keskiviikko 22. elokuuta 2018

Luonnonfilosofiaa

Koulussa minulle opetettiin jotain antikin filosofiasta. En vain mitenkään muista, mihin oppiaineeseen se olisi liittynyt. Minun oppikouluaikanani (ja nuorille lukijoilleni pitää selventää, että se on sama kuin yläaste ja lukio) filosofiaa ei opetettu, eikä ns. katsomusainetta edes ollut. Joten sen on pakko olla ollut osa historian kurssia. Olennaista on, että antiikissa oli sellaisia tyyppejä kuin luonnonfilosofit. Se oli siis aikaa jolloin luonnontieteitä ei ollut, ja filosofit joutui hoitamaan homman.

Joten meille annettiin seuraava kuva: luonnonfilosofia oli jonkinlaista kehittymätöntä filosofiaa. Antiikin ajan jälkeen filosofia on jakaantunut erilaisiin koulukuntiin, filosofiasta on tullut rationaalinen tiede – tai tieteiden ryväs. Ja luonnontieteet puolestaan ovat omaksuneet matemaattisen formalismin. Ei siinä ole sijaa filosofoinnille.

Lopputulos on siis, että luonnonfilosofia on kadonnut maailmasta. Tai jos se ei ole kadonnut, se on joutunut etsimään itselleen piilopaikkoja Tiedossani ei nimittäin ole, että yhdessäkään oppilaitoksessa olisi luonnonfilosofian oppituolia. Silti omien havaintojeni mukaan luonnonfilosofiaa on olemassa ja sitä harjoitetaan.

Ihan jälkiä jättämättä luonnonfilosofia ei kuitenkaan kadonnut. Koska se sulki sisäänsä matematiikan ja fysiikan, näiden aineiden opiskelijat saavat edelleen tutkintonsa filosofisesta tiedekunnasta.

Joten ryhdytään etsimään näitä piilopaikkoja, missä luonnonfilosofiaa saattaa löytyä. Ensimmäiseksi tulee mieleen tieteenhistoria ja kulttuurihistoria, Siellä luonnonfilosofialla on aivan laillinen sijainti, ja tieteen harjoittajat voivat myös kommentoida luonnonfilosofiaa tarvitsematta pelätä akateemisen poliisin kostoa. Heiltä tosin puuttuu luonnonfilosofian nykyaikainen vertailutaso. Joten he joutuvat improvisoimaan.

Vaikka fysiikka on Galileon päivistä alkaen muuttunut formaaliksi, luonnonfilosofia tunkee itsensä esiin aina, kun tiede joutuu murroskohtaan ja alkaa soveltaa uusia paradigmoja. Voisin luetella tällaisia murroskohtia. 1600- luvun astronomia, ja kiihkeä kysymys maailmanjärjestyksestä. 1800- luvulla termodynamiikka, joka muuten kiihottaa mieliä edelleen. Ja sitten tulee tieteen isot murrokset: sähkökenttien teoria ja erityinen ja yleinen suhteellisuusteoria. Joita seurasi tietyssä mielessä pahin kaikista: kvanttimekaniikka. Luonnonfilosofinen debatti koskee erityisesti yhtä asiaa: mitä uusi tiede tarkoittaa. Minkälainen on pohjimmiltaan se uusi maailma, joka alkaa paljastua.

Olen keksinyt luonnonfilosofialle nimen, ainakin silloin, kun fysiikasta puhutaan. Tuo nimi on fysiikasta puhuminen. Koska siinä siirrytään fysiikan formalismeista toiselle tasolle, merkityksiin ja tulkintoihin, tuo nimi voisi olla myös metafysiikka (vaikka sillä on jo tieteenhistoriassa hieman toinen merkitys). Luulen, että useimmat luonnontieteilijät harrastavat metafysiikkaa, ja myös silloin kun mennään fysiikasta hieman syrjään, kuten kosmologiaan, genetiikkaan ja synteettiseen biologiaan. Tai aivotutkimukseen. Kysymys on aina sama: millaisessa maailmassa me oikein elämme. Tai joskus se voi esiintyä myös kritiikkinä vallitsevia paradigmoja kohtaan.

Olen aivan hiljattain kirjoittanutkin tästä aiheesta, otsikolla Miksei fysiikka edisty?

Mutta johtopäätös näyttää silti olevan, että luonnonfilosofia on ajettu tieteiden parnassolta. Siitä on tullut lievästi paheksuttua toimintaa. Mutta ehkä meillä on edelleen keskuudessamme luonnonfilosofeja, kuten Roger Penrose. Liki legendaarinen Alan Turing oli luonnonfilosofi aivan avoimesti ja häpeämättä. Idea ei ole minun, sillä luin juuri Andrew Hodgesin oivallisen, mutta myös matemaattisesti hankalan esityksen ”Turing. Luonnonfilosofi” (Otava 1997). Ja aivan totta, Turing ei tehnyt mitään eroa matematiikan, psykologian, fysiikan ja teknisten tieteiden välillä. Hänelle ne ne olivat osa kokonaisuutta – siis luontoa tai maailmaa. Turing asetti neurotieteelle ja laskentatieteelle aivan omat askelmerkit. Hän pohti jopa elämän syntyä profeetallisessa kirjoituksessaan ”The chemical basis of morphogenesis” (1952). Turingin mielestä elämä on saman kaltainen ilmiö kun matematiikka ja fysiikka, ja hän saattoi alkuun merkittävän tutkimussuunnan. Aivan edellä aikaansa, sanoin kuin hän oli laskentatieteissä.

Turingista olen myös kirjoittanut, joten ei tässä sen enempää. Mutta jotenkin toivon, että luonnonfilosofiasta (tai metafysiikasta) tulisi kunniallinen ajattelun ja tieteen suuntaus, jota ei tarvitsisi kätkeä.

keskiviikko 8. elokuuta 2018

Tekoälyn älykkyydestä

Lupasin (kirjoituksessa Älykkyys – laajempi näkökulma), että kommentoisin myös tekoälyn ”älykkyyttä”. En ole unohtanut. Tuo kirjoitus kasvoi vain niin laajaksi, että jätin tekoälyn käsittelyn suosiolla pois. Joten palaan nyt asiaan.

Tekoälyn käsitettä ja sen tutkimusta rasittaa historiallinen erehdys. Alan uranuurtajilla oli aikanaan suppea käsitys ihmisen älykkyydestä. 1950-luvulla älykkyys miellettiin jonkinlaiseksi loogiseksi päättelyksi ja sovelletuksi matematiikaksi. Tekoälyn tutkijat nimittäin olivat insinöörejä ja matemaatikkoja, eivät psykologeja, jotka olisivat ehkä tienneet asian paremmin. Ei ollutkaan mikään ihme, että älyn jäljittely tietokoneella tuntui olevan helppo tavoite. Olihan tietokoneen elektroniikka täynnä loogisia piirejä, ja ohjelmien perustoimintaa olivat loogiset operaatiot.

Mutta ei se niin mennyt. Tekoäly ei alkuunkaan saavuttanut tavoitteitaan. Vain laskemisessa ja joissain algoritmeissa (shakki, Go) se on ihmistä parempi. Tekoälyn tutkimuksesta tuli pitkä taival tuskallista ponnistelua ja katkeria pettymyksiä, ja taapertamista on jatkunut jo 70 vuotta. Ei tekoälyn tutkimus toki aivan turhaa ole ollut. Se on synnyttänyt monia hyödyllisiä sovelluksia, ja lisännyt tietoamme tietokoneiden rajoituksista ja älykkyyden luonteesta.

