin linnunradan kokoisiin Kolkkala-patsaisiin, joilla on päässä tonttuhattu ja joiden jalustassa lukee violetilla kaunokirjoituksella kaikilla Papua-Uuden-Guinean kielillä: Tässä tyyppi, joka luuli, että ääretöntä ei ole olemassa.

(Puh, äärellinen pää höyryää; seuraavaksi palaan kyllä ihan muihin aiheisiin, pieniin tai suuriin, mutta sentään jonkin kokoisiin.)

Päivitys 19.6.2011: palasin hiomaan tätä juttua vielä uudestaan ja sain mielestäni selkeämmäksi.  Hämärää logiikkaa jäi varmasti vieläkin; olisi hienoa kuulla mitkä ovat muiden mielestä tämän jutun vaikeimmin avautuvat kohdat.

Lisäys: hienoja termejä, joita en juttua kirjoittaessani tiennyt: ultrafinitismi ja digitaalinen fysiikka ja digitaalinen filosofia

Viitteet:

Chown, M. 2007: The never-ending days of being dead: dispaches from the front line of science. Suom. 2008 Perhoniemi, T.: Päättymättömät päivät kuolleena: uutisia tieteen eturintamalta, s. 33, Ursa.

Kajo, M. 2003: Kettusen paluu: ihmisen käsikirja, s. 72, Wsoy.

Valtaoja, E. 2007: Ihmeitä – kävelyretkiä kaikkeuteen , s. 267, Ursa

(C) Kolkkala, M. – luotiset.wordpress.com


Pelkkä kupla

3.1.2011

Voiko äärettömyyttä olla olemassa missään muodossa? Tottahan toki, muun muassa kvanttikosmologiassa…

Onhan se mahtavaa, että maailmankaikkeuden synnyn kaltaisilla asioilla voidaan edes spekuloida, ja niitä työkaluja on käytettävä mitä on, mutta jokin siinä minusta aina tökkii, kun tuntemiamme luonnonlakeja venytetään – ei vain äärimmilleen – vaan kirjaimellisesti äärettömiin. Tähän tyyliin:

Koska protonit voivat asettua vain äärelliseen määrään erilaisia järjestyksiä havaittavan maailmankaikkeutemme kokoisessa tilassa ja kuplauniversumi on inflaatioteorian mukaan käytännössä äärettömän kokoinen, täytyy kaikkien mahdollisten järjestysten olla olemassa jossakin” (Chown 2007).

Unohdetaan nyt tuo ilmaisu ”käytännössä ääretön”, vaikka se osoittaa pahaa äärettömän aliarviointia. Ääretön ei ole tolkuttoman iso luku, se on jotain voimakkaampaa – sama se vaikka kasvatettaisiin vaikka tätä maailmankaikkeuksien määrää yhdestä googolpleksi potenssiin googolpleksin kertomaan(!) ja lisättäisiin varmuuden vuoksi vielä kolme, niin edelleenkään ei oltaisi yhtään lähempänä ääretöntä kuin aloitettaessa. (Nolla prosenttia olisi kasassa.)

Unohdetaan nyt myös se filosofinen ongelma, että mitä ihmettä voi meidän kannaltamme tarkoittaa sellaisten asioiden (ne muut maailmankaikkeudet) ”olemassaolo”, joista emme – määritelmän mukaan – voi edes periaatteessa tietää yhtään mitään.

Keskitytään tällä kertaa siihen ongelmaan, että vaikka ”ääretön” olisi jotenkin oikeasti olemassa, niin mistä logiikasta kumpuaa se ajatus, että jos jotain äärellisiä juttuja on ääretön määrä, niin niiden juttujen (esimerkiksi niiden maailmankaikkeuksien) kaikkien yhdistelmien on pakko olla joukossa mukana?

