Makroskooppi

Maailmassa on paljon sellaista, mitä emme voi käsittää, tai mitä emme välittömästi voi tutkia omilla aisteillamme. Tämä alkaa olla aikamme ihmisille itsestään selvää. Mutta aina ei ole ajateltu juuri näin. Kun ihmisillä on aina ollut valtava halu tietää enemmän ja käsittää mahdollisimman paljon, asiaa on yritetty ratkaista pohdiskelulla ja filosofoimalla. Filosofointi opettaa meille paljon ajattelusta ja sen rajoista. Mutta kun filosofit koettavat saada selville asioita luonnossa vallitsevista lainalaisuuksista, tulee loputa seinä vastaan. Törmäämme biologisen hahmomme rajoituksiin: vaatimattomaan ajattelukykyymme ja suppeisiin aisteihimme.  

Pidämmekö todella itseämme mestariajattelijoina? Jos joku niin ajattelee, hänen kannattaa tutustua Daniel Kahnemanin ja Amos Tverskyn tutkimuksiin. Ihminen on henkisiltä kyvyiltään aika lailla minkä tahansa kehittyneemmän eläimen kaltainen. Olen kirjoittanutkin asiasta aiemmin. 

Ainoastaan symbolinen kielemme on huomattavan ainutlaatuinen. Sen varassa pystymme pohdiskelemaan ja filosofoimaan, mutta vain tiettyyn rajaan asti. Aivotutkija Chritof Koch on purkanut turhautumistaan filosofiaan suunnilleen seuraavaan tapaan: yli 2000 vuoden ajan suuret filosofit ovat olleet täysin väärässä jokseenkin kaikissa asioissa. Siksi ei pidä kuunnella heidän mielipiteitään, vaan sitä, mitä he ovat kysyneet. Sen sijaan vastaukset ovat joko vääriä tai hyödyttömiä. 

 

No hyvä. Aistimme ja käsityskykymme ovat rajallisia, mutta onneksi ihmiskunta on alkanut kehittää apuvälineitä. Alettiin mittaamaan asioita ja tarkastelemaan niitä aina vain tarkemmin. Syntyi luonnontiede, joka valjasti palvelukseensa myös vanhan ja jatkuvasti kehittyvän perinteen matematiikan, paljon tehokkaammin kuin mihin filosofia koskaan pystyi. 

 

Luonnontieteet sellaisina kuin me nyt ne ymmärrämme alkoivat kehittyä 1600 luvulla. Tähtitieteen synnyttämään huolellisen tarkkailun ja havaintojen kirjaamisen periaatteeseen liitettiin kulma-asteikkojen tarkkuuden parantaminen ja havaintojen tekoa suuresti tehostava teleskooppi.

Ei ole sattuma, että samaan aikaan teleskoopin kanssa keksittiin mikroskooppi. Keksintöjen taustalla on techne, ikivanha teknologian taito, joka on kietoutunut ihmiskunnan olemukseen paljon syvällisemmin kuin humanistit ikinä kehtaavat myöntää. Ja tässä kohtaan teknologian kasaantuvaan aarrearkkuun lisättiin lasinhionnan ja linssien valmistuksen taito. Ja näiden taitojen soveltaminen hyödyllisiin asioihin eli optiikka.  

Mikroskoopista tuli pian sekä tärkeä tutkimusväline että valistuksen voimaa todistava demonstraatiolaite, Sivistyneistö kurkisteli innostuneena mikroskooppiin. Jopa madame de Pompadourilla oli käytössään kauniisti koristeltu mikroskooppi. 

Mikroskooppi auttaa näkemään hyvin pieniä esineitä, aina atomin kokoiseen asti (atomivoimamikroskoopilla saadaan todella kuvia joissa erottuvat kohteet ovat atomin kokoluokkaa - vaikka atomin näkemisestä ei ehkä oikeastaan voi edes puhua). Mikroskooppi avaa todella meille aivan uuden maailman. Mieleeni tuli, mikä voisi olla mikroskoopin vastakohta ja mitä sillä voisi tehdä. Mikroskoopin vastakohta on tietenkin makroskooppi.  