Toisaalta tulokset voisivat kyllä olla parempiakin. Tietokoneiden muistin koko ja laskentanopeus ovat kasvaneet tuona aikana vähintään miljoonakertaisiksi, joissain tapauksissa jopa miljardikertaisiksi, mutta vastaavaa kehitystä ei vain näy koneiden ”älyssä”. Insinöörit ja matemaatikot kyllä ymmärtävät asian. Tekoäly, eli tarkemmin sanoen monet siihen tarkoitukseen kehitetyt algoritmit, ovat laskennallisesti ”kovia”, niiden mutkikkuus kasvaa rajusti ongelman koon kasvaessa. Ja tiedetään, että laskentatehon kasvattamisella on vain vähäinen vaikutus laskennallisesti kovan algoritmin suoritusaikaan.

Tässä kohtaa on nykyisin tapana viitata kvanttitietokoneisiin, jotka ovat ”tuota pikaa” käytettävissä, ja jotka suorittaisivat vaivattomasti laskennallisesti kovia algoritmeja. En ole perehtynyt aiheeseen erityisen hyvin, mutta näyttää todella siltä, että on olemassa joukko laskentatehtäviä, jotka ratkeavat näppärästi kvanttitietokoneilla. Sitten kun niitä alkaa olla käytettävissä. Mutta ehkä laskennallisesti kovat algoritmit eivät kuitenkaan ole tekoälyn kovinta ydintä. Entä mikä sitten on? Jätämme nyt syrjään kvanttitietokoneisiin liitetyn mystiikan ja fantastiset väitteet. En aio edes ruotia niitä sen pidemmälle kuin todetakseni, että on perin inhimillistä antaa kvanttitietokoneen (jonka ominaisuuksia hyvin harva tietokoneista kirjoittava filosofi ymmärtää) ratkaista niin ikään huonosti ymmärretyt ja epäselvästi määritellyt tekoälyn vaikeat kysymykset (kuten kontekstin ymmärtäminen ja tietoisuus).

On vaikeaa – tai suorastaan mahdotonta - määritellä tekoälyn kyvykkyyttä niiden algoritmien kautta, joita älykkyyttä jäljittelevä tietokone suorittaa. Sillä emme osaa nimetä tai kuvailla sellaisia algoritmeja, jotka tuottavat älyä. Voisimmeko sitten turvautua älykkyyden laajempaan luonnehdintaan? Katsotaan, muihin se meidät johtaa.

Eräs tapa tarkastella kysymystä on bioniikka (tiede, joka pyrkii soveltamaan elävässä luonnossa tavattavia rakenteita ja periaatteita teknologiassa). Aiemmin olen todennut, että älykkyys on luonnossa sekä tavanomaista että olennaisen tärkeää. Millaisia ovat luonnollisen älyn piirteet? Eräs sellainen piirre on kilpailussa selviämisen ja muutoksiin sopeutumisen paine. Tekoälyssä ei normaalisti ole mukana tällaisia rakenteita. Pikemminkin tekoäly on ihmisen suoraviivainen apulainen. Motivaatio ja tavoitteellisuus eivät kuulu tekoälylle, vaan ne vaikuttavat siihen ihmisen välittäminä. Toinen biologisen älykkyyden piirre on kollektiivinen äly eli kyborg-älykkyys. Siinä älykäs eli tarkoituksenmukainen toiminta syntyy suhteellisten itsenäisten toimijoiden vuorovaikutuksesta. Evoluution kautta muuntuvia algoritmeja on tutkittu ja kokeiltu, ja myös kollektiivisia automaatteja on tutkittu – mutta missään tapauksessa tämä ei ole tekoälytutkimuksen valtavirtaa. Tulokset eivät ole olleet dramaattisia, eivätkä edes lupaavia.

Biologisten järjestelmien älykkyys nousee niiden autonomasta, selviytymisen tarpeesta, ja ympäristön muutoksista. Älykkyys on siten dynaamisen vuotovaikutuksen ilmentymä. Ihmisen tuottamalla tekoälyllä ei ole vastaavaa autonomisuutta eikä ympäristösuhdetta. Ne ovat ihmisen suoraviivaisia apulaisia: instrumentteja ja työkaluja. Tekoälyn kohdalla ei voida puhua laajennetusta älykkyyden käsitteestä.

Syväoppimisessa on kuitenkin ympäristösuhteen piirteitä. Siinä hyödynnettävä kokemustietokanta ja tekoälyn päätelmistä saatava karttuva palaute edustavat dynaamista toimintaympäristö. Sen sijaan orientaatio ja motivaatio perustuvat edelleen järjestelmää ohjaavan ihmisen valintoihin. Syväoppiva tietokone on myös kovin yksin. Tarvitsisiko se avukseen vastaavien järjestelmien kollektiivin? Minusta tuntuu, että syväoppimisessa on mukana ainakin ripaus laajennettua älykkyyttä.

maanantai 6. elokuuta 2018

Älykkyys – laajempi näkökulma

Älköön tiede enää olko riippuvainen yhden ainoan ihmisen vapisevassa kädessä lepattaen palavasta soihdusta, olipa hän kuka tahansa.
Francis Bacon (Prometheus- vala, ote)

Olen aiemmin kirjoittanut älykkyydestä sen tavanomaisessa merkityksessä (Äly ja superäly). Tällainen näkökulma on kovin ihmiskeskeinen, ja vaikka itse siitä kirjoitinkin, jäin tyytymättömäksi. Minusta ihmiskeskeinen näkökulma rajoittaa älykkyyden ymmärtämistä. Syvempi ymmärtäminen on tarpeellista monesta syystä. Sillä vaikka älykkyys on ongelmallinen käsite, se on kuitenkin hyödyllinen. Erityisesti laajennettu älykkyyden käsite auttaa ymmärtämään paremmin ihmisten ja ihmisyhteisöjen käyttäytymistä. Mutta se selittää myös meitä ympäröivää luontoa. Ja antaa vastauksia tekoälyä koskeviin kysymyksiin. Tämä ei varmaankaan ole ollenkaan ilmeistä. Asia selviää vain tutkimalla sitä lähemmin.

Älykkyys erityisenä asiana näyttää alun perin juontuvan vanhoilta ajoilta ja ihmisen ajattelun pohtimisesta. Antiikin kreikkalaiset tunnistivat useita erilaisia älyn lajeja. He erottivat toisistaan viisauden, nokkeluuden, ja oveluuden. Jo muinoin virinnyt logiikan tutkimus oli ehkä yritys systematisoida älyä. Oman aikamme psykologia tarttui uudella otteella älykkyyteen, tarkoituksena tehdä siitä ihmisten kontrolloinnin väline. Määriteltiin erityisiä älykkyystestejä, joiden avulla ihmisiä voitaisiin jaotella luokkiin ja ryhmiin. Ihmisen olemus, siis ”hyödyllinen” olemus haluttiin tiivistää yhteen numeroarvoon. Älykkyydelle koetettiin määritellä myös sen osatekijöitä, faktoreita. Toisaalta eräänlainen kaiken kattava älykkyyden kuvaaja, yleistekijä, g-faktori on kuitenkin tullut jonkinlaiseksi älyn tutkijoiden viisasten kiveksi. Älyä yleisesti luonnehtivalle ominaisuudelle on keksitty myös tieteelliseltä kalskahtava nimi: kognitiivinen kapasiteetti.