Luku 0.333… on äärettömän pitkä, onko siis kaikkien vaihtoehtoisten numeroiden yhdistelmien pakko olla siinä joukossa mukana…? Itseään toistavaa lukua vastaava vaihtoehto maailmankaikkeuksista puhuttaessa on, että niitä olisi ääretön määrä, mutta samanlaiset toistuisivat uudelleen ja uudelleen. Hölmö ajatus varmasti sekin. Mitä perustetta edes olisi sanoa, että täsmälleen samanlaiset maailmankaikkeudet olisivat eri maailmankaikkeuksia? (”Ne olisivat eri paikoissa”? Ei, ”paikat” ovat maailmankaikkeuksien sisäisiä ominaisuuksia. Avaruudet seikkailevat maailmankaikkeuksissa, ei päinvastoin.)

Miksi maailmankaikkeuksia ei kuitenkin voisi olla äärettömän monta erilaistakin (äärettömän monella eri tavalla) ilman, että kaikkien vaihtoehtojen olisi pakko olla joukossa? Pii tai neliöjuuri kaksi muuntelevat kaiketi loputtomasti eivätkä ikinä ala toistaa itseään, mutta miksi niiden olisi pakko sisältää kaikki mahdolliset kaiken mittaiset lukuyhdistelmät? Sopii yrittää todistaa (Delahaye 2007)!

Jotta edes äärettömässä joukossa toteutuisivat kaikki mahdolliset vaihtoehtoiset maailmankaikkeudet, niiden pitäisi olla täysin satunnaisia. Ainakaan meidän oma maailmankaikkeutemme* ei kaiketi ole täysin satunnainen – fyysikot ainakin aina vänkäävät havaitsevansa täällä jonkinlaista tolkkua ja järjestystä… Mitä täysin satunnainen maailmankaikkeus edes tarkottaisi? Siellä ei olisi luonnonlakeja, syytä ja seurausta eikä jatkuvuutta. Protoni katoaisi heti synnyttyään. Avaruus katoaisi heti synnyttyään. Aika katoaisi heti synnyttyään. Maailmankaikkeus katoaisi heti synnyttyään…

Sitä paitsi, miksi esitetyt vaihtoehtoisten universumien esimerkit ovat yleensä ihan tylsiä? Valtaoja (2007) kuvitteli maailmankaikkeuksiinsa planeetan kokoisia patsaita johtajallemme Valtaojalle. Chown (2007) kuvitteli vaihtoehtoisten ”kuplauniversumien protoniyhdistelmien” joukkoon Elviksen elossa, natsit voittamaan sodan, Einsteinin viulunsoittajaksi, Kartagon lyömään Rooman ja dinosaurukset kehittymään älykkäiksi.

Pöh, miksei päästetä mielikuvitusta kunnolla lentoon Kettusen tavoin ja kuvitella vaihtoehtoisia maailmankaikkeuksia, joissa ”jokaisesta Rovaniemen postilaatikosta tulvii ananaspyreetä ja vattukukkoa aina kun joku irlantilainen nuohooja menee vaahtokylpyyn, ja joissa kaikilla naisilla on aina polkupyörän tarakalla mukanaan strutsi ja neljä mielikuvitusystävää: Az, Jeh, Kopiokonepiru ja Mithrandruj” (Kajo 2003)?

Kettusen maailma ei ole täysin satunnainen, mutta sen luonnonlait ovat sellaisia, että voi tulla mieleen, että ovatkohan ihan kaikki luonnonlaitkaan mahdollisia…?

Jatkuu ensi numerossa

* Sitä muuten ei sitten tarvitse miettiä, että millä nimellä pitäisi kutsua omaa universumiammme erotukseksi kaikista muista; maailmankaikkeutemme nimi on Helvi (Kajo 1995).

Viitteet:

Chown, M. 2007: The never-ending days of being dead: dispaches from the front line of science. Suom. 2008 Perhoniemi, T.: Päättymättömät päivät kuolleena: uutisia tieteen eturintamalta, s. 38, Ursa.