Pian huomasin, että en ole kuitenkaan itse keksinyt makroskooppia. Sanalla on kaksikin erilaista käyttötapaa, joten käsitellään ne ensin. Mikroskooppien valmistajat kuten Leica käyttävät sanaa kuvaamaan mikroskoopin kaltaista laitetta, jolla tarkastellaan, kuvataan ja havainnollistamaan kohteita, jotka eivät ole "mikroskooppisia", vaan paljon isompia. Laitteen suurennos on noin 20-kertainen ja sen kuva ala on senttejä, tulitikkurasian kokoinen. Makroskoopeja käytetään kuvaamaan esimerkiksi biologisia näytteitä tai mineraaleja. 

  

Aivan toisenlaisen makroskoopin on lanseerannut IBM. Se tarkoittaa maapalloa koskevaa kokonaisvaltaista tietokoostetta, joka tuotetaan keräämällä ja yhdistelemällä suuri määrä erilaista tietoa. Ilmeisen hyödyllinen laite siis. 

Entä millainen sitten on oma makroskooppini? Jos mikroskooppi auttaa meitä näkemään kohteita, jotka ovat aivan liian pieniä paljaalla silmällä tarkasteltavaksi, makroskoopin pitää tehdä päinvastaista. Sen pitää auttaa meitä tarkastelemaan kohteita, jotka ovat aivan liian suuria aisteillemme: aurinkokuntaamme, galaksiamme, ja kokouniversumia. Keksin makroskoopin idean jo lapsena. Huomasin, että kun kääntää kiikarin nurinpäin ja katsoo siihen, näkökenttä kutistuu pienen kolikon kokoiseksi. Ja kun kääntää mikroskoopin nurinpäin - ja siihen katsominen ei ole aivan helppoa - näkökenttä kutistuu nuppineulan nuppiakin pienemmäksi. 

Mutta miten voisi kääntää maailmankaikkeuden nurinpäin? Mikään valoa tai muita signaaleita keräävä objektiivi ei voi kasvaa maailmankaikkeuden kokoluokkaan. Siksi makroskoopin kuva pitää koota ja yhdistellä pienenpienistä osasista. Tähtitieteilijät aloittivat makroskoopin kokoamisen jo kauan sitten. Sanomme heidän laatimiaan kuvia tähtikartoiksi. Ja nykyään kosmologit jatkavat tätä työtä aina vain suuremmassa mittakaavassa. 

Mutta vasta aikuisena, kun aloin ymmärtää modernia fysiikkaa edes pinnallisesti tajusin että makroskooppiin liittyy isompi ongelma. Se on nimittäin välttämättä myös aikakone. Kun katsomme kauas avaruuteen, katsomme myös menneisyyteen. Ongelma liittyy makroskoopin tuottaman kuvan esitystapaan. Sen tehtävähän on esittää tavattoman suuret kohteet, vaikkapa galaksimme, aistiemme tajuamassa muodossa. Mutta aistimme eivät ole sopeutumaan aistimaan kohteita, jotka ovat niin suuria, että suhteellisuusteoria vakuttaa siihen periaatteeseen, jolla ne koostetaan havaittaviksi. 

 

Olipa makroskoopin tuottama kuva koostettu miten tahansa, voimme tajuta sen ainoastaan ja enintään järjellämme. Emme voi aistia sitä. Ainakaan tähän mennessä en ole keksinyt, miten makroskoopilla voisi tuottaa aistittavia esityksiä, jotka kertoisivat olennaisen totuuden maailmasta.

Madame de Pompadourin mikroskooppi.

Ihmisen kone, ja luonnon

Kone on paljon tärkeämpi asia kuin saatamme edes kuvitella. Se on ajatusmalli, joka on lyönyt itsensä läpi keskeisenä ideana tieteessä, mutta myös arkiajattelussa. Maailmassa on asioita, jotka toimivat yleisten lainalaisuuksien mukaan: säännöllisesti, ennustettavasti ja ymmärrettävästi. Kone on tietenkin tärkeä asia tekniikassa. Mutta se on ennen kaikkea luonnontieteen keskeinen metafora. Luonto toimii kuin kone, se noudattaa periaatteita, joita sanomme luonnonlaeiksi. Ja nämä lait ovat pysyviä, vakaita ja periaatteessa jopa yksinkertaisia. 

