Se on luonnonlaki

Käsitys luonnonlaeista on nykyaikaisen maailmankuvan perustavia rakennekiviä. Maailma ei ole kaoottinen, eikä sen myöskään tarvitse seurata jumalien oikukkaita päähänpistoja. Sen sijaan maailman toimii, kehittyy ja muuttuu luonnonlakien järkkymättömässä ohjauksessa. Oletamme luonnonlait muuttumattomiksi, ja siten ne tekevät maailman ymmärrettäväksi ja ennustettavaksi. Tämä oletus on meille turvallinen, sen rohkaisemina voimme käyttää luonnon resursseja hyödyksemme, ja voimme suunnitella luottavaisin mielin tulevaisuuttamme. Kunhan vain ponnistelemme riittävästi oppiaksemme tuntemaan luonnon ja sen lainalaisuudet aina vain paremmin. 

Sanon heti, että en aio jonkun postmodernin impulssin voimasta kiistää tätä asiantilaa. En myöskään aio väittää, että emme koskaan pysty ymmärtämään maailmaa tai luontoa emmekä pysty saamaan siitä sellaista tietoa, jota voisi pitää edes jossain määrin luotettavana. Ei, en aio kyseenalaistaa valistuksen suurta ideaa. Ajatus maailmasta lainomaisesti toimivana ja monessa suhteessa ennustettavana järjestelmänä on yleisesti ottaen todenmukainen suuri kuva. 

Mutta luonnonlain käsite ei ole lainkaan ongelmaton, tai ainakaan se ei ole yksinkertainen. Pohditaan sitä hieman. Fyysikoille luonnon lait ovat tietenkin erittäin tuttuja, heidän maailmankuvansa on suorastaan rakennettu luonnon lainmukaisten toiminnan oletuksen varaan. Mutta pinnallinenkin fysiikkaan perehtyminen (niinkuin omalla kohdallani) paljastaa toisenlaisen totuuden. Luonnonlait ovatkin jotain muuta kuin yleensä oletetaan. 

Eräs 1900-luvulla syntyneen modernin fysiikan perustan rakentajista, Richard Feynman (1918 - 1988) on jopa kirjoittanut merkittävän teoksen: Fysiikan lain luonne. En aio referoida hänen kirjaansa, vaan otin sen esiin, koska se osoittaa, että luonnonlain käsite askarruttaa vakavaa ajattelijaa. Käsite on, jos ei suorastaan ongelmallinen, niin ainakin monimutkainen. En voi enkä haluakaan kiistää luonnonlain periaatteellista ideaa. Toisaalta minusta tuntuu, että sen olemuksen kriittinen pohtiminen vie suoraan fysiikan ytimeen. 

Taas kerran pitää aloittaa antiikin filosofiasta. 

Muinaisen Kreikan filosofit etsivät ja pohtivat maailmaa kuvaavia yleisiä periaatteita. Aristoteles muodostui keskeiseksi auktoriteetiksi, ja tuo asema säilyi vuosisatojen ajan. Filosofien mukaan luonto pyrkii kohti päämäärää, luonnossa vallitsevat lait ovat teleologisia. Ne tähtäävät universaaliin järjestykseen ja kosmiseen harmoniaan. 

 

1600-luvulla, luonnontieteen astuessa voimalla historian näyttämölle, luonnonlain käsite vahvistui, ja nyt siitä tuli teologiaa. Luonnonlait olisivat Jumalan tahdon ilmauksia maailmassa. Epäilemättä luonnonlakien teologisen luonteen korostaminen oli myös tutkijoiden itsepuolustusta. Kirkko kun suhtautui luonnon tieteelliseen tutkimiseen karsaasti, se uhkasi kirkon mahtiasemaa. 

Nopeasti kehittyvien fysiikan ja kemian keskeinen toimintatapa oli luonnonlakien ominaisuuksien selventäminen ja uusien lakien keksiminen. Sen sijaan uusin fysiikka 1900-luvun loppupuolelta lähtien ei oman käsitykseni mukaan juurikaan puhu luonnonlaeista. Luulen, että se halutaan korvata täsmällisemmillä käsitteillä. 

Joten mitä on luonnonlain ongelmallisuus, johon olen jo muutaman kerran viitannut? Tarkastellaan asiaa esimerkkien kautta. 

Antiikin luonnonfilosofiassa kappale liikkuu, jos siihen vaikuttaa jokin voima. Mutta miten voidaan ymmärtää ammutun nuolen jatkuva lento? Nuoli saa tietenkin liiketilansa jousen jänteen vaikutuksesta. Mutta miten voidaan selittää että se etenee pidemmälle? Filosofit selittivät, että jousen jänteestä siirtyy nuoleen salaperäinen tekijä, impetus. Se antaa lennon aikana nuolelle ikään kuin jatkuvia sysäyksiä. Lopulta impetus ehtyy, ja nuoli putoaa maahan. Onko impetusteoria luonnonlaki, vai onko luonnonlaki se periaate, että liike edellyttää välittömän vaikutuksen? Niin tai näin, kumpikin vaihtoehto on nykytiedon valossa selvästi virheellinen. 

 

Toinen antiikin aikainen periaate on tyhjiön kammo. Sen avulla voitiin selittää vesipumpun toiminta: männän liike pyrkii aiheuttamaan tyhjiön, ja luonto torjuu sen antamalla veden imeytyä pumppuun. Tyhjiön kammo on luonnon peruslaki siinä mielessä, että sitä ei voi selittää, mutta se auttaa ymmärtämään havaittuja ilmiöitä. Nykytiedon valossa tyhjiön kammo ei ole luonnonlaki, eikä edes hyödyllinen hypoteesi. Sitä kun vain ei ole. Sen sijaan tyhjiön kammon periaatteen pohtiminen johti lämpövoimakoneiden keksimiseen 1600- luvulla. Sinänsä virheellinen luonnonlaki tuottikin odottamattoman teknologisen läpimurron! 

