Fysiikan kannalta universumi ei näytä sattuman tulokselta: Useimmat perustavat fysiikan vakiot, lakien muoto, sekä universumin alkutila ovat jostain syystä elämän sallivalla alueella, ja tämä alue on erittäin pieni. Tätä havaintoa kutsutaan kosmiseksi hienosäädöksi (elämää varten). Kahden fyysikon tuore dialogikirja valottaa aihealueen nykytilaa.

Kaksi rentoa australialaista kosmologia, professori Geraint Lewis ja tutkija Luke Barnes, ovat kirjoittaneet fysiikan hienosäätöargumentista tuoreen kirjan A Fortunate Universe – Life in a Finely Tuned Cosmos (Cambridge University Press, 2016).

Lewis on alansa tunnettu professori ja Barnes yksi parhaimpia asiantuntijoita fysiikan hienosäädöstä elämää varten. Barnes on kristitty, joka selittää hienosäätöä Jumalan toiminnalla, kun taas Lewis selittää sitä multiversumilla. Kirja on heidän keskustelunsa aiheesta.

Yleisellä tasolla hienosäätö on fysiikan termi, joka viittaa tilanteeseen, jossa jollain teorian tai mittalaiteen parametrilla on suuri mahdollinen vaihteluväli, mutta tietyn asian aikaansaamiseksi parametri täytyy säätää hyvin tarkasti, sen mahdollista vaihteluväliä huomattavasti pienemmälle alueelle. Esimerkiksi analogisen radion vastaanottotaajuus täytyy säätää melko tarkasti jotta kuulee tietyn radiokanavan. Hienosäätö elämää varten tarkoittaa sitä havaintoa, että fysiikan vakioiden ja universumin alkutilan täytyy osua kaikkien mahdollisuuksien joukosta hyvin pieneen alueeseen jotta elämä olisi universumissa mahdollista.

Kirjassa on vajaat 400 sivua, joista noin kaksi kolmasosaa käytetään hienosäätö-aineiston läpikäymiseen. Koska hienosäätöä elämää varten havaitaan niin monella fysiikan tasolla, kirja on samalla erinomainen modernin fysiikan esittely. Ymmärrettävä, rento, ja riittävän tarkka kerronta ulottuu Schrödingerin kissasta ja dekoherenssista universumin alkuhetkiin ja kosmisen inflaation etuihin ja ongelmiin.

Kirja alkaa aineen perusosasten tarkastelulla: Mitä ovat atomit ja molekyylit, mistä ne on tehty, ja paljonko perusosasten (kvarkkien ja leptonien) massoja voidaan muuttaa jotta alkuaineita olisi vielä riittävästi. Seuraavaksi käsitellään fysiikan voimia eli vuorovaikutuksia. Feynmanin diagrammien esittelyn jälkeen tarkastellaan, tarvitaanko kaikkia vuorovaikutuksia ja millä vuorovaikutusten vahvuuksilla universumissa voi olla energiaa antavia pitkäikäisiä tähtiä ja toisaalta alkuaineita, galakseja ja planeettoja, sekä toimivaa kemiaa.

Seuraavaksi tarkastellaan energiaa ja entropiaa. Universumin on täytynyt lähteä hyvin järjestäytyneestä tilasta, ja toisaalta elämä tarvitsee käyttöönsä pitkäkestoista energiaa. Nämä molemmat asettavat universumin noudattamalle fysiikalle tarkahkoja ehtoja. Sekä entropian että energian esittely on kirjassa syvällistä ja osaavaa, eikä esimerkiksi entropian kasvua pidetä itsestään selvästi ajan suunnan määrittäjänä.

Viides luku käsittelee universumin laajenemista. Avaruusajan kaareutuminen ja tyhjiön olemus esitellään ymmärrettävällä tavalla ja tästä edetään pienellä huumorilla pimeään energiaan, inflaatioon ja näiden edellyttämään hienosäätöön. Universumin tulee laajeta riittävästi, mutta toisaalta ei liian nopeasti, jotta galakseja, tähtiä ja planeettoja voi muodostua. Myös universumin massatiheyden vaihtelun tulee olla sopiva rakenteiden muodostumiselle. Kosminen inflaatio käsitellään lyhyesti mutta systemaattisesti: mitä se on, miksi siihen uskotaan, mitä se vaatii toimiakseen, ja miten inflaatiomallien perhettä täytyy tällä hetkellä hienosäätää jotta universumi alkaa oikein.

Seuraavaksi kirja sukeltaa symmetrioiden tärkeään ja kauniiseen tarinaan: symmetrioista seuraa fysiikassa säilymislakeja. Toisaalta symmetriat usein rikkoutuvat, ja onneksi näin on käynyt meidän universumissamme: materiaa oli ja on sopivasti enemmän kuin antimateriaa, muuten ainetta ei olisi.

Viimeinen hienosäätöhavaintoja käsittelevä luku käsittelee tarkemmin ulottuvuuksien määrää ja sitä, miksi elämä tarvitsee kolme efektiivistä paikkaulottuvuutta ja yhden aikaulottuvuuden.

Kirjoittajien mukaan fysiikan hienosäätö elämää varten on tieteellinen tosiasia, jota kymmenien vuosien tutkimus ja mahdollisten syvempien lakien tarkastelu on vahvistanut. Kirjan loppuosa käsittelee sitä, miten tämä tosiasia voidaan tulkita. Lewis kannattaa multiversumia, Barnes suunnittelua. Asia aloitetaan käsittelemällä tusinan verran huonompia reaktioita hienosäätöön: emme tiedä todellista vaihteluväliä, hienosäätöparametrien yksiulotteinen tarkastelu on virheellistä ja niin edelleen.

