Onko fysiikan reduktionismi teologian arkkivihollinen vai sydänystävä?
Fysiikassa harvoilla syillä pyritään selittämään lukuisia ilmiöitä, eli redusoimaan niitä. Onko tämä teologialle uhka vai mahdollisuus? Entä mitä yllättäviä yhtäläisyyksiä todellisuuden kvanttilomittuneella luonteella voi olla kolminaisuusopin perikoreesin kanssa? Robert Mannin artikkeli fysiikan ja teologian rajapinnasta jatkuu, ja tässä on sen toinen osa.
Reduktionismi
Keskeinen motivaattori kaiken tieteellisen ajattelun taustalla on yhdistäminen: havainto, että erilaisilta näyttävät ilmiöt voidaan ymmärtää saman ilmiön erilaisina puolina jollain syvemmällä tasolla. Historiaa tarkastellessa voidaan huomata, että tieteen kannalta yhdistämispyrkimykset ovat olleet varsin hedelmällisiä, ja erityisesti näin on ollut fysiikassa, vaikka kyseisen strategian toimivuus ei olekaan taattua.
Newton yhdisti maalliset ilmiöt taivaallisiin ilmiöihin universaalilla painovoimalaillaan, joka vaikuttaa niin omenoiden putoamiseen Maahan kuin tähtien liikkeeseen taivaalla (Chandrasekhar 2003). Maxwell yhdisti teoriallaan sähkön ja magnetismin, joita oli aiemmin pidetty erillisinä ilmiöinä. Se kuvasi niitä yhtenäisenä voimana, jota nykyään kutsumme ”sähkömagnetismiksi”. (Maxwell 1865) Neljä vuosikymmentä sitten radioaktiivisuuteen liittyvät heikot vuorovaikutukset yhdistettiin sähkömagnetismiin sähköheikon vuorovaikutuksen teorialla. Tämä teoria teki useita uusia ennusteita, joita sittemmin myös vahvistettiin kokeellisesti. (Glashow 1961; Weinberg 1967; Svartholm 1968)
Tällä hetkellä meillä on niin sanottu hiukkasfysiikan standardimalli (vähemmän tekninen johdatus siihen on Lederman & Teresi 2006) – joukko matemaattisia yhtälöitä, jotka kuvaavat kaikkia tunnettuja atomia pienempiä hiukkasia (kuten kvarkkeja ja leptoneita) ja niiden vuorovaikutusta vahvan voiman (tai ydinvoiman) ja sähköheikkojen voimien kautta (ks. Mann 2009a). Korkean energian kiihdytin ja matalan energian tarkkuuskokeet ovat toistuvasti vahvistaneet tämän mallin. Viimeisin merkittävä jäljellä oleva tiedonmuru oli Higgsin hiukkanen, jonka vuorovaikutus muiden tunnettujen hiukkasten kanssa saa aikaan niiden massaksi kutsumamme ominaisuuden. Vuonna 2012 ilmoitettiin, että Cernin suuri hadronitörmäytin (LHC) oli löytänyt hiukkasen, jonka massa oli 125 kertaa protonia suurempi: hiukkasen, jolla oli kaikki Higgsin hiukkaselta odotetut ominaisuudet. (Cho 2012; Atlas Collaboration 2012)
Vaikka lisää testejä tarvitaan, jotta saadaan varmistettua, että tämän hiukkasen vuorovaikutus muiden aineen muotojen kanssa vastaa standardimallin ennusteita, tämä löytö on todellinen voitto reduktionistiselle tieteelle. Kuten 2000-luvun versio kemiallisesta jaksollisesta järjestelmästä, tämäkin johtaa ensimmäistä kertaa kokonaisvaltaiseen kuvaukseen – kaikesta tunnetusta aineesta ja voimista. Siitä huolimatta hiukkasfyysikot eivät ole läheskään yhtä tyytyväisiä tähän standardimallin viimeiseen vahvistukseen. Vaikka standardimalli onkin sisäisesti johdonmukainen kuvatessaan kaikkea tunnettua hiukkasfysiikkaa, se riippuu kahdestakymmenestäseitsemästä eri parametristä (esimerkiksi kahdellatoista on kahdentoista perusalkeishiukkasen massat), joista jokainen täytyy määrittää kokeellisesti. Syvempää periaatetta niiden arvojen selittämiseen ei tunneta.
Lisäksi kosmologiset havainnot kiertoradoista galaksien ryppäissä ja maailmankaikkeutemme kiihtyvästä laajenemisesta ovat johtaneet näkemykseen, että vain vähän alle 5 % maailmankaikkeuden massaenergiasta koostuu tunnetusta (standardimallin) aineesta, josta suurin osa on kaasua ja tomua. Jäljelle jäävästä osuudesta noin 26,8 % on pimeää ainetta (sellaista ainetta, joka ei vuorovaikuta valon tai sähkömagnetismin kanssa eikä siten ole suoraan havaittavissa perinteisessä tähtitieteellisessä mielessä) ja 68,3 % pimeää energiaa (nimi viittaa maailmankaikkeuden kiihtymistä aiheuttavaan hajaantuneeseen energialähteeseen, mikä se sitten onkin).
