Miksi on monia rinnakkaistodellisuuksia

Havainnoista tieteellisesti

Tutkitaan valoa taskulamppuesimerkillä. Ajatellaan, että olemme tarkastelemassa taskulamppua tyhjiössä, jonka seinät eivät lainkaan heijasta valoa (tai niin kaukana, että valo ei ehdi heijastuksen jälkeen palata tarkastelun aikana).

 Halpaan menit. Kuva ei nimittäin olisi lainkaan tällainen. Kuvan tulisi olla itse asiassa täysin musta. Taskulamppu ei nimittäin näkyisi, mikäli se suuntaisi valoa vain eteenpäin, eikä sen enempää pitäisi näkyä valoakaan. Valon näkymättömyys onkin eräs valon ominaisuuksista.

Kuva on kuitenkin tavallaan hyvä, sillä siinä voidaan havaita valoa heijastavan pinnan harveneminen, mitä ei voitaisi tietenkään havaita täysin mustasta mallikuvasta. Tämä voidaan havaita esimerkiksi pingistä pelatessa hämärässä, jolloin pallon liikerata alkaa muuttua epäselvemmäksi, kun ilta pimenee (valon määrä vähenee). Eli kun kuljemme tarpeeksi kauas valosta niin se alkaa välkkyä. Mikäli meillä on sammakko, joka on opetettu pomppaamaan aina kun se havaitsee valoa niin taskulampun edessä se pomppisi reidensä järkyttäville hapoille sillä se havaitsisi valoa jatkuvasti (miläli sammakko ei räpyttelisi silmiään). Jos vaikkapa suuntaamme taskulampun valokeilan kuuhun jonne olemme vieneet samaisen sammakon niin sammakko pomppisi vain erittäin pitkien aikajaksojen välein (siis mikäli sammakko kestää kuun olosuhteet, mistään muualta ei tule valoa, valo pääsisi mukavasti läpi ilmakehästä...). Kuvasta herääkin kysymys: Voiko valo harventua kuinka harvaksi tahansa, jossakin äärellisessä tilassa? Tätä voidaan tutkia aukko kokeella, joka on esitelty kuvassa

Kysymys muuttuukin muotoon: Voiko valokeilan varjostimella olevan alan pinta-ala olla miten pieni hyvänsä, kun varjostimia lisätään. Vastaus on tietenkin: ei. Ymmärrämme valon koostuvan fotoneista. Fotonia ohuemmaksi emme voi valon sädettä saada. On kuitenkin ilmiselvää, että asettaessa levyjä enemmän valo alkaa vilkkua, koska valo taipuu reiästä päästyään (sitä enemmän mitä ohuempi reikä varjostimessa on) ja tällöin tarpeeksi kauan levittyään enää vain harvakseltaan fotoneja kulkee reiästä. Tämä taipuminen eli diffraktio on tuttu ilmiö esimerkiksi hilojen yhteydessä diffraktion interferenssin aiheuttamista valomaksimeista mikä on esitetty kuvassa 

Valoa voidaan käsitellä myös kuten aaltoa ja kuva on tehty sen perusteella. Kuvassa valonsäde tulee hilaan (jokainen pystyviiva kuvaa aallon huippua) eli sellaiseen levyyn jossa on tässä tapauksessa kaksi aukkoa. Läpäistessään hilan alltojen huiput taipuvat ympyrän kaaren muotoiseksi. Kun näin tapahtuu kahdesta reiästä tulevalle valonsäteelle niin aallot kohtaavat. Mieti hetki itseäsi kylpyammeessa läikyttämässä veden pintaa. Aallot tuhoutuvat kun huippu ja pohja kohtaavat. Vastaavasti aalto vahvistuu kun kaksi huippua kohtaavat. Samalla tavalla kuviossa huippuja esittävät ympyrän kaaret kohtaavat ja aiheuttavat valomaksimeja varjostimelle. Mielenkiintoinen piirre kuitenkin on, että nämä valomaksimit saadaan myös silloin, kun valon lähde lähettää vain yhden fotonin hilaa kohti. Kuitenkin, niin kuin totesimme, reikiä ollessa vain yksi, tilanne on täysin normaali. Fotoni ei myöskään voi hajota pienempiin osiin, sillä erityiset ilmaisimet kertoisivat, mikäli raosta kulkisi hajonneen fotonin osa. 

