Teoreetilise füüsika muinasjutud

Mihkel Kaljurand

Mõtteid Jim Baggotti raamatut „Hüvasti, reaalsus” lugedes Jim Baggott, Farewell to reality: how modern physics has betrayed the search for scientific truth. Pegasus, 2013. 336 lk. Enamik inimesi vajab seletusi nähtuste kohta, millega nad oma ümber, s.t reaalsuses, kokku puutuvad. Alates loomemüütidest kuni suurejoonelise füüsikalise maailmapildini on need selgitused muutunud üha täpsemaks ja reaalsusele vastavamaks. Tänapäevane ametlik (ingl authorized) reaalsuse versioon, nagu Jim Baggott seda oma uues raamatus „Hüvasti, reaalsus”1 nimetab, koosneb relatiivsusteooriast, kvantteooriast, elementaarosakeste standardmudelist ja Suure Paugu kosmoloogiast. Küllap on paljud lugejad – eriti need, kes on loodusteadusi õppinud – selle ametliku versiooniga ka tuttavad, nagu ka tema probleemidega. Nimelt sisaldab ametlik versioon väga häirivaid müstilisi elemente (nt Schrödingeri kass või põimunud osakesed), mis ka kõigile ponnistustele vaatamata ei allu arusaadavatele selgitustele, on tavaloogika vastased. Nii et jääb üle koos Richard Feynmaniga resigneerunult konstateerida, et on päris kindel, et keegi ei mõista kvantmehhaanikat 2.

Kärsitutele füüsikateoreetikutele on muidugi selline olukord olnud vastuvõetamatu ja nende fantaasia on tootnud hulganisti selgitusi ja teooriaid, mis püüavad reaalsust hoomata. Paraku näib nii, et teoreetiline füüsika liigub üha kaugemale Einsteini unistusest, et mikromaailma objektidel on selge ja arusaadav tähendus ja omadused. Uute teooriatega on aga see häda, et nad sarnanevad metafüüsiliste käsitlustega maailma kohta ega vasta hästi nõuetele, mis esitatakse teaduslikkudele teooriale: teaduslik teooria peab andma võimaluse eksperimentaalseks kontrolliks. Baggotti raamatus nimetatakse selliseid metafüüsilisi teooriaid füüsika muinasjuttudeks (ingl fairytale physics).

 

Osakeste põimumise nähtus ja Belli võrratused

Raamat algab reaalsuse ametliku versiooni kirjeldamisega. Autor annab lühikese ja hästi arusaadava ülevaate ülalnimetatud ametliku versiooni komponentidest: relatiivsus- ja kvantteooriast, elementaarosakeste standardmudelist ja Suure Paugu kosmoloogiast. Müstilistest elementidest ametlikus versioonis on kõige tuntum osakeste põimumise nähtus ja sellega seotud Belli võrratused. Esimesel pilgul näib põimumine triviaalsena: kui kaks asja on omavahel seotud, siis ühe komponendi vaatlus lubab teha oletusi ka teise komponendi kohta. Vaatleme makroskoopilist näidet kaubanduskeskuses aega veetvast abielupaarist. Nähes meest sisenemas ühte poodi, teame, et naine on läinud mõnda teise poodi. Triviaalne on olukord siiski ainult siis, kui mees ja naine abielupaarina säilitavad oma soolise identiteedi. Kvantmehhaanika sellist komponentide individuaalsust eitab ja käsitleb abielupaari kui moodustist, kus nii mehel kui ka naisel individuaalsus puudub ja nad on koos teatud ühisolekus, „superpositsioonis” (mida iganes see võiks tähendada). Nüüd, ja see on oluline, kui me äkki näeme üht abikaasadest poodi sisenemas, siis see, kes ta on, mees või naine, tekib kvantmehhaanika järgi juhuslikult 3. Paradoks tekib sellest, et kuidas teine abikaasa momentaanselt „teab”, kelleks ta peab muutuma. Einstein nimetas kvantosakeste sellist käitumist tontlikuks kaugmõjuks. Belli võrratused andsid võimaluse otsustada, kas Einsteinil on õigus või mitte. Nende võrratuste tuletuskäigu jälgimine on paraja raskusega loogikaharjutus4, kuid eksperimente Belli võrratuse kontrollimiseks on korraldatud (valguseosakeste, footonite jaoks) ja tulemus on ühemõtteliselt kvantmehaanika kasuks. Abikaasad ei ole muidugi kvant­osakesed ja igapäevaelus me mingeid superpositsioone siiski ei koge, mis tähendab, et „seal all” peab toimuma midagi väga arusaamatut.