Mutta koneen ajatus ei rajoitu tähän. Myös elollinen luonto koostuu koneista. Eliöt, mukaan lukien ihminen ovat koneita. Tämä ajatus on antanut meille modernin ja todistetusti toimivan lääketieteen. Jopa ilmiö nimeltä evoluutio, keskeinen uuden ajan ajattelun käsite, on suurenmoinen ja mutkikas koneisto. Suuri filosofi René Descartes teki tunnetuksi ajatusta, että eläimet ovat koneita. Ja sama asia koskee ilmeisesti myös ihmisen mieltä, vaikka Descartes ei pystynytkään tätä oikein hyväksymään. Tämä ajatus sai hänet ilmeisesti syvän hämmennyksen valtaan. 

Eikä konemetafora rajoitu edes tähän. Taloustieteilijät tarkastelevat talouden ilmiöitä koneen näkökulmasta. He yrittävät tehdä niistä käsitettäviä ja ennustettavia. Myös yhteiskuntatieteilijät ja historioitsijat soveltavat, ehkä asiaa täysin ymmärtämättä koneen ajatusta tutkimuskohteisiinsa. Talouden ja yhteiskunnan kaltaiset koneet ovat valtavan mutkikkaita, ne ovat merkittäviä haasteita. 

Koneen rinnalla uusi aika soveltaa myös toista merkittävä ajatustyökalua, matematiikkaa. Matematiikan avulla olemme onnistuneet kuvaamaan edellä mainittuja luonnonlakeja. Matematiikan käyttökelpoisuus ja hyödyllisyys on vaikea filosofinen kysymys. Emme tiedä, miksi maailma näyttää selittyvän matematiikan käsitteiden kautta. Ja miksi on myös niin paljon matematiikkaa, joka ei ole sovellettavissa. Tässä en voi, enkä edes osaa käsitellä tätä asiaa enempää. 

Koneen ajatuksen yllättävyys ja sen laajamittainen läpimurto ajattelussamme ei ole itsestään selvä, joten ehkä on hyvä katsoa asiaa historiallisesti. En väitä, että koneet olivat täysin uusi asia. Koneita on toki ollut kauan, jo antiikin aikana. Tunnemme myös käsitteen deus ex machina (jumala koneesta). Sen alkuperä on antiikin näytelmissä, joissa jumalat tuotiin näyttämölle jonkinlaisessa laitteessa. Sanontaa käytetään myös vertauskuvallisesti tarkoittamaan yllättävää ja ehkä myös hieman epäuskottavaa ja keinotekoista käännettä näytelmässä, elokuvassa, kirjassa tai vaikkapa politiikassa. 

Koneen suuri läpimurto ajattelussamme on kuitenkin historiallisesti nuorempaa. Renessanssin aikana erityisesti filosofit innostuivat kovasti koneista, ja aivan konkreettisesti. Alettiin julkaista teoksia, joissa oli tarkkoja piirustuksia erilaisista hyödyllisistä koneista, theatre des mechaniques. Noilla koneilla oli toki esikuvina oikeita koneita, mutta filosofien koneet olivat olennaisesti liioiteltuja, fantastisia ja epäkäytännöllisiä. Jotkut ovat jopa väärin piirrettyjä, koska niiden laatijoita eivät olleet mekaanikot vaan oppineet. Ne eivät voisi mitenkään toimia käytännössä, sillä niiden tukena ei vielä ollut modernin matematiikan ja mekaniikan tieteitä. Mutta niiden tarkoitus olikin havainnollistaa ja levittää tietoa koneiden mahdollisuuksista.

