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.