Tämänhän me jo oikeastaan tiedämme, mutta siinä ei vielä ole kaikki. Perinteiseen älykkyyden käsitteeseen liittyy sen pimeä puoli. Sillä on ollut vahva kytkentä eugeniikkaan ja rasismiin Älystä tulikin ”tieteellisesti neutraali” ihmisarvon mitta. Älykkyyden ympärillä tuntuu yhä leijuvan polttouunien käryä. Joten onko järkeä laajentaa älykkyyden käsitettä, johtaako se johonkin vielä pahempaan? Huolestuneelle lukijalle vastaan heti: ei minusta. Ja teen pienen juonipaljastuksen: perinteinen äly on suuresti yliarvostettua.

Kauan sitten luin jostakin älykkyydelle seuraavanlaisen määritelmän: se tarkoittaa kykyä toimia tarkoituksenmukaisesti uudenlaisessa tilanteessa. Tämä on hyvä luonnehdinta. Se tuo esille älykkyyden positiivisen puolen, liittää sen toimintaympäristön muutoksiin, ja jättää muutenkin tilaa ajatuksille. Kenen kannalta älykäs toiminta on hyödyllistä: yksilön, yhteisön vai lajin? Vai onko hyöty jotain vielä laajempaa? Ja älyyn liittyy muutoksen ja selviytymisen vivahteita.

Älykkyys koetaan perinteisesti yksilön ominaisuutena, mutta onko siinä mitään yksilön omaa? Oikeastaan äly toimii lajin ja ympäristön määrittämässä lokerossa. Vanha kysymys yksilön ja yhteisön suhteesta saa uuden merkityksen. Kyseessä ei ole vastakkainasettelu, vaan dynaaminen suhde. Tarkkaan ottaen yhteisöllä ei ole mitään omaa kapasiteettia, vaan jokainen yksilö tekee ratkaisut ja toiminnat lajin evoluution tuottamien resurssien varassa. Ja huomaamattaan kantaen vastuuta lajin tulevaisuudesta. Sillä tietenkin tuo yksilö näkee ja ymmärtää vain oman suppean maailmansa ja suorittaa vain ne rajatut asiat, joihin se kykenee.

Tätä asiaa havainnollistavat erinomaisesti yhteiskunnissa elävät hyönteiset. Yhden muurahaisen kognitiivinen kapasiteetti on kovin pieni. Lisäksi sen hermostossa on suuri joukko automaattisia toiminnallisia malleja, nekin yksinkertaisia. Mutta yhdessä toimivien muurahaisten yhteiskunta toimii ikään kuin se olisi hyvin älykäs, ja lisäksi tavattoman joustava mukautumaan erilaisiin olosuhteisiin ja tilanteisiin. Tiede ei tarkkaan ottaen osaa mallittaa tällaista toiminnallisuutta. Kollektiivinen äly, kyborg-älykkyys on pitkään ollut sekä tieteiskirjailijoiden että tutkijoiden mielenkiinnon kohteena, mutta ongelma on todella vaikea. Asia kiinnostaa toki myös insinöörejä. 1980- luvulla neuvostoliittolainen kollega kertoi minulle, että Leningradin teknillisessä korkeakoulussa (LETI) tutkittiin kollektiivisia automaatteja. Puolalainen tieteiskirjailija Stanislaw Lem vieraili laitoksessa, ja tuloksena syntyi kirja Voittamaton.

Kyborg- älykkyys on aivan yhtä olennaista hyönteisissä, jotka eivät elä tiukasti organisoiduissa yhteiskunnissa. Ja se on monien eliöiden ja myös ihmisten tärkeä ominaisuus. On silmiinpistävää, että kulttuurissamme, esimerkiksi tieteessä ja tekniikassa huomio kiinnitetään yksilösuorituksiin, vaikka nämä toiminnan muodot ovat mitä suurimmassa määrin yhteisöllisiä: ne lepäävät ja kehittyvät lukemattomien sukupolvien ja toimijoiden luoman henkisen perinnön varassa. Yhteisöllisesti tuotetun älyn näkökulma ei ole täysin uusi, mutta se on edelleen heikosti tiedostettu. Jo brittiläinen taloustieteilijä Adam Smith (1723-1790) kummasteli, kuinka yksinkertainen työmies (”stupid mechanic”) pystyi luomaan aikansa merkittävimmän esineen, linjalaivan.

Tietenkään kaikki eliöt eivät luon tiedettä ja tekniikkaa. Älyllisessä kapasiteetissa on evoluution myötä syntyneitä eroja. Ihmiskunnan poikkeuksellinen kyvykkyys edellytti symbolisen viestinnän tasoa – se loi mahdollisuuden suurien järjestäytyneiden yhteiskuntien muodostamiseen. Tarvittiin siis tälle tasolle yltävä älykkyyden minimitaso. Teollisen teknologian ja luonnontieteen kehittyminen edellyttää tiettyä matemaattisen kyvykkyyden minimitasoa, koska sen varassa voidaan viestiä tekniikasta ja tieteestä kollektiivisesti. Ns. nerot eivät ole olennaisia, pikemminkin riittävän erilaiset yksilöt.

Jos palataan aivan erilaiselle tasolle (en mielelläni sano ”matalammalle”), voisimme pohtia kasvien älykkyyttä. Ja tosiaan, kasvit OVAT älykkäitä. Mutta niiden aikaskaala on niin erilainen, että emme lainkaan huomaa sitä. Kasvit reagoivat tavattoman hitaasti, ne ovat kiinnittyneet paikalleen, ja niiden liikkeet ovat liian verkkaisia. Mutta kasvipopulaatioina ne reagoivat ja mukautuvat muutoksiin, ja lajeina myös muuntuvat.

Nyt olemme päässeet suorastaan perustasolle, perimän ja DNA:n tasolla. Ja siellä voimme erottaa vielä hitaamman älykkyyden lajin, joka ilmenee evoluutiona. Tässä on syytä palata muurahaisten yhteiskuntaan. Kollektiivinen älykkyys auttaa muurahaisyhteisöä toimimaan tehokkaasti ja mukautumaan muuttuviin olosuhteisiin. Sen sijaan yhteisön rakenne, muurahaisten peruskyvyt ja toimintarutiinit eivät ole kollektiivisen älyn kontrollissa. Ne muuttuvat tavattoman hitaasti evoluutiomekanismin kautta, missä muutokset koodautuvat suhteellisen pysyvästi DNA:han.

Ehkä nyt alamme erottaa älykkyyden perimmäisen mekanismin. Luonto on älykäs järjestelmä.

