A Pedestrian Introduction to Quantum Gravity

Pari viikkoa sitten pidin johdantoluennon kvanttigravitaatiosta otsikolla "A Pedestrian Introduction to Quantum Gravity" Tampereen teknillisen yliopiston fysiikan laitoksen opiskelijaseminaarissa. Kuvasin videon tilaisuudesta ja laitoin YouTubeen jakoon:

Oli todella mielenkiintoisella tavalla haastava kokemus yrittää selittää ymmärrettävästi joitain nykyfysiikan suurimmista mysteereistä perusopiskelijatason kuulijoille. Saamani palautteen perusteella onnistuin jopa kohtuullisen hyvin, vaikka ainakin omasta mielestäni parannettavaakin riittää rutkasti seuraavaan kertaan, jos sellainen on tullakseen.

Quantum gravity and some of my favorite approaches to it (englanniksi)

Enpä ole taas onnistunut postaamaan mitään tänne pitkään aikaan --- suppeaa suhteellisuusteoriaa käsittelevä raapustukseni on edelleen puristuksissa työn alla. Korvatakseni tämän hiipivän hiljaisuuden ajattelin kopioida tänne kotisivuani varten kirjoittamani lyhyehkön englanninkielisen johdannon kvanttigravitaatioon. Nauttikaa, jos voitte.

---

The pair of words "quantum gravity" has several possible meanings with different degrees of specificity, but the most practical and general definition is probably also the one that most people can agree on: Quantum gravity is the field of theoretical high energy physics that tries to understand the microscopic structure and behavior of spacetime (although not necessarily exclusively). According to this definition, "quantum gravity" is not any particular theory of physics, but a particular field of physics determined by the questions that it poses. This is also my favorite definition (as well as the one used by Wikipedia), since we simply don't know at this stage what is the correct approach to develop a theory that describes space and time at very short distances or, equivalently, very high energies. In my experience, anyone who claims otherwise is either seriously misinformed or writing a research proposal.

The problem of quantum gravity is extremely fascinating, because it is one of the last frontiers of fundamental physics, if not the last. While its solution will not rid the world of starvation or disease in the foreseeable future, I believe it does present to us an opportunity to revolutionize our conception of physical reality --- as did the discoveries of its predecessors quantum mechanics and general relativity. The importance of such revolutions has never stemmed from their immediate practical implications (which may be plenty, as in the case of quantum mechanics), but rather from their profound effect on our conception of the universe we inhabit, and ultimately our self-image as momentary patterns in that universe. However, in my mind, above all such noble philosophical motivations arises the fact that, due to our complex evolutionary history as a species of primates, we humans are exteremely curious creatures by nature. We just simply love to learn new things and find out more about pretty much everything --- no matter how esoteric or impractical! Indeed, this innate instinct of ours is certainly one of the key factors in our success as a species.

(Too often it appears to me, however, that our societies and educational systems have been built around the goal of stifling this instinctive curiosity within people by promoting obedience and passive consumerism instead of active creative participation.)

But wait... Hold your horses. Why is this new "revolution" in physics needed in the first place? Why aren't our current theories sufficient to describe the physical world? After all, (as far as I know) there is currently not a single observation contradicting our two best theories, the Standard Model of elementary particle physics and Einstein's general theory of relativity describing gravity. However, the fact of the matter is that despite the magnificient success of these two most fundamental of theories, they are in an inherent conceptual contradiction with each other. It is only because gravitational forces on elementary particles are so ridiculously weak that they have no practical relevance what-so-ever within the limits of the current observational accuracy, and for the most part we may just neglect them altogether. Most researchers, myself included, blaim the contradiction on the classical deterministic character of the general theory of relativity. We have learned since the conception of quantum mechanics in the beginning of the 20th century that the fundamental description of nature appears not to be deterministic but probabilistic. The probabilities of measurement outcomes are described in the case of simple microscopic systems by quantum mechanics, while the Standard Model describes with an utmost accuracy the probabilities for the highly energetic interaction processes of elementary particles that take place, for example, inside the Large Hadron Collider (LHC) at CERN. One of the main reasons for believing that quantum theories are more fundamental than classical deterministic theories, such as general relativity, is that in several instances a quantum model --- built from a classical model via a set of techniques called quantization --- has turned out to describe nature more faithfully than its original classical counterpart. The quintessential example of this is the development of quantum electrodynamics in the 1940's and 50's that was succesfully obtained from Maxwell's electromagnetic field theory more or less by a direct quantization.

Since Einstein's general theory of relativity, just like Maxwell's electromagnetic theory, has the form of a classical field theory, it is tempting to postulate that by directly quantizing it we should be able to obtain a corresponding quantum theory, thus bringing our descriptions of elementary particles and gravity under the same roof, and removing the fundamental contradiction in modern physics. Indeed, attempts by extremely smart people to do exactly this span now at least 50 years, which already conveys some feeling of the immense difficulty of the task. It turns out that the dynamics of Einstein's theory, as such, has properties that make it extremely adverse to a direct quantization. As a result, many researchers have moved forward to consider other alternative approaches to the problem, some of which are quite faithful to the original vision, and some others that are not so in the least. Anyone interested in fundamental physics these days has probably heard of String Theory and Loop Quantum Gravity, perhaps even about the disputes between the supporters of the two approaches, but these are really only the tip of the iceberg. Hidden behind the most popular directions of research, there is a wild undergrowth of ideas and points-of-view, and I have no intention or pretension to make justice to all or, indeed, any of them here. Instead, I will just very briefly and even more subjectively review two of my own favorites.

1) Quantum gravity as quantum statistics of geometry. The revolutionary idea behind Einstein's general relativity is that gravitational interactions are caused by the curvature of spacetime geometry itself. In the original formulation, the "field" that is the dynamical variable of the theory is the metric of spacetime that describes the geometry of spacetime by determining the lengths and durations of spatial and temporal intervals. Whenever a region of space contains energy (or, equivalently, mass), the dynamics of general relativity dictate that the geometry around the region must be curved. Such curvature causes the trajectories of freely moving objects to deviate from straight lines, thus causing the illusion of a force acting on the objects.

Accordingly, the fundamental insight of general relativity can be expressed as "gravity = spacetime geometry". To cash in on this insight, we may further postulate "quantum gravity = quantum spacetime geometry". It is a natural idea therefore to try to construct quantum theories of geometry, even if they are not obtained via a direct quantization of general relativity. One may still be able to construct models that predict quantum probabilities for spacetime geometric processes that agree with general relativity in the large distance/low energy limit. This is exactly the goal of several approaches to quantum gravity and, in particular, group field theories and tensor models. The "elementary particles" of these quantum models are in fact simple tetrahedra, whose interaction processes correspond to discrete 4-dimensional geometries, which then are hoped to approximate the smooth spacetime structure of general relativity in the classical/low energy/thermodynamical regime.

In a sense, since these models are quantum field theories, they are not fundamentally models of tetrahedra --- just like quantum electrodynamics is not really a theory of just photons and electrons --- even though their construction is based on such discrete geometric considerations. In a quantum field theoretical model, particles are only representations of certain quantities that appear in the perturbative approximation to the theory, and not elements of the full non-perturbative theory as such. (In quantum field theory, one may also consider particles to be clicks of a particle detector, but that's another thing.) Therefore, studying the properties of the full theory, and not just its perturbative expansion, is of crucial importance in trying to understand whether these models can really describe the physical spacetime that we know and love. At the same time, understanding the full theory is also very very challenging, and not much progress has been made so far in the case of realistic 4-dimensional models.

It is also far from clear, for example, what is the correct choice of dynamics for such a model that would reproduce general relativity in the appropriate limit. Some researchers hope that, due to a hypothetical universality of the approximate large-scale behavior --- not unlike in some statistical physics models ---, the details of the microscopic model might not matter that much in the end. I'm not so sure that this would be a good thing though, since it would prevent us from choosing a unique model, and therefore compromise predictivity. (So much for teasing the string theorists about their landscape!)

If you happen to be interested in this kind of an approach in more detail, I can recommend the following two reviews to begin with:

• Daniele Oriti, The Microscopic Dynamics of Quantum Space as a Group Field Theory, arXiv:1110.5606 [hep-th]
• Vincent Rivasseau, The Tensor Track, III, arXiv:1311.1461 [hep-th]

2) Spacetime as a structure of quantum dynamics. Despite the apparent immediateness of the above "gravity = spacetime geometry" reasoning, there are in fact strong indications that this is perhaps too naive an approach. In a world described by classical physics, including general relativity, one is able to measure space and time with an arbitrarily good precision. However, we don't live in that world! Instead, when one takes into account the quantum behavior of matter, this asymptotically perfect accuracy turns out not to hold any longer, but there appear inherent limitations to measurements of spacetime geometry. For example, one can never resolve spacetime points by real physical measurements that always exhibit quantum uncertainties. Therefore, already the starting point to the previous approach of spacetime as a geometric manifold --- a set of points (with some additional structure) --- seems to be seriously undermined by such considerations. (I should emphasize, however, that in group field theory, for example, the geometries that the models describe are not really classical, but quantized à la Loop Quantum Gravity.) Accordingly, quantum gravity as quantization of (classical) geometry seems also to lose its meaningfulness. In the face of such a deep conceptual contradiction, one feels tempted to throw one's hands in the air and exclaim: "No wonder then that the last 50 years have not led to any progress!"

But if spacetime loses its geometric nature in the ultra-high energies, what kind of a structure could take over? There are many different suggestions available in the research literature --- the problem with a complete departure from the classical physics' notion of spacetime being that it is extremely hard to find another well-justified basis, on which to build the hypothetical replacement. However, there is at least one successful example of exactly such a development in the history of quantum physics: The discovery of matrix mechanics by Werner Heisenberg in 1925. Of course, Heisenberg had the great advantage (in addition to staying alone on an isolated island in the middle of nowhere due to a particularly severe case of an allergic reaction) of having a wealth of unexplained experimental data at hand to almost immediately verify his theoretical ideas, whereas we have no experimental data on possible quantum gravitational effects. Nevertheless, his approach to focus on the observable quantities may offer some valuable guidance.

So, let's then consider what exactly is the immediate physical meaning of spacetime geometry, that is, how do we observe and measure it. We cannot directly smell or taste spacetime. In fact, to measure the geometry of spacetime we must always employ material objects that evolve according to some dynamics. Usually the construction of dynamics for a quantum system is based (at least in part) on the geometry of spacetime, on which the system lives, so that the dynamics is local with respect to the geometry. However, since we must necessarily use the dynamics of matter to determine the spacetime geometry, it may as well be that the geometry is in fact "only" a property of the matter dynamics --- an organization of the system's degrees of freedom such that the dynamics becomes local, at least in some appropriate limit. There are then at least two immediate problems to solve: 1) How to construct and represent the dynamics of a quantum system in the total absence of a background spacetime geometry? 2) How to reconstruct the (possibly approximate) spacetime geometry from the dynamics?

We are currently trying to develop an approach to quantum gravity that could provide answers to these fascinating theoretical questions. The algebraic formulation of quantum physics seems --- in addition to being the most general and rigorous one --- to be the most appropriate framework for the construction of quantum systems in the absence of background geometry. However, many important aspects for taking this approach seriously are still covered in a thick mist of confusion and ignorance.

Here you can find one of my past (rejected) research proposals, which contains some more ideas and technical details on the topic. If any questions/comments/suggestions/criticisms come to your mind, don't hesitate to contact me! In the mean while, the work goes on...

Todellisuus on aivojen simulaatio

Edellisessä kvanttikaikkeuden kummallisuuksia käsittelevässä pohdinnassa tulimme siihen kummalliseen lopputulokseen, ettei ole olemassa mitään kvanttikaikkeutta objektiivisessa mielessä, vaan kvanttifysiikan on sen sijaan järkevintä käsittää kuvaavan maailmankaikkeutta havaitsevan agentin subjektiivisia uskomuksia. (Korostan toisaalta vieläkin sitä, että tämä on henkilökohtainen näkemykseni asiasta, josta ei ole minkäänlaista yhteistä konsensusta edes (tai varsinkaan) alan asiantuntijoiden keskuudessa.) Tässä tekstissä syvennyn erinäisten neurobiologisten faktojen ja henkilökohtaisten kokemuksieni pohjalta edelleen siihen, kuinka subjektiivinen kokemamme todellisuus onkaan huolimatta siitä, että havaintojemme pohjana vaikuttaakin vahvasti toimivan jonkinlainen yhteinen fysikaalinen maailmankaikkeus. Tämän kaltainen pilkun sensuelli hyväily vahvistaa sitä vaikutelmaa, ettei meillä ole koskaan suoraa yhteyttä objektiiviseen todellisuuteen, mitä se sitten ikinä onkaan, jos mitään, vaan kokemuksemme on aina filtteröity aistiemme ja tietoisuutemme läpi.

Ajatellaanpa esimerkiksi näköaistiamme. Henkilölle, jonka näköaisti on normaali, maailma näyttäytyy niin selkeänä ja vakaana, että hän on altis riemukkaasti julistamaan "Tämä on Se Oikea Todellisuus™!" Mutta kun katsotaan tarkemmin, miltä maailma oikeasti näyttäytyy normaalin silmän läpi, niin totuus alkaa valjeta. Valon matka ulkomaailmasta tietoisuuteen alkaa, kun mykiön läpäisevät valonsäteet kulkeutuvat silmänpohjassa olevalle verkkokalvoksi tai retinaksi kutsutulle kalvolle, jossa silmän valoreseptorisolut sijaitsevat. Nämä hermosolut muuttavat valon sähköisiksi hermosignaaleiksi, jotka sitten jatkavat matkaansa kohti aivoja. Valoreseptorisolujen tiheys retinalla määrittää absoluuttisen ylärajan aivojemme vastaanottaman kuvan tarkkuudelle. Neurobiologit ovat kokeineen todenneet, että retinan resoluutio on yllättävän vaatimaton. Sen lisäksi, että kuva heijastuu retinalle väärinpäin, ainoastaan näkökentän kapeassa keskiosassa sijaitsee tiheämpi keskittymä värejä havaitsevia reseptorisoluja, kun taas muu näkökenttä näyttäytyy hyvin sumeana ja mustavalkoisena. Noin 15 astetta ulospäin näkökentän keskipisteestä sijaitsee retinassa myös täysin paljas aukko, niin kutsuttu sokea piste, missä verisuonet läpäisevät retinan. Kaiken muun hyvän lisäksi nämä retinaa ruokkivat verisuonet haarautuvat retinan päälle, niin että silmään osuvan valon täytyy matkustaa verisuonien läpi saavuttaakseen reseptorisolut. Suck on that, älykäs suunnittelu!