Tällaisten koneiden kuvia näkee joskus nykyäänkin painettuna historiakirjoihin. Kirjojen tekijät eivät selvästi ole ymmärtäneet, että nuo 1500- ja 1600- lukujen koneet olivat fiktioita. Eivät toki kaikki, mutta toimivien ja kuviteltujen koneiden erottaminen toisistaan edellyttäisi insinöörin silmää, ja joskus myös tarkkaa analyysia ja jopa käytännön kokeita. Vähitellen koneet alkoivat vaikuttaa ajatteluun syvällisemmin ja muuttuivat todellisiksi. Ja samalla itse koneen idea osoittautui sekä hyödylliseksi että pysyväksi. 

Voisi sanoa, että koneet ja tekniikka synnyttivät luonnontieteet ja uuden historiallisen aikakauden. Tämä ajatus on täysin päinvastainen sille, mitä pinnallinen 1900- luvun tiede- ja teknologiafilosofia ja erityisesti sen popularisoitu valtavirta on väittänyt. Asia on toki mutkikas, ja olen koettanut selventää sitä mahdollisimman ymmärrettävästi kirjassani Tervanpoltosta innovaatiotalouteen. 

Myös epäorgaaninen luonto, kuten maapallon ilmasto voidaan nähdä koneena. Ilmasto ei suinkaan tarkoita vain lämpötilojen, tuulien ja sateiden vaihteluita vuodenaikojen mukaan. Siis maapallon liikkeen ja auringon lämmön laajoihin sykleihin liittyvää ylimääräistä satunnaista komponenttia. Sään takana on tarkempia ja hyvin säännöllisiä mekanismeja, paljon yksityiskohtaisempia kuin vain auringosta tulevan lämmön vuotuinen vaihtelu. Aivan ilmeisesti avainasemassa ovat tuulet, jotka kuljettavat auringon lämpöä planeetan pinnalla. Toinen vaikuttaja on maapallon pinnanmuodostus: mantereet, vuoristot ja meret. Yhdessä pilvisyyden ja yläilmakehän kemian kanssa ne muodostavat puitteen, joka ohjaa ilmakehän liikkeitä Maan pyörimisen ja vuotuisen kierron tuottaman dynamiikan ohjaamana. Tuulissa voidaan erottaa paljon säännönmukaisuutta. Esimerkiksi pohjoisilla leveysasteilla - ja samoin eteläisillä - vallitsevat länsituulet. Päiväntasaajan lähellä puhaltavat puolestaan säännölliset pasaatituulet. Niiden säännöllisyys muuten teki löytöretket mahdollisiksi. Saatettiin purjehtia varsin yksinkertaisilla aluksilla suunnilleen myötätuulessa Amerikkaan ja sieltä takaisin, kunhan vain osattiin valita oikea reitti. Kolumbus oli kokenut purjehtija. Hän tunsi pasaatituulet ja uskalsi olettaa ne säännöllisiksi laajalla alueella. 

Pohjois-Euroopan säässä länsituulilla on tärkeä rooli. Ne tuovat kosteaa ja lämmintä ilmaa Väli-Amerikan suunnasta. Silloin tällöin Suomenkin alueelle asettuva korkeapaine saa länsituulet painumaan etelään, ja päästää tänne kuivaa ilmamassaa Siperian suunasta. Kesällä se tietää hellettä ja talvella kovia pakkasia. Vaikka sään taustalla on säännöllisiä ilmiöitä, sen ennustaminen tieteellisesti on tunnetusti vaikeaa. Se on matematiikaltaan vaikeaa ja vaatii paljon tietokonemallitusta ja laskentatehoa. Silti ennusteen tarkkuus on sitä huonompi, mitä pidemmälle tulevaisuuteen koetetaan katsoa. Tätä kirjoitettaessa tammikuun lopulla on juuri päättymässä usean viikon pakkasjakso. Se kuvastaa sääilmiöiden hienovaraisuutta. Ohutkin pilvipeite estää jäähtymistä, mutta jos pilvet hajoavat, lämpötila putoaa, kun maan lämpö säteilee kylmään avaruuteen. Tällaisen sään lämpötilan ennusteet ovat olleet epävarmoja, ja lämpötila on saattanut muuttua 10 - 15 astetta 4-6 tunnin aikana. 