Nyt laajennetaan edelleen näkökulmaa. Olemme nähneet älykkyyden dynaamisen voiman populaatioiden ja lajien tasolla. Mutta aivan samoin kun alussa sanoin, että älykkyys ei ole pelkästään yksilön ominaisuus, voimme sanoa, ettei se ole myöskään pelkästään lajin ominaisuus. Laji on toki eräs biologinen systeemi, jonka puitteissa sen yksilöiden äly vaikuttaa. Mutta luonto on jotain muuta, se on kaikkien lajien kokonaisuus. Nyt joudumme sellaiselle biologisen systeemiteorian alueelle, joka on merkittävästi mutkikkaampi ja monisyisempi kuin keskenään samankaltaisten toimijoiden muodostama kollektiivinen automaatti. En lainkaan ihmettele, ettei tiede ole vielä juurikaan tuottanut tällaisen heterogeenisten toimijoiden kollektiivisen automaatin teoriaa. Siinä vasta vaikeusastetta riittää.

Älykkyyden laajempi tarkastelu tuotti niin huimia visioita, että en edes yritä muodostaa kokoavaa loppulausetta.

perjantai 3. elokuuta 2018

Ilmapumppu

Taivaalla näemme useita tähtikuvioita. Tai ainakin kuvittelemme näkevämme, sillä olemme oppineet näkemään ne, tähtikuviot ovat ikivanhaa kulttuuriperinnettä. On toki niin selviä tähtikuvioita, että lähes kaikki kansat tunnistavat ne samalla tavalla. Kukapa ei ilahtuisi tunnistaessaan talviselta taivaalta Otavan. Antiikin ajoista siitä on käytetty myös nimeä Ursa Major eli Iso Karhu. Tai kuinka hauskaa on kääntää päänsä aivan takakenoon ja löytää korkealta ylhäältä Kassiopeian siksak-kuvio. Ja kuinka suuri ja mahtava onkaan Orion, kunhan näkyvissä on riittävän laaja alue taivasta.

Ehkä vähättelin hieman tähtikuvioita. Muistan, kuinka hurja elämys oli nähdä tähtitaivas ensimmäistä kertaa Kreikassa, harvaan asutulla seudulla ja kuuttomana yönä. Aivan toista kuin pohjolassa. Huikea kosminen näky: kirkas Linnunrata ja aivan uskomaton määrä kimaltavia tähtiä yön mustaa samettia vasten. Ehkä tällainen taivas saa katsojan etsimään taivaalta mytologisia hahmoja ja herättää intohimon tieteeseen. Useimmat tähtikuviot nimettiin jo antiikin aikana ja viimeistään Klaudios Ptolemaioksen toimesta. On kuitenkin aivan luonnollista, että 1700- luvulta alkaen kukoistanut valistus saattoi matkaan uuden innon nimetä tähtikuvioita. Tässä kunnostautui erityisesti uuttera ranskalainen astronomi Nicolas-Louis de Lacaille. Hän nimesi nyt tähtikuvioita luonnontieteen tutkimuslaitteiden mukaan. Taivaalta löytyy Kaukoputki, Mikroskooppi, Kompassi, Sekstantti, Oktantti, Kulmaviivain, Harppi, Heilurikello, Köli, Purje ja Sulatusuuni. Surukseni Johann Boden nimeämä Kirjapaino ei ole vakiintunut tähtikuviona.

Eteläisellä pallonpuoliskolla näkyy himmeä tähdistö, Lacaillen nimeämä Ilmapumppu. Miksi se on päässyt tähän arvokkaaseen seuraan? Asia ei ole välttämättä yleisesti tunnettu, mutta ilmapumppu on ollut suunnattoman tärkeä laite sekä tieteessä että tekniikassa. Tämä vaatii varmaankin perusteluja.

Jo antiikissa osattiin valmistaa mittatarkkoja pronssisylinterejä. Niillä oli käyttöä muun muassa laivojen pilssipumppuina. Mäntäpumppu oli myös myyttisen ”kreikkalaisen tulen” tekninen sydän. Ktesibios (285 - 222 eaa) sai idean kokeilla sylinteriä ja mäntää katapultin jousena. Hän rakennutti suuren katapultin, joka viritettiin moukaroimalla tiivis mäntä niin syvälle sylinteriin kuin mahdollista. Kun katapultti laukaistiin, katsojat kertoivat kuullensa ukkosen jyrähdyksen ja nähneensä tulen leimahduksen ja savupilven. Voin melkein uskoa tähän. Puristetun ilman nopea laajeneminen saa lämpötilan alentumaan voimakkaasti, jolloin ilman kosteus tiivistyy höyryksi. Ymmärrettävästi tällainen katapultti ei yleistynyt, se oli hankala käyttää ja altis vuodoille.

Ilmapumppu voi synnyttää myös tyhjiön. Aristoteleen filosofian mukaan tyhjiötä ei voi olla. Luonto kammoaa tyhjiötä, ja sen takia esimerkiksi vedenpinta nousee imupumpussa. Tyhjiö kiehtoi tutkijoita. Ajateltiin, että sen avulla voi tuottaa suuria voimia. Ilmapumppu oli keskeinen väline tyhjiön tutkimisessa. 1600- luvulla Evangelista Torricelli osoitti, että tyhjiön kammoon liittyvät ilmiöt johtuivatkin ilmanpaineesta. Vuonna 1650 saksalainen fyysikko Otto von Guericke demonstroi ilmanpaineen vaikutusta julkisesti. Koulukirjoista saatamme muistaa Magdeburgin puolipallot: tyhjäksi ilmasta pumpatut pallonkuoret, joita 16 hevosta yritti turhaan vetää erilleen.

Kaikesta huolimatta tyhjiön kammon idea sinnitteli ihmisten ajatuksissa vielä pari sataa vuotta. Samalla ilmapumppu alkoi muuttua voimakoneeksi. 1600- luvulla Christiaan Huygens kehitteli ruutimoottoria. Siinä tyhjiö tuotettiin polttamalla ruutipanos sylinterissä ja sulkemalla se sitten nopeasti. Laite oli ymmärrettävistä syistä epäkäytännöllinen. Ensimmäiset höyrykoneetkin perustuivat tähän ideaan. Newcomen koneessa tyhjiö synnytettiin ruiskuttamalla vettä höyryn täyttämään sylinteriin. James Wattin höyrykoneessa tyhjiö tuotettiin päästämällä höyry sylinteristä ulkoiseen lauhduttimeen. Vasta vähitellen Watt uskalsi hyödyntää myös ylipainetta.

Ilmapumppu auttoi kehittämään myös termodynamiikkaa. Se vaikutti ratkaisevasti lämpövoimakoneiden keksimiseen, mutta se vaikutti myös kineettisen kaasuteorian syntyyn. Kun ilmaa puristetaan sylinterissä, se kuumenee. Mistä se voisi johtua? Eihän lämpöä voi tyhjästä syntyä! Pian ymmärrettiin, että lämpenemisen tuottaa ulkoa tuotu mekaaninen voima. Ja että lämpö onkin ilman muodostavien pienten hiukkasten, molekyylien liikettä.