Olemme kuitenkin saaneet selville, että yhden fotonin kulkiessa hilasta:

1. Fotoni kulkee yhden raon läpi ja interferoi jonkin kanssa, minkä takia fotoni muuttaa suuntaa rakojen määrästä ja rakojen etäisyydestä toisiinsa riippuen. 
2.  Interferoivat oliot ovat kulkeneet muiden rakojen läpi. 
3.  Interferoivat oliot käyttäytyvät täysin samoin kuin fotonit lukuun ottamatta sitä, että ne ovat näkymättömiä, eivätkä näy tunnistimissa.

Nämä oliot ovat eräänlaisia pimeäfotoneja, joita voidaan havaita ainoastaan interferenssissä havaittavien fotonien kanssa. Voimme siis päätellä, että tällaisia pimeäfotoneja kulkee aina havaittavien fotonien kanssa enemmän kuin havaittavia fotoneja, sillä lähetettäessä yksi fotoni hilaan, jossa on neljä rakoa, voidaan interferenssi havaita edelleen. Kuinka paljon tarkalleen näitä pimeäfotoneja on? Kokeellisesti ei ole mahdollista saada selville tätä ylärajaa, mutta jokin alaraja on määritettävissä. Nimittäin laboratoriossa suurin laserin valaisema pinta-ala on neliömetri ja siihen tehtävien reikien pienin käytännöllinen halkaisija on mikrometri. Tällöin varjostimeen saadaan 10¹² (biljoona) mahdollista reiän paikkaa ja näin ollen havaittavan fotonin yhteydessä kulkee vähintään biljoona pimeää fotonia.

Edellinen päätelmä on kuitenkin pätevä vasta, kun ymmärretään, mikä pimeäfotoni on. Pimeäfotonissa on mullistavaa se, että se on itse asiassa toisen todellisuuden olio. Pimeäfotonit ovat nimittäin olioita, jotka käyttäytyvät samalla tavalla kuin havaittavat fotonit olisivat voineet käyttäytyä, mutta ei käyttäytynyt näin. Kvanttimekaniikka käsitteleekin siis pohjimmiltaan todellisen ja mahdollisen vuorovaikutusta. Interferenssi onkin siis vain erikoistilanne, jossa fotonin ja sitä vastaavien pimeäfotoneiden radat erkanevat vain hetkeksi ja yhtyvät uudelleen (erkanevat, saapuvat hilaan ja muodostavat maksikin varjostimelle).  Interferenssin havaitseminen edellyttää kaikkien näiden maailmankaikkeuksien välistä vuorovaikutusta hiukkasten, joiden paikat ja muut ominaisuudet eivät ole samat. Fotonilla on siis oma maailmankaikkeus, jossa se voidaan havaita vain saman maailmankaikkeuden olion kanssa. Vastaavasti muiden maailmankaikkeuksien fotonit voidaan havaita meidän maailmankaikkeudessa vain interferenssissä.

Interferenssi ei kuitenkaan ole vain fotoneiden erikoisominaisuus, nimittäin kvanttimekaniikka ennustaa (ja kokeellisesti voidaan osoittaa), että interferenssiä tapahtuu kaikilla hiukkasilla. Esimerkiksi elektroneja on suihkutettu hilaan jonka takana oleva valokuvauslevy on valottunut aaltomaisesti (aalto on Schrödingerin yhtälön mukainen). Näin ollen jokaisella neutronilla on myös useita pimeitä neutroneita. Pimeähiukkaset voidaan myös havaita vain epäsuorasti havaittavien hiukkasten kanssa. Voidaan siis todeta, että todellisuus on paljon suurempi kuin mittalaitteidemme havaitsema todellisuus (Todellisuuden rakenne. David Deutch. 2007).