Kirjan viimeinen luku on kohtelias keskustelu Lewisin ja Barnesin välillä. Lewis esittelee multiversumiselityksen hienosäädölle ja Barnes käsittelee selityksen ongelmia. Barnes esittelee Jumala-selityksen hienosäädölle, ja Lewis esittää kohteliaita kysymyksiä ja kokemiaan ongelmia Jumala-selityksessä.

Lewisin esittämä multiversumi on hieman muokattu jatkuva inflaatio, joka tuottaisi universumeita, jotka saisivat ominaisuutensa säieteorian mahdollisten ratkaisujen maastosta. Näitä ratkaisuja ajateltiin olevan 10^500, vaikkakin tätä tulosta on sittemmin kritisoitu. Barnesin ongelmat multiversumiselityksen suhteen ovat mm. todisteiden puute multiversumille, periaatteellinen mahdottomuus havaita toisia universumeita, sopivien multiversumimekanismien valikointi (multiversumin hienosäätö), sekä Boltzmannin aivot.

Mitä ovat Boltzmannin aivot? Suurin osa multiversumiselityksistä pohjautuu jonkinlaisessa termisessä tasapainotilassa tapahtuviin heilahduksiin, fluktuaatioihin, pienemmälle entropian tasolle. Nämä tuottavat valtavan paljon todennäköisemmin pieniä järjestyksen saarekkeita. Multiversumissa olisi hyvin, hyvin paljon todennäköisempää, että havaitsija olisi itse asiassa vain aivojensa kokoinen järjestyksen saareke, joka ainoastaan luulee havaitsevansa järjestäytyneen universumin. Tällaista havaitsijaa kutsutaan Boltzmannin aivoksi.

Lewis pitkälti myöntää multiversumiselityksen ongelmat, mutta kokee, että multiversumimalleja voidaan jatkossa mahdollisesti, mikäli todennäköisyyksiä voidaan mielekkäästi käyttää jatkuville äärettömille joukoille, vertailla tämän universumin yleisten ominaisuuksien perusteella: se multiversumi on todennäköisempi, joka tuottaa todennäköisemmin tämän universumin.

Barnes vuorostaan käsittelee sitä, miten hienosäätö viittaa suunnitteluun ja Jumalaan. Barnes pitää selitystä tieteen ulkopuolisena, mutta tieteelle tarpeellisena.  Barnes tähdentää, että Jumala-selitys ei ole tieteen kilpailija, vaan sen taustalla. Tiede sopii teismiin. Barnesin mukaan teismi on siis varsinaisesti vastakkain naturalismin, ei tieteen, kanssa. Barnes esittelee Richard Swinburnen työtä siitä, miksi on oletettavaa, että hyvä Jumala haluaisi luoda havaitsijoita ja suurinpiirtein tällaisen universumin, mutta huomauttaa, että koska elämän salliva parametrialue on niin pieni, ja sattumalle epätodennäköinen, selittääkseen hienosäädön, teismi ei sinällään tarvitse suurta todennäköisyyttä sille, että Jumala haluaisi luoda havaitsijoita.

Barnes jatkaa Leibnizin kosmologiseen argumenttiin, eli siihen, että lopulta naturalismin alla universumille ei tule olemaan selitystä, kun taas Jumala välttämättömänä asiana on järkevä lopullinen selitys universumille ja sen perimmäisille luonnonlaille. Lewisin kritiikki liittyy pääosin siihen, että havaitsemamme universumi ei joiltain osiltaan näytä hyvän Jumalan aikaansaannokselta: siinä on pahaa ja tuhlailevia, väkivaltaisia prosesseja. Barnes esittää tavalliset vastaukset näihin: vapauden mahdollistaminen edellyttää pahan mahdollistamista, naturalismilla on myös pahan (ja hyvän) ongelma, ja väkivaltaiset prosessit ovat usein tarpeellisia jonkun suuremman hyvän aikaansaamiseksi.

Kirja on oikein hyvä esitys modernista fysiikasta ja yksi parhaita yleisteoksia fysiikan hienosäädöstä. Myös tieteen- ja uskonnonfilosofinen perehtyneisyys näkyy, filosofisesta keskustelusta ollaan hyvin perillä ja määritelmissä ja argumenteissa ollaan riittävän tarkkoja. Kirjoittajat eivät halveksi filosofiaa tai teologiaa ja siksi ajattelu on tälläkin alueella tarkempaa. Kirja on kirjoitettu rennolla otteella ja sitä oli ilo lukea.

Luulenpa, että juuri tällaiset teokset ovat tarpeellisia myös matemaattis-luonnontieteellisten aineiden suosion kannalta (kovien tieteiden suosio on valitettavasti ollut selvässä laskussa): tiede ei ole pelkkää listadataa, vaan siihen liittyy suurta tarinaa ja merkitystä. Ympäristö- ja biotieteillä on oma merkityksensä ja tarinansa, ja ne kiinnostavatkin nuoria, mutta itse asiassa fysiikan tarina saattaa olla näitä paljon merkittävämpi.

Pidätkö lukemastasi? Jos, niin harkitse Areiopagin tukemista.

Kuva: Kalle Hyttinen@Flickr.com. CC BY-NC 2.0.