Delahaye, J.-P. 2007: Omega numbers. Teoksessa Calude, C. S. 2007 (toim.): Randomness and complexity from Leibniz to Chaitin, s. 343-357, World scientific publishing.

Kajo, M. 1995: Kettusen kolmas, s. 162, Wsoy.

Kajo, M. 2003: Kettusen paluu: ihmisen käsikirja, s. 230, Wsoy.

Valtaoja, E. 2007: Ihmeitä – kävelyretkiä kaikkeuteen, s. 267, Ursa.

(C) Teksti ja kuva: Mikko Kolkkala – luotiset.wordpress.com


Hämmästyttää kummastuttaa

8.7.2009

Ei ihme, jos pieni kulkija hämmästelee ja kummastelee – maailmassa riittää ihmeteltäviä asioita loputtomasti. Harmi, jos suuremmat kulkijat eivät sitä aina muista.

1. Auringossa aina varjo seuraa kulkijaa.
Kun päivä painuu pilveen niin varjo katoaa.

Lucky Luken sanotaan ampuvan varjoaan nopeammin. Tarkkaan ajatellen siihen nyt pystyy kuka vaan! Ihan kaikki ovat varjoaan nopeampia. Aina. Ihan vähän, mutta kuitenkin. Varjo liikahtaa vasta, kun sen taustana oleva valo ehtii perille. Valo on nopeinta mitä on, mutta olemattoman hidas äärettömään verrattuna.

Lucky Luke on tietysti nopea vetäjä, mutta Luke’in luoti on ihan mahdottoman nopea – se ehtii perille ennen varjo on edes ehtinyt vetää asettaan esiin. Oikeasti valo – samoin kuin sen aiheuttama varjo - on aika tarkkaan miljoona kertaa luotia nopeampi ja samalla nopeinta mitä on. Mikään rakettikaan ei voi koskaan ohittaa valoa. Valo menee niin lujaa, että sen mielestä mihinkään ei ole yhtään matkaa eikä matkantekoon siksi kulu ollenkaan aikaakaan.

Tavalliset kulkijat ovat valoon verrattuna hitaita. Varjo seuraa heitä käytännössä saman tien. Varjo syntyy, kun valon hiukkaset eivät pääse läpi, vaan imeytyvät kulkijaan tai heijastuvat takaisin tai siroavat jonnekin ihan muualle. Jos kulkija on sininen sammakko, suuri siitä takaisin säteilevästä valosta on sellaista, joka näyttää siniseltä. Ikkuna päästää tavallista valoa hyvin läpi, mutta huonosti näkymätöntä ultraviolettia valoa; siksi ikkunan takana ei juuri rusketu.

Jos auringon tielle sattuu pilviä, pilvikin tekee varjon. Valoa pääsee läpi ohuestakin pilvestä niin vähän, ettei oma varjo juuri erotu pilven varjosta. Pilvi on vettä, mutta se ei silti ole läpinäkyvä, koska vesi on niin pieninä pisaroina tai jääkiteinä. Kun pisara on tarpeeksi pieni, lähentelee valoaaltojen kokoa, valo ei välttämättä pääsekään läpi, vaan siroilee vähän mihin sattuu.

2. Siilillä on piikit, linnulla on höyhenet
pupulla ja oravalla turkit pehmoiset.

Multa novit vulpes, verum echinus unum magnum on latinaa ja tarkoittaa, että ketulla on monta konstia, siilillä yksi, mutta hyvä. Siilille on kehittynyt hyvä puolustus, sen karvat ovat muuttuneet teräviksi piikeiksi ja se pystyy käpertymään tiiviiksi piikkipalloksi. Ketun on oltava nopea, että se ehtisi saada siilin saaliikseen.