 

Teooriad ei anna kontrollivõimalust

Oma raamatu teises osas kirjeldab Baggott tänapäeva teoreetilise füüsika teooriaid, mis püüavad ametliku versiooni raskustega hakkama saada. Baggotti käsitlus on tänuväärselt hoomatav, kuigi loodusteaduslik haridus tuleks abiks. Käsitlemist leiab nii kaootiline inflatsiooniline kosmoloogia, supersümmeetriad ja vaatluse all on ka stringiteooria. Stringiteooria väidab, et reaalsus tekib kümnedimensioonilist Calabi-Yau manifoldi vibratsioonidest. Juba kolmemõõtmelised Calabi-Yau manifoldide pildid on piisavalt hirmutavad5, millised need kümnemõõtmelised võiksid siis veel olla? Kõikide nende teooriate puudus on see, et nad ei paku mingeid võimalusi enese eksperimentaalseks kontrolliks ja sellistena kipuvad välja jääma teadusest kui niisugusest üleüldse. Nii väidab holograafilise universumi teooria, et meie universum on musta augu sees olev hologramm, mis on määratud augu pinnal oleva info järgi. Ja kogu maailm on tegelikult informatsioon! Suure Paugu põhjuseks on braanide kokkupõrge. Neid braane võiks kujutleda membraanide kolmemõõtmeliste üldistustena. Kahe braani põrkumise järel (mis avaldub Suure Pauguna) venivad braanid laiali nii, et lõpuks ei jää midagi järele peale tühja braani (universumi hiljuti avastatud kiirenev paisumine läheb käiku), kuni uus kokkupõrge braanide vahel käivitab uue tsükli. Tõepoolest, hing jääb kinni selliste teooriatega tutvudes6.

 

Multiversumi hüpotees

Eriline koht tänapäeva füüsika folklooris on multiversumil. Multiversumi hüpotees väidab, et meie universumi kõrval on veel lõpmatu hulk teisi maailmu, mõned meie omaga päris sarnased, mõned väga erinevad. Me võime soovi korral kujutleda, et kõik meie (ja ka teiste inimeste) elu põhimõtteliselt võimalikud stsenaariumid mängitakse nendes maailmades läbi. Lõpmatus on selline tore idee, et „ruumi” igal juhul jätkub. Ometi kontakti võtta teiste universumitega ei saa, seega nende eksistents on puhtal kujul spekulatiivne ja oma probleemidega maadlevale tavakodanikule pakub ilmselt vähe rõõmu, et mõnes paralleelmaailmas oleks ta väljapaistev isik, aga mõnes teises maailmas näiteks kriminaalina vangis. Multiversum tuleb maailmapilti sisse eri viisidel. Esiteks, see on üks kvantmehaanika nähtuste tõlgendusvõimalus. Teiseks, kaootilise inflatsiooni kosmoloogia jutustab igavesti tekkivatest suurtest paukudest. Kolmandaks, eeldades, et võimalikke mateeria olekuid on lõplik arv, aga universum ise on lõpmatu, lubab see kõikide mateeriaolekute realiseerimist ruumis. Neljandaks, eriti rabav on stringiteooria pakutud võimalus 10500 erinevaks universumi realisatsiooni võimaluseks (nii palju on erinevad Calabi-Yau manifolde teada). Kui siinkirjutaja õigesti aru saab, siis need manifoldid võiksid olla ka ülalmainitud braanid, mis kokku puutudes suure paugu tekitavad.

Multiversum võiks olla veel üks lugu teiste muinasjuttude hulgas kaasaegses folklooris, kui mitte üks asjaolu. Paljude muude eksperimentaalsete faktide kõrval, mis häirivad ametliku maailmapildi terviklikkust, on teada tõsiasi, et meie maailma fundamentaalkonstandid on kuidagi veidralt (müstiliselt hästi) omavahel kooskõlas, selleks et mõistuslik elu oleks võimalik7. See fakt on üldistatud nn antroopsusprintsiibiks, mis konstateerib, et olnuks universaalkonstandid veidi teistsugused, poleks saanud tekkida aatomeid, molekule ega lõppkokkuvõttes ka reaalsust tunnetavaid isendeid.

Baggott kulutab palju jõudu sellele, et kuulutada antroopsusprintsiip ebateaduslikuks selles mõttes, et printsiibist ei ole kuidagi abi kinnitamaks moodsa teoreetilise füüsika muinasjuttude tõele vastavust. Sellegipoolest on fundamentaalkonstantide kooskõla fakt, mis on eriti teretulnud nendele, kes tahavad uskuda, et maailm on kavandatud spetsiaalselt inimese jaoks ja kellele on talumatu mõte, et inimese tekkimine on evolutsiooni juhuslik kõrvalprodukt iseenesest mõttetus universumis8. Samal ajal on palju neid, kellele on mõte kavandatud maailmast vastuvõetamatu ja siin tulebki mängu ainsa alternatiivina multiversum.

