Katselemme nyt alkavassa podcast-trilogiassa jättiläisten harteilta näkymää, josta ei puutu paradokseja. Teoreettisen fysiikan tohtori Matti Pitkänen kuljettaa meidät syvälle mikrokosmokseen, jopa Planckin kokoluokkaan – kvanttimaailmaan. Nuorena Mattia kiinnosti enemmän klassisen kitaran soitto ja vähemmän fysiikka. Suunta muuttui kuitenkin yliopisto-opettaja Raimo Keskisen vaikutuksesta. Ramin innostavien luentojen myötä Matin uteliaisuus kääntyi palavaksi innoksi tutkia kvanttifysiikkaa, tehdä luovaa improvisaatiota ja tunneälytyötä filosofina mieluummin kuin muusikkona.

Tämän kolmiosaisen podcast-sarjan ensimmäisessä osassa tartumme Matin kanssa mammuttia syöksyhampaista. Lähdemme kartoittamaan niitä ongelmia, joita kvanttimekaniikkaan liittyy sekä ymmärtämisen tasolla, mutta myöskin edelleen epävalmiina teoriana. Millainen työkalupakki vaaditaan kvanttimekaniikan matemaattisen ja käsitteellisen puolen ymmärtämiseen? Olisiko kvanttimekaniikka valmiimpi, jos toinen maailmansota ei olisi syttynyt? Pystyykö kvanttimekaniikkaa ymmärtämään visuaalisesti ja arki-intuitiolla? Mikä on kvanttifysiikan ja kvanttimekaniikan ero?

Kaksoisrakokoe, kuplakammio, tietoinen tutkija ja kriittisen ympäristön mittaaminen, kuka havaitsee ja mitä, vapaa tahto, kausaalisuus vai korrelaatio, superpositio, ajattomuus vai kaksi aikakäsitystä, arkijärjen kritiikki. Matka taittuu vaivihkaa kohti käsitteiden ja ideoiden sakeaa, joskus mystistäkin viidakkoa. Hiukan ällitälliä ja käsien viittoilua on paikallaan. Tapahtuuko kvanttihyppy uuteen tietoisuuteen tässä vai tulevissa jaksoissa? Tule selvittämään sitä yhdessä kanssamme kvanttien yhteenkietovassa mielenkiintoisessa maailmassa.

Meidän täytyy olla selvillä, että mitä tulee atomeihin, niin kieltä voidaan käyttää [kuvaamaan niitä] vain runollisesti.
– Niels Bohr

---

Käsitteistöä

Seuraavassa on selitetty muutamia peruskäsitteitä loiventamaan oppimiskäyrää kvanttimekaniikan saloihin. Käsitteet on esitetty suurin piirtein siinä järjestyksessä, kuin niitä trilogian ensimmäisessä jaksossa esiintyy. Käsitteet täytyy ymmärtää myös kontekstisidonnaisina. Muissa kuin haastattelun asiayhteydessä, erityisesti muilla tieteenaloilla, käsitteillä voi olla eri merkityksiä.

Tensorit = Geometrinen kokonaisuus, jonka ominaisuudet säilyvät koordinaatistojen tavallisissa muutoksissa.

Kondensoitu materia = Tiiviin aineen fysiikka, joka käsittelee aineen makroskooppisia ominaisuuksia, erityisesti suuren hiukkasmäärän tiivistymistä yhteen olomuotoon.

Holistinen = Kokonaisvaltainen. Esimerkiksi tunteen ja älyn yhdistävä, tietoisuuden ja fysiikan huomioon ottava.

Intuitio = Välitön, vaistonvarainen oivallus / tietäminen.

Kvantti = Pienin määrämuotoinen annos, energiapaketti. Esimerkiksi fotoni on valon (sähkömagneettisen kentän) pienin yksikkö eli kvantti. Gravitoni (hypoteettinen) on painovoimakentän pienin välittäjähiukkanen eli sekin on kvantti.