Tässä ei kai edes tarvitsisi mainita uhkaavaa ilmastonmuutosta. Olemme oppineet tunnistamaan tämän uhan, koska ymmärrämme, että ilmasto on kone. Ja tiedämme, että hyvinkin pienet muutokset koneen säädöissä voivat saada aikaan vakavia muutoksia sen toiminnassa. Niin kuin nyt on käynyt. Kamppailu ilmastonmuutosta vastaan on samalla kampailua tieteellisen maailmankuvan puolesta. Sillä sen läpimurto ei vieläkään ole riittävän syvällinen.

Ilmasto on nopea kone, jonka liikkeet ovat oman henkilökohtaisen ja historiallisen käsityskykymme puitteissa helposti havaittavissa. Kannattaa mainita myös hitaampia koneita. Geologia on hidas kone, jonka toiminta muuttaa pinnanmuotoja. Se toimii miljoonien vuosien aikaskaalalla. Vielä hitaammat koneet muokkaavat galaksin ja kosmoksen rakennetta. Näitä koneita tutkivat astronomit ja kosmologit.

Tämä 1500- luvun kone ei mitenkään voi toimia.
Hyvä yritys kuitenkin.

Johannes Keplerin avaruusmatka

Filosofit siteeraavat mielellään antiikin oppineiden ajatuksia. He jopa edelleen kirjoittavat tutkielma, joissa pohditaan, mitä antiikin filosofit oikein ovat ajatuksillaan tarkoittaneet. Ymmärrän tämän kiinnostuksen. Miten ihmeessä tuhansia vuosia sitten saatettiin saada niin nerokkaita oivalluksia. Muinaisessa Kreikassa syntyi meille lähes käsittämätön ajattelun, tieteen ja taiteen hyökyaalto. Tuo outo ja ihmeellinen ilmiö ei ollut ohimenevä. Se jatkui ainakin puolen vuosituhannen ajan, ja sen laineet tuntuvat edelleen.  

Meidän on samalla lähes mahdotonta ymmärtää sitä yhteiskuntaa, missä tuo mullistus tapahtui. Se on monella tapaa meille vieras. Se oli brutaali, syvästi epäoikeudenmukainen ja jopa väkivaltainen. Ja kuitenkin sen puitteissa pystyi toimimaan pieni ”vapaiden” ja vauraiden miesten yhteisö, joka harrasti ajattelua ja oppineisuutta. Jotenkin tuon yhteisön toiminta tuntuu meistä tutunomaiselta – mutta ehkä tämä tunne samuudesta ja jatkuvuudesta saattaa kuitenkin olla illuusio. Harhan on ehkä synnyttänyt uudempien aikojen vuosisatainen antiikin ihailu. Olemme selittäneet ja tulkinneet antiikkia omien yhteiskuntiemme lähtökohdista. 

 

Voisi olla hyödyllistä suunnata katseemme hieman lähemmäs Eurooppaan, myöhäisrenessanssiin ja luonnontieteiden vallankumouksen aikaan, joka pian muuttui valistukseksi, 1500-1700 luvuille. Siinä on samankaltaisuutta: yllättäen ihmisen ajattelu pääsee kahleistaan. Syntyy älyllinen ja henkinen virtaus, jota ei enää voinut pysäyttää. Ja mikä tärkeintä, meidän on kuitenkin helpompi ymmärtää tätä aikaa kuin niin outoa antiikin maailmaa. 

Meille on opetettu, kuinka prosessi sai alkunsa erityisesti tähtitieteestä, ja kuinka sen taustalla on tarkka havainnointi ihmisen aisteja tehostavien instrumenttien avulla: kvadranteilla, teleskoopeilla ja mikroskoopeilla. Mutta samalla taustalla on toinen prosessi: ajattelu. Sitä voisi sanoa filosofiaksi, mutta toisin kuin klassinen filosofia, se suuntautui luontoon. Voisimme sanoa sitä luonnonfilosofiaksi, mutta se oli laajempaa. Se suuntautui myös ihmiseen, psykologiaan ja hengellisyyteen. 