Jos retinan näkötarkkuus on todella noin surkea, niin miten sitten on mahdollista, että maailma näyttäytyy niin kirkkaana ja värikkäänä meille? Tutkijat ovat osoittaneet, että silmämme tekevät jatkuvasti pientä nopeaa edestakaista liikettä havaitakseen retinan tarkalla keskiöllä suurimman osan näkökentästämme ja täyttääkseen sokean pisteen. Aivomme sitten vain filtteröivät pois nämä silmien liikkeet kokemastamme todellisuudesta, jotta maailma ei alituiseen pomppisi silmissämme, ja rakentavat pala palalta näköhavaintomme keskiön tarkkojen havaintojen pohjalta. Näitä silmien pomppivia sakkadiliikkeitä voi kuitenkin tietoisesti vaimentaa. Yksinkertainen tapa testata oman näköaistin tarkkuutta ja värinäköä onkin tuijottaa päättäväisesti johonkin paikallaan pysyvään kiintopisteeseen, ja siirtää joitain esineitä näkökentän ulkopuolelta sen laidoille. Näin voi esimerkiksi varmentua oman näkönsä sumeudesta ja värinäön puutteesta näkökentän reunoilla. Suosittelen kokeilemaan! (Kannattaa kuitenkin ottaa huomioon, että havaintoihin yleensä vaikuttaa myös se, mitä odottaa havaitsevansa. Esimerkiksi värinäköä testattaessa testihenkilön ei pitäisi antaa tietää etukäteen, mikä väri on kyseessä.) Sokean pisteen olemassaolon voi helposti todeta alla olevan kuvan avulla:

Sulje vasen silmä, tuijota oikealla ristiä, ja siirrä päätäsi kohti ruutua. Jossain vaiheessa musta pallo katoaa näkökentästä, sillä aivot vain kylmän viileästi täyttävät aukon valkoisella värillä, jotta todellisuudessa ei olisi reikää. Sama pätee tietenkin mihin sitten ikinä katsotkin vain toisella silmällä. Aivot täyttävät aukon puhtaasti arvaamalla sen sisällön, mikä on käytännössä mahdoton normaalitilanteessa huomata! Toinen mielenkiintoinen metodi kokea näköhavaintojen subjektiivisuus ovat erilaiset visuaaliset illuusiot, joita löytyy internetistä pilvin pimein, esimerkiksi tältä sivustolta. Tämä on yksi kaikkien aikojen suosikeistani:

Huomaa, että psykedeelikäärme ei oikeasti luikertele, vaan it's all in your head, maaan!

Edellisestä näköaistiesimerkistä käy jo varsin selväksi, että näkemämme ulkomaailma ei vastaa täysin silmiemme rekisteröimiä valokuvioita, vaan aivot rakentavat näkökokemuksemme monesti hyvinkin puutteellisten aistihavaintojen pohjalta. Monet neurologiset sairaskertomukset osoittavat lisäksi, että vaikka potilaan silmät toimisivat täydellisesti, niin jos jokin näköhavaintoja prosessoiva aivojen osa on vaurioitunut, potilaan tietoinen näkökokemus on vakavasti puutteellinen. Mielenkiintoisena esimerkkinä tästä käy vaikka niin kutsuttu hemispatiaalinen neglect, jossa aivovammapotilas ei kykene tietoisesti näkemään mitään näkökenttänsä jommalla kummalla puolella, vaikka hänen silmänsä toimivatkin normaalisti. Näille potilaille on kuin puolta maailmasta ei olisi lainkaan olemassa. Mutta ei tässä suinkaan kaikki! Pystymmehän näkemään täydellisesti vaikka silmät kiinni, kuten joka yö voimme todeta unissamme. Kokemamme mielen sisäinen unimaailma vaikuttaa yleensä jopa niin realistiselta, ettemme kykene erottamaan sitä ulkomaailmasta. Voidaan siis täysin valehtelematta sanoa, että emme näe silmillämme vaan aivoillamme. Sama pätee kaikkiin muihinkin aistikokemuksiin. Tietoisesti havaitsemamme "todellisuus" vaikuttaa siis olevan pitkälti omien yksilöllisten aivojemme tuotosta.

Unikokemuksien pohjalta vaikuttaa siis vahvasti siltä, että aivomme sisältävät erittäin realistisen mallin havaitsemastamme ulkomaailmasta, ja kykenevät tämän mallin pohjalta simuloimaan tapahtumia tajunnanräjäyttävällä tarkkuudella. Itse asiassa kokemamme valvetodellisuus on todennäköisesti juuri tämä simulaatio vain sillä erotuksella, että ollessamme valveilla aivot pyrkivät sovittamaan yhteen aistihavaintomme ja simulaation synnyttämät kokemukset. Tähän viittaa muun muassa se, kuinka sekä valveilla että unessa samat aivokuorialueet ovat aktivoituneena. Toisaalta voisi myös kysyä, miksi hitossa aivoissamme olisi tällainen hienostunut todellisuussimulaattori, jos sitä ei käytettäisi todellisuuden simulointiin. Monimutkaiset aivomme ovat monilta osin kehittyneet evoluution myötä nimenomaan ennakoimaan ulkomaailman tapahtumia, antaen ihmiseläimelle huomattavan etulyöntiaseman taistelussa olemassaolostaan. Tässä suhteessa todellisuussimulaattori on ylivertainen apuväline.

Oma arvostukseni aivojen todellisuussimulaattoria kohtaan on kasvanut merkittävästi kokiessani niin kutsuttuja selkounia. Selkouni on määritelmältään uni, jossa unennäkijä ymmärtää näkevänsä unta ollessaan vielä unessa. Yleensähän unessa oleva henkilö ei tiedä olevansa unessa, vaan kuvittelee olevansa valveilla, tai luultavasti ei edes sen suuremmin ajattele asiaa. Sen sijaan selkouneksija tietää, että vastoin unen hänelle tarjoamia aistimuksia, itse asiassa hän makaa reporankana sängyssään, tai mihin nyt sitten onkaan sattunut nukahtamaan. Monet ihmiset näkevät selkounia spontaanisti ainakin kerran elämässään, mutta niiden näkemistä voi myös harjoitella monin eri metodein. (Suhteellisen huuhaavapaata suomenkielistä tietoa selkounista voi löytää esimerkiksi osoitteesta hoyhensaaret.info. Inspiroiva englanninkielinen johdatus aiheeseen on Stephen LaBergen ja Howard Rheingoldin kirja Exploring the World of Lucid Dreaming.) Tänä vuonna tutkijat osoittivat luotettavin kokein, että selkounia voi myös synnyttää johtamalla nukkujan aivokuoreen 25-40 Hertzin taajuista sähkövirtaa!

Selkouni on tavallaan valveen ja unen välitila, jossa unennäkijän ajatukset vastaa suurimmaksi osaksi normaaleja valveajatuksia, mutta muilta osin hän on edelleen unessa. Tarkemmin ottaen selkounen ja normaaliunen ero ei ole lainkaan mustavalkoinen, vaan selkouni voi olla enemmän tai vähemmän selkeä. Lisäksi normaali uni voi vaihtua sulavasti selkouneksi, jos unennäkijä huomaa olevansa unessa, ja vastaavasti selkouni voi vaihtua saumattomasti normaaliuneksi, jos unennäkijä unohtaa olevansa unessa, mikä on hyvin yleistä. Yleensä selkounen ylläpito selkeänä vaatiikin vahvaa keskittymistä ja harjoittelua, sillä valvetajunta pyrkii jatkuvasti sumeutumaan normaalin unitajunnan suuntaan. Toinen yleinen aloittelijan ongelma on se, että uneksijan tajutessa uneksivansa hän innostuu niin kovasti, että herää samantien.

Eräs selkounien merkittävimmistä ominaisuuksista on se, että unennäkijä voi vaikuttaa unen sisältöön. Sen lisäksi, että hän voi vapaasti päättää liikkua unitodellisuudessa minne haluaa, hän voi myös muuttaa kokemaansa "ulkoista" unitodellisuutta. Unitodellisuuden ei tarvitse tietenkään myöskään noudattaa normaaleja fysiikan lakeja. Monien harrastajien motivaatio selkouneksintaan juontaakin juurensa siitä, että selkounissa he voivat toteuttaa toiveitaan ja fantasioitaan, jotka eivät ole välttämättä edes fysikaalisesti mahdollisia valveilla ollessa. Esimerkiksi monet harrastavat selkounissaan lentämistä ilman apuvälineitä, jonka voin omakohtaisesti todistaa johtavan aluksi valtavaan riemuun ja vapauden tunteeseen. Periaatteessa selkounissa vain mielikuvitus on mahdollisuuksien rajana!

Aivojen todellisuussimulaattorin kannalta mielenkiintoisen tästä selkounien ominaisuudesta tekee se monien selkouneksijoiden anekdoottinen kokemus, että unikokemukseen vaikuttaminen onnistuu vain, jos unennäkijä uskoo kykyynsä vaikuttaa uneen halutulla tavalla. Esimerkiksi lentäminen voi saada hyvin jyrkästi alaspäin suuntautuvan lopun, jos unennäkijä alkaa ajatella, että "hetkinen, eihän tämän pitäisi olla mahdollista." Tällaiset murheet yleensä liittyvät myös siihen, että unennäkijä alkaa menettää tajuntansa selkeyden, koska muuten hän ymmärtäisi, ettei valvetodellisuuden reunaehtojen tarvitse päteä unessa. Selkounikokemuksen kannalta vaikuttaa siten olevan hyvin merkittävää se, mitä unennäkijä odottaa tapahtuvan. Voisi sanoa, että "emme näe silmillämme vaan aivoillamme, ja unessa näemme mitä odotamme näkevämme." Samalla tavalla valveilla ollessamme odotuksemme siitä, mitä tulemme kokemaan, muokkaavat huomattavasti kokemustamme todellisuudesta. Kokeile vaikka! Tätä ilmiötä havainnollistamaan on kehitetty monia psykologisia testejä, joiden tuloksiin havaitsijan odotusten vaikutus on tieteellisesti todennettu. Odotusten vaikutuksella sekä uni- että valvekokemuksiin vaikuttaisi olevan myös neurobiologinen pohja aivojen takaisinkytkennöissä: Aivokuoreen saapuvaan hermosignaaliin, johon tietoinen kokemus perustuu, ei vaikuta ainoastaan aistielimistä tuleva signaali, vaan aivokuoresta kulkeutuu myös hermojohtimia taaksepäin, joita pitkin kulkeva signaali vaikuttaa vahvasti aivokuoreen saapuvaan signaaliin, välittäen tietoa siitä, mitä aivot odottavat tapahtuvan. (Tämän ja monia muita mielenkiintoisia neurologisia faktoja opin Chicagon yliopiston järjestämällä Coursera-kurssilla "Neurobiology of Everyday Life".) Douglas Hofstadterin sanoin, "minä olen outo silmukka."

Tämän kaltaiset tulokset läpsäyttävät naamallemme kuin pakastimesta otetun märän pyyhkeen, jossa on sisällä rautakuulia, sen kylmän ja kovan tosiasian, että itseään on helppo huijata. Havaitsemamme todellisuus ei ole aina sitä, miltä se näyttää. Tieteellisessä tutkimuksessa käytettävät metodit on kehitetty muun muassa minimoimaan tällaiset henkilökohtaiset subjektiiviset vaikutteet tutkimustuloksiin. Siksipä tieteellisen tiedon --- kvanttifysiikka mukaan luettuna --- kannattaakin ajatella olevan yksityisten subjektiivisten kokemuksiemme suurin yhteinen nimittäjä, eikä suinkaan mikään absoluuttinen objektiivinen todellisuus.

Kvanttikaikkeuden kummallisuuksia

Alustuksena tähän tekstiin täytyy huomauttaa, että blogini on horrostanut jo useammat kesät ja talvet johtuen muun muassa opiskelu- ja työkiireistä. Nyt kun sain viimein tohtoritutkintoni valmiiksi (juuri nyt viime tammikuussa...), niin päätin viimein potkia hereille tämän unikeon, ennen kuin sammal peittää sen alleen, ja luonto ottaa tyystin vallan. Itse asiassa aloitin jo pariinkin kertaan viime kuukausien aikana tämän luonnon kvanttimekaanista käyttäytymistä käsittelevän tekstin kirjoittamisen, mutta aina tulin siihen tulokseen, ettei lähestymissuuntani aiheeseen ollut järin tyydyttävä. Saa nähdä miten käy tällä kolmannella kertaa... Olen valmis kohtaamaan totuuden.