Kenttä = Matemaattisesti kentässä jokaisessa pisteessä, halutun resoluution mukaisesti, määritellään joukko lukuja, jotka kuvaavat kentän voimakkuutta ja suuntaa kyseisessä pisteessä. Fysiikassa kenttä on vuorovaikutuksen välittäjä, esimerkiksi sähkökenttä välittää kahden varatun kappaleen sähköisen veto- tai poistovoiman.

Kvanttimekaniikka = Joukko viime vuosisadalla löydettyjä luonnon matemaattisia lainalaisuuksia, joista muotoutuu kvanttimekaaninen teoria. Kvanttimekaniikalla lasketut ennusteet ovat erinomaisen hyvin sopusoinnussa kokeellisten mittaustulosten kanssa. Tiettyjä kvanttimekaanisia periaatteita, kuten epätarkkuusperiaatetta, aalto-hiukkasdualismia, kvanttikietoutumista, dekoherenssia, aaltofunktion romahdusta ja kvanttifluktuaatiota,  kuvataan usein arkijärjen vastaisina.

Kvanttifysiikka = Fysiikan ala, johon kuuluu muun muassa kvanttikenttäteoria, kvanttistatistiikka tai kvanttigravitaatio.

Aalto-hiukkasdualismi = Kenttä-hiukkasdualiteetti. Kvanttimekaniikassa tällä tarkoitetaan sitä, että esimerkiksi elektroneilla ja fotoneilla on sekä aaltoliikkeen­ että hiukkasten ominaisuuksia.

Elektrodynamiikka = Kenttäfysiikan osa-alue, joka tutkii sähkö- ja magneettikentän muuntumista ajan suhteen.

Bra-Ket-merkintätapa = Diracin kehittelemä matemaattinen menetelmä ja notaatio, jolla kuvataan kvanttimekaanisia tiloja. Myös puhtaasti matemaattisessa todennäköisyyslaskennassa voidaan käyttää samaa notaatiota. Bra viittaa merkkiyhdistelmään ⟨x| ja ket yhdistelmään |y⟩.

Mustan kappaleen säteily = Fysiikassa käytetty termi musta kappale viittaa kappaleeseen, joka ideaaleissa olosuhteissa imee kaiken siihen kohdistuvan säteilyn. Kuumennettaessa mustaa kappaletta tuottaa se lämpö- / värispektrin, jonka selittämisessä klassinen fysiikka epäonnistui. Oli ajateltu teoriassa, että energiatilat ovat jatkuvia ja rajattomia, mutta havainnot todistivat muuta. Vuonna 1900 Planck onnistui todistamaan, että mustan kappaleen säteily jakautuu diskreetteihin eli erillisiin energiatiloihin. Tämä oli eräänlainen alku kvanttimekaniikalle.

Diskreetti = Jatkuvan vastakohta, epäjatkuva rakenne.

Amplitudi = Aallonharjan korkeus tai syvyys.

Psi-funktio = Aaltofunktio = ψ. Nimi tulee Kreikan kielen psi-kirjaimesta.

Schrödingerin yhtälö = Yhtälö määrää todennäköisyysaaltojen aikakehityksen eli energian muutosta aikakehitysten suhteen. Kaikkein tiivistetyin muoto yhtälöstä on Êψ = Ĥψ, jossa Ê generoi ajan evoluution ja Ĥ on riippuvainen kvanttipartikkelin kineettisestä ja potentiaalienergiasta.

Ekvivalentti = Samanarvoinen.

Approksimaatio = Likiarvo.

Elektroni = Atomin ympärillä tietyllä radalla kulkeva negatiivisen varauksen omaava hiukkanen, joskin elektroni voi esiintyä myös vapaana hiukkasena. Kvanttimekaniikan myötä atomin planetaarinen malli korvautui “todennäköisyysverhomallilla”, jossa elektroneilla ei ole tarkkaa hetkellistä sijaintia elektroniverholla vasta kuin mitattaessa. Elektronit vaikuttavat tietyissä olosuhteissa ilmenevän myös aaltoina.

Matriisimekaniikka = Heisenbergin luoma ensimmäinen käsitteellisesti looginen ja matemaattinen muotoilu kvanttimekaniikan teorialle.