Näistä syistä suurin osa hiukkasfyysikoista uskoo, että tarvitaan syvempi yhtenäistämisen taso kuin mihin standardimalli yltää. ”Kaiken teorian” etsintä – yhden teorian, joka kuvaisi kaikki tunnettuja (ja tällä hetkellä havaitsematta olevia) hiukkasia ja voimia johdonmukaisessa yhdistetyssä kokonaisuudessa – on saanut osakseen teoreettisten fyysikoiden huomion yli kolmen vuosikymmenen ajan. Yksinkertaisin suuren yhdistämisen malli, joka yhdistää sähköheikon ja vahvan voiman, ennusti että protoni ei olisi stabiili vaan hajoava pitkän, mutta todennäköisesti havaittavissa olevan elinkaaren aikana. (Georgi & Glashow 1974) Merkkejä tästä hajoamisesta ei kuitenkaan löydetty myöhemmissä kokeellisissa etsinnöissä. Sen sijaan protonin elinkaarelle saatiin asetettua alarajoja (Amsler et al. 2008).
Monia muitakin suuria yhtenäisteorioita on sen jälkeen rakenneltu, joista kullakin on ollut omat ennusteensa matalan energian (ja joskus varhaisen maailmankaikkeuden) fysiikalle. Supersäieteoriaa pidettiin alun perin lupaavimpana suurena yhtenäisteoriana (Ellis 1986), kun se sisälsi lupauksen yhdistää myös painovoima muihin voimiin kvanttimekaniikan kanssa johdonmukaisella tavalla.
Tieteellisen yhteisön pettymykseksi mitään näyttöä ei ole kuitenkaan tähän mennessä löytynyt näiden teorioiden hyväksi. Suurelle yhtenäisteorialle on sen sijaan saatu määritettyä vain erilaisia empiirisiä raja-arvoja ja rajoitteita. Vaikka monet toivovat, että LHC-hiukkaskiihdyttämö paljastaisi tulevaisuudessa aivan uusia ilmiöitä, ei voida taata, että mitään standardimallin ylittävää löydettäisiin.
Reduktionismi tuo esiin laidasta laitaan olevia reaktioita tieteellisessä yhteisössä. Monien ei-teistien mielestä tällainen lähestymistapa (joka on vahvistettu ainakin standardimallin menestyksellä) sulkee lopullisesti jokaisen aukon, jota toiveikkaat uskovat saattavat pitää todisteena jumaluudesta. Jumalaan uskovat puolestaan ovat useimmiten pitäneet reduktionistisessa fysiikassa näkyvää syvää matemaattista älykkyyttä joka tulee näkyväksi reduktionistisessa fysiikassa, Luojaa tukevana evidenssinä, joka osin heijastaa Jumalan mieltä niille, jotka haluavat nähdä (ks. esim. Polkinghorne 1991).
Täytyykö luonnontieteen ja teologian seistä leveän älyllisen kuilun vastakkaisilla puolilla? Vai olisiko tässä mahdollisuus rakentaa siltaa uudelle ymmärrykselle? Mitkä, jos mitkään, ovat reduktionismin rajat? Kuinka tiedettä tehdään sellaisten rajojen puitteissa? Mitä metafyysisiä tulkintoja voidaan tehdä tässä tapauksessa? Onko toisaalta mahdollista ylittää jotenkin käsityskyky ja kuitenkin käsittää, että sama Luoja, joka arvostaa matemaattista eleganssia, rakastaa myös luomakuntaa uhrautuvasti? Miten standardimallin Jumala on Golgatan Jumala?
Kvantittuminen
Yksi 1900-luvun fysiikan keskeinen reduktionistisesta paradigmasta seurannut opetus oli, ettei luonnollinen maailma ole palautettavissa kokonaan atomeihin. Paikalliset atomit, ytimet ja subatomiset hiukkaset voivat käyttäytyä kuin laajennetut aallot, ja delokalisoituneet aaltomaiset ilmiöt, kuten valo, voivat käyttäytyä kuin hiukkaset. Tätä skitsofreenista aalto/hiukkas –käyttäytymistä on kuvattu kvanttimekaniikassa (ks. esim. Griffiths 2014). Standardimalli on kvanttiteoria, tai tarkemmin sanottuna kvanttikenttäteoria, joka käsittelee pistemäisiä hiukkasia kenttien kvanttivirittymisinä; esimerkiksi fotonia voidaan käsitellä sähkömagneettisen kentän kvantittuneena virittymisenä, tai yksinkertaisemmin pikkuruisena “valopakettina”.