Ajattelu laajeni monella tapaa. Alettiin arvostaa käytännön toimintaa. 1500- luvulla filosofit alkoivat kirjoittaa tutkielmia käsityöläisten taidoista - vaikka filosofit eivät itse välttämättä ymmärtäneet siitä juuri mitään. Samoin julkaistiin kuvitettuja kirjoja mutkikkaista koneista ja mekanismeista, theatre des mechaniques; kuvatut koneet olivat usein fantastisia ja epäkäytännöllisiä, eivätkä olisi voineet toimia edes periaatteessa. Kuten Leonardon käsikäyttöinen helikopteri tai sarjatulta ampuva jousipyssy. Mutta ilmeisesti tarkoitus olikin havainnollistaa mekaniikan suuria mahdollisuuksia. 

Ajattelu alkoi selvittää myös maailmankaikkeuden rakennetta. Nykytermein sanottuna kyseessä oli kosmologia. Ei pelkästään taivaankappaleiden liike, vaan koko universumi: sen rakenne ja olemus. Eräs keskeinen ajattelija oli Giordano Bruno, joka poltettiin kerettiläisenä roviolla vuonna 1600. Brunon suurimpia syntejä oli hänen universumikäsityksensä. Hän väitti, että maailmankaikkeus on ääretön. Kiintotähtiä ei ole kiinnitetty taivaan kuoreen, vaan ne ovat paljon planeettoja kauempana avaruudessa. Ja jos matkaisimme kiintotähtiin näkisimme, että niiden takana on toisia kiintotähtiä, loputtomiin. 

Eräät äärettömän avaruuden idean kriitikot olivat oikeillakin jäljillä. Jos avaruus on ääretön ja täynnä tähtiä, jokaisessa taivaan pisteessä pitäisi olla tähti, ja taivas olisi huikean kirkas. Tämä valoisan taivaan paradoksi ratkesi vasta 1900- luvulla, kun keksittiin maailmankaikkeuden laajeneminen.

 

Monet 1600- luvun ajattelijat ymmärsivät äärettömän. Olkoon meillä kuinka tahansa pitkä lukujono, siihen voi aina lisätä uuden luvun. Mutta tällaista jonoa ei saa sanoa äärettömäksi, se määre on varattu jumalalle. Vajavainen ihminen ei voisi tajuta mitään sellaista. Siksi käytettiin varovaisesti nimitystä ”rajaton”. Kannattaa muuten huomata, että eri kielessä sanojen merkitys on erilainen. Suomessa rajaton ja ääretön ovat lähellä toisiaan, mutta esimerkiksi englannissa infinite ja boundless ovat aivan eri asioita, ja ilmeisesti myös italian ja latinan kielissä. 

Ääretön oli vaarallinen sana, ja siksi Galileon teleskoopilla tehdyt havainnot olivat erittäin vaarallisia. Hän huomasi, että teleskoopilla erottuu kaksikymmentä kertaa enemmän tähtiä kuin paljaalla silmällä – ja epäilemättä paremmalla teleskoopilla näkyisi vielä enemmän. Galileo ymmärsi ajatuksen vaarallisuuden. Hän ei halunnut ottaa kantaa avaruuden äärettömyyteen, joka oli tuohon aikaan keskeinen kiistojen aihe. 

Aivan loogisesti syntyi myös ajatus vieraiden maailmojen asukkaista. Etenkin sen jälkeen, kun Galileon teleskooppi oli paljastanut Kuusta Maan kaltaisia rakenteita: vuoristoja ja ”meriä”. Kuvitteluun rohkaisi myös löytöretkien tuoma kokemus: uusilla alueilla ja mantereilla asui eläimiä ja ihmisiä, jotka olivat monessa suhteessa erilaisia kuin eurooppalaiset. Kertomukset avaruusmatkoista eivät olleet aivan uusi idea. Lukianos Samosatalainen (n. 125 – n. 180) oli kirjoittanut fantastisen satiirisen kertomuksen ”Tosi tarina” matkasta Kuuhun. 1600- kuvulla kirjoitettiin useita teoksia vieraiden maailmoiden asukkaista. Kirjoittajia olivat mm. John Wilkins, Tomaso Campanella, Francis Godwin, Margaret Cavendish, Cyrano de Bergerac ja Pierre Borel. 