Nykyään vain linnuilla on höyhenet. Ennen niitä oli dinosauruksillakin. Dinosaurukset kuolivat, mutta niiden jälkeläiset linnut jäivät. Höyhenistä on hyötyä lämmikkeenä erityisesti pienille eläimille, jotka jäähtyvät helposti. Höyhenet ja sulat ovat käteviä myös lentämisessä ja pingviineillä sukeltamisessa.

Nisäkkäille syntyi hiukan toiselainen suoja: karvapeite. Kylmällä ilmalla lämmittää hyvin – ilma! Jos se vain ei pääse karkuun. Jänisten ja oravien tuuheassa karvapeitteessä on paljon eristävää ilmaa. Ilmava turkki on pehmoinen.

3. Muurahaiset aina rakentaa ja rakentaa,
vaan eivätkö ne koskaan valmihiksi saa.

Kukapa omakotitaloakaan valmiiksi saisi. Aina tulee jotain korjattavaa, milloin pientä milloin suurta. Sotkua syntyy helpommin kuin järjestystä. Tavaroita on helpompi rikkoa kuin korjata. Muurahaiskeon neulaset eivät ole ikuisia, niitä on vaihdettava. Kekoa on tuuletettava kuumalla ilmalla ja kylmällä estettävä lämpöä karkaamasta. Keon alla pesä jatkuu syvälle maan uumeniin ja sisällä on aina nälkäisiä toukkia ja sisällä työskenteleviä muurahaisia, joille on etsittävä ruokaa.

On myös ”laiskoja” muurahaisia. Kaikki ahertavat työmuurahaiset ovat tyttöjä. Pojilla on siivet ja ne eivät tee pesän eteen mitään. Niitä kiiinnostaa vain häälento ja siivekkäät tyttömuurahaiset, joista voi tulla kuningattaria. Laiskimmilla muurahaislajeilla ei ole työmuurahaisia lainkaan, vaan ne elävät huijaamalla pesän ja lastenhoidon toisilta muurahaislajeilta.

4. Matkamies käy rantaan lammen vettä juodakseen,
niin peilikuva katsoo alta tyynen veen.

Auringon valo tulee matkamiehen kasvoihin, heijastuu siitä lammen pintaan ja takaisin silmiin. Tyynessä vedessä kuva on ehjä, tuulisella säällä se menee rikki. Tarpeeksi syvä vesi toimii peilinä, koska… (Huh, tämä on vaikea. Fyysikot apua, miten peili toimii? Lisäys: Feynman auttaa aina; lisäsin tämän blogin  kommenttiosastolle lainauksia kirjasta, jossa valosta ja peileistä kerrotaan hyvin.)

Fuskasin vähän tässä samoin kuin kohdassa 1. Selittelin mitä valo tekee, mutta en oikein kunnolla, että miksi. Syy on siinä, että oikeasti kukaan ei oikein ymmärrä miksi valo käyttäytyy niin kuin käyttäytyy. Tai mikä vaan oikein pieni. (Tai oikein suuri.) Meillä ei ole edellytyksiä tajuta kuin ”keskikokoisia asioita”. Suuret tai pienet asiat käyvät yli ymmärryksemme.

Kun valon näkee, on kuin silmään osuisi ja uppoaisi pienen pieni pallo. Mutta lammen pinnasta heijastuessaan valo aaltoilee. Aalto voi olla monessa paikassa yhtäaikaa eikä valosta voi arvata, mihin kohtaan se vaikka silmässä lopulta pompsahtaa. Vasta kun valoa on paljon, voidaan ennustaa mitä se tekee.

5. Mitenkähän lumpeet kelluu veden pinnalla,
ja yhtä kevyt korento on niiden rinnalla.

Lumpeenlehti voi painaa vedenpintaa koko painollaan, mutta se paino on liian pieni; lehti uppoaa vähän vaan, ei painu uppeluksiin. Varsi ja juuret ankkuroivat lumpeen pohjaan.

