torstai 2. helmikuuta 2012

Kahdenlaista determinismiä

Michio Kaku, eräs maailman arvostetuimpia ydinfyysikoita on sanonut, että kvanttiteoria tuhoaa determinismin ja luo tilaa vapaalle tahdolle. Kvanttifysiikan eräs keskeisimpiä huomioita on se, että jos haluamme mitata alkeishiukkasen sijainnin jollakin tietyllä hetkellä, emme voi tietää että mihin suuntaan se on menossa. Voimme valita, joko tiedämme missä alkeishiukkanen jollain todennäköisyydellä on tai sitten tiedämme jollain todennäköisyydellä että minne se on menossa. Emme yksinkertaisesti voi mitata alkeishiukkasista molempia asioita yhtä aikaa yhtä tarkasti. Tämä oppi tunnetaan Heisenbergin epätarkkuus periaatteen nimellä.

Kyse ei ole mistään kovin maagisesta asiasta kuitenkaan. Kyse on siitä, että jos haluamme mitata missä alkeishiukkanen menee, joudumme ampumaan sitä joillakin säteillä joissa on energiaa. Kyse voi olla valosta tai kyse voi olla magneettikentästä. Kun partikkeli osuu kenttään, kenttä vaikuttaa siihen miten partikkeli käyttäytyy. Kyse on myös ns. mittaamisongelmana tunnettusta ilmiöstä. Mittaaminen vaatii energiaa, energian ampuminen systeemiin muuttaa systeemin tilaa. Mittaamisongelma on myös ihmistieteissä, joka kerta kun ihmistieteilijä esittää kysymyksen tutkimuskohteelleen, hän muttaa kohteensa ajatuksia, tuntemuksia ja saa (mittaustavasta riippuen) tutkittavan miettimään että miksi tätä kysymystä nyt kysytään. Ts. mittaaminen vaikuttaa tutkimuskohteeseen.

Kakun ajatuksessa on pielessä ainakin kaksi asiaa. Ensinnäkin, se että mittalaitteet ovat osa järjestelmää jota ne mittaavat tai pyrkivät mittaamaan, ei tarkoita vielä sitä että maailmassa olisi minkäänlaista tilaa vapaalle tahdolle. Mittalaitteiden tai ihmisten rajoittuneisuus ei ole argumentti sille miten maailmankaikkeus järjestyy kun me emme mittaa sitä.

Toisekseen, se että parinteinen teoria ihmisaivoista algoritmikoneena perustuu sille ajatukselle, että jos järjestelmä on tilassa X silloin kun ympäristö on tilassa Y se tuottaa vasteen Z. Aina kun X ja Y ovat X ja Y vaste on Z. Joka kerta. Sanottakoon tätä nyt sitten klassiseksi Newtonilaiseksi determinismiksi. Kaku väittää yllä että mittaamisongelmassa oleva satunnaisuus tarkoittaa sitä, että determinismiä ei ole ollenkaan.

Väitteen ongelma on siinä että satunnaisuus ei tarkoita non-determinismiä. Jopa satunnaisuudella on säännönmukaisuutensa. Lisäksi, jos mikä tahansa asia puuttuu satunnaisuuden toimintaan systemaattisesti, kyse ei enää ole satunnaisuudesta. Otetaan esimerkiksi perinteinen kolikko. Satunnaisuus tarkoittaa sitä, että vaikka emme voi varmuudella tietää tuleeko viskaamamme kolikko olemaan kruuna vai klaava, tiedämme kuitenkin että jos viskaamme kolikkoa tuhat kertaa, että puolet kerroista kyseessä on kruuna. Vapaa tahto tarkoittaisi sitä, että voimme ajatuksen voimalla vaikuttaa ideaaliin kolikkoon jota viskotaan ilman vääristymiä haluamallamme tavalla.

Jopa satunnaisuus on determinististä, ainakin siinä mielessä että riittävän pitkällä aikavälillä aito satunnaisuus tasapainottuu täydellisesti. Voidaan ajatella lapsellisesti että ideaalikolikko "tietää" että kruunien ja klaavojen pitää olla tasapainoisessa suhteessa toisiinsa; että jollakin tavalla tuo informaatio epätasapainoisesta satunnaisuuden tilasta välittyy kolikolle joka tasapainottaa tilanteen. Jotkut fyysikot ovat esittäneet kysymyksen siitä että onko mahdollista ajatella satunnaisuutta eräänä luonnon laeista. -- Tähän päivään mennessä kukaan ei ole käsittääkseni esittänyt selitystä sille miksi satunnaisuus tasapainottuu.

Mikäli satunnaisuus on yksi luonnon laeista, kyse ei silloin ole millään tavalla siitä, että kvanttitason satunnaisuus vapauttaisi ihmismielen determinismistä. Tämä tarkoittaisi vain sitä että on olemassa kahdenlaista determinismiä, klassista determinismiä ja sitten, kutsuttakoon sitä nyt sitten kvanttitason determinismiksi. Keskeistä kuitenkin on, että arpakuutioiden, kolikoiden ja korttipakkojen satunnaisuus on silti determinististä. Kyse on vain siitä että me emme kykene ennustamaan niiden toimintaa ja tietämättömyys ei tarkoita vapautta. Erityisen hauskaksi tämä menee silloin kun tajuaa sen, että kolikoita, arpakuutioita ja korttipakkoja voidaan simuloida Newtonilaisella satunnaisuudella normaalissa tietokoneessa.

Sen verran kun itse kvanttifysiikkaa ymmärrän, niin käsityksieni mukaan kvanttifysiikan teoriasta ei ole suljettu pois sitä mahdollisuutta että alkeishiukkasten maailma toimii Newtonilaisen determinismin säännöillä, mutta että nuo säännöt ovat niin monimutkaisia ettei ihmismieli niitä kykene käsittämään. Ja kuten sanottua, se, että mittalaitteemme ovat osa sitä järjestelmää mitä tutkitaan, ei vielä tarkoita sitä, että tahto olisi vapaa.

2 kommenttia:

  1. M, ei pidä sekoittaa Heisenbergin periaatetta mitattavuusongelmaan. Tai sanotaan nyt näin: on olemassa fyysikoita, jotka eivät ajattele kyseisen ilmiön johtuvan mittauslatteiden teknisistä puutteista tms. vaan nimenomaan siitä, että materia itsessään sisältää tämän ominaisuuden, alkeishiukkaset ovat de Broglie aaltoja (paikka ja liikemäärä ovat epävaihdannaisia konjugaattimuuttujia).

    ks:

    http://en.wikipedia.org/wiki/Uncertainty_principle

    tai tämä "simple english" wikipedia:

    http://simple.wikipedia.org/wiki/Conjugate_variables

    samahan pätee esimerkiksi nuotin korkeuteen (asteikolla), jos mittausväli on liian pieni. ei frekvenssiä voi määritellä määritelmällisesti riippumatta laitteen virhemarginaalista tms.

    VastaaPoista
  2. Kiitoksia tarkennuksesta ja hyvä kun tarkensit.:)

    VastaaPoista