Spin = Alkeishiukkasten ominaisuus, ns. pyörimismäärä, jonka arvo on joko kokonaisluku (bosoni) tai puolikkaan pariton monikerta (fermioni): 0, ½, 1, 1½, 2,…

Impulssi = Fysikaalisen voiman ja vaikutusajan tulo.

Interferenssi = Kahden tai useamman aallon yhdistyminen.

Havaitsija = Idealisoitu kuvitteellinen henkilö (esim. tietoinen ihminen) tai mittalaite, joka tekee fysikaalisen systeemin mittauksia.

Kietoutuminen eli lomittuminen = Englanniksi entanglement. Tälle kvanttimekaniikan keskeisimmälle ilmiölle on vaikea löytää hyvää ilmaisua ja käännöstä. Silloin, kun yhden hiukkasen tila sisältää informaatiota myös jonkin toisen hiukkasen tilasta, niitä kutsutaan kietoutuneiksi.

Kvanttihyppy = Mitattaessa jotain suuretta kvanttisysteemissä tapahtuu niin sanotun Kööpenhaminan tulkinnan mukaan epäjatkuva kvanttihyppy tilaan, jossa mitatun suureen arvo on toisaalta tarkkaan määritelty, mutta toisaalta lopputilojen lokaatiolle voidaan ennustaa vain todennäköisyydet. Esimerkiksi elektronin hyppäämistä atomin radalta toiselle sanotaan kvanttihypyksi.

Indusoida = Aiheuttaa. Indusoitu ilmiö on seurannaisilmiö toisesta ilmiöstä.

Aaltofunktio = Kvanttimekaniikan tapa kuvata hiukkasta. Aalto- eli psi-funktion amplitudi on ψ(x), jonka itseisarvon neliö on niin sanottu todennäköisyystiheys |ψ(x)|². Tiheys kertoo todennäköisyysjakauman hiukkaselle tiettynä aikana tietyssä pisteessä, kun sen sijaintia mitataan.

Aaltofunktion romahdus = Tapahtumahetki, jolloin hiukkanen tai muu vastaava kohde paikannetaan mittauksessa.

Tilafunktion reduktio = Aaltofunktion romahduksen yleistys, joka tapahtuu esimerkiksi spinin mittauksessa.

Koherentti = Yhteensopiva, yhdenmukainen rakenne, jossa osien käyttäytymiset riippuvat vahvasti toisistaan. Esimerkiksi solu on koherentti, mutta sama määrä kaasua ei ole.

Dekoherenssi = Kvanttikietoutumien purkautuminen, joka tapahtuu mittaustilanteessa, koko ajan ja kaikkialla. Sopivissa kokeellisissa järjestelyissä dekoherenssia voidaan kontrolloida.

Kausaalisuus = Syy-seuraussuhde.

Korrelaatio = Vastaavuus.

Superpositio = Summautuminen. Aaltofunktiot summautuvat, interferoivat. Myös voimat superponoituvat / summautuvat vektoreina.

Schrödingerin kissa = Superpositio- ja lomittumisilmiön paradoksiin liittyvä virallinen havainnollistus. Ajatusleikki sisältää paradoksin siitä, että makroskooppisessa maailmassa objektit (suljetussa laatikossa oleva elävä / kuollut kissa) vaikuttavat aina olevan vain yhdessä tilassa kerrallaan. Kvanttimaailmassa objektit (suljetussa laatikossa radioaktiivisen ytimen hajoaminen laukaisee myrkkyastian kannen kiinni / auki) voivat olla ”tilattomassa” superponoidussa tilassa. Jos todellisuus koostuu samoista kvanttilakeja noudattavista alkeishiukkasista, niin kissakin olisi elävä ja kuollut yhtä aikaa ennenkuin sen tila havainnoidaan. Tämä on tietysti absurdia, joten Schrödinger kuvasi tällä ajatuskokeella, että silloinen kvanttimekaniikan teoria oli epätäydellinen, eikä se pystynyt kuvaamaan onnistuneesti tuntemaamme todellisuutta kokonaisuudessaan. Suuren julkisuuden takia Schrödingerin kissa-ajatuskoe on poikinut lukemattomia tulkintoja ja modifikaatioita. Professori Sean Carrollin mukaan kvanttimekaanisessa teoriassa täytyy ottaa huomioon myös ympäristön kvanttiluonne, ei vain laatikon sisällön ja tutkijan kvanttiluonne.