Korento on lumpeen tavoin vettä kevyempi.  Kastuisi korento silti vedenpinnalle laskeutuessaan, jos veden pinta ei kannattelisi sitä. Veden pinta on jännittynyt kelmu, jonka kovuuden huomaa kyllä, jos mätkähtää veteen mahalleen (saippuaveteen sukeltaminen ei sattuisi niin paljon). Veden pienimmät osat ovat sähköisiä, niiden plus- ja miinuspuolet vetävät toisiaan puoleensa. Pinnassa olevaa vesihiukkasta eivät muut vesihiukkaset kisko ylöspäin; ylhäällä kun ei ole vettä vaan ilmaa. Sen sijaan pinnassa olevia hiukkasia kiskotaan kyllä alaspäin ja alas kiskovien voimien takia veden pinta pakkaantuu niin tiiviiksi.

6. Kalat asuu vedessä ja kuu ja tähdet taivaalla,
mut lapset voivat purjehtia unilaivalla.

Kalat ovat asuneet vedessä  kauan ja siellä ne yhä pärjäävät – kuin  kalat vedessä. Kauan on myös siitä, kun osa kaloista alkoi sopeutua elämään kuivalla maalla. Aikojen saatossa ne ehtivät sitten muuttua siileiksi, ketuiksi, jäniksiksi, oraviksi, dinosauruksiksi, linnuiksi, sinisiksi sammakoiksi – ja lapsiksi, jotka lukevat blogista maailman ihmeellisiä asioita.

Kuu pysyy taivaalla, koska se putoaa koko ajan maahan – mutta putoaa ohi!  Kuulla on vauhtia, joka veisi sen suoraan avaruuteen, jos maa ei vetäisi sitä puoleensa. Kuu vetää maata yhtä lujaa kuin maa kuuta. Mutta koska maa on niin paljon isompi, se ei kuun voimasta paljon liikahda.

Kuu kiertää maata, niin voi hyvin sanoa, mutta ihan tarkkaan ottaen se ei ole oikein. Hirmu eri kokoiset pallot kiertävät avaruudessa kohtaa, joka on melkein – mutta ei ihan – keskellä isompaa palloa.

Tähdet ovat aurinkoja. Lähinkin tähti on niin kaukana, että näemme sen sellaisena kuin se oli nelisen vuotta sitten; niin kauan tähden valolta on kestänyt kulkea tänne. Yllättävän usein yksi tähti on oikeastaan kaksi aurinkoa, ne vain kiertävät toisiaan niin lähekkäin, että näyttävät täältä kaukaa katsoen yhdeltä.

Paljain silmin erottuu vain kotigalaksimme Linnunradan tähtiä ja niistäkin vain kirkasta eliittiä. Esimerkiksi taivaan kirkkain tähti on kiertoliikkeessä toisen tähden kanssa, joka ei näy. Siriuksen pari on romahtanut valkoiseksi kääpiötähdeksi, tiiviiksi vielä kuumana hehkuvaksi, mutta hiljalleen jäähtyväksi palloksi.

Miksi nukkua ja nähdä unia? Käännetään kysymys toisin päin? Miksi valvoa? Aina nukkumalla ei pitkälle pötkisi. Elämässä pärjääminen vaatii hereillä oloa. Unien näkemisen merkitys silti ihmetyttää. Ehkä aivot lepäävät ja järjestelevät kaikkia ihmeellisiä asioita, mitä ne ovat päivän aikana keränneet. Lisäys: nukkumisen evoluutio.

Mitä unilaivasta näkyy? Ehkä kaloja, jotka nukkuvat silmät auki. Tai delfiinejä, jotka ovat aina nukkuessaan vain puoliunessa; toinen puoli aivoista nukkuu ja toinen valvoo vuorotellen. Millaisiahan unia delfiinit näkevät?

Lähde: Pokela, M. ja Koskimies, P. 1983: Ihme ja kumma -laulu.

(C) luotiset.wordpress.com – Kolkkala, M.