Palataanpa näin aluksi aiemman kirjoitukseni aihepiiriin, jossa käsittelin tiedon olemusta. Siellä tuumailin, että "tietoni on induktiota muistamieni kokemuksien säännönmukaisuuksien suhteen. Kun olen päästänyt irti pallosta 1000 kertaa peräkkäin, ja havainnut pallon joka kerta tippuvan maata kohti enkä kertaakaan maasta poispäin, päättelen induktiivisesti pallon tippuvan aina maata kohti --- no, ainakin tänään tässä paikassa." Kokeellisen fysiikan tehtävä on kehittää huippuunsa tämän tyyppinen fysikaalisten systeemien, kuten tippuvien pallojen, havaitseminen tarkasti kontrolloitujen koejärjestelyjen avulla. (Ääriesimerkkinä tippuvien esineiden nykytutkimisesta voisi vaikka mainita NASA:n Zero Gravity-painottomuuslaboratorion 132-metrisine tyhjiöpudotusputkineen.) Vastaavasti teoreettinen fyysiikka pyrkii kokoamaan systeemien havaitut säännönmukaisuudet fysiikan teorioihin, jotka yleensä koostuvat joukosta yhteensopivia matemaattisia yhtälöitä ja niiden kuvaamien suureiden fysikaalisesta tulkinnasta. Kun Einstein sanoo "E = mc²", niin hän tarkoittaa, että "kaiken tähän astisen kokeellisen tiedon ja sen pohjalta rakennettujen teorioiden perusteella vaikuttaa hyvin vahvasti siltä, että kun joku mittaa fysikaalisen systeemin energian, niin tuloksen pitäisi kaiken järjen mukaan olla sama kuin jos hän mittaa systeemin massan, ja kertoo sen kahdesti valonnopeudella." Syvällisemmin ja yleisemmältä kantilta Einstein oikeasti sanoi: "Fysiikan konseptit ovat ihmismielen vapaita luomuksia eivätkä, vaikka muulta vaikuttaisikin, ulkoisen todellisuuden yksikäsitteisesti määräämiä." [1]

Mikä tahansa fysiikan teoria siis kokoaa yhteen yhtenäiseen pakettiin suuren määrän yksittäisissä koetilanteissa havaittuja ja kerta toisensa jälkeen varmennettuja luonnon säännönmukaisuuksia. Teorian matemaattinen muotoilu mahdollistaa usein myös uusien, vielä havaitsemattomien ilmiöiden ennustamisen, joiden vahvistaminen on omiaan tukemaan uskoamme teorian paikkansa pitävyyteen sen pätevyysalueella. On hyvin tärkeä ymmärtää, että teorian mahdollisesta menestyksestä huolimatta, fysiikan teoria on aina malli todellisuudesta --- ei itse todellisuus. Samoin kuin television kuva näyttää kaukaa katsottuna realistiselta, mutta lähempää katsottuna muuttuu todellisuuden vastaisesti rakeiseksi pikselisalaatiksi, mikään nykyinen fysiikan teoria ei kuvaa kaikkia mahdollisia fysikaalisia ilmiöitä. Televisioiden resoluutiota voimme toki parantaa, kunnes näemme uutistenlukijan virttyneen naaman solurakenteen, emmekä voi käytännössä mitenkään havaita eroa sen kuvan ja todellisuuden välillä (...unohtaen hetkeksi televisiokuvan kaksiulotteisuuden). Sama pätee luultavasti myös fysiikan teorioihin.

Kvanttifysiikan teoriat kuvaavat tarkimmalla tuntemallamme tavalla mikroskooppisia systeemejä, kuten atomeita ja alkeishiukkasia. Alunperin 1900-luvun alkupuolelta noin 1930-luvun puoleen väliin asti teoreettiset fyysikot kehittivät niin kutsutun kvanttimekaniikan teorian, joka kuvaa suhteellisen yksinkertaisia mikroskooppisia systeemejä, kuten äärellisiä määriä alkeishiukkasia. Kvanttimekaniikan avulla pystyttiin jo selittämään esimerkiksi monia atomien ominaisuuksia, jotka olivat täysin selittämättömissä klassisen (Newtonin) mekaniikan avulla, mikä vahvisti fyysikoiden uskoa siihen, että he olivat oikeilla jäljillä. Niinpä edelleen 1930-luvulta 1970-luvulle asti kehitettiin niin kutsuttu kvanttikenttäteoria, joka mahdollistaa kvanttiteorian yhteensopivuuden Einsteinin (suppean) suhteellisuusteorian kanssa ja äärettömien hiukkaskonfiguraatioiden kuvaamisen. Itse asiassa kvanttikenttäteoriassa pääosassa eivät ole hiukkaset, vaan kentät (kuten sähkömagneettinen voimakenttä), kuten nimi antaa ymmärtää, joiden värähtelyitä hiukkaset (kuten fotonit) pohjimmiltaan ovat. Erityisesti hiukkasfysiikan standardimalli, jonka ennustukset alkeishiukkasten käyttäytymisestä on varmennettu äärimmäisellä tarkkuudella, pohjautuu kvanttikenttäteoriaan. Esimerkiksi kaikki Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksessa CERNissä tapahtuvien kokeiden tapahtumat, kuten ajankohtainen Higgsin hiukkasen ilmaantuminen, voidaan mallintaa vain ja ainoastaan kvanttikenttäteorian avulla.

Toinen nobelisti ja henkilökohtainen idolini Richard Feynman sanoi kerran: "Luulen, että voin turvallisesti sanoa, ettei kukaan ymmärrä kvanttiteoriaa." [2] Todisteeksi omasta fanipoikuudestani liitän tähän kuvan minusta ja Feynmanista viime helmikuun Kalifornian reissulta:

Kvanttifysiikan hämmentävä luonne juontaa juurensa pääasiallisesti siitä, että kvanttiteoria kykenee vain ja ainoastaan ennustamaan eri koetulosten todennäköisyyksiä. Esimerkiksi elektronin sijaintia atomissa mitattaessa, paikanmittauksen tulokselle voidaan ennustaa vain eri todennäköisyyksiä, mutta ei elektronin "todellista" sijaintia. (Huomaa lainausmerkit sanan "todellinen" ympärillä, jotka saavat pian selityksen...) Tässä ei sinänsä toki olisi mitään hämmentävää, jos kvanttiteoria ei pyrkisi olemaan perustavanlaatuinen kuvaus fysikaalisten systeemien käyttäytymisestä. Siinä, että kolikonheiton todennäköisyys päätyä klaavaan on noin 50% ei ole mitään mystistä, koska saman heiton voi yhtä hyvin kuvata Newtonin klassisella mekaniikalla, jonka avulla kolikon tarkan lentoradan ja lopputuleman voisi periaatteessa ennustaa sen alkunopeuden ja -sijainnin perusteella. Voimmehan myös paljain silmin nähdä kolikon lentävän ilmassa liikeyhtälöidensä mukaisesti, joten Newtonin yhtälöt selvästi kuvaavat havaitsemaamme Oikeaa Todellisuutta™. Sen sijaan kvanttifysiikan mukaan tiettyjä suureita, kuten esineen nopeutta ja sijaintia, ei voi koskaan mitata eikä tietää samanaikaisesti äärettömän tarkasti. Näihin mittauksiin pätee niin kutsuttu Heisenbergin epätarkkuusperiaate, joka on saksalaisen kvanttifysiikan pioneerin Werner Heisenbergin mukaan nimetty perustavanlaatuinen tarkkuusrajoitus tiettyjen fysikaalisten suureiden yhtäaikaiselle mittaukselle ja tietämiselle. Tämän takia myöskään prosessien, kuten kolikonheiton, lopputulemaa ei voi ennustaa kvanttiteorian mukaan täydellisellä varmuudella. Kolikon tapauksessa kvanttiepävarmuus lopputulemassa on kuitenkin äärimmäisen pieni, koska kolikko on äärimmäisen massiivinen objekti kvanttifysiikan mittapuulla, joten tilanne palautuu äärimmäisellä tarkkuudella klassisen mekaniikan täydelliseen ennustettavuuteen. Mutta yksittäisen elektronin tapauksessa epävarmuus sen nopeudessa ja sijainnissa on hyvin merkittävä. Tällä kvanttiteoreettisella epävarmuudella on radikaaleja fysikaalisia seurauksia: Jos elektroni ei noudattaisi epätarkkuusperiaatetta, vaan voisimme mallintaa sitä pistemäisenä hiukkasena, niin kiertäessään atomin ytimen ympäri se säteilisi pois klassisen fysiikan mukaisesti kaiken liike-energiansa nanosekunnin murto-osassa sukeltaen suoraa päätä ytimeen, eikä vakaita atomeita siten voisi teorian mukaan olla olemassa. Sen sijaan epävarmuus elektronin sijainnissa estää elektronin tarkan paikallistamisen atomin ytimeen, ja tekee atomimallista vakaan. Aineen olemassaolo todistaa siten vahvasti kvanttiepävarmuuden puolesta! [3]

Hämmentävän kvanttifysiikan todennäköisyyksiin perustuvasta muotoilusta tekee siis erityisesti se, että samanaikaisesti se tarjoaa nyky-ymmärryksen valossa täydellisimmän mahdollisen kuvauksen fysikaalisten systeemien käyttäytymisestä. Miksi ei voisi olla mahdollista, että on olemassa tarkempi teoria, joka ennustaisi 100-prosenttisella varmuudella kokeiden tulokset siinä, missä kvanttiteoria tarjoaa vain todennäköisyyksiä? Ehkä kvanttiteorian epävarmuus johtuu vain siitä, että olemme tumpeloita, emmekä kykene teknologisista syistä mittaamaan kaikkia koetuloksen kannalta merkityksellisiä suureita?

Tumpeloisuutemme tuntien jälkimmäinen vaihtoehto ei kuulosta lainkaan mahdottomalta. Ei ole toki täysin poissuljettua, että joku päivä kehitetään teoria, joka kuvaa fysikaalisten systeemien käyttäytymistä tarkemmin kuin kvanttiteoria. Tämän uuden teorian täytyisi kuitenkin olla yhteensopiva kvanttiteorian kanssa kaikilta osin, joilta kvanttiteoria on jo nykyään todettu kokeiden kautta päteväksi. Lypsääksemme televisioanalogian tyhjäksi: uuden paremmalla resoluutiolla varustetun television esittämän kuvan täytyy näyttää samalta kaukaa katsottuna kuin vanhan mallin, jos lähetys on sama. Fysiikan teorioiden tapauksessa lähetys on itse todellisuus. Fysiikan kannalta olennainen oletus onkin, että on olemassa yksi fysikaalinen todellisuus, mikä se sitten ikinä onkaan, jota me kaikki koemme. Tämä yhtenäisyyden vaatimus asettaa niin tiukat reunaehdot mahdollisille uusille teorioille, että epävarmuuksien retusoiminen varmuuksiksi näyttää hyvin epätodenäköiseltä, ja vaatisi uuden teorian olevan huomattavasti kvanttifysiikkaakin epäintuitiivisempi. Kvanttiteoria ikään kuin asettaa absoluuttiset rajat, ei television, vaan itse lähetyksen resoluutiolle. [4] Miksi? Sitä ei kukaan tiedä.

Kvanttiteorian säännöt tapahtumien todennäköisyyksien laskemiselle myös poikkeavat aika radikaalisti perinteisestä todennäköisyyslaskennasta, ja johtavat siten hetkittäin hyvin epäintuitiivisiin ilmiöihin. Eräs tärkeä ero perinteiseen todennäköisyyslaskentaan on se, että toisensa poissulkevilta vaikuttavien tapahtumien todennäköisyydet eivät aina summadu suoraan yhteen. Esimerkiksi voi käydä niin, että vaikka jotkin vaihtoehtoiset tapahtumat voisivatkin tapahtua yksistään, niin niiden kombinaatio voi osoittautua mahdottomaksi. Kanooninen kokeellinen havainnollistus tästä ilmiöstä on niin kutsuttu kaksoisrakokoe, jossa eletroneja ammutaan kohti levyä, jossa on kaksi rakoa. Elektronit voivat mennä läpi raoista, ja iskeytyä levyn takana olevaan valokuvalevyyn, johon ne jättävät pistemäisiä iskeytymisjälkiä. Tätä on havainnollistettu alla olevassa kuvassa [5]:

Kun jompi kumpi raoista on sujettu, niin läpi menneiden elektronien muodostavat valokuvalevylle yksinkertaisen kuvion (piirokset (b) ja (c)), josta näkyy että suurin osa raon läpäisseistä elektroneista lensi melko suoraan, vaikka osa vaihtoi hieman suuntaansa osuessaan rakoon. Toisaalta, kun molemmat raot ovat auki, niin valokuvalevylle muodostuu monimutkainen aaltokuvio (piirros (d)), josta voi nähdä, että elektronit ovat jakautuneet hyvin epätasaisesti. Siten yksittäisten rakojen yksinkertaiset jakaumat eivät vain suoraan summaudu, vaan eri rakoihin liittyvät todennäköisyydet voivat niin sanotusti interferoida, eli kumota tai vahvistaa toisiaan riippuen paikasta. Sama pätee, jos rakoja kohti ammutaan vain yksi elektroni kerrallaan, joten yksittäisen elektronin todennäköisyys interferoi nimenomaan itsensä kanssa. Tämän vuoksi jokainen yksittäinen elektroni selvästi tietää molemmista raoista, ja itse asiassa johtaisi loogiseen ristiriitaan sanoa, että ne menevät läpi vain jommasta kummasta. Kvanttitodennäköisyydet muistuttavat tässä suhteessa enemmän meren aaltoja kuin kolikonheiton epävarmuuksia.