 

Vuonna 1593 Johannes Kepler (1571 – 1630) alkoi kirjoittaa suoranaista tieteisromaania, Somnium, seu opus posthumum De astronomia lunari. Sen julkaisi vasta hänen poikansa vuonna 1634. Kirjan alussa esitellään Keplerin taivaanmekaniikkaa kuvaavaa mallia. 20 vuoden kuluttua Kepler liitti mukaan unikertomuksen matkasta kuuhun. Myöhemmin hän lisäsi kirjaan suuren määrän selityksiä. Kirjan lopullinen versio tuntuu viittaavan myös Keplerin omiin elämänvaiheisiin. 

 

Somniumissa Kepler kuvaa avaruuslennon vaiheita tiedemiehen huolellisuudella. Matkustaja laukaistaan lennolle ruudin voimalla. Tarvitaan erityiskeinoja matkustajan suojaamiseksi laukaisun rasituksilta. Matka on mahdollinen vain sellaisena aikana, jolloin Kuu on Maan takana ja avaruusalus suojassa auringon paahteelta. Matkaan kuluu neljä tuntia, ja sen aikana alus siirtyy Maan suojaavasta ilmakehästä Kuun vähemmän suojaavaan ilmakehään. Kirjassa kuvataan Kuun asukkaita, jotka ovat jättiläismäisiä, ja suojautuvat päivän ajaksi auringon polttavalta säteilytä Kuun luoliin. Kirjassa kuvataan myös, miltä Maa näyttää Kuusta katsoen; se on tietenkin monta kertaa isompi kuin Kuu Maasta nähtynä. 

1600- luvulla ajattelun voima tuotti suuren mullistuksen paljastamalla taivaanmekaniikan luonteen ja synnyttämällä aivan uuden ja ennennäkemättömän luonnontieteen. Mutta tuo ajattelu ei ollut yksinkertaista ja selkeää, ja rohkeat tiedemiehet joutuivat myös vainotuiksi. Uudet ajatukset vaikuttivat rinnan vanhojen uskomusten ja perinteiden kanssa. Ajalle ei ollut tyypillistä vähittäinen luonnontieteen kehkeytyminen, vaan pikemminkin uskonkiihko, magia, okkultismi, kabbala, spiritismi ja hermetismi. 

 

Jopa suuri Isaac Newton (1642 – 1726) käytti suurimman osan aikaansa alkemiaan, okkultismiin ja ilmestyskirjan tutkimiseen. Newtonin kuoltua Royal Society palautti hänen julkaisemattomat käsikirjoituksensa omaisille ja varoitti näyttämästä niitä kenellekään. Kun nämä hämärät kirjoitukset laajuudeltaan tuhansia sivuja löydettiin 1930-luvulla, ne aiheuttivat skandaalin. Yliopistot ja museot kieltäytyivät ottamasta niitä kokoelmiinsa. Niitä pidettiin jopa uskomattomana hölynpölynä, joka tuhoaisi Newtonin siloisen maineen. 

Ja kuitenkin, ajattelun ja mielikuvituksen siivin, tuosta kaaoksesta syntyi myös jotain yhtenäistä. ”Tieteen on välttämätöntä siirtyä havaittavissa olevasta sellaiseen, jota ei voi havaita. On mielikuvituksen tehtävä käsittää jälkimmäinen jollakin tavalla edellisen kaltaiseksi. Tiede pakottaa ihmiset kuvittelemaan.” Lainaus on italialaisen professorin Paolo Rossin ajatus. 

 

Tämän kirjoituksen inspiraationa oli Paolo Rossin (1923-2012) kirja Modernin tieteen synty Euroopassa (Vastapaino 2018). Kirja on perinpohjainen, mutta ei kovin helppoa luettavaa. Ehkä siihen osaltaan vaikuttaa, että Rossi oli historian tutkija, ei luonnontieteilijä. Kirjan henkilöhakemistossa on peräti 500 nimeä.

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.