Katsotaampa vielä teoriaa kaiken käytännön keskelle. Stephen Hawking keksi ajatella koko maailmankaikkeutta hiukkasena, jolla siis olisi aiemmin mainittujen hiukkasten ominaisuuksien mukaan rinnakkaismaailmankaikkeuksia. Tämä tarkoittaa, että maailmankaikkeudella on ääretön määrä mahdollisia maailmankaikkeuksia. Tämä on esitetty kuvassa

Korvaammekin nyt maailmankaikkeuden multiuniversumin käsitteellä, sillä kuten huomaamme multiuniversumi on kaikkien maailmankaikkeuksien kokonaisuus (Hyperavaruus. Michio Kaku 1996). Tämä voidaan esittää myös toisenlaisella kuvalla

 (Todellisuuden rakenne. David Deutch. 2007)

Tämä kuva on jo vaikeampi. Siinä kuvat esittävät hetkiä eli hetkellisiä kvanttimekaanisia fysikaalisia tilanteita. Koska aika on kvanttiutunut, niin yksi kuva on aina fysikaalinen tilanne planckin ajalla eli pienimmällä mahdollisella ajanjaksolla (10^-44s). Havaintomme kuitenkin paljastaa vain yhden kaikista maailmankaikkeuksista, koska emme voi havaita kuin omaa maailmankaikkeuttamme ilman interferenssiä (Kaku 1996 ja Deutch. 1997).

Havaintojen merkityksestä filosofisesti

Tutustumme seuraavaksi teoreettisen fyysikon David Deutchin tulkintaan filosofi Karl Popperin ratkaisusta induktion ongelmalle ja tämän avvulla tutkimme fysikaalista aineistoamme.

Olemme nyt havainneet outoja ilmiöitä hiloissa, mutta miten oikeutamme havaintojemme pohjalta multiuniversumiselityksen? Filosofi David Hume esitti kritiikkiä kaikille teorioille, jotka pohjautuvat havainnoille väittämällä kaikkien tämänlaisten teorioiden pohjautuvan kausaaliselle tapahtumien väliselle yhteydelle, jota ei voi havaita (tapahtumien välinen kausaalisuus ei tarkoita muuta kuin, että a=>b, eli jos tapahtuu a niin siitä seuraa b ja tätä seurausta => ei Humen mielestä voinut mitenkään havaita). Käytännössä esimerkiksi voitaisiin havaita, että lappiin matkustaessa aurinko paistaa kellonympäri ja näin tapahtuu toistuvasti, kunnes kerran matkustamme sinne kaamosaikaan ja huomaamme, ettei aurinko paista lainkaan päivänaikana. Kaaviokuvan mukainen teorian tekeminen ei siis ole pätevää

 

Tätä epäpätevyyttä kuvaa induktion ongelma, joka käytännössä tarkoittaa, että ei ole mahdollista havaita tapahtumien välttämättömyyttä tapahtumien välillä, mikä antaa havainnoista muodostetulle teorialle loogisen epäpätevyyden.

Emme siis voi oikeuttaa mitään teoriaa pelkkien havaintojen avulla niinkiun esimerkistä kävi ilmi. En voi käsittää, että miksi monet pitävät fysikan tutkimusmetodeja induktivistien ajattelutavalla mukaisena. Perusteluja fysiikan vastakkaisuuksia induktivismille:

1. Eihän nimittäin yleistetty ennuste ole mikään uusi teoria. Rinnakkaismaailmankaikkeuksien tapauksessa emme esimerkiksi havainnet ensin yhtä maailmankaikkeutta sitten toista ja kolmatta ja päätelleet tästä, että niitä on vähintään 10^12. 
2. Induktivistien mukaan eräs menetelmä, joka voidaan oikeuttaa havainnoista on ekstrapolointi. Voimmeko muka väittää, että Lappiin matkustaja voi tehdä saman johtopäätöksen valoisuudesta, jos hän käy lapissa aina juhannuksena tai jos hän käy aina lapissa kaamosaikaan. Emme tietenkään, mutta mikä pelastaa meidät lapinmatkustajan tekemiltä johtopäätöksiltä on teoria. Itseasiassa koko ekstrapoloiminen ei nimittäin ole mahdollista mikäli ei aseta havaintoja jollekkin teoriapohjalle. Sama selitys kieltää tällöin myös ekstrapolaation toimimisen pelkkien havaintojen pohjalta.