Toinen kvanttiteorian hämmentäväksi mielletty ominaisuus on niin kutsuttu kvanttilomittuminen. Tämä tarkoittaa jotakuinkin sitä, että kahden fysikaalisen systeemin mittaustulosten todennäköisyydet ovat nivoutuneet toisiinsa niin, että ensimmäisen systeemin mittaaminen vaikuttaa välittömästi toiseen systeemiiin kohdistuviin todennäköisyyksiin riippumatta siitä, kuinka kaukana toisistaan systeemit ovat. Itse asiassa tässä ilmiössä ei olisi mitään hämmentävää sinänsä: Kuvittele, että käsiesi sisällä on kaksi kolikkoa, ja tiedät että toinen niistä on kruunu ja toinen klaava tietämättä kumpi on kummassa. Voit vain sanoa, että molempien todennäköisyys olla jompi kumpi on 50%. Kuitenkin avatessasi yhden käden tiedät välittömästi mikä toisessa kädessä on. Tämä ei tarkoita sitä, että käsiesi välillä on aika-avaruuden läpäisevä madonreikä tai joku maaginen yhteys, vaan sinä vain päivität odotuksesi uuden tiedon pohjalta. Epäintuitiivinen osuus on se, että kvanttiteoriassa nämä todennäköisyyksien nivoutumiset voivat olla vahvempia kuin normaalisti arkijärjen puitteissa, eivätkä siten ole selitettävissä yhtä yksinkertaisesti. Voisiko kvanttiteoria silti olla vain likimääräinen kuvaus jostain syvemmästä todellisuudesta, jonka kuvaamiseen voimme kehittää uuden tarkemman teorian?

Minkä tahansa kvanttiteorian korvaavan teorian täytyy sisältää yllämainitut epäintuitiiviset kvanttifysiikan ominaisuudet. Mainitsen kaksi tärkeintä teoreettista tulosta, jotka rajoittavat mahdollisten uusien teorioiden ominaisuuksia: Ensinnäkin niin kutsuttu Kochen-Speckerin teoreema osoittaa, että missään kvanttimekaniikan korvaavassa teoriassa ei kaikki kvanttiteorian mukaan mitattavissa olevat suureet (esimerkiksi hiukkasen sijainti ja nopeus) voi olla yhtäaikaa määrättyjä eli tiedettävissä varmuudella. Tämä teoreema tosin jättää auki sen periaatteellisen mahdollisuuden, että voisi olla olemassa jotain muita "piilosuureita" nykyisten lisäksi, jotka määräävät kvanttiteorian mittaustulokset samaan tapaan kuin kaasun molekyylien nopeudet määräävät kaasun lämpötilan. Toisaalta Bellin teoreema osoittaa, että jos tällaisia piilosuureita on olemassa, niin ne eivät voi käyttäytyä kovin intuitiivisesti, koska niiden täytyy pystyä vaikuttamaan toisiinsa välittömästi mielivaltaisen pitkien matkojen päästä. Tämä rikkoo räikeästi Einsteinin suhteellisuusteorian valonnopeuden asettamaa syy-seuraussuhteiden nopeusrajoitusta, joka on toinen perustavanlaatuinen oletus fysiikassa. Ajattelepa yrittää tehdä johdonmukaisia kokeita systeemillä, johon voi vaikuttaa välittömästi mitkä tahansa tähtien ja planeettojen liikkeet toisella puolen galaksia! Bellin teoreema osoittaa myös, että toisaalta jos pidetään kiinni syy-seuraussuhteiden nopeusrajoituksesta, niin siinä tapauksessa joudumme luopumaan joko (i) mitattavien suureiden objektiivisesta todellisuudesta Kochen-Speckerin teoreeman merkityksessä, tai sitten (ii) kokeentekijän vapaasta tahdosta siinä mielessä, että hän ei voi valita koejärjestelyään riippumatta mitattavan systeemin tilasta. Kokeellinen fysiikka käy melko mahdottomaksi myös tässä viimeisessä tilanteessa!

Edes (tai varsinkaan) alan kärkitutkijoiden parissa ei ole vieläkään --- yli sata vuotta kvanttifysiikan perustamisen jälkeen --- minkään tason yksimielisyyttä siitä, miten kvanttiteoriaa täytyisi oikeasti fysikaalisesti ymmärtää. Kysymys "Miksi kvanttiteoria?" on vailla vakuuttavaa vastausta. Tämä siitäkin huolimatta, että nämä teoriat kuvaavat havaitsemiamme kvantti-ilmiöitä alati hämmästyttävämmällä tarkkuudella. (Lue aikaisempi raapustukseni mikroskooppisista mittakaavoista, jos et muuten usko.) Bellin teoreema kuitenkin rajoittaa vahvasti tulkinnallisia mahdollisuuksia. Ymmärtääkseni monet fyysikot --- ellei jopa enemmistö --- uskovat, että suureet ja niiden todennäköisyydet, joita kvanttiteoria käsittelee, kuvaavat fysikaalisten systeemien sisäisiä objektiivisia ominaisuuksia, jolloin heidän täytyy Bellin teoreeman mukaisesti luopua syy-seuraussuhteiden nopeusrajoituksesta. Omasta mielestäni on kuitenkin huomattavasti järkevämpää luopua siitä jokseenkin naiivista uskosta, että kvanttifysiikka kuvaisi fysikaalisten systeemien objektiivisia ominaisuuksia. Palautetaanpa taas mieleen Einsteinin lausahdus: "Fysiikan konseptit ovat ihmismielen vapaita luomuksia eivätkä, vaikka muulta vaikuttaisikin, ulkoisen todellisuuden yksikäsitteisesti määräämiä." [1] Huomattavasti pidemmälle tämän ajatuksen vei tanskalainen kvanttipioneeri Niels Bohr painottaessaan, että "ei ole olemassa mitään kvanttikaikkeutta. On vain olemassa abstrakti kvanttifysikaalinen kuvaus. On väärin ajatella, että fysiikan tehtävä on selvittää, millainen luonto on. Fysiikka käsittelee sitä, mitä me voimme sanoa luonnosta..." [6] Tästä näkökulmasta kvanttiteorian viesti on siis se, että minkä tahansa fysiikan teorian kuvaama tieto tai uskomus fysikaalisen systeemin käyttäytymisestä on aina jonkun henkilön tai muun agentin mielessä, eikä suinkaan systeemin objektiivinen ominaisuus. Emme voi koskaan päästä suoraan käsiksi "objektiiviseen todellisuuteen", mitä se sitten ikinä onkaan, jos mitään, vaan havaitut faktat ja säännönmukaisuudet ovat aina oman mielemme tuotosta. Kokemuksiemme yhteensopivuus toki puhuu vahvasti jonkinlaisen mielemme ulkopuolisen yhteisen todellisuuden puolesta, kuten jo Tietoni olemus-raapustuksessa huomautin, mutta se ei silti kumoa tätä teorianmuodostuksen perustavanlaatuista rajoitusta. Emme voi muuta kuin pysyä tietämättöminä päämme ulkoisesta todellisuudesta.

Syvälle tämän ajatuskulun suuntaan sukeltaa Christopher Fuchsin, Rüdiger Schackin ja David Merminin julkaisut (1 ja 2), jotka käsittelevät varsin ovelasti nimettyä QBismi-tulkintaa kvanttifysiikasta. QBismi tunnetaan myös huomattavasti kuvannollisemmalla nimellä kvantti-Bayesianismi (engl. quantum Bayesianism), josta tuo "QB" on lyhenne. Bayesilainen suuntaus on tilastotieteen tulkinta uskomusten logiikkana. Toisaalta "QBismi"-termi muistuttaa ääntämykseltään kubismi-taidesuuntausta. Näillä kahdella onkin syvä henkinen yhteys maailman abstraktoimisessa... Näin Fuchs kuvaa kehittämäänsä tulkintaa: "QBismin mukaan kvanttiteorian ei pitäisi ajatella olevan kuva maailmasta itsestään, vaan 'käyttöopas', jonka kuka tahansa toimija voi ottaa käyttöönsä tehdäkseen viisaampia päätöksiä maailmassa, joka häntä ympäröi --- maailmassa, jossa hänen tekojensa seuraukset ovat sisäsyntyisesti epävarmoja. Korostan tätä: Minun tapauksessani se on maailma, jossa minä olen pakotettu olemaan epävarma suurimmasta osasta minun tekojen seurauksia; ja sinun tapauksessasi se on maailma, jossa sinä olet pakotettu olemaan epävarma suurimmasta osasta sinun tekojesi seurauksia. Silti me molemmat voimme käyttää kvanttiteoriaa logiikan ja todennäköisyyslaskennan ohella, kun ajattelemme henkilökohtaisia epävarmuuksiamme, jotka koskevat näitä meidän hyvin henkilökohtaisia asioitamme." [7] Tästä näkökulmasta käsin kvanttiteoria näyttäytyy siis metodina, jonka fyysikot ovat kehittäneet logiikan ja todennäköisyyslaskennan tapaan henkilökohtaisten kokemuksiemme ja uskomuksiemme tarkimpaan mahdolliseen ennakoimiseen ja jäsentämiseen, eikä suinkaan maailman objektiivisena todellisuutena. Tämä käy järkeen, sillä onhan kokemuksemme maailmasta, jopa kokeellisessa fysiikassa, aina filtteröity mielemme ja uskomuksiemme läpi. Luulenpa siis, että tämä on kvanttifysiikan todellinen viesti meille: "Herää pahvi, se on televisio!"



Alaviitteet:

[1] "Physical concepts are free creations of the human mind, and are not, however it may seem, uniquely determined by the external world." A. Einstein ja L. Infeld, The Evolution of Physics (1938).

[2] "I think I can safely say that nobody understands quantum mechanics", The Character of Physical Law (1965).

[3] Tietenkin olisi periaatteessa mahdollista, että atomin ytimen ja elektronin välillä vaikuttaisi myös joku entuudestaan tuntematon voima sähkömagneettisen vuorovaikutuksen lisäksi, joka tasapainoittaisi systeemin. Jos atomin vakaus olisi ainoa todiste kvanttiepävarmuudelle, niin silloin toki jälkimmäinen vaihtoehto vaikuttaisi paljon uskottavammalta, ja monet fyysikot yrittivätkin rakentaa vakaata atomimallia näillä konstein ennen kvanttifysiikan universaalia hyväksyntää. Sen sijaan atomien vakaus on vain yksi todiste lukemattomien muiden joukossa, vaikkakin harvinaisen dramaattinen sellainen.

[4] Realistisen television tapauksessa resoluution absoluuttinen yläraja tulee vastaan näkyvän valon aallonpituuksien tienoilla, mikä ei ole huonoin mahdollinen analogia, sillä kvanttiteorian epätarkkuusperiaate voidaan myös joissain tapauksissa ajatella johtuvan hiukkasten aaltomaisesta käyttäytymisestä.

[5] Kuva on otettu kirjasta R. Penrose, The Road to Reality (2004).

[6] "There is no quantum world. There is only an abstract quantum physical description. It is wrong to think that the task of physics is to find out how nature is. Physics concerns what we can say about nature..." A. Pais, The Genius of Science: A Portrait Gallery (2000).

[7] "QBism says that quantum theory should not be thought of as a picture of the world itself, but as a “user’s manual” any agent can pick up and use to make wiser decisions in the world enveloping him—a world in which the consequences of his actions upon it are inherently uncertain. To make the point: In my case, it is a world in which I am forced to be uncertain about the consequences of most of my actions; and in your case, it is a world in which you are forced to be uncertain about the consequences of most of your actions. Yet both of us may use quantum theory as an addition to logic and probability theory when we contemplate our personal uncertainties about these very personal things for each of us." Lainattu julkaisusta C. Fuchs, Interview with a Quantum Bayesian (2012), arxiv:1207.2141.

Maailmankaikkeuden mittakaavat, osa X: Uhat 1-metrisen maailmankuvalle

Edellisissä kahdessa mittakaavakirjoituksessani (1&2) käsittelin maailmankaikkeuden pituusskaaloja lähtien ensimmäisessä osassa yhdestä metristä universumin suurimpia etäisyyksiä kohti ja myöhemmin toisessa osassa yhdestä metristä pienimpiä etäisyyksiä kohden. Tässä kolmannessa hieman edellisistä poikkeavassa bonusosassa "X" pohdin vähemmän faktuaaliseen sävyyn edellisissä osissa tarjoiltujen perspektiivien kohdistamia uhkia ihmisen maailmankuvalle, ja yritän selventää itselleni, miten nämä uhat oman maailmankuvani puitteissa hahmotan.

Kuten edellisissä osissa totesimme, maailmankaikkeuden koko on valtava, mahdollisesti ääretön --- joka tapauksessa käsityskyvyn ulkopuolella. Tätä kiistämätöntä tosiasiaa hetken mielessä pyöritellessä herää väkisinkin syvällinen kysymys: Mitä merkitystä voi yksittäisellä ihmiselämällä, tai edes koko ihmiskunnan kohtalolla olla tällaisessa kontekstissa? Olisiko sillä mitään väliä, vaikka koko maapallo tuhoutuisi huomenna? No, ainakin meille itsellemme maapallolla elävänä elämänmuotona sillä olisi. Ei ole lainkaan itsestään selvää, että universumissa edes olisi olemassa muunlaista merkitystä kuin minkä elämän olemassaolo tänne synnyttää, joten ei ole välttämättä perusteltua vaatia sellaista. Elämän mahdolliset merkitykset voi yrittää jakaa karkeasti neljään osittain päälleikkäiseen kategoriaan:

1. Perinnöllinen
2. Yhteisöllinen
3. Yksilöllinen
4. Universaali

Seuraavassa yritän lyhyesti selittää, mitä tarkoitan näistä kullakin.