Kui on lõpmata suur ansambel – kogum – universumeid, siis realiseeruvad kõik lubatud võimalused, ka need, millede tõenäosus on üliväike. Nagu loteriis, kus suvalise pileti võiduvõimalusega ei maksa arvestada, ometi on ausas loteriis kindlasti üks pilet, mis võidab. Multiversumi hüpoteesi kohaselt oleme need, kelle maailmas fundamentaalkonstandid lubavad mõistusliku elu teket ja sellepärast me siin ka oleme. Nii ei kujuta antroopsusprintsiip multiversumi teooria kohaselt midagi erilist. Kaht antroopsusprintsiibi tõlgendust võrreldes näeme, et ta ei ole ideoloogiliselt neutraal­ne (mis Baggottil jääb tähelepanuta). Samas näib veidral kombel, teoloogilisi tunnuseid silmas pidades, multiversumi ja Jumala vaheline erinevus hägustuvat. Multiversumi erinevuseks Jumalast on siiski see, et tema poole pole mõtet palvetada. Muus osas on ta sama moodi ülim reaalsus kui Jumalgi – lõpmatu, ajatu, transendentne, kõikvõimas ja kõiketeadev. Viimase tunnuse korral küll selles mõttes, et sisaldab kogu olemasolevat teadmist. Peab siiski ütlema, et peale multiversumi ja Jumala saaks antroopsusprintsiibil olla veel kolmas lahendus: lõplik teooria reaalsuse kohta fikseeribki fundamentaalkonstandid nii, nagu need on mõõdetud – loomulikul viisil. Seda võimalust paistavad praegu vähesed uskuvat.

Teoreetilise füüsika muinasjuttude kriitika

Teoreetilise füüsika muinasjutte kritiseeritakse sellepärast, et need ei vasta teaduslikkuse kriteeriumidele (ei saa kinnitust eksperimentidest). See on ka Baggotti põhiline argument stringiteooriate kritiseerimisel. Asi pole vahest nii üheülbaline. Stringiteooriate loojad kuuluvad kahtlemata tänapäeva maailma vaimse eliidi hulka ja nende looming on intellektuaalselt nauditav ja vaimukas ning rikastab inimkultuuri nagu iga muu kunsti- või teadusloome. Osa stringiteooriate loojatest on pärjatud lausa geeniuse oreooliga (Edward Witten). Ilu on üks kriteerium, millega erinevaid hüpoteese kaalutakse. Moodsa füüsika folkloor on inspireerinud filmiloojaid ja ulmekirjanikke9. Kahtlemata on fundamentaalprobleemidega tegelev füüsika romantilise loomuga noortele intellektuaalselt köitvam kui teised loodusteaduse valdkonnad, keemia või bioloogia või inseneriasjandus, kus olemasolev paradigma hoiab perutava mõttelennu kindlates raamides.

Teoreetilise füüsika muinasjutud on vaimukad küll, kuid paraku väga vähestele loetavad raskepärase matemaatilise ja professionaalse argoo tõttu (nagu enamik loodusteaduse esitustest). Siin astuvadki mängu teaduse populariseerijad, kes püüavad moodsa teoreetilise füüsika ideid laiale lugejaskonnale kättesaadavaks teha. Sellealane kirjandus on päris ulatuslik ja väljub tavalise populaarteaduse raamest, sisaldades nii amatöörfilosoofilisi kui -teoloogilisi arutlusi maailma ja selle tunnetamise kohta, veidraid hüpoteese ja vaimukaid analoogiaid ning teadusloolisi fakte10. Õigupoolest on just see ulatuslik populaarteaduslik literatuur, mis näib Baggotti häirivat. See folkloor tekitab tavainimesele ettekujutuse, et reaalsus ongi just niisugune, nagu füüsika muinasjutud seda kirjeldavad. Aga kinnitust, et moodsad loomemüüdid vastavad tõele, meil (veel?) ei ole.