Yksinkertainen mekaaninen laite johti loputa modernin fysiikan juurille. Mutta ei mikä tahansa laite, sillä ilmapumppu pitää valmistaa suurella tarkkuudella, jotta se tuottaisi hyödyllisiä ilmiöitä. Tämä näyttää pätevän tieteeseen yleisemminkin. Ideat ja mielikuvitus eivät sinänsä ole riittäviä, niihin pitää yhdistää runsaasti tarkkaa ja huolellista työtä.

sunnuntai 29. heinäkuuta 2018

Joseph Jacquardin muotokuva

Vasta aikuisena ymmärsin miten huolimattomasti kouluopetus ja koulukirjat suhtautuivat uuden ajan historiaan. Kuinka englannissa keksittiin kutomakoneita ja kehruukoneita ja kuinka ne mullistivat teollisuutta. Opettajilla ei ollut ilmeisesti mitään aavistusta, mikä on kehruukone ja mikä taas kutomakone. Puhumattakaan siitä, että eräs tärkeä keksintö tehtiinkin Ranskan Lyonissa, ja että se ei mullistanutkaan tekstiiliteollisuutta, vaan koko yhteiskunnan. Tämä on kertomus siitä, kuinka kutomakoneen loimien liikuttelu mullisti mekaanisen matematiikan. 

1800- luvun tähtitieteessä tarvittiin raskaita laskutoimituksia, mutta kunnollisia laskukoneita ei ollut. Piti siis laskea käsin. Brittiläinen matemaatikko Charles Babbage (1791 – 1871) oli ystävystynyt kuuluisan astronomin pojan John Herschelin kanssa, ja tutustui hänen kauttaan laskemisen ongelmiin. Tuskaillessaan mutkikkaita laskelmia hän tai Herschel oli puuskahtanut: "jonakin päivänä teemme nämäkin laskelmat höyryn voimalla!" Ja ajatus jäi todella itämään. Babbage sai ajatuksen differenssikoneesta eli erotuskoneesta. Sen avulla vaikea laskutoimitus voidaan muuttaa sarjaksi perättäisiä vähennyslaskuja. 

Babbage alkoi suunnitella mekaanista hammasrataskoneistoa, jolla toimitus onnistuisi. Tehtävä ei ollut helppo, sillä riittävän laskentatarkkuuden saavuttamiseksi huolellisesti valmistettavia hammaspyöriä tarvittaisiin peräti 25 000. Se edellytti mittavaa rahoitusta. Saavuttaakseen rahoittajien luottamuksen Babbage rakensi valmiiksi aluksi noin seitsemännen osan differenssikoneestaan. Tämä kone saatiin toimimaan kampea pyörittämällä. Koneen esittelystä muodostui Babbagen järjestämien loisteliaiden illanviettojen kohokohta. Lukuisten rattaiden systemaattiset liikkeet lumosivat katsojat. 

Ja kone todella laski, vaikka ei kovin tarkasti, vaan ainoastaan kuudella numerolla. Kun Babbage joskus saisi täysikokoisen differenssikoneensa valmiiksi, sitä käyttäisi epäilemättä pieni höyrykone. Herschelin ja Babbagen visio olisi toteutunut! 

Tässä kohtaa on syytä pysähtyä. Olemme viktoriaanisen ajan Lontoossa, missä kaikki todella toimii vesirattaiden tai höyryn voimalla. Tämä on steampunk-todellisuutta, ja jos teknologia olisi ottanut toisenlaisen suunnan, eläisimme edelleen tätä höyryn ja kiiltävien ja kieppuvien vipujen vaihtoehtoista todellisuutta. Maailmassa, josta William Gibson ja Bruce Sterling kirjoittivat romaanin Difference engine (1990). Itse en kuitenkaan usko, että näin olisi voinut käydä. Sillä myös kuuluisa Michael Faraday osallistui Babbagen illanviettoihin – ja hän oli jo keksinyt sähkömagneettisen induktion! Kello tikitti höyryvoimalle sen viimeisiä suuruuden aikoja. 

Loppujen lopuksi Babbage ei saanut differenssikonettaan rakennettua, ja syynä saattaa olla tarinan toinen päähenkilö, Augusta Ada Byron, Lovelacen kreivitär (1815 – 1852). Hän oli runoilija lordi Byronin suunnattoman lahjakas ja matemaattisesti orientoitunut tytär. Hänestä tuli Babbagen läheinen ystävä, ja myöhemmin lähes työtoveri. 

Luin juuri James Essingerin suomennetun kirjan Adan algoritmi (Vastapaino 2016). Kirja oli minulle pieni pettymys. Kunpa ihmiset tuntisivat paremmin asian josta alkavat kirjoittaa! Itse asiassa jouduin korjaamaan kirjoitustani (6.8. alkaen) Jarmo Pulkkisen erinomaisen teoksen "Sudenluusta supertietokoneeseen" avulla. Seurapiirijuorujen ja traagisen ihmiskohtaloiden sijasta minua olisi oikeasti kiinnostanut lady Adan ja Babbagen yhteistyö. Mutta jotain toki sain kirjasta irti, ja Essinger oli tehnyt kelpo työtä etsiessään ja peratessaan Adan, Babbagen ja muiden aikalaisten kirjeitä.  

Monia asioita jäi kirjassa auki. Babbagella oli alusta alkaen vaikeuksia differenssikoneen rakennustyössä. Hän oli kuitenkin saanut jo hankittua melkoisen rahoituksen, kaikkiaan 17 500 puntaa (60 miljoonaa puntaa nykyrahassa, tosin kirjassa käytetään horjuvia periaatteita rahan arvon vertailussa). Joka tapauksessa summa on huikea, sillä olisi voitu palkata kokonainen armeija kelloseppiä työstämään hammasrattaita. Babbage riiteli alituiseen mekaanikkonsa Joseph Clementin kanssa. Babbage väheksyi halpasyntyistä ja karkeakäytöksistä mutta äärimmäisen taitavaa Clementiä, heillä oli äärimmäisen huonot välit. Oliko ongelma tässä? Ryöstikö Clement Babbagea, joka näytti olevan kultamunia muniva hanhi. Vai puuttuiko Babbage haitallisella tavalla jokaiseen yksityiskohtaan? Itse ainakin vakuutuin, että Babbagelta puuttui insinöörille niin välttämätön organisointikyky ja diplomaattiset taidot, ja ehkä myös suhteellisuuden taju. 

Kun nuori Ada oli esitelty Babbagelle, hän pääsi näkemään myös differenssikoneen mallin. Hän ihastui siihen välittömästi, ja tuntui ymmärtävän sen periaatteen täydellisesti, vaikka hänen matematiikan tietonsa olivat vielä vajavaiset. Babbage ja Ada tunsivat olevansa sukulaissieluja, ja heistä tuli hyvät ystävät. 

Mutta miksi differenssikone ei koskaan valmistunut? Olen jokseenkin varma, että koneen rakentamisesta hävisi motivaatio. Sillä Babbage oli saanut vihiä aivan toisenlaisesta koneesta. Kyseessä on ranskalaisen Joseph Marie Jacquardin (1752-1834) rakentama kutomakone. Lyonissa valmistettiin suuria määriä kuvioituja silkkikankaita. Kuviot saatiin aikaan siirtelemällä kangaspuiden loimilankoja kuvion mukaan kudonnan edistyessä. Jacquardin koneessa tätä eivät tehneet ihmiset, ”loimipojat”, vaan pahvisten reikäkorttien ohjaama koneisto. 

Charles Babbage ja erityisesti Ada oivalsivat heti idean sovellusmahdollisuudet laskukoneissa. Ja se pudotti pohjan pois koko differenssikoneelta. Olisi mahdollista tehdä kone, joka olisi paljon monipuolisempi kuin differenssikone. Valitettavasti kone oli myös mutkikkaampi, se olisi ehkä 30 metrin pituinen, ja saisi käyttövomansa höyrykoneesta. Suuri osa toimintojen monimutkaisuutta siirtyisikin nyt reikäkorttien ohjelmaksi, ja tämä ohjelma olisi joustavasti muunneltavissa. 