1. Perinnöllinen: Evolutionäärisestä näkökulmasta kaiken elämän ykköstarkoitus on oman perimänsä edistäminen, sillä tämä on ainoa tehtävä, johon elämä on kehittynyt ja mukautunut luonnonvalinnan karsimana. Ne perintötekijät selviävät aina seuraavaan sukupolveen, joiden pohjalta kehittyneet yksilöt ovat kyenneet selviytymään ja tuottamaan jälkeläisiä perintötekijöineen. Eliö on genominsa kulkuväline. Tämä itsegeneroituva itsereferoiva tarkoitus pätee kaikkeen elämään arkkibakteereista ihmisiin. Toisaalta ihminen on yksi niistä harvoista otuksista maapallolla, jotka ovat kyenneet ainakin jossain määrin hivuttautumaan ulos tästä biologisesta pakkopaidastaan kehittyneen tietoisuutensa myötä: Onhan olemassa ihmisiä, jotka varta vasten päättävät olla hankkimatta lapsia. Tämä voi tapahtua etenkin silloin, kun elämän perinnöllinen tarkoitus on ristiriidassa myöhempien kohtien kanssa.

2. Yhteisöllinen: Tyypillisesti yksittäinen elävä olento on osa suurempaa eliöyhteisöä, jossa olennolla voi olla oma yhteisöllinen tehtävänsä. Tämä tehtävä voi luoda otuksen olemassaololle merkitystä sen/hänen toimiessaan yhteisönsä hyväksi. Varsinkin ihmisotusten tapauksessa merkitystä luovia yhteisöjä on monia eritasoisia --- esimerkkeinä perhe, kaveripiiri, työ-/harrastusyhteisö ja yhteiskunta. Mutta ihminen ei toki ole ainoa eläin, jolla voi olla yhteisöllistä merkitystä, vaan tämä pätee kaikkiin sosiaalisiin eläimiin. Äärimmäisyytenä mainittakoon joidenkin muurahaislajien työläismuurahaiset, joiden olemassaolon ainoa välitön merkitys on yhteisöllinen, sillä ne eivät pääse lisääntymään lainkaan. Vastaava mainitsemisenarvoinen, mutta astetta hämmentävämpi ääriesimerkki löytyy myös nisäkkäistä: kaljurottatyömyyrät. Toisaalta yksilön merkitys esimerkiksi muurahais-, kaljurotta- tai perheyhteisössä menee päällekäin perinnöllisen merkityksen kanssa, sillä ryhmän jäsenillä on erityisen paljon geneettistä yhtäläisyyttä.

3. Yksilöllinen: Edellisten merkitysten lisäksi yksilöllä voi olla jonkinlaisia itsetarkoituksellisia, usein edellisiä abstraktimpia, merkityksiä omalle elämälleen. Tällaiset abstraktit merkitykset perustuvat kehittyneeseen tietoisuuteen, ja ovat siten lähinnä ihmisotusten yksinoikeudellista ylellisyyttä. Joku elää tieteelle, joku taiteelle, joku toinen lie ihan vain piruuttaan. Kokemuksieni mukaan monilla ihmisillä on joku tietty fiksaatio, joka tuo elämään merkitystä henkilölle itselleen. Usein nämä toki myös sekoittuvat aiempien kohtien kanssa, mutta on myös olemassa harrasteita, vaikkapa postimerkkien keräily tai kvanttigravitaatio, jotka eivät välttämättä korreloi ainakaan kovin vahvasti yhteisöllisen saatikka perinnöllisen merkityksen kanssa --- lähinnä päinvastoin...

4. Universaali: Jotkut ihmiset uskovat yllämainittujen maallisten merkitysten lisäksi ihmisillä olevan jonkinlainen yliluonnollinen universaali arvo ja merkitys. Itse näen tämän mahdollisuuden jo mittakaavatarkasteluidemmekin pohjalta hyvin hyvin epätodennäköisenä, sillä olemmehan maailmankaikkeuden kokoon verrattuna täysin mitättömiä, pidimme siitä taikka emme, enkä ole kohdannut montaa hyvää syytä uskoa sellaiseen. ("Tietoni olemus"-raapustukseni ja erityisesti siellä esiintyvän Arktikulaatio-ongelma -pingviiniesimerkin pohjalta saattaa olla mahdollista ymmärtää, miksi en myöskään usko keijujen, menninkäisten tai jumalien olemassaoloon.) Epäilemättä paras syy, johon olen törmännyt, on se, että universaaliin merkitykseen uskominen antaa toivoa, ja tekee ihmisestä iloisen, mikä voi hyvin ollakin totta. Valitettavasti vain se ei tee tästä mahdollisuudesta yhtään sen todennäköisempää, sillä todellisuudella on vahva taipumus olla välittämättä ihmisten toiveista. Luulenpa koko maailmankaikkeuden olevan vain aivan väärä mittakaava etsiä merkitystä yksimetrisen elämälle. Luulen myös, että maailma olisi parempi paikka, jos ihmiset keskittyisivät sen sijaan aktiivisesti etsimään merkitystä elämälleen yhden metrin mittakaavasta, sillä tämä on se mittakaava, jolla on merkitystä vuorostaan meille itsellemme.

Siispä yhteenvetona edellisestä tarkastelusta voisi todeta, että vaikka kosmos onkin järjettömän valtaisa, niin todellisia merkityksiä elämälle näyttäisi olevan tarjolla ainakin omassa yhden metrin mittakaavassamme, vaikkakin niitä voi joskus joutua itse etsimään. Jokainen olkoon vapaa luomaan itselleen omannäköisensä merkitysten kirjon rajoittamatta muiden vapautta tehdä niin.

Toisaalta mittakaavatarkastelujemme toisesta laidasta nousee vastaavan kaltainen uhkaava näkymä ihmisistä mekaanisina luonnonlakeja seuraavina molekyylikoneistojen kokoelmien kokoelmien ... kokoelmien kokoelmina. Jos olemme vain mekaanisia molekyylirobotteja, niin voiko meillä olla mitään mahdollisuutta vaikuttaa tulevaisuuteemme, vai onko tekemämme valinnat ennalta määrättyjä? Seuraammeko vain sokeina luonnonlakien viitoittamaa polkua? Neurotieteelliset tutkimukset viittaavat ainakin vahvasti siihen, että tietoisuus on fysikaalisten aivojen tuotos, eikä siihen liity mitään yliluonnollista.

Itselleni on ollut aina hankalaa ymmärtää, mitä vapaan tahdon käsite varsinaisesti tarkoittaa: Enhän voi ikinä tahtoa, mitä en halua. Sehän olisi jo räikeä looginenkin ristiriita. Itseasiassa yleensä pyrin siihen, että tahtotiloilleni olisi mahdollisimaan vakaat perusteet, eivätkä ne koostuisi vain satunnaisista heilahteluista. Tästä näkökulmasta tahtoni säännöllisyys ja lainmukaisuus on siis hyvä asia, eikä suinkaan ongelma. Mitä sitten, vaikka aivoni toimisivatkin fysiikan lakien mukaisesti määrittäessään tahtoni? Ovathan nämä lait parhaiten testattua tieteellistä tietoa, joten ainakin voin tässä tapauksessa suhteellisella varmuudella luottaa aivojeni säännönmukaiseen toimintaan.

Usein vapaa tahto jonkin tehdyn päätöksen suhteen ymmärretään käsittääkseni hypoteettisena mahdollisuutena valita toisin kuin miten oikeasti valitsi: -"Olisin voinut valita toisin, jos olisin halunnut." Mutta et kuitenkaan halunnut, etkä siten valinnut. Konditionaali-imperfekti on selvästikin hyvin ristiriitainen yhdistelmä --- menneisyys on jo tapahtunut, joten se ei mahdollisuuksia tarjoa. Tulevaisuus sen sijaan tarjoaa konditionaalisia mahdollisuuksia. Mutta vaikka päättäisin syödä huomenna lounaan sijaan hatullisen tapaskääryleitä todistaakseni tahtoni vapauden, niin tahdollani olisi edelleen selvä syy: todistaa vapaan tahdon olemassaolo. En siis loppujen lopuksi onnistuisi todistamaan yhtään mitään, sillä tämä syyseuraussuhde on selvästikin yhteensopiva luonnonlakien kanssa, ja koko hommasta jäisi vain hyvä maku suuhun. Usein emme tietenkään tiedosta kaikkia syitä valinnoillemme, joten jotkut niistä voivat vaikuttaa varsin satunnaisilta, mutta se ei sinänsä ole yllättävää, koska monien neurotieteellisten tutkimustulosten valossa meillä vaikuttaa olevan huomattavasti heikompi ote päämme sisäisiin tapahtumiin kuin mitä haluaisimme itsellemme uskotella. Esimerkkinä toimikoon Benjamin Libetin 80-luvulla suorittamat uraa uurtaneet neurotieteelliset kokeet. Näissä kokeissa koehenkilöitä pyydettiin joko painamaan nappia tai pidättäytymään painamasta tietyn aikarajan puitteissa. Havaittiin, että koehenkilöiden aivosähkökäyrä aktivoitui viitaten henkilön päätökseen painaa nappia viidesosasekuntia aiemmin kuin henkilö itse tiesi päättäneensä painaa sitä. Nämä (ja muut vastaavat) löydökset näyttäisivät viittaavan vahvasti siihen, että henkilö ei itse tietoisesti tee painamispäätöstään, vaan päätös on tiedostamaton, ja ainoastaan alitajunnan jo tehtyä päätöksen henkilö saa tiedon siitä. (Englanninkielisestä Wikipediasta löytyy kelpo artikkeli vapaan tahdon neurotieteestä, jos enklanti taittuu.)

Syy, jonka takia monet ihmiset puolustavat "vapaan tahdon" olemassaoloa kynsin ja hampain, on ymmärtääkseni moraalinen. Argumentti on seuraava: "Jos aivomme toimivat luonnonlakien mukaisesti, emmekä voi vaikuttaa valintoihimme niiden ollessa ennalta määrättyjä, niin ketään ei voi pitää vastuussa mistään. Siispä moraali menettää merkityksensä." Mutta tässä ajatuskulussa on selvä virhe, sillä se käsittelee henkilöä ja hänen aivojaan erillisinä käsitteinä. Me olemme aivomme (tai ainakin siltä se vahvasti vaikuttaa modernin aivotutkimuksen valossa, vaikka olisikin epärehellistä väittää, että aivojen kompleksista toimintaa ymmärrettäisiin vielä erinomaisen hyvin; esimerkiksi niin, että pystyttäisiin määrittämään tarkka yksi-yhteenkuvaus henkilön aivojen fysikaalisten tilojen ja sisäisten subjektiivisten kokemusten välille). Siten väitteessä "me emme voi vaikuttaa aivojemme toimintaan" ei ole mitään järkeä. Kuka on tämä "me"? Selvästikin aivomme voivat vaikuttaa aivojemme toimintaan --- luonnonlakien puitteissa.

Ajatellaanpa aivojamme jonkinlaisina itseohjelmoituvina äärimmäisen monimutkaisina tietokoneina, jollaisia ne tietyssä mielessä luultavasti ovatkin. Ne ohjaavat käyttäytymistämme, ja ovat siten vastuussa tekemisistämme. Jos teemme jotain hölmöä, niin selvästikin aivojemme ohjelmistossa on tällöin jotain vialla, ja se voidaan yrittää korjata niin sisäisin kuin ulkoisinkin menetelmin. Koska olemme aivomme, niin vastuumme ei katoa mihinkään, ja yhteiskunnan on perusteltua puuttua hölmöyksiin. Jo mahdollisen rangaistuksen tiedostaminenkin "ohjelmoi" välillisesti aivojamme pysymään kaidalla tiellä, joten rangaistukset ovat perusteltavissa, vaikka aivomme noudattaisivatkin luonnonlakeja. Siitä, miten tehokkaasti vankilatuomiot uudelleenohjelmoivat aivoja hölmöstelyn jo tapahduttua, voidaan tosin olla montaa mieltä... Ainakaan rikoksenuusintatilastojen valossa tehossa ei taida olla suuremmin kehumista. Kuitenkin voidaan todeta, että palauttamalla tarkastelu yhden metrin approksimatiiviseen mittakaavaan kuvailemalla mikroskooppisten tapahtumien aiheuttamia makroskooppisia ilmiöitä, aivojemme ja tietoisuutemme tietynlaisen mekaanisuuden tunnustaminen ei tee moraalia lainkaan merkityksettömäksi, vaan voi jopa jalostaa sitä, kunhan ymmärrämme paremmin aivojen toimintaa.

Lopuksi haluan vielä huomauttaa, että en ole erityisen hyvin perehtynyt filosofiseen kirjallisuuteen näistä aiheista, eivätkä ajatukseni mitä luultavimmin ole lainkaan uusia. Rajoittuuhan ansioni filosofian saralla yhteen hylättyyn yliopiston pääsykokeeseen. (Vapaan tahdon käsittelyni pääasiallisena vaikuttajana täytyy kuitenkin mainita Daniel C. Dennettin Freedom Evolves -niminen kirja.) Niinpä pohdintani kannattaa nautiskella suolan kera: Nämä asiat ovat aina monimutkaisempia kuin mitä kirjoitukseni ehkä antaisi ymmärtää. Mutta joka tapauksessa yllä esittelemäni näkökulmat ovat ainakin itselleni hyvinkin järkeenkäypiä ja loogisia, ja mikä tärkeintä, yhteensopivia tieteellisen tiedon kanssa.

Maailmankaikkeuden mittakaavat, osa 2: < 1 metri

Edellisessä mittakaavakirjoituksessani käsittelin metriä pidempiä etäisyyksiä aina näkyvän maailmankaikkeuden reunalle saakka, missä varsin paradoksaalisesti saavuimme lopulta universumin lyhyimpiin mittakaavoihin. Tässä kirjoituksessa tarkastelemme lähemmin näitä mikro-, nano-, piko-, jne.-skooppisia etäisyyksiä sukeltaen tutusta yhdestä metristä skaaloissa alaspäin syvälle intuition rajojen tuolle puolen.