Klassinen fysiikka korvasi impetuksen uusilla luonnonlaeilla. Voima saa aikaan kappaleen nopeuden muutoksen. Jos voima ei vaikuta, kappale on levossa tai tasaisessa liikkeessä. Lukija saattaa aavistaa, että nämäkään lait eivät ole aivan ongelmattomia. Fysiikassa voima ei ole perussuure, vaan se ilmenee kappaleen nopeuden muuttumisena. Fysikaalinen laki on siis oikeastaan aivan muuta kuin intuitiivinen luonnonlaki liikkeen luonteesta. Entä mitä oikeastaan tarkoittaa liike? Klassinen fysiikka olettaa, että jossain on olemassa vertailutila ei koordinaatisto, jonka suhteen liike voidaan ilmoittaa. Nykytiedon valossa kaikki koordinaatistot ovat samanarvoisia. Aivan, siellähän vaanii suhteellisuusteoria. 

 

Entä klassisen fysiikan painovoimateoria? Siinä on mukana maapallon massa, tarkasteltavan kappaleen massa ja sen etäisyys maan keskipisteestä ja verrannollisuuskerroin. Painovoimateoria kuvaa fyysikon ajattelua, mutta käytännön ja havaintojen kannalta se on hyödytön ja jopa virheellinen: emme tunne maapallon massaa emmekä verrannollisuuskerrointa, ja tutkimamme kappaleen massakin on tuntematon: tiedämmehän sen kappaleen painon perusteella, siis kehäpäätelmä! Jos haluamme tislata tästä esiin luonnonlain, se voisi olla kappaleen taipumus pudota tai vieriä alamäkeen suuren massan läheisyydessä eli maan pinnalla. Tässäkin luonnonlaki on jotain jota emme voi tarkemmin määritellä: taipumus tai ominaisuus. Nykytiedon valossa tämä ongelmallisuus häviää kokonaan: painovoima onkin aika-avaruuden geometriaa. 

On olemassa tietyllä lailla perustavampia luonnonlakeja, Energian siirtyminen korkeasta lämpötilasta tai energiatasosta matalamman suuntaan eli entropian kasvu. Tässä ongelmallisuus ei ole itse ilmiössä. Tarkkaan ajatellen kyseessä on seuraus molekyylien kinematiikasta tai säteilylaista, jos energia siirtyy säteilemällä. Entropialaki on ilmeisen todenmukainen, eikä riitele muiden lainalaisuuksien kanssa. Ongelmallisuus liittyy siihen, että entropiaprosessi edellyttää materiaalista kehikkoa eli fysikaalista systeemiä jossa se vaikuttaa. Ja tämä on johtanut tulkintaongelmiin. 

Oma johtopäätökseni voisi olla seuraava: luonnonlait ovatkin tulkintoja, jotka auttavat omaa ymmärtämystämme, kun tarkastelemme maailman ilmiöitä. Mutta ne näyttävät olevan ristiriitaisia. Ja ne saattavat samalla selittää ilmiön täysin väärin. 

Entä mitä Richard Feynman ajatteli luonnonlaeista? Tarkkaan ottaen hän ei puhunut luonnonlaeista, vaan fysiikan laeista, joille asetetaan tiukempia muodollisia ehtoja. Fysiikan laki ilmaistaan matemaattisella yhtälöllä, joka kertoo maailmassa vallitsevan asiantilan. Tällaisia lakeja on klassisessa fysiikassa paljon, esimerkiksi putoamisliikkeen kaava ja Maxwellin yhtälöt. Usein tällainen fysiikan laki liittyy pikemminkin fysiikan soveltamiseen tekniikassa kuin fysikaalisen ilmiön kuvaamiseen. Kuten Ohmin laki tai Tsiolkovskin rakettiyhtälö. Feynman pohdiskeli mm miksi matematiikka toimii luonnon kuvaamisessa. On myös olemassa hyvin perustavanlaatuisia lainalaisuuksia, ja mahdollisesti fysiikan lait johtuvat niistä. Tällaisia ovat vuorovaikutuksiin liittyvät säilymislait ja matemaattiset symmetriat. 

Tässä blogissa harjoitin tieteestä puhumista. Kaikki tutkijat harjoittavat sitä, sillä se on ainoa tapa luoda ymmärrystä. Ja mikä tärkeintä, myös maallikot harrastavat sitä. Se rakentaa siltaa tieteen ja muun yhteiskunnan välille. Kun sitten tieteenhaara vakiintuu, sen perusasiat saatetaan ilmaista hyvinkin tiiviissä muodossa. Ne ovat kuitenkin syntyneet intuitiivisen tieteestä puhumisen kautta. Ja ne myös pitävät yllä ja synnyttävät lisää tieteestä puhumista. 

Oma pohdiskeluni luonnonlain luonteesta lähti liikkeelle, kun ihmettelin sellaisia asioita kuin evoluutio, elämän synty ja älykkyyden ilmaantuminen. Ovatko ne luonnonlakeja, vai ovatko ne jonkun tietyn luonnonlain ilmentymiä? 

Palaan tähän myöhemmin, sillä se on aivan oma juttunsa.