On tosiaan niin, että perustavanlaatuiset luontoa hallitsevat lait hämärtävät erottelua yksittäisten asioiden ja niiden ympäristöjen välillä. Tätä alajärjestelmien erottelun hämärtymistä itse järjestelmästä kutsutaan ”lomittumiseksi” ja sitä kuvaavaa teoriaa kutsutaan ”kvanttimekaniikaksi”. Kvanttimekaniikalla on yllättäviä seurauksia sen kannalta, miten ymmärrämme luonnollista maailmaa. Se on niin voimallinen, että se muuttaa jokapäiväisestä elämästä tuntemiamme todennäköisyyden lakeja. Mietipä kahta käypää kolikkoa, joista toinen annetaan Ainolle ja toinen Pekalle. Annetaan kummankin heittää ilmaan heille kuuluvat kolikot. Toistetaan tätä monia kertoja ja pidetään kirjaa tuloksista. Jos Aino saa kruunan, Pekalla on 50/50 mahdollisuus saada kruuna tai klaava riippumatta siitä, mitä Aino saa. Ja päinvastoin. Tämä on normaalia satunnaisen prosessin käyttäytymistä jokapäiväisessä maailmassa.
Mietipä nyt, mitä tapahtuisi, jos olisi mahdollista kvanttimekaanisesti lomittaa kolikot. Tulokset voisivat olla hätkähdyttävän erilaisia. Yhdessä mahdollisessa lomittumisen muodossa (joita on monia) Ainolla on 50/50 mahdollisuus saada kruuna – mutta aina silloin kun hän saa kruunan, Pekka saa myös kruunan. Ja aina kun hän saa klaavan, Pekkakin saa klaavan. On ikään kuin jokainen kolikko ”tietäisi” mitä toinen on tekemässä, vaikka kolikot eivät lähetä signaaleja toisilleen. Jokainen kolikko säilyttää sen yksilöllisen koskemattomuuden – jokaiselle kolikolle kruuna tulee yhtä usein kuin klaava, 50/50 todennäköisyydellä. Silti ei ole mahdollista saada kruuna/klaava tai klaava/kruuna –yhdistelmiä. Lomittunut kolikkopari ei käyttäydy kuin kaksi erillistä kolikkoa, vaan ennemmin kuin järjestelmä, joka ilmentää ”yhteenkuuluvuutta erillisyydessä”. Kokonaisuus on tosiasiassa suurempi kuin sen osien summa.
Voidaan osoittaa, että tällaisesta holistisesta kvanttilomittumisen piirteestä seuraa itse olemassaoloon tietynlaista monimerkityksisyyttä tai epämääräisyyttä, joka ei kyseenalaista vain maalaisjärkeä, vaan myös kaikki totutut tavat ajatella tieteestä itsestäänkin. (ks. aiheesta esim. d’Espagnat 1999). Tämä on huolestuttanut monia fyysikoita, tunnetuimpana Albert Einsteinia, joka kieltäytyi uskomasta, että luonto voisi olla sellainen. (ks. aiheesta Bub 2010) Kuitenkin tällainen pelottava keskinäinen kytkös on toistuvasti todennettu laboratorioissa ympäri maailman, yleisimmin polarisoiduilla fotoneilla, jolloin ”kruuna” on vasenkätisesti ja ”klaava” oikeakätisesti ympäripolarisoitunut fotoni. Kun lähetetään tietyn taajuista valoa epälineaarisen kristallin läpi, tuloksena voi olla fotonipari pienemmällä taajuudella (prosessi, joka tunnetaan englanniksi nimellä ”spontaneous parametric down-conversion”). Osalla näistä pareista ovat fotonien polarisaatiot kytkeytyneet, mikä tarjoaa vahvistusta edellä esitetylle oudolle kolikonheittotapahtumalle. (Aspect et al. 1981)
Kvanttilomittumisen seuraukset ulottuvat syvälle. Käytännön tasolla sitä voidaan hyödyntää informaation koodaamisessa ja lähettämisessä täysin uusilla tavoilla. Ilmiön sovellukset ovat synnyttäneet kokonaisen uuden tutkimusalueen, joka tunnetaan ”kvanttilaskentana”. Sen tavoitteena on hyödyntää kvanttiteorian ominaisuuksia informaation lähettämisessä, koodaamisessa ja prosessoimisessa. Tällä hetkellä tutkimusalue on vielä melko nuori, mutta nopeaa kehitystä on tapahtunut. Rima on asetettu korkealle, kun on visioitu esimerkiksi rikkoutumattomia turvallisuuskoodeja, teleportaatiota ja muutoin ratkaisemattomien matemaattisten ongelmien ratkaisemista tulevana tuotoksena tähän liittyen. (Ks. aiheeseen liittyvänä johdantona Nielsen & Chuang 2004)
Kvanttilomittumisella on myös syvälle ulottuvia filosofisia seuraamuksia, jotka seuraavat siitä, että kytkeytymisilmiöt ovat keskeinen olemassaolon piirre. Piirre on niin keskeinen, että hiukkasten ja kappaleiden suhteet voivat tuottaa vaikutuksia, joita sen enempää hiukkaset kuin kappaleetkaan eivät yksinään kykenisi tuottamaan. Luonto on olennaisella tavalla suhteellinen. Tässä keskustelu saattaa kääntyä teologiseksi, sikäli kuin tämä piirre on jotain, jota saatamme odottaa Luojansa luonteenlaatua heijastavalta luomakunnalta – ja jonka Luoja on Isänä, Poikana ja Pyhänä Henkenä syvimmältä olemukseltaan persoonallinen ja suhteellinen Jumala.