Vielä varoituksen sana: Näillä mittakaavoilla on tapana sitoa ihmisjärki jaloista peräkoukkuun ja ajaa moottoritiellä sataaviittäkymppiä väärään suuntaan. Ottakaatten siis tekoviiksistänne kiinni, matka alkaa!

Lähtiessämme laskeutumaan mittakaavoissa yhdestä metristä alaspäin ensimmäisenä taukopaikkanamme toimikoon metrin tuhannesosa, yksi millimetri. Tästä mittakaavasta meillä on vielä monia arkiperäisiä kokemuksia, sillä voimmehan paljain silmin nähdä millimetrin kokoisia yksityiskohtia, kuten näin kesän kynnyksellä alituiseen ja aivan häpeilemättä bilettävät muurahaiset. Toinen epäilemättä tuttuakin tutumpi esimerkki on pölypunkki, joka on noin puoli millimetriä pitkä pohjimmiltaan sympaattinen veijari, joka pienestä koostaan huolimatta on allergikkojen suuri kauhu. Siinäpä opiksi meille kaikille: Pienikin voi saavuttaa elämässään jotain suurta, tai ainakin astmakohtauksen. Millimetritasolla on siis vielä runsaasti elämää. Muina esimerkkeinä toimikoon noin neljäsosamillimetrin pituinen pieni sitruspuiden perivihollinen, keltapunkki, ja vain millin kymmenesosan mittainen pelto-ohdakkeissa pesivä ruostepunkki, joista onnistuin löytämään päheät elektronimikroskooppikuvat. Millimetrin kymmenesosa on myös jotakuinkin keskimääräisen ihmiskarvan läpimitta, minkä vuoksi eräskin anarkistinen ruostepunkki väittää kainaloani sademetsäksi. Vaan eläimet eivät suinkaan lopu millimetrin mittakaavaan --- alkavat vain yhä vähemmän ja vähemmän näyttämään eläimiltä. Pienin tunnettu aitotumallinen itsenäisesti elävä otus on yksisoluinen Ostreococcus, joka on noin yhden mikrometrin, eli millimetrin tuhannesosan, pituinen. Ostreococcuksen koko genomi sisältää alle kaksi megatavua dataa, mitä voi verrata ihmisen genomin noin 800 megatavuun, joka toisaalta mahtuu edelleen kätevästi yhdelle cd-levylle.

Toisaalta keskikokoinen ihmissolu on noin yhden millimetrin sadasosan, eli kymmenen mikrometriä, halkaisijaltaan. Ihmiskarva on siten muutaman kymmenen solua leveä, kuten tämä hahmoitelma karvan rakenteesta kätevästi havainnollistaa. Soluja yhdessä ihmisessä on vaatimattomat muutama kymmenen miljardia eli lähes saman verran kuin Linnunradassa tähtiä, tai näkyvässä universumissa galakseja. (Kuten edellisessä osassa totesimme, tämä on toisaalta suunnilleen sama kuin hiekanjyvien lukumäärä hiekalla täytetyssä keskikokoisessa uima-altaassa.) Solun keskus, tuma, jossa tuo yllämainittu 800 megatavun genomi sijaitsee, vie noin kymmenesosan ihmissolun tilavuudesta ollen muutaman mikrometrin halkaisijaltaan. Siispä myttyyn kääriytyneenä yksittäiset ihmiskromosomit ovat myöskin vain muutaman mikrometrin pituisia. Toisaalta, jos myttyyn kääriytyneet geneettisen koodin sisältävät kromosomimolekyylit nyhdettäisiin auki, niin ne ylettyisivät suoristettuina jopa kahden metrin yhteispituuteen. Koska näiden kromosomien tulee sisältää ohjeet siitä, miten oikeaoppinen ihmisyksilö rakennetaan, sekä samalla mahtua yksittäisen solun sisään, niin ymmärrettävästi optimaalinen pakkaus on kaikki kaikessa. Seuraava kuva havainnollistaakin mainiosti, miten tunnusomainen muutaman nanometrin halkaisijaltaan oleva DNA-rihman kaksoisheliksirakenne on käärittynä itsensä ja tiettyjen erityisten käärintäproteiinien ympäri kerta toisensa jälkeen kromosomien sisään. Mutta juuri siitä syystä, että DNA-rihma sisältää rakennusohjeet ihmiskehon kriittisten peruselementtien, proteiinien, valmistamiseksi, niin paitsi että se täytyy pakata hyvin, sen täytyy olla myös kätevästi avattavissa ja luettavissa, sillä solu tarvitsee näitä ohjeita jatkuvasti valmistaakseen tarvitsemiaan osia. DNA-koodin lukemiseksi on vuosimiljardien kuluessa kehittynyt monimutkainen molekyylikoneisto, joka avaa rihman, ja kopioi proteiinin valmistusohjeet. Proteiinit ovat myös mittakaavatarkastelullemme tärkeitä, sillä ne ovat molekyylimaailman jättiläisiä. Esimerkkinä toimikoon vaikkapa muiden proteiinien kasaan käärimisessä avustava saperonimolekyyli, joka koostuu tuhansista yksittäisistä atomeista, kuvassa nähtävistä pienistä rypylöistä, joiden läpimitta on kymmenesosa nanometrin luokkaa. Siten yksittäisen saperonimolekyylin halkaisija on ehkäpä noin kymmenen nanometriä, eli yksi tuhannesosa ihmissolun leveydestä, tai kymmenestuhannesosa hiuksen halkaisijasta. Tästä huolimatta proteiinit vievät soluliman tilavuudesta jopa noin kolmasosan, muodostaen jo yksittäisen solun sisällä erittäin monimutkaisen molekyylikoneiston, jota ei vielä kovinkaan hyvin ymmärretä. Proteiinien vuorovaikutukset solujen sisällä ovat niin äärimmäisen monimutkaisia, että en edes uskalla yrittää sanoa yhtään mitään enempää niistä, jotten eksyisi yhä kauemmas aiheesta --- enkä toki halua alkaa hiuksia halkomaan... Mutta olemme sentään onnistuneet kromosomirihmastojen ja jättiläisproteiinien avulla laskeutumaan edelleen yhden pykälän alaspäin mittakaavoissa, nanometreihin nimittäin.

Tässä vaiheessa, kerättyäni salamannopeasti rohkeuteni, haluaisin tosin yrittää sanoa vielä hieman enemmän proteiinien vuorovaikutuksista. Nimittäin sen, että tällä proteiinitasolla tarkasteltuna ihmiset näyttävät olevan huikean monimutkaisia molekyylikoneistojen kokoelmien kokoelmien ... kokoelmien kokoelmia. (Kokemuksieni mukaan joku voisi tuntea houkutuksen sijoittaa sanan "vain" edelliseen lauseeseen, "vain huikean monimutkaisia molekyylikoneistojen kokoelmien ... kokoelmia", mutta en itse ymmärrä miksi. Avaudun tästä aiheesta lisää myöhemmässä kirjoituksessani.) Tämä näkymä ihmisyyteen, ja elämään ylipäätään, on niin uskomattoman käsittämättömän hämmentävä ja arkijärjen vastainen, että itse en kykene ymmärtämään, mitä se edes varsinaisesti tarkoittaa. Tietyssä mielessä tämä ihmisjärkeni rajoittuneisuus on vieläkin dramaattisempaa kuin suurten mittakaavojen tapauksessa, sillä tällä kertaa kyse on myös itseni, oman rakenteeni, ymmärtämisestä. Ja samalla tavalla kuin edellisen mittakaavakirjoituksen kontekstissa mainitsin, kun yritän venyttää tajuntaani piirun verran oikeaan suuntaan hahmottaakseni tuon molekyylikoneistojärjestelmien järjettömän monimutkaisuuden, mieleni valtaa aina hetkeksi se hassu tunne, joka valtaa mieleni aina hetkeksi, kun yritän tehdä niin. Haastan taas sinut, hyvä lukija, yrittämään hahmottaa maailma tästä näkökulmasta, kun seuraavan kerran kuljeksit ruuhka-aikaan asuinpaikkakuntasi keskustassa. Tulet huomaamaan, että molekyylikoneistojärjestelmät suorittavat monia hyvin hyvin omituisia toimintoja!

Olemme siis tähän mennessä saapuneet nanometrin mittakaavaan. Hahmoittamisen helpottamiseksi voi edelleen todeta, että yksi nanometri on millimetrille sama kuin yksi millimetri on kilometrille. Eipä siis juuri mitään mainitsemisen arvoista. Tässä vaiheessa matkaamme alamme toisaalta huomaamaan jotain hyvin outoa: todellisuus vaikuttaa toimivan hetkittäin hyvin epätodellisella tavalla. Totuuden väliaine vaikuttaa samenevan samenemistaan sukeltaessamme yhä syvemmälle, emmekä voi pian olla varmoja mistään, paitsi siitä, ettemme voi olla varmoja mistään, paitsi siitä, ettemme voi olla varmoja mistään, paitsi siitä... Se, mitä yleensä todellisuudeksi kutsumme, osoittautuukin olevan todellisuudessa vain karkea keskimääräistys todellisesta todellisuudesta, jos sellainen on olemassa, mitä toisaalta syvästi epäilen. Jos ajattelet, että tämä sepostukseni vaikuttaa nyt kyllä kovin ristiriitaiselta ja sekavalta, niin olet oikeassa! En pysty mitenkään suomenkielellä selittämään, mitä näillä mittakaavoilla oikeasti tapahtuu, sillä ajattelumme ja siihen pohjautuva luonnollinen kieli perustuvat täysin todellisuuden käyttäytymiseen suurilla etäisyyksillä, jonka ennakoimiseksi tietoisuutemme on evoluution myötä kehittynyt. Ainoa kieli, jolla todellisuuden omituista käyttäytymistä näillä pienillä etäisyyksillä on onnistuttu kuvaamaan, on matematiikka, joka jollain varsin mystisellä tavalla vaikuttaa kykenevän paikkaamaan, tai ainakin osittain kiertämään, ihmisjärjen rajoitteet. Tätä matemaatiikan kielellä muotoiltua todennäköisyyksiin pohjautuvaa fysiikan teoriaa, jonka onnistuu kuvata havaintojamme fysikaalisista systeemeistä näillä nanoskooppisilla etäisyyksillä, kutsutaan kvanttimekaniikaksi. (Tulen varmastikin kirjoittamaan marginaalisesti selkeämmän, paremman, tai ainakin pidemmän sepostuksen kvanttimekaniikasta lähitulevaisuuden blogailuissani, koska se on epäilemättä yksi fysiikan kiehtovimmista konsepteista.)

Suurin molekyyli, joka on saatu kontrolloiduissa laboratorio-oloissa käyttäytymään merkittävän kvanttimekaanisesti, on kuudesta kymmenestä hiiliatomista koostuva nanometrin halkaisijaltaan oleva fulleriinipallo C60. Tätä suurempien kappaleiden kvanttimekaanisuus ei varsinaisesti häviä mihinkään, vaan kvanttimekaniikka pitää paikkansa myös suurilla etäisyyksillä --- juurikin kvanttimekaniikan mukaisesti yhä suurempien kappaleiden käyttäytyminen lähestyy yhä enemmän "normaalin" kaltaista. (Tähän siirtymäänkin liittyy tosin toistaiseksi selvittämättömiä mysteereitä, kun alkaa vähän pintaa syvemmältä kaivamaan.) Toisaalta kvanttimekaaninen käyttäytyminen tulee yhä merkittävämmäksi, kun siirrymme tarkastelemaan yhä pienempiä mittakaavoja. Tästä huolimatta jatkamme pääosin, tai ainakin vielä tämän kirjoituksen puitteissa, objektien kuvittelemista pieninä kiinteinä möykkyinä, hiukkasina, näillä pienemmilläkin mittakaavoilla --- kaiken juuri oppimamme vastaisesti. Toinen yhtälailla väärä mielikuva, jota voi tietyissä tilanteissa paremman puutteessa soveltaa kvanttimekaanisiin hiukkasiin, on aalto. Itse asiassa kevyet kvanttihiukkaset, kuten fotonit eli sähkömagneettisen vuorovaikutuksen välittäjähiukkaset, ovat valon muodossa enimmäkseen lähempänä aaltoa kuin hiukkasta, kun taas raskaammat hiukkaset, kuten elektronit, ovat enimmäkseen lähempänä kiinteää hiukkasta. Mutta molemmilla hiukkasilla on kummatkin luonteet, tai oikeastaan ei kumpaakaan, koska nämä hiukkas- ja aaltoluonteet ovat vain ihmismielen heiveröisiä yrityksiä luokitella todellisuus sille tuttuihin kategorioihin.

Nyt, kun olen saanut sinut ehkä vakuutettua siitä, että tästä eteenpäin mentäessä en kykene enää kuvaamaan maailmankaikkeutta, menkäämme eteenpäin. Noin kymmenesosa nanometrin, yhden ångströmin, halkaisijaltaan olevat atomit ovat aineen pienimpiä osasia siinä mielessä, että niiden ominaisuudet pääasiassa määrittävät niistä koostuvan aineen ominaisuudet, eikä niiden osasilla ole enää suoraa merkitystä aineiden ominaisuuksille. Eikä voisikaan olla, sillä kaikki atomit rakentuvat täysin samoista osista, ja siten tätä pienemmillä mittakaavoilla eri aineita ei siis ole olemassa. Osoittaakseni, että atomien käyttäytymisen lisäksi myös niiden koko on täysin käsityskyvyn ulkopuolella, mainitsen ihmiskehon koostuvan noin kymmenestä kvadriljardista atomista. Kvadriljardi on tuhat miljardia miljardia, eli ykkönen ja 27 nollaa. Vertailun vuoksi voi todeta, kuten edellisessä mittakaavakirjoituksessa kerroin, että koko näkyvässä maailmankaikkeudessa on kaiken kaikkiaan noin kymmenen triljardia (10^22) tähteä. Yhdessä ihmisessä on siis noin miljoona kertaa enemmän atomeita kuin koko näkyvässä universumissa tähtiä --- töttöröö! Lue vielä edellinen lause uudelleen ajatuksen kera. (Varo tosin jäämästä ikuiseen luuppiin tässä...) Jos edellisessä osassa tunsit itsesi pieneksi mitättömäksi hiduksi, niin nyt ovat asetelmat kääntyneet täysin päälaelleen, ja vielä enemmän. Toinen ehkäpä havainnollisempi vertaus: Jos omena suurennettaisiin maapallon kokoiseksi, niin suurennetun omenan atomit olisivat jotakuinkin alkuperäisen omenan kokoisia. (Wikipedian mukaan tämä on peräisin fysiikan suuren sankarin ja pitkäaikaisen esikuvani Richard Feynmanin Six Easy Pieces-kirjasta.)