Joseph Jacquard oli muuttanut perinteisen kutomakoneen automaatiksi. Automaattien eli itsestään toimivien koneiden idea on ikivanha. Myös renessanssinero Leonardo da Vinci suunnitteli automaatteja, kuten mekaanisen ritarin ja kävelevän leijonan. Hän käytti ohjelmalaitteena erityisellä tavalla muotoiltuja kiekkoja. Mutta 1700- luvulla keksityt reikäkortit tekivät ohjelmoinnista helppoa. Reikäkortit ohjasivat musiikkikoneita kuten posetiiveja, ja mekaanisia androideja. Mutta vasta kun Jacquard siirsi reikäkortit teollisuuteen, maailma alkoi mullistua. Ja nyt Charles Babbage ja lady Ada aikoivat automatisoida laskukoneet. He alkoivat nimittää laitettaan analyyttiseksi koneeksi. Ja se olisi mullistava tieteen. Nimitys johtui siitä, että he oivalsivat koneen voivan käsitellä lukujen lisäksi myös symboleja.

Babbage tarvitsi nyt uuden demonstraatiovälineen kerätäkseen rahoitusta analyyttistä konetta varten. Hän päätti hankkia silkkikutomakoneella valmistetun Joseph Jacquardin muotokuvan. Tämä suhteellisen pieni mutta hyvin tarkka kuvakudos muistuttaa olemukseltaan metalligrafiikkaa – mutta on jotain aivan muuta. Tämän hienopiirteisen kuvakudoksen ohjelmointi oli vaatinut peräti 24 000 reikäkorttia. Mutta kun ohjelmointi kerran oli tehty, Jacquardin kone pysty tuottamaan samanlaisia kuvia vaikka kuinka paljon. Muotokuvia oli kuitenkin kudottu vain pienehkö määrä, ja ne olivat keräilijöiden hallussa. 

Lopulta, suurella vaivalla ja suurella summalla rahaa Babbage onnistui hankkimaan muotokuvan. Siitä tuli hänen illanviettojensa uusi vetonaula. Itse ajattelen, että tuo muotokuva on hämmästyttävä, mutta sen todellinen merkitys valkenee vai sille, joka on sisäistänyt ohjelmoitavan automaatin periaatteen. Siksi kuvakudoksen viestimä abstrakti idea ei vedä läheskään vertoja hyvin konkreettiselle differenssikoneen toimivalle prototyypille. 

Babbagen projekti oli nyt pahoissa vaikeuksissa. Hänen olisi pitänyt hylätä differenssikone, jonka runsas rahoitus oli tuottanut vain vaatimattoman prototyypin, ja suunnata energiansa aivan uudenlaiseen projektiin. Ja se  olisi valitettavasti teknisesti haastavampi. Babbage ja Ada ymmärsivät analyyttisen koneen valtavan potentiaalin, mutta asiaa oli lähes mahdotonta selostaa laajemmalle yleisölle. Asia oli aivan liian abstrakti. 
 
Jotain oli tehtävä. Ja lady Lovelace oivalsi ainoan mahdollisuuden. Hän teki yksityiskohtaisen ehdotuksen. Hän halusi, että hankkeen organisointi, rahoitus ja johtaminen delegoitaisiin Adalle, jolla oli sopivia suhteita ja rahaa, ja joka osasi käyttäytyä seurapiireissä. Tekninen suunnittelu jäisi Babbagen vastuulle. Mutta nyt Ada törmäsi lasikattoon. Vaikka hänen ja Babbagen suhde oli läheinen, suorastaan kollegiaalinen, ehdotus kävi Babbagen luonnolle. Hän hylkäsi Adan tarjouksen, ja samalla hän hautasi analyyttisen koneen yli sadaksi vuodeksi.

Tarinan loppu on puhdasta tragediaa. Babbage erakoitui, ja muuttui vähitellen hullun keksijän irvikuvaksi. Hänen ja Adan suhde säilyi kirjeenvaihdon mukaan ystävällisenä ja jopa entistä kohteliaampana. Itse tulkitsen, että lady Ada vuodatti kirjeidensä kohteliaisuuksin aimo annoksen myrkyllistä ivaa ja katkeruutta. Ada keskittyi nyt seurapiirielämään ja vedonlyöntiin, jossa onnistuikin hävittämään valtavia omaisuuksia. Sitten hän sairastui vakavasti ja kuoli vain 37-vuotiaana.

Adan merkittäväksi työksi jäi, että hän käänsi englanniksi Luigi Federico Menabrean ranskankielisen tutkielman Babbagen analyyttisestä koneesta. Kun Adalta kysyttiin, miksi hän ei itse kirjoittanut aiheesta, jonka hän tunsi paremmin, hän vastasi, ettei se ”juolahtanut hänen mieleensä”. Hän lisäsi kuitenkin artikkeliin 20000 merkin selitysosan – se oli pidempi kuin alkuperäinen artikkeli. 

Differenssikoneesta rakennettiin 1800- luvun loppuun mennessä toimivia versioita, mutta niiden merkitys ei ollut suuri, ne vain laskivat uusia numeroita logaritmitaulukoihin. Analyyttinen kone sai odottaa, kunnes Alan Turing, John von Neumann ja monet muut keksivät sen uudelleen. Uusi maailma alkoi toimia sähköllä, ei höyryllä, kuten Ada ja Babbage kuvittelivat. 

Nykyihmiselle moni asia tarinassa jää auki. Miksi ihmeessä Babbage tavoitteli hankkeelleen ulkoista rahoitusta? Babbagen (tai lady Lovelacen) huomattava omaisuus olisi helposti riittänyt hankkeen rahoitukseen. Ehkä se olisi ollut jotenkin sopimatonta, aatelisten omaisuus kun oli tarkoitettu tuhlattavaksi ylelliseen elämään (missä lordi Byron onnistuikin erinomaisesti). Tai ehkä ulkoisella rahalla tavoiteltiin huomattavien henkilöiden sitoutumista, ei niinkään heidän rahojaan.

perjantai 6. heinäkuuta 2018

Toiveesta olla Sherlock Holmes

Franz Kafka on kirjoittanut novellin – tai oikeastaan sitäkin lyhyemmän tekstinpätkän Toive muuttua intiaaniksi, se on julkaistu kokoelmassa ”Keisarin viesti”. Tuo hyvin tunnevoimainen, romanttissävyinen ja aika hämärä tekstinpätkä kuvaa juuri sitä mitä nimi sanoo, vaikka en oikein ymmärrä enkä halua tulkita, mitä se tarkoittaa. Kukapa ei haluaisi, muuttua intiaaniksi edellyttäen että intiaanit ovat sellaisia mitä kuvittelemme ja se maailma missä intiaanit vaikuttavat olisi myös sellainen. Mikä ei tietenkään ole niin. 

Itse en ole niinkään halunnut olla intiaani, vaan Sherlock Holmes. Luin varsin nuorena, oikeastaan lapsena noita kertomuksia, ja ne kietoivat minut kerta kerralta vahvemmin pauloihinsa. 