Fysiikan haamulle pienin sallittu nopeus

25.8.2008

Olipa kerran Sveitsissä hiukkanen, joka lähti matkalle Jussyn kylään. Samaan aikaan sen ”lomittunut” kaverihiukkanen lähti toiseen suuntaan, Satignyn kylään. Jussyssä ensimmäiselle hiukkaselle kävi hassusti, se joutui mitattavaksi. Tieto tästä ei mitenkään voinut ehtiä kaverille. Jotenkin se kuitenkin tiesi. Tämä huomattiin, kun myös kaveri joutui mittauksen kohteeksi. Sen pituinen se.

Edellä oleva ei ole satu, vaan kokeellista fysiikkaa. Uudella kokeella osoitettiin entistäkin varmemmin, että kvanttifysiikka tosiaan on niin kummallista kuin se on.

Arkijärki helisee, jos sen kanssa yrittää ymmärtää mitä pienissä sveitsiläiskylissä tapahtui – ja tapahtuu ihan kaikkialla ympärillämme ja sisällämme koko ajan.

Kvanttifysiikka on kummallista ja vaikeaa. Vaikeuksista ensimmäinen on ymmärtää, kuinka kummallista kvanttimekaniikka onkaan.

Yhdeltä hiukkaselta mitataan jotain ja saadaan tulos (esimerkiksi ”spin ylös”). Jos ensimmäisen hiukkasen kanssa tekemisissä ollut lomittunut hiukkanenkin mitataan, saadaan aina väistämättä eri tulos (”spin alas”). Entä sitten? Ne nyt vaan jotenkin ”pyörivät” eri suuntiin.

Vaan kun ei. Kvanttifyysikot vakuuttavat, että ominaisuus syntyy vasta kun se mitataan (mitä ikinä ”mittaaminen” sitten tarkoittaakaan). Voitaisiin mitata jotain ihan muuta, mikä olisi tehnyt ensimmäisen mittauksen ihan mahdottomaksi.

Täällä hauki – simsalabim – toisaalla ahven. Täällä harakka – simsalabim – toisaalla varis. Mutta ensin pitää päättää mitä mitataan. Lintu vai kala?

Palataan Sveitsiin. Kaikki fyysikot eivät ole luovuttaneet, vaan haluavat palauttaa syyn ja seurauksen perustaviin luonnonlakeihin. Kuinka hurja teoria vaadittaisiin selittämään lomittuneiden hiukkasten seurustelun ennakoitavasti ilman haamuja?

Tiedon pitäisi kulkea niiden välillä ja tiedonkululla on nopeus. Juuri tämän kuvitteellisen nopeuden minimiä fyysikot Sveitsissä pyrkivät selvittämään.

Kokeen hiukkaset olivat valoa ja ne matkustivat Juissyyn ja Satignyyn kaapelia pitkin. Sitten mitattiin, menivätkö ne mittarissa tätä reittiä vai tuota reittiä, vaiko sittenkin aaltona molempia reittejä yhtäaikaa.

Aikaisemmista kokeista on jo nähty, että valonnopeus ei riitä mihinkään, kun puhutaan lomittuneiden hiukkasten mahdollisesta kommunikaatiosta.

Koska pitäisi mennä lujaa, Sveitsin kokeiden tulkintaan tarvitaan suhteellisuusteoriaa.

Lopputulos: jos Jussyn ja Satignyn hiukkanen keskustelivat keskenään, viesti kulki todennäköisesti vähintään kymmentuhatkertaisella valonnopeudella. Aika haipakkaa.

(C) luotiset.wordpress.com – Kolkkala, M.

Lähde: Salart, D., Baas, A., Branciard, C., Gisin, N. ja Zbinden, H. 2008: Testing the speed of ”spooky action at a distance”, Nature 454: 861-864

(Lomittuminen: entanglement)


Seuraa

Get every new post delivered to your Inbox.