Atomithan puolestaan koostuvat atomiytimestä ja ydintä kiertävistä elektroneista, joita sitoo yhteen sähkömagneettinen voima, sillä ytimellä ja elektroneilla on vastakkaiset sähkövaraukset. Atomeille kvanttimekaniikka on elinehto: Jos elektronit käyttäytyisivät kuin normaalit kiinteät hiukkaset, niin kiertäessään atomiydintä ne menettäisivät sähkömagneettisena säteilynä liike-energiansa alta hyvin pienen aikayksikön, ja syöksyisivät saman tien ytimeen tehden atomeista erittäin epävakaita. Elektronien kvanttimekaanisesta aaltoluonteesta seuraa, että ydintä kiertävillä elektroneilla on matalin mahdollinen energiatila, jota alemmas ne eivät voi vajota, ja siten atomit pysyvät ylipäätään kasassa. Tämä korostaa sitä tosiasiaa, että kvanttimekaniikka ei ole mikään fyysikkojen teoreettinen päiväuni. Päinvastoin: maailmankaikkeuden järjenvastaisuus on kaiken olemassaolon perusta!

Täytyy myös mainita, koska jo edellä elektronimikroskooppikuvia ihastelimme, että tämä elektronien aaltoluonne mahdollistaa myös elektronimikroskopian, jossa objektien kuvantamiseen käytetään valon sijaan elektroneja. Suurienergisillä elektroneilla on näkyvää valoa noin sata tuhatta kertaa lyhyempi aallonpituus, joten elektronisäteilyn avulla voidaan kuvata huomattavasti pienempiä yksityiskohtia, parhaimmillaan aina puoleen ångströmiin asti. Toinen jännä kvanttimekaniikkaan perustuva kuvantamismenetelmä on tunnelointimikroskopia, jolla pystytään erottamaan jopa yksittäisiä atomeita, kuten tässä kuvassa näkyvät jännääkin jännemmän hiilinanoputken muodostavat hiiliatomit. Kykenemme siis jopa näkemään atomit, vaikkakin hieman epäsuorasti.

Atomin ydin on halkaisijaltaan noin sata tuhatta kertaa pienempi kuin itse atomi, yhden fermin. Elektronit ravaavat juoksuradalla cooperia, kierros toisensa jälkeen ympäri urheilukentän keskellä olevaa hiekanjyvää. Tämä johtaa meidät edelleen siihen hämmentävään tosiasiaan, että noin 99,999...9 (yhteensä 15 yhdeksikköä) prosenttia mistä tahansa aineesta on täysin tyhjää tilaa. Tämä tuskin lohduttaa minua kuitenkaan seuraavan kerran, kun liukastun banaaninkuoreen, ja huomaan jälleen kerran, että maa on kovaa. Maan, kuten muidenkin aineiden, kovuus johtuu siitä, että maanpinnassa olevien atomien elektronit hylkivät omien atomieni elektroneja, sillä molemmilla on samanmerkkiset sähkövaraukset, joten en pääse hujahtamaan maan läpi noin vain --- onneksi, sillä maapallon ytimessä on vähän liian kuuma omaan makuuni, noin 7000 astetta. Tämä esimerkki havainnollistaa myös hyvin eri vuorovaikutusten voimakkuuseroja: Vaikka painovoima vaikuttaa järeältä, kun mätkähdän maanpintaan, tai erityisesti kun yritän aamuisin nousta sängystä, niin ei tarvita kuin atomien elektroniverhot vastustamaan koko maapallon minuun kohdistamaa painovoimaa. Syy siihen, etteivät sähkömagneettiset voimat ole suuremmassa osassa jokapäiväisessä elämässämme (paitsi tietenkin sähkölaitteissa ja ovenkahvojen pelkotiloja herättävinä staattisina sähköshokkeina) on se, että kaikki materiaalit on kokonaissähkövaraukseltaan keskimäärin neutraaleja, joten ne eivät vaikuta toisiinsa sähkömagneetisesti pitkillä etäisyyksillä. (Toisaalta on hyvä huomata, että jokapäiväisestä leivästämme saamme molekyylien sähkömagneettisen energian muodossa kaiken kehomme käyttämän energian.) Sen sijaan kaikki massa kasvattaa painovoiman suuruutta (negatiivista massaa ei tiettävästi ole olemassa), joten vastaavaa neutraloitumista ei pääse tapahtumaan, ja tämän vuoksi gravitaatio, niin heikko kuin se onkin, dominoi suurilla etäisyyksillä.

Atomin ydin koostuu puolestaan tiukasti vahvan ydinvoiman sitomina yhteen pakatuista pienemmistä osasista, protoneista ja neutroneista. Ainoa ero eri aineiden atomien välillä on atomiytimien protonien lukumäärät, jotka heijastuvat atomin elektronikuorirakenteeseen, ja siten niistä koostuvan aineen kemiallisiin ominaisuuksiin. Elektronilla ei nykytiedon mukaan ole alirakennetta, vaan se ymmärretään pistemäiseksi alkeishiukkaseksi. Protonit ja neutronit sen sijaan koostuvat edelleen pienemmistä osasista, kolmesta kvarkista kumpainenkin, jotka ovat sidottuina toisiinsa "gluoni"-hiukkasten välittämän vahvan ydinvoiman vaikutuksesta. Tarkalleen ottaen protonit ja neutronit koostuvat "ylös"- ja "alas"-kvarkeista, jotka ovat kvarkkityyppejä. Kaikkiaan näitä kvarkkialalajeja on nykytietämyksen mukaan kuusi, joilla kaikilla on vähintäänkin hämmentävät nimet: "alas", "ylös", "outo", "lumo", "huippu", "pohja" (plus näistä jokaista vastaavat antihiukkaset). (Aiemmin "huippu"- ja "pohja"-kvarkkeja kutsuttiin nimillä "totuus" ja "kauneus", missä oli sentään jonkinlaista runollisuutta havaittavissa, mutta sekin mentiin sittemmin vesittämään!) Kvarkeista koostuvia hiukkasia kutsutaan hadroneiksi. Näitä hiukkasia on löydetty protonin ja neutronin lisäksi kokonainen liuta hiukkaskiihdyttimillä suoritetuissa korkeaenergisissä hiukkastörmäytyskokeissa, ja löydetään edelleen. Itseasiassa 1960-luvun alussa hadronitulva aiheutti suurta hämmennystä ja sekasortoa hiukkasfysiikan alalla, koska uusia hiukkasia ilmaantui kokeissa tiheimmillään viikoittain. Kukaan ei ymmärtänyt mistä kaikki nuo hiukkaset sikisivät, kunnes amerikkalaiset teoreettiset fyysikot Murray Gell-Mann ja George Zweig ehdottivat vuonna 1964 samanaikaisesti toisistaan riippumatta hiukkaspaljouden selittävää kvarkkimallia, jonka pohjalta säännönmukaisuudet hadronien ominaisuuksissa kyettiin ymmärtämään, ja edelleen ennustamaan seuraavat törmäytyskokeissa ilmaantuneet uudet hiukkaset. (Rivien välistä kannattaa lukea tärkeä opetus siitä, miten tiede toimii!) Nykytiedon mukaan kvarkeilla ei enää ole syvempää alirakennetta, vaan ne kuvataan nykyisissä teorioissa pistemäisinä alkeishiukkasina. (On tietenkin olemassa myös hypoteettisiä matemaattisia malleja, kuten säieteoria(t), jotka pyrkivät kuvaamaan alkeishiukkaset useampi ulotteisina objekteina, mutta tässä kirjoituksessa keskityn pääasiassa siihen, mitä todellisuudesta voidaan sanoa kohtuullisella varmuudella.) Elektronien ja kvarkkien, fotonien ja gluonien lisäksi nykyään tunnettuihin alkeishiukkasiin kuuluvat elektronin isosiskot, myoni ja tau, sekä neutriinot, jotka vuorovaikuttavat muiden hiukkasten kanssa ainoastaan heikon ydinvoiman välityksellä, ja tietenkin heikkoa ydinvoimaa välittävät "W- ja Z-bosonit" (plus kaikkien näiden hiukkasten antihiukkaset). Hiukkasten massan aiheuttavaa Higgsin bosonia yritetään saada haaviin Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksen CERN:in LHC-hiukkaskiihdyttimen avulla seuraavan muutaman vuoden sisällä --- sen olemassaolosta ei siis ole vielä varmuutta, vaan se on teoreettinen ennuste. Näitä kaikkia mielikuvituksellisesti nimettyjä alkeishiukkasia ja niiden välisiä vuorovaikutuksia kuvaa vähemmän mielikuvituksellisesti nimetty hiukkasfysiikan Standardimalli, ja varsin erinomaisesti kuvaakin. Lyhyin etäisyys, jolla Standardimallin paikkansapitävyys ja ylipäätään mikään todellisuuden ominaisuus on kyetty nykyisellään todentamaan, on alle kymmenestuhannesosa atomiytimen halkaisijasta, sata tseptometriä (10^-19m), eikä vakavia viitteitä Standardimallin ennusteista poikkeamisista vielä näillä mittakaavoilla ilmaannu. Näin olemme siis viimein saapuneet nykytietämyksen äärirajoille.

Jo kohtaamamme tosiseikka, joka tekee lyhyempien etäisyyksien tutkimisen yhä vain työläämmäksi, on se, että kvanttimekaniikan mukaisesti hiukkasilla on aaltoluonne, ja kvanttihiukkasten aallonpituus on kääntäen verrannollinen niiden energiaan. Siispä, mitä lyhyempiä etäisyyksiä halutaan tutkia, mitä pienempiä yksityiskohtia erottaa, sitä suurempi liike-energia tulee hiukkasille antaa. Tietyn rajan jälkeen tämä ei ole enää lainkaan helppoa, kuten LHC:n 27 kilometrin halkaisijasta, 15 vuoden rakennusaikataulusta ja 7,5 miljardin euron budjetista voi päätellä.

Toisaalta tiedämme myös, ettei hiukkasfysiikan Standardimalli voi olla koko totuus, sillä se ei lainkaan ota huomioon painovoimaa. Kuten jo yllä totesimme, gravitaatio on säälittävä heikko rääpäle verrattuina muihin perusvuorovaikutuksiin, ja niinpä mikroskooppisilla mittakaavoilla sen voi yleensä unohtaa tyystin. Ainoastaan tilanteissa, joissa hyvin hyvin suuri määrä energiaa on keskittyneenä hyvin hyvin pieneen tilavuuteen, voi gravitaatiolla olla jotain merkitystä mikroskooppisissa systeemeissä. Yleensä sen mittakaavan, jossa gravitaatiovoimien täytyy alkaa olla merkittävässä roolissa, arvioidaan olevan niin kutsuttu Planckin pituus, noin 10^-35 metriä, joka on niin pieni luku, ettei sille ole edes virallista nimeä. Mutta jonkinlaisen hataran mielikuvan sen pienuudesta voi saada siitä, että jos ihmisen atomiytimet olisivat ihmisiä, ja jos näiden atomiydinihmisten atomiytimet olisivat vielä pienempiä ihmisiä, niin näiden atomiydinihmisten atomiydinihmisten atomit olisivat noin Planckin pituuden halkaisijaltaan. Ehkä selvempää on sanoa, että Planckin pituuden suhde atomiytimen halkaisijaan on suurin piirtein sama kuin yhden senttimetrin suhde näkyvän maailmankaikkeuden halkaisijaan... Vaan ehkä ei sittenkään. Olen tainnut jo menettää kaiken uskoni siihen, että olisi olemassa mitään tapaa ilmaista ja ymmärtää intuitiivisesti näitä mittakaavoja. Planckin pituuksilla gravitaation arvellaan olevan merkittävä tekijä, sillä tämän kokoisten yksityiskohtien mittaamiseksi tarvittaisiin niin suuri energiatiheys, että mittauskohteeseen syntyisi yleisen suhteellisuusteorian mukaisesti musta aukko: niin voimakas painovoimakenttä, ettei yhtään mikään kykenisi tältä alueelta karkaamaan, ja siten informaation poistumisen mittauskohteesta estyisi. Mittaus olisi näin ollen tuomittu epäonnistumaan, eikä Planckin pituuksilta voisi saada informaatiota edes teoriassa. Näyttää siis siltä, että vastaamme tulee vieläkin läpäisemättömämpi seinä matkatessamme maailmankaikkeuden pienimmille etäisyyksille, kuin minkä jo kohtasimme matkallamme maailmankaikkeuden suurimmille etäisyyksille. Toisaalta edellinen argumentti pohjautuu yleiseen suhteellisuusteoriaan, joka ei mitä luultavimmin pidä paikkaansa enää näillä hyvin hyvin pienillä mittakaavoilla. Selvää on vain se, että jotain dramaattista täytyy aika-avaruudelle tapahtua viimeistään täällä. Mitä se sitten voisi olla? Sitä kutsutaan nimellä "kvanttigravitaatio". Yritämme parhaillaan selvittää teoreettisin menetelmin mitä tuo sana itseasiassa voisi edes tarkoittaa, jos mitään, mutta olisi epärehellistä väittää, että suuren suurta selvyyttä siitä vielä vallitsisi. Maailmankaikkeuden käyttäytyminen näillä lyhyimmillä etäisyyksillä on toistaiseksi valtava todellisuuden alleen peittävä mysteeri, josta tulen kirjoittamaan lisää tulevaisuuden blogailuissani. Vaan ei vaivuta synkkyyteen: Sehän se vasta tylsää olisikin, jos tietäisimme jo kaiken!