Pari sanaa Holmesista. Hän on Arthur Conan Doylen luoma fiktiivinen salapoliisi 1800- luvun lopun Lontoossa. Kertomukset julkaistiin aluksi lehdessä. Niistä tuli tavattoman suosittuja, ja niinpä niitä kirjoitettiin vuoteen 1927 asti: kaikkiaan neljä romaania ja 56 kertomusta. 

Mutta miksi nuo jutut viehättivät minua niin kovin? Paljon enemmän kuin vaikka Tarzan, joka tuntui minusta tylsältä. Syynä ei tietenkään ollut viktoriaanisen Lontoon miljöö, siitä en voinut siihen aikaan ymmärtää mitään. Aloin kiintyä siihen paljon myöhemmin – mikä tietenkin pitkitti Holmes-tarinoiden nautinnollisuutta, niistä paljastui aina uusia piirteitä. Jätetään pois myös jännityskertomuksen yleinen vetovoima. Tapahtuu rikos, ja vähitellen se selvitetään. Näin käy lukemattomissa muissakin tarinoissa, mutta Holmesissa on jotain aivan erityistä. Syynä täytyy olla Holmesin persoona. 

Sankarina Holmes täyttää minimivaatimukset. Hän on tarvittaessa rohkea ja päättäväinen. Hän on myös fyysinen ja osaa jopa tapella, vaikka hän ei laiskana henkilönä koskaan harjoitellut. Tässä hän muistuttaa brittiläistä yläkuokan herrasmiestä. Hänen fyysinen sankaruutensa aiheutuu kuin itsestään luokka-asemasta. Mutta en ihaillut Holmesia toimintasankarina. Kuten sanoin, riitti kunhan hän täytti uskottavat minimivaatimukset. 

Holmes ei ole mikään mukava luonne. Sitä paitsi hän ei yleensä kerro itsestään mitään, eikä juurikaan ilmaise tunteitaan. Sekin pitää hänet etäisenä, hän on arvoitus. Tunnemme hänet pääasiassa hänen ystävänsä tohtori Watsonin kuvaamana. Ja Watson ihailee Holmesia suunnattomasti ja sallii hänelle hänen vikansa. Vaikka hän yrittääkin hyvänä ystävänä pitää Holmesia kurissa. Hän suree ystävänsä synkkämielisyyttä ja koettaa saada hänet luopumaan paheistaan: kokaiinin käytöstä, ylettömästä tupakoinnista, laiskuudesta ja revolverilla ammuskelusta sisätiloissa. Holmes on myös etevä viulunsoittaja, mutta soittaa vain yksikseen lieventääkseen synkkyyttään. 

Holmes tulee selvästi ylemmästä yhteiskuntaluokasta, vaikka ei kovin korkealta. Epäilemättä hän on käynyt jotain ylempien luokkien yksityiskoulua. Mutta hän on eristynyt, koulussa hän ei luonut niille ominaisia toveriverkostoja. Yhdessäkään kertomuksessa emme tapaa entistä kulutoveria häntä auttamassa, emmekä muussakaan roolissa. Holmes haluaa tulla toimeen omillaan, vain älynsä ja kykyjensä varassa. 

Ymmärrän, että romanttista nuorta tällainen tyly sankari kyllä miellyttää. Holmes näyttää keskisormea muiden odotuksille, hän haluaa olla vain oma itsensä. Mutta hän näyttää keskisormea myös rikoksille ja pahuudelle. Hän on syvästi moraalinen, mutta ei alleviivaa sitä millään tavalla.

Mutta on jotain paljon enemmän. Holmes-novellit ovat tieteen ja tiedon kyllästämiä. Holmesilla on hyvät tiedot lääketieteestä ja kemiasta, ja hän käyttää instrumentteja ja tekee kemiallisia kokeita tutkiessaan johtolankojaan. Hänen terävät silmänsä tekevät tarkkoja havaintoja, ja hän tekee niistä päätelmiä. Tärkeintä eivät kuitenkaan ole itse yksityiskohdat, vaan se, että niistä vedetään johtopäätöksiä sijoittamalla ne yleisempään kehykseen. Hän käyttää hyväkseen laajoja tietojaan psykologiasta, lääketieteestä, sosiologiasta, politiikasta, biologiasta ja historiasta. Lopulta joukosta hajanaisia havaintoja muotoutuu järkevä kertomus. Miten ja miksi rikos on tapahtunut. Ja miten rikollinen ehkä voidaan saada kiinni. Tai aina ei koeteta saada, sillä kertomuksissa totuutta tarkastellaan myös moraalin kautta. 

Pidin kovasti noista novelleista, mutta se ei ole kaikki. Samalla myös samaistuin kertomuksen sankariin. Halusin muuttua Sherlock Holmesiksi. Elää eräänlaista tieteellistä elämää. Riippumattomana ja ymmärtäen, ettei ehkä kannata odottaa tunnustusta, ja että tuo elämä voi olla joskus myös raskasta ahdistavaa. Mutta satunnaiset vaikkakin epätäydelliset onnistumiset hyvittävät  paljon. 

Tietenkään en voinut muuttua Sherlock Holmesiksi. Ehkä en olisi kestänyt niin eristynyttä elämää, oma elämä muodostui toisenlaiseksi. Mutta minusta tuntuu, että jotain kuitenkin jäi. Unelmamme rakentavat meidät.

keskiviikko 4. heinäkuuta 2018

Fysiikka ei enää edisty - vai edistyykö sittenkin?

Scientific American- lehden verkkoversion artikkelissa (25.6.2018) tiedetoimittaja arvioi fyysikon ja bloggaajan Sabine Hossenfelderin kirjaa Lost in math. How Beauty Leads Physics Astray, eli ”eksyksissä matematiikassa: miten kauneus johtaa fysiikan harhapolulle”. Toimittajaa oli pitkään askarruttanut sama asia kuin kirjailijaa. Fysiikalla tarkoitetaan tässä niin sanottua ”puhdasta fysiikkaa”, jonka työmetodina on rakentaa sellainen aukoton matemaattinen formalismi, joka selittäisi maailman rakenteen pohjia myöten. Miten tällainen formalismi voitaisiin löytää? Ilmeisesti sen pitäisi olla yhtenäinen (ei siis erillisistä paloista sommiteltu), kattava ja sisäisesti ristiriidaton. Ja siihen liittyisi ainakin periaatteellinen reduktionismi: kaikki fysiikan lait pitäisi olla palautettavissa siihen. Tällainen perusasioiden etsintä näyttää liittyvän hiukkasfysiikkaan ja kosmologiaan. Ilmeisesti siksi, että juuri siellä tuntuisi olevan suuria ratkaisemattomia ongelmia. 

Miten tällainen malli voitaisiin löytää? Fyysikoiden teoreettinen työkalu on matematiikka, ja uuden matematiikan kehittämistä on mahdotonta selittää rationaalisena prosessina (niinkuin tietysti mitä tahansa luovaa työtä). Matemaatikot puhuvat säännöllisesti hyvän matematiikan kauneudesta. Onnistunut matematiikka tuottaa esteettistä mielihyvää. Tai sitten se jollain muulla selittämättömällä tavalla näyttää oikealta. Erästä huippufyysikoiden äärimmäistä tavoitetta kuvaillaan termillä ”kaiken teoria” (theory of everything, TOE). Eräs kandidaatti kaiken teoriaksi on pitkään ollut säieteoria (string theory). 