Lokaali = Paikallinen.

Kuplakammio / pilvikammio = Kuplakammio sisältää ylikuumentunutta nestettä. Kuplakammiossa esiintyvä varattu hiukkanen aiheuttaa ionisaatiota, jolloin syntyy kaasukuplia, jotka tekevät hiukkasen radan silmille näkyväksi. Pilvikammiossa tämä sama ilmiö todentuu esimerkiksi ilmatiiviissä alkoholilla ylikyllästetyssä tilassa, joka saadaan aikaan huoneenlämpöisen ilman ja esimerkiksi kuivajäällä jäähdytetyn huomattavasti kylmemmän ilmamassan avulla.

Maxwellin teoria = 1880 Maxwell otti käyttöön sähkömagneettisen kentän käsitteen, joka yhdistää sähköiset ja magneettiset voimat. Valo on sähkömagneettista aaltoliikettä.

Kubitti = Englanniksi quantum bit, qubit. Kubitti on kahden kvanttitilan lineaarinen superpositio ja sitä käytetään kvanttitietokoneiden perusyksikkönä. Klassisen tietokoneen bitissä on kaksi arvoa (0 ja 1), mutta kubitissa on näiden lisäksi vielä superponoitu arvo, joka voi olla mikä tahansa 0:n ja 1:n väliltä. Mitattaessa kubitin arvoa palautuu se kuitenkin aina joko arvoksi 0 tai 1.

Intentionaalinen = Tarkoitushakuinen, tarkoitusperäinen.

Mikrotuubit = Mikroputket. Hameroffin kehittelemässä tietoisuudenteoriassa mikroputket ovat solurakenteita, joiden kidemäiset seinät synnyttävät makrotason kvantti-ilmiöt, joista taas tietoisuus on peräisin.

Determinismi = Lainalaisuus. Determinismin mukaan kaikilla ilmiöillä on syy-seuraussuhde eikä todellisuus sisällä satunnaisuutta.

Kalkyyli = Matemaattinen analyysi, differentiaali- ja integraalilaskenta. Newtonin kalkyylin tavoitteena oli alun perin kehittää jatkuvuuteen liittyville käsitteille täsmälliset matemaattiset määritelmät.

Planckin vakio = Kvanttimekaniikan perusparametri h = 6.62607004 × 10^-34 m²kg / s. Vakio määrittelee  mikromaailman suureiden, kuten energian, massan, spinin jne. suuruuksia. Luku on teoreettinen ja niin pieni, että sen käytännöllisyys esimerkiksi kvanttibiologiassa on kyseenalaistettu. Huomaa, että redusoitu Planckin vakio ħ eli h-bar on h / 2π ja siitä on tullut myöhemmässä kvanttimekaniikan kehityksessä perustavalaatuisempi ja enemmän käytetty arvo.

Epistemologia = Tietoteoria. Filosofian osa-alue, joka tutkii mitä tieto ja tietäminen on.

Ontologia = Olevaisuuden teoria. Filosofian osa-alue, joka tutkii olevaisen perimmäistä laatua.

Linkkejä

• Matti Pitkänen
• Matti Pitkäsen TGD sivusto: tgdtheory.fi
• Matti Pitkäsen blogi: TGD diary
• Raimo Keskinen
• Wiki-artikkeli kvanttimekaniikasta
• Cloud chamber – pilvi-/sumukammio / Bubble chamber – kuplakammio
• Tekniikan maailma: Tutkijat pelastivat Schrödingerin kissan
• Ajan ja avaruuden filosofia
• Aku Visala: Vapaan tahdon filosofia
• Areiopagi: Tahdon vapaus vain kuvitelmaa?

Kuva

Copyright © sakkmesterke / Alamy Stock Photo