Retropunktio: "Ongelma: Monstereita?"

Koska vietän ensi viikon Madridissa Loops 11 -konferenssissa, enkä siten luultavasti ehdi juurikaan blogikirjoittelua miettiä saatikka harrastaa, niin päätin korvaukseksi/kostoksi tai muuten vain vielä kovin tyhjän blogini täytteeksi laittaa tänne vuonna 2002 (muistaakseni lukion kolmannella luokalla) kieli poskessa kirjoittamani hyvän maun rajoja vienosti kosiskelevan, mutta omalla tavallaan blogin aihepiirissä pysyvän raapustuksen möröistä, monstereista ja ironiasta. Lukiessanne sen voitte myös huomata, miten kirjoitustaitoni eivät ole kehittyneet mihinkään yhdeksässä lukion jälkeisessä vuodessa, mikä eittämättä täytyy lukea vahvan luonnontieteellisen koulutukseni ansioihin... Ollos hyvae.

---

Ongelma: Monstereita?

Teoreema

Aurinko laskeutuu hitaasti kohti purppuranpunaiseksi värjäytynyttä horisonttia, jossa kaksi massiivista elementtiä, taivas ja maa, kohtaavat toisensa sulautuen ja kiteytyen yhteen olemattomaan viivaan. Hetki hetkeltä yön raskas pimeys kääriytyy pienen kylän ympärille --- kylän, jossa pieni Jim on juuri näillä hetkillä väsynyt valveillaoloon. Hänen päivänsä on ollut rankka ja täynnä tekemistä. Olihan hän kavereidensa kanssa pelaamassa jalkapalloa aina aamupäivästä asti. Nyt pieni Jim lyllertää pientä kotiansa ja pienen pientä huonettansa kohti. Äärimmäisen pieni huone sijaitsee toisessa kerroksessa, jonka suuntaan pikku-Jimin jalat häntä hitaasti vievät. Huolimatta pikku-Jimin lyhyestä olemassaolosta tässä kaaoksellisessa maailmankaikkeudessa hän näyttää zombilta. Eikä edes aivan tavalliselta zombilta, vaan erityisen väsyneeltä sellaiselta.

Kun pieni Jim on saanut harjattua hampaansa, kaikki viisitoista, ja suoritettua eräät täysin luonnolliset toimitukset, joista hienostuneet herrat ja rouvat eivät edes uskalla puhua maineensa menettämisen pelossa, pikku-Jim menee nukkumaan. Hän asettaa itsensä varovasti lakanoiden väliin ja sulkee viattomat silmänsä. Ei hänellä ole ainakaan tähän päivään menessä todettu likinäköisyyttä tai hajataittoa, sillä hänen pienessä syrjäseudulla sijaitsevassa kotikylässään ei ole optikkoliikkeitä. Suuret herrat ja rouvat ovat päättäneet, ettei pikku-Jim tarvitse silmälaseja. Ehkäpä Jim onkin kenties likinäköinen ja värisokea, ja hän on menettänyt puolet elämänsä väreistä ja iloista vammansa takia. Kuka ties joku päivä viattomaksi luultu pikku-Jimin silmä murskaantuu Jimin myötä, kun hän huonon näkökykynsä takia ajaa pienellä vaaleansinisellä polkupyörällään täryjyrän tai asfalttikoneen alle. Pikku-Jimin suljettua viattomaksi oletetut silmänsä hänen huoneessaan vallitsee avaruudellinen pimeys ja hiljaisuus. Jim yrittää nukahtaa. Hän yrittää yhä enemmän --- yrittää vaimentaa levottomat ajatuksensa, jotka eivät lakkaa vaivaamasta häntä. (Maailmassa monta on ihmeellistä asiaa... daa-dam-di-dam-dam-daa.) Yhtäkkiä Jim havahtuu hiljaiseen ja matalaan ääneen, joka aaltoilee hänen korviinsa sängyn alta. Jim pidättää hengitystään ja yrittää kuulla tuon vertahyytävän äänen uudelleen. Ääni kuulostaa siltä kuin joku, tai kenties jokin, liikkuisi Jimin sängyn alla. Ehkäpä se on mitä hirvittävin peto kaikkien ravintoketjujen huipulta ja Helvetin syvimmistä syövereistä, tai mahdollisesti kanaksi ruumiillistunut hirviö, jolla on ydinohjus päälaella... Mitä ikinä onkaan, niin sen täytyy olla jotain groteskia ja nälkäistä, Jim ajattelee.

Oi Herran Jumala sentään! Taas tuo helvetillinen murina syöpyy sängyn vieteripatjan läpi suoraan pikku-Jimin korvakäytävään, josta se etenee kuuloluita pitkin kuulosolujen peittämään simpukkaan. Täältä aistinsolut lähettävät matkaan sähköisen impulssin, joka kulkee hermosoluja pitkin pikku-Jimin aivojen kuuloalueelle. Sieltä impulssi siirtyy vielä kuuloassosiaatioalueelle, jossa ärsyke saa merkityksensä. Viimeistään tässä vaiheessa Jim on jo kauhusta jäykkänä kuin betoniporsas ja hienoston kiusaksi laskenut alleen. Jimissä tapahtuu myös muita biologisia muutoksia, joista ei suinkaan vähäisempänä hänen kasvoilleen värjäytyvä, taivaanrantaan verrattavissa oleva purppura, sillä onhan hän pidättänyt hengitystään jo useampia minuutteja. Tiedostamattomasti pikku-Jim repii tyynyään kappaleiksi jännityksen ja pelon vuoksi, jotka puolestaan repivät pikku-Jimin aivoja kappaleiksi miltei yhtä tehokkaasti.

Joku liikahti Jimin pienen huoneen pimeimmässä nurkkauksessa vastapäätä Jimiä. Jokin läpipaha yrittää suistaa pikku-Jimimme hulluuteen, saada hänet huutamaan ja itkemään. Mutta Jim ei ole heikkomielinen pelkuri, kuten muut lapset. Hän on rohkea, jos hän vain haluaa olla. Kysymys on vain siitä, että haluaako hän olla. Aina hän ei halua olla... No, ainakin näin pikku-Jim yrittää itselleen uskotella juuri nyt.

Jim ei pysty pidättelemään hengitystään pitempään. Hän murtuu ja alkaa kirkumaan kuin heikkomielinen pelkuri, kuin muut lapset --- ei erityisen hiljaa, eikä mitenkään erityisen rauhallisesti. Hänen äitinsä säntää yläkertaan ja sinkoutuu kahden seinän ja yhden oven kautta Jimin huoneeseen, josta hän löytää poikansa kirkumasta punaisena sänkynsä päällä. Äiti laittaa kattolamppuun valon ja kysyy, josko Jim olisi kenties kunnossa. Jim ei sano mitään. Hän tietää kyllä, että aikuiset eivät usko lastensa höpinöitä hirviöistä, jotka oleskelevat heidän sänkyjensä alla öisin. Jim on oikeassa. Kuka tervejärkinen aikuinen nyt mörköihin ja monstereihin uskoisikaan? Eihän ne ole totta. Eihän ne ole totta?

Todistus

Yksi sana: ’ironia’. Tarvitseeko muuta sanoakaan? Ironia on se vekkuli vaaleanvihreä peikko olkapäälläsi ja ’smiley face’-tarra leikkaussalin röntgenlaitteen kyljessä. Ironia pitää maailmankaikkeuden käynnissä, pyörät pyörimässä ja suhdanteet kurissa. Se on kuin ravinto ihmiselle tai vety tähdelle. Kummassakin tapauksessa puutostilan seurauksena syntyy valkoinen kääpiö; elämä loppuu. Ilman ironiaa koko maailmankaikkeutta ei olisi edes syntynyt. On varsin ironista, miten yhdestä avaruuden pisteestä syntyy massiivinen maailmankaikkeus, miten täydellisessä kaaoksessa syntyy elämää, ja miten ihmeessä täällä pitäisi oikein elää. Ironisuuden huippu tässä on se, että maailmankaikkeuden elämä on kaiken lisäksi täysin turhaa ja mahdotonta.

-Miksi olemme täällä?
-Sattumalta.
-Mikä on olemassaolomme tarkoitus?
-Sitä ei ole.
-Mikä on tulevaisuutemme?
-Tuhoutuminen, ennemmin tai myöhemmin.

Tätä voisi kutsua vaikka ’elämän yleisironiateoriaksi’.

Ikiliikkujia on yritetty keksiä monta vuosituhatta. Tästäkin voimme löytää suuren luokan ironiaa, sillä sellaisiahan on jo olemassa. Katsoitpa sitten mitä tahansa hitua avaruudessa, niin se on ikuisessa liikkeessä. Minä olen ikiliikkuja. Sinä olet ikiliikkuja. Jopa naapurin vanha kuivettunut mummo on ikiliikkuja, vaikka onkin heittänyt henkensä jo kaksi viikkoa sitten ja edelleen makaa sohvallaan katsoen ostos-tv:tä illasta toiseen. (Ironista tämäkin sinänsä, että monesti lähimmäisiä muistetaan vasta silloin, kun he ovat jo kuolleet --– jos silloinkaan.) Tosin tässä välissä täytyy mainita, että kappaleet toki liikkuvat toisiinsa nähden, mutta mitään absoluuttista kiintopistettä avaruudessa ei ole. Kuka voi siis ikinä sanoa mikä on liikkeessä ja mikä ei?

Aika lähelle ikiliikkujaa päästään myös ironian suhteessa elämään, maailmankaikkeuteen --- ja kaikkeen. Nimittäin elämä, oli se sitten missä muodossa tahansa, ja sen kuolema synnyttää aina ironiaa. Oi, miten ironista onkaan, kun vuosimiljoonia kehittynyt elämänmuoto tuhoutuu saman kaaoksellisen maailmankaikkeuden ansiosta, joka on tuon kyseisen elämänmuodon synnyttänyt ja kehittänyt. Saatikka sitten se, miten vielä kauemmin kehittynyt elämänmuoto tuhoaa itsensä muutamassa vuosisadassa turhan elämänsä jälkeen! Voiko ironia olla enää täydellisempää? Funktio on siis seuraava: maailmankaikkeus synnyttää elämää, joka johtaa ennen pitkään kuolemaan, elämä sekä kuolema synnyttävät ironiaa, ja ironia pitää yllä maailmankaikkeutta. Näin käsissämme on siis ainakin käsitteellinen ikiliikkuja. Ironiaa siis tarvitaan, joten miksipä maailmankaikkeus kaikessa julmuudessaan ei ottaisi sitä kaikkialta mistä vain voi.

Tiedättehän nuo valtavat, kaikkitietävät oliot? Tiedättehän aikuiset? Heillä on uskomaton taito tietää todistamattomissa olevat asiat kuten sen, että heidän lastensa tavarat eivät noin vain katoa, ja että kesän jälkeen tulee aina syksy. Tosiasiassa heidän lapsensa ovat jo syntyessään, ja varsinkin syntyessään, rationaalisempia kuin heidän vanhempansa. He nimittäin osaavat suhtautua erillaisiin asioihin tarvittavalla varauksella ja kyseenalaistaa itsestäänselvyyksiltä tuntuvat asiat. Mörköjen, monsterien ja kummitusten olemassa olemattomuutta pidetään myös yleisesti varsin selvänä asiana aikuisten keskuudessa, ja niihinhän uskovatkin vain lapset. Vaan mikä olisikaan jälleen suurempaa ironiaa kuin noiden hirvitysten olemassaolo, joita kaikki selväjärkisinä pidetyt henkilöt pitävät satuna? Kaikkien ylimielisten hienostelijoiden kaikkitietävyydeltä putoaisi pohja kerralla pois ja he joutuisivat ikuiseen häpeään. Se olisi verrattavissa ihmiskunnan itsemurhaan miljoonien vuosien kehityksen jälkeen. Ja taas kerran: "Oi, kuinka ironista se olisikaan!"

Mörköjen ja monsterien olemassaolo on siis välttämätöntä maailmankaikkeuden olemassaolon kannalta, sillä vaikka tuo hienostelijoiden joukko ei koskaan joutuisikaan tunnustamaan tietämättömyyttään, niin silti sanaton ironia leijuu voimakkaana lemuna heidän ympärillään. Näille kaikkitietäville hienostelijoille minulla on tapana nauraa päivästä toiseen ajatellessani, miten tietämättömiä he ovatkaan. Se on maailmankaikkeuden parasta ironiaa.

Korollaari

Äiti saa pikku-Jimin tyynnyteltyä ja vajoamaan takaisin hiestä sekä muista kehon eritteistä märkien vällyjen väliin. Lakanat liimautuvat pikku-Jimin iholle, kun hän kääriytyy niihin. Äiti lupaa kuitenkin lukea Jimille iltasadun, jotta hän saisi paremmin unta.

Satu alkaa:
-"Olipa kerran pieni kiltti peikko, joka asui..."
-"Äiti, onko peikkoja olemassa?"
-"Ei ole, rakas. Yritähän nyt nukkua."

Matti Raasakka, 2002