Samas, lugedes tänapäeva füüsika folkloori kuuluvaid raamatuid on siinkirjutajal tekkinud mulje, et kui teoreetilise füüsika matemaatiline kihistus maha kraapida, siis saavad nähtavaks ideed, mis on olnud teooriate matemaatiliste formuleeringute aluseks. Ja need ideed on sellised, millega inimene oma igapäevaelus kokku puutub. On muidugi võimalus, et ideed populaarse käsitluse käigus lihtsustuvad ja kaotavad mõned olulised aspektid – seda saaks professionaalne füüsikateoreetik täpsemalt öelda kui siinkirjutaja. Müstika tuleb sisse sellest, et ideed on omavahel vastuolus (hästi teada näide on osakese/laine dualism). Tundub, et inimene lihtsalt ei suuda mõelda väljapoole oma igapäevakogemust. Seega, milline on reaalsus, jääb meile sama mõistetamatuks kui punane värv pimedale. Või testament koerale, kes pärib oma poolearulise omaniku vara. Meil puuduvad tegelikult tunnetuslikud vahendid reaalsuse mõistmiseks, kuigi on olemas tööriistad sellega hakkama saamiseks (nt matemaatika, mille abil pime võib anda olulise panuse värviteooriasse). Aga olulisim tunnetuse aspekt jääb pimedal ikka puudu: ei anna ju optikateooriad vihjeid pimedale maastiku või maalide ilu kohta. Järeldus ei ole paljulubav: reaalsus on lõppkokkuvõttes hoomamatu.

Tänapäevase füüsika loojad (peale Einsteini) igatahes reaalsuse olemusega pead ei vaevanud. Niels Bohr on öelnud, et mingit kvantmaailma pole olemas, on vaid abstraktne kvantteooria11. Parafraseerides: mingit braanimaailma või multiversumit pole olemas … Või peaksime ootama ja lootma uusi teateid reaalsusest, katseandmeid, mis vähemalt mõnda füüsika muinasjuttu kinnitaks? Seda soovitab oma raamatu lõpus ka Jim Baggott.

Autor on Tallinna tehnikaülikooli keemia­professor.

1   Jim Baggott, Farewell to reality: how modern physics has betrayed the search for scientific truth. Pegasus, 2013. 336 p.

2   „I think I can safely say that nobody understands quantum mechanics”. Richard Feynman, in The Feynman Lectures on Physics, vol III, p. 18-9 (1965).

3   Oluline on vaatleja olemasolu poeuksel, kes peab ühe abikaasa poodi sisenemise fikseerima (ja ta identifitseerima mehe või naisena). Niikaua kui fikseeringut ei ole toimunud, jääb abielupaar superpositsiooni, ükskõik kui kaugele abikaasad teineteisest liikunud ka ei oleks. Kvantpõimumine on veider nähtus.

4   Belli võrratuste tuletuskäik saadakse tihti nn Bertlmanni sokkide analoogiat kasutades. Vt Jim Baggott, The Meaning of Quantum Theory. Oxford University Press, 1992.

5   Soovijad võivad vaadata: http://en.wikipedia.org/wiki/Calabi%E2%80%93Yau_manifold

6   Nende samade teooriate hea esitus on ka Brian Greene’il. (Brian Greene, The hidden reality: Parallel universes and the deep laws of the cosmos. Vintage, 2011). Ka Greene möönab, et uute teooriate eksperimentaalne kontroll on (vähemalt praegu) peaaegu teostamatu, kuid tema näib uskuvat, et reaalsus on nendele teooriatele vastav.

7   Soovijad võivad leida populaarse ülevaate nimetatud kooskõladest Briti keskuse Centre for Intelligent Design veebilehelt http://www.c4id.org.uk/

8   „I find that the universe in some sense must have known that we were coming.” Freeman Dyson, 1979. Disturbing the Universe. Harper and Rowe, New York (tõlkes: „Ma leian, et universum mingis mõttes peaks teadma, et me tuleme.”)

9   Ka meie telekanalites jooksis hiljaaegu film „Hypercube 2”.

10   Vt näiteks Brian Greene’i, Michiu Kaku, John Gribbini raamatuid ja teleprogramme. Eriti tuntud autor on Paul Davies, Tempeltoni auhinna saaja. Paljud nende autorite raamatud on müügil Rahva Raamatus, keda tahaks siinkohal kiita selle eest, et lõpuks on Eestis raamatupood, kus on tõsiseltvõetav loodusteaduslike raamatute osakond.

11   „There is no quantum world. There is only an abstract quantum physical description,” on Niels Bohr öelnud 1927. aastal Como konverentsil.

Kui sulle meeldis see postitus jaga seda oma sõpradega

[LoginRadius_Share]
 

Leia veel huvitavat lugemist

Värske Rõhk
Hea laps
LR
Keel ja kirjandus
Akadeemia
Kunstel
Muusika
Õpetajate leht
Täheke
TeaterMuusikaKino
Vikerkaar
Looming