Mutta mistä Hossenfelder on niin huolestunut? Lopullisen teorian etsiminen on haastava ja erittäin motivoiva tavoite. Se vetää fysiikan pariin etevimmät opiskelijat – tai ainakin sellaiset, jotka kuvittelevat olevansa kaikkein fiksuimmat, mikä ei välttämättä ole sama asia. Mutta ongelma tuntuu olevan turhautuminen. Haave lopullisesta teoriasta on nimittäin vanha. Jo Einstein yritti keksiä sitä. Stephen Hawking on puhunut voimakkaasti sen puolesta vuonna 1980, julistaen ratkaisun olevan lähes käden ulottuvilla. Eräs tämän hetken huippunimi, Edward Witten sanoo säieteoriasta: se on niin valtavan hieno ja täydellinen, että se vain yksinkertaisesti ei voi olla väärä. Mutta: säieteoriaa alettiin kehittää jo 1960- luvulla, ja siitä tunnetaan useita variantteja. Kaikilla niillä on yksi paha vika: ne eivät ole oikein. Joten ei ihme, että monet ovat turhautuneita. 

Ennen kun jatkan, minun pitää sanoa, että en tunne näitä teorioita sillä tavoin kuin fyysikko ne tuntee. Tosin lähes 40 vuotta sitten suoritin yhden kvanttimekaniikan johdantokurssin, mutta sen tiedot voivat olla hieman vanhoja, puhumattakaan siitä, miten ruosteessa omat tietoni ovat. Sen sijaan tunnen aika hyvin monia muita tieteitä, olen perehtynyt tieteenfilosofiaan, ja erityisen hyvin tunnen teknisiä tieteitä ja niiden filosofiaa. Joten seuraan fysiikasta käytävää keskustelua, muta en itse tee fysiikkaa. Tällaista fysiikasta puhumista sanotaan joskus myös metafysiikaksi. Monet ammattifyysikot vierastavat fysiikasta puhumista, mutta lähes kaikki tekevät sitä kuitenkin. Itse katson, että tieteen tekemisen välttämätön osa on myös tieteestä puhuminen. Sen metodeista, sovelluksista, merkityksestä ja ennen kaikkea sen suhteesta maailmaan, todellisuuteen ja ihmisenä olemiseen.

Palaan teemaan. Mikä fysiikkaa oikein vaivaa, miksei se edisty? Hossenfelderin mukaan syynä on, että fyysikkoja vaivaa subjektiivinen vääristymä. Kuvitelma yhtenäisteoriasta, ja pyrkimys arvioida teorioita esteettisin perustein. Mieleeni tuli toinenkin mielikuva: alkemistien työskentelytapa, yritys löytää viisasten kivi. Sekin on subjektiivinen vääristymä ja tiedettä kuvaava ikivanha meemi. Mutta entä jos tällainen asenne on väärä? Entä jos maailma ei olekaan sellainen, että se selittyisi formalismilla, mekanismilla, ja matemaattisella koneistolla, kunhan sellainen löytyy. Entä jos todellisuus onkin aivan toisenlainen? 

Fysiikka julistaa olevansa tieteenä erityisasemassa, kaiken yläpuolella. Koska sen tavoite on niin suuri: todellisuuden selittäminen. Ja ilman muuta pitää myöntää, että fysiikka on glooriansa ansainnut. Se on muuttanut maailmankuvaamme enemmän kuin mikään muu asia. (En kuitenkaan sano, että se on luonnut teollisen maailman ja modernin teknologian, koska se ei ole totta, mutta tämä on liian mutkikasta tässä selitettäväksi. Tiedonjanoiset voivat lukea kirjani Tervanpoltosta innovaatiotalouteen, Avain 2012). Mieltymys nähdä maailma matemaattisena ja johtaa kaikki tieto matemaattisista perusasioista on ikivanha, ja ilmeisesti peräisin antiikin pythagoralaisilta. Ja taas myönnän, että se on ollut erittäin hyvä idea. Olemme päässeet numeroiden ja kaavojen varassa tosi pitkälle. 

Otetaan toisenlainen näkökulma. Länsimainen tieteentraditio voidaan jaotella aristoteliseen ja galileolaiseen traditioon. Vanha aristotelinen traditio pyrkii etsimään lopullisia syitä. Kaiken alkusyytä ja perusliikuttajaa. Se kysyy ”miksi”. Galileolainen traditio hylkäsi tämän periaatteen. Sen mukaan tiede voi vastata aivan toisenlaisiin kysymyksiin. Sellaisiin, miten sen tutkimat kohteet toimivat ja miten ne vaikuttavat toisiinsa. Se kysyy ”miten”. Tieteenhistorian perspektiivistä voimme sanoa, että aristotelinen tiede ei edistynyt. Se johti vain sekavaan mutta hedelmättömään spekulointiin, ja konkreettisimmillaankin se antoi hullunkurisia ja vääriä vastauksia. Länsimainen luonnontiede syntyi, kun tiede siirtyi galileolaiseen metodiin. Se alkoi tuottaa heti tuloksia, joita voi testata ja arvioida. Minusta näyttää nyt, että fysiikka on palannut aristotelisille juurille, se kysyy perisyitä. Ja tieteenhistorian todistuksen mukaan tällä linjalla tiede ei edisty. Olisiko syytä tehdä se hieman hankala kysymys, ovatko fysiikan ja kosmologian peruskysymykset aristotelisia? Ja jos ovat, millaisilla galileolaisilla kysymyksillä ne voitaisiin korvata?  

Ja vielä yksi hankala näkökulma. Mitä matematiikka oikein on? Aivan, se on aristotelinen kysymys, mutta metafysiikassa meillä on lupa käyttää myös tällaisia kysymyksiä. Tiedämme kokemuksesta, että matematiikalla on paljon yhteyksiä todellisuuteen, vieläpä varsin mutkikkaalla tasolla kuten vakiintuneen fysiikan runkona. Mutta kuinka pitkälle tämä periaate toimii? Kurt Gödel osoitti vuonna 1931, että matematiikka on jo periaatteellisella tasolla epätäydellistä. Se oli järkytys filosofeille ja matemaatikoille, mutta entä fyysikoille? Onko tällä asialla vaikutusta matemaattisesti ilmaistun fysiikan validiteettiin?  

Jos alussa kuvaamamme fysiikan ehtyminen on fundamentaalista, millaista uusi fysiikka voisi olla? Siteeratussa artikkelissa viitattiin ”post-eksperimentaaliseen” fysiikkaan. Sitä pidettiin kauheana kohtalona, jotenkin mitättömänä. Onko se todella niin? Vertauskohteeksi voisi olla tekniset tieteet, vaikkapa Scientific Americanin artikkelissa niin ikään väheksytty materiaalifysiikka. Tosiasiassa se on äärimmäisen haastava tiede, ei se ollenkaan häviä fysiikalle siinä suhteessa. Se jopa turvautuu kvanttimekaniikkaan. Mutta siitä puuttuu yhdistävä paradigma. Ei ole olemassa yhtenäistettyä aineen teoriaa. Materiaalifysiikka on mosaiikkikuva.