Mihin sitten teoriamme kuuluisi pohjautua? Se perustuu parhaimpaan mahdolliseen aikaisempaan teoriaan, eikä havaintoluetteloon niinkuin induktivismissä. Itse teoriaankaan ei päästä havaintoluettelosta vaan ongelmasta. Ongelma ei tässä tarkoita mitään olen vessassa eikä täällä ole vessapaperia tapaista hätää, vaan parhaan mahdollisen teorian riittämättömyyttä, suppeutta, raskautta tai ristiriitaisuutta. Tarkasti tämä tapahtuu seuraavan kuvan mukaisesti
Tutkitaanpa seuraavaksi kokeellisesti havaitsemamme tulosten muodostusta multiuniversumiteoriaksi. Ongelmana oli valon outo käyttäytyminen hiloissa jota vanha teoria ei kyennyt selittämään. Asettamalla oletukseksi havaintojemme pohjalta  rinnakkaismaailmankaikkeuksien välisen interferenssin löysimme erään selityksen, joka oli paljon aikaisempaa teoriaa laajempi. Seuraavassa blogikirjoituksessa mietimme oliko tämä teoria todella kattavampi ja onko se todella kritiikin kestävä, mutta toistaiseksi oletamme näin.

Tutkimme kuitenkin heti joitain todellisuuden kriteerejä, jotta ymmärrämme, että teoria on vakavastiotettava. Nimittäin on olemassa myös ontologisen antirealismin kantoja kuten solipsismi, jossa ajatellaan, että ihmismielestä riippumatonta todellisuutta ei ole. Tämä kanta on luonnollisesti itseään vastaan sillä mikäli havaitsen muita ihmisiä, jotka ovat solipsismia vastaan, ollessani itse solipsisti ja he ovat vain tietoisuuteni tuotoksia, on "ajattelen siis olen"-lauseen nojalla oltava myös osan minusta muuta kui solipsisti.

Pelkkä solipsismin kieltäminen ei kuitenkaan vielä ole ongelmanratkaisu-prosessin kannalta rittävä peruste kilpailevien teorioiden joukosta sen valitsemiselle, joka sisältää vain sellaisia oletuksia, jotka eivät sisällä mielemme tuotoksen olettamia olioita. Vaikka siis maailma onkin olemassa mielestämme riippumatta, niin mistä tiedämme vaikkapa rinnakkaismaailmankaikkeuksien olevan olemassa.Emme yritä nyt tavoitella mitään totuutta ihmisestä riippumattoman todellisuuden kriteeristä ja ihmisestä riippuvan todellisuuden kriteeristä, mutta muodostamekin todellisuuden kriteerin ja ongelman ratkaisu prosessin välille siteen, joka itse prosessissa tuottaa syvällisempiä ja selittävämpiä selityksiä.

Jos vaikkapa jokin oletettu ratkaisumme sisältäisi seinän, niin mistä voimme olla varmoja, että tämä seinä on olemassa ihmisestä riippumattomasti? Voimme ajatella, että lyödessä pää seinään seinä lyö takaisin. Eli meidän on hyväksyttävä ajatus: jos havaitsemme, että jossain on ikäänkuin seinä (eli se lyö takaisin) niin siinä silloin todella on ihmisestä riippumaton seinä. Ongelmana on, että onko tämä seinä todella teoriamme mukainen seinä, mutta tämä on pikemminkin mahdollisuus kuin ongelmanratkaisu prosessin kaataja, sillä mikäli se ei ole mielestämme riippumaton, niin silloin se näkyy ongelmana ja on prosessin kannalta välttämätön paremman teorian tuottamiseksi, nimittäin teoria on laajempi ja selitävämpi. Miksi tällöin teoria on muka ihmisestä riippumaton? Sen takia, että se selittää monimutkaiisen asian yksinkertaisesti ja vaivattomasti (kutsun tätä teorian kauneudeksi). Siitä kuitenkin seuraa se, että oikeuttaessamme yksityiskohdat ja monimutkaisuudet selittävän yksinkertaisen teorian niin voidaan päätellä että:

Jos asia on yksinkertaisimman selityksen mukaan monimutkainen ja itsenäinen, niin asia on todellinen.

Tämä on laskennallinen kompleksisuuden teoria ja siihen päädymme kunnolla seuraavassa blogikirjoituksessa.

Henrik Villanen