Teologit ovat vuosisatojen ajan kamppailleet vastaavan tyyppisen ongelman kanssa, jonka luonnontieteilijät ovat kohdanneet kvanttilomittumisessa, nimittäin Kolminaisuuden luonnon ymmärtämisessä. Perikoreesi on häikäisevän paradoksaalinen ajatus. Sillä viitataan vuorovaikutteiseen toimintaan ja Kolminaisuuden persoonien toisensa läpäisevyyteen. 700-luvun syyrialainen kristitty munkki Johannes Damaskolainen kuvasi sitä kuin yhteenkietoutumiseksi keskinäisen rakkauden synnyttämässä yhteydessä (ks. Zizioulas 2010). Kolminaisuuden Persoonat eivät ole vain yhden Persoonan erilaisia puolia; tällainen näkökulma ei tekisi oikeutta vaikkapa Jeesuksen kasteen ymmärtämiselle. Eivätkä ne ole niin erillisiäkään kuin vaikkapa kolmen jumalan komitea, jollaiseksi jumalat pelkistyisivät polyteismissä. Perikoreesi ennemminkin julistaa sekä Isän, Pojan ja Pyhän Hengen yksilöllistä koskemattomuutta että yhden todellisen Jumalan jakamattomuutta.
Tässä on uutta aluetta, jolla luonnontiede ja kristillisen usko voivat käydä vuoropuhelua (Polkinghorne 2007). Itse asiassa hedelmällistä ja stimuloivaa dialogia on käytykin luonnontieteilijöiden ja teologien kesken perikoreesin ja lomittumisen samantapaisista piirteistä. Luonnontieteilijät, kuten Anton Zeiling ja Jeffrey Bub ja teologit, kuten Sarah Coakley ja John Zizioulas ovat yhdessä fyysikosta anglikaanipapiksi siirtyneen John Polkinghornen johdolla suorittaneet tutkimusta näistä asioista. Käynnissä on aito teologinen ja tieteellinen vuoropuhelu, joka on siirtynyt varsin kauas perinteisistä konflikti/apologetiikka -asetelmista. (Polkinghorne 2010)
Jos puhutaan käytännöllisemmällä tasolla, niin kvanttilomittumisen taloudelliset ja yhteiskunnalliset vaikutukset ovat uudenlaisia ja mahdollisesti pitkällekin ulottuvia. Kvanttilaskenta tulee radikaalisti muuttamaan sitä, miten varastoimme, lähetämme ja prosessoimme informaatiota. Kysymys, miten hyödynnämme tätä uutta teknologiaa, menee väistämättä kauas luonnontieteen ulkopuolelle. Kohdatessamme uusia vaihtoehtoja, meillä on uusia mahdollisuuksia olla suolana ja valona maailmassa. Tieteen ja uskon dialogi sellaisen uuden informaatioteknologian kunnollisesta käytöstä on (kuten muidenkin luonnontieteen sovellusten kohdalla) ehkä jopa suurempi merkitykseltään kuin asiaan liittyvä teologisen ymmärryksemme kehitys.
Tämä Robert Mannin artikkeli on alunperin julkaistu englanniksi Perspectives on Science and Christian Faith –lehdessä vuonna 2014 otsikolla Physics at the Theological Frontiers. Alkuperäisestä artikkelista poiketen suomennos on julkaistu ilman alaviitteitä. Alaviitteiden sisältö on luettevissa alkukielisestä artikkelista. Artikkelin ensimmänen osa on luettavissa täältä ja kolmas osa tiistaina 13.12. 2016. Suomennos: Jaakko Sorri.
Päivitys 9.12. klo 9.24: ”kvanttikietoutuminen” vaihdettu ”kvanttilomittumiseen”.
Kuva: Samuel Zeller@Unsplash.com. CC0.