4. marraskuuta 2014

Monta molekyyliä





Muutamat olivat huomanneet metafyysisen kysymykseni tarkoituksen, vaikka kirjoitukseni oli huono. Se peruskysymys, joka on myös kirjoitettu näkyviin kohta kirjoituksen keksimisen jälkeen, on helpompi – miksi on jotain; miksi ei ole ei-mitään.

Tuo kysymys palasi tieteeseen myös alkuräjähdyksen yhteydessä. Kun olemme onneksi Suomessa emmekä esimerkiksi Yhdysvalloissa, riittää kun toteamme, että Big Bang on sopusoinnussa esimerkiksi 1964 puheeksi tulleen ja sitten mitatun avaruuden taustasäteilyn kanssa. Kysymyksessä on se tapaus, kun kaverit epäilivät ensin antenneihin kertynyttä linnunlantaa jatkuvan kohinan syyksi.

Tyhmä ihminen innostuu: ennen alkuräjähdystä ei siis ollut mitään. Tuohon kysymykseen on joukko vastauksia, jotka ovat ainakin tässä ja nyt arvauksia.

Toivottavasti olen kiitellyt riittävän usein Enqvistiä ja Valtaojaa. Korkeiden kysymysten esittäminen käsitettävästi on hyvin vaikeaa. Näillä kahdella on asiasta useita kirjoja.

Näillä palstoilla eli täysin vailla luonnontieteellistä koulutusta tyydyn esittämään jälleen toiveeni. Kunpa esimerkiksi jotkut tuttavani ottaisivat asiakseen avustaa jotain olemassa olevaa verkkopaikkaa, kuten kirjaston ”Kysy mitä vain” (www.kysy.fi) tai vaikkapa what if (https://what-if.xkcd.com ).

Viimeksi mainittu on hiukan hupsu ja välillä ärsyttävä. Arvostan silti kirjoittajaa, koska hän kestää hyvin tyhmiä kysymyksiä. Tyypillisesti tyhmä on itse esittämäni kysymys, ottaen huomioon elektronien ja ytimen pienen ”koon” ja hirmuisen etäisyyden tai huoneilman molekyylien hyvin harvan rakenteen, miten paljon huoneissa eli maapallolla on tyhjää. Arvaukseni vastaukseksi on melkein sata prosenttia.

Hartaana Feynmanin ison fysiikan lukijana ja kansakoulutasoisesti kvanttikenttädynamiikkaa pohtineena – ja vuosisadan hienoimman tiedekirjan ”QED” ylpeänä omistajana, etenkin kun lyhenne tarkoittaa myös samaa kuin koulugeometriamme M.o.t. – olen toki selvillä kysymyksen mielettömyydestä. Kun fotoni ei paljon muista hiukkasista hätkähdä, siellä missä ei ole mitään, voi silti olla jotain. Ja sitten on niitä virtuaalihiukkasia.

Mutta ”tyhjä” on silti kiehtoa sana. Enkä tarkoita ”tyhjiötä”. Feynmanin nimissä kulkee sitaatti, jonka mukaan hänen kirjoissaan esitelty fysiikan osa on sellainen, että joka arvioi sen ymmärtäneensä, on todistettavasti ymmärtänyt sen väärin.

Itse luin viikolla innostuneena tuon palstan linkin takaa NASA:n tiedot eri suuntiin vaikuttavan kiihtyvyyden vaikutuksista ihmiseen. Tiesin varhaisimmasta lapsuudesta, että lentokoneessa tiukassa oikaisussa miehiltä menee myssy silmille. Kahvipöytäkeskustelussa kiinnitän joskus huomiota Kimi Räikkösen kaulaan ja niskaan. Luin kerran Formuloiden G-voimista ja uskoin, ettei tavallinen riski mies pystyisi ajamaan ainakaan pää pystyssä.

Mutta kannatan tyhmiä kysymyksiä. Mitä tapahtuisi, jos kaikki maailman ihmiset, kiinalaiset siis mukaan luettuna, hyppäisivät tarkalleen samalla hetkellä metrin korkuiselta tuolilta. Menisikö maan pyörimisliike sekaisin? Ehkä tuo onkin vähemmän tyhmä kysymys, koska ainakin nyt mieleeni tuli Newtonin kolmas liikelaki eli voima ja vastavoima. Se on muuten tyhmille vähintäänkin riittävä, ilman mitään kvantteja.

Menkääpä opettamaan nenäkkäälle lapselle, että samalla kun kilon painoinen kirja työntää pöytää sen kilon voimalla alaspäin, pöytä työntää kirjaa ylöspäin. Kyllä lapsi osaa sanoa, että ei muuten pidä paikkaansa. Täällä eivät pöydät työntele.

Ehkä näihin kansakoulun kertauskursseihin olisi palattava. Tapasin kylässä nuoria eli siis muiden mielestä keski-ikäisiä tuomareita, jotka kehuivat nykyistä koulutusta. Pyynnöstä muistelin heille oman aikani (1998) tilannetta, ja päätin asiasta mainitsematta etsiä hyllyistäni sen hyvän sarjakuvakirjan, joka näyttää höpöltä mutta ei ole. Meitä oli Tucsonissa kurssitettavana ekonomettrian asioissa ja matematiikassa yleisemmin tuomareita, joista osa oli todettu virallisesti eteviksi. Kun kouluttajat olivat parasta, mitä rahalla saa, he olivat varautuneet yleisön ymmärtämisvaikeuksiin.

Yksi vaikea asia on riippuva eli ehdollinen todennäköisyys ja Bayesin teoreema, joka on juuri tuomareille hyvin valaiseva. Tuli se sitten selväksi, ja on nyt taas välillä unohtunut.

Sarjakuvakirja oli Gonick – Smith: ”Statistics in Cartoons”. Tai oikeastaan kysymys on hauskoista piirroksista. Sarja on ”Cartoon Guides”. Aineisto saattaa olla kohdin vanhentunutta, mutta mitä siitä. Jos tutkitte tai ostatte, älkää näyttäkö lapsille älkääkä oppilaillenne.

21 kommenttia:

  1. Tiedetään, tyhmät jepet kannattavat tyhmiä kysymyksiä.

    VastaaPoista
  2. Kysymykset kannattaa osoittaa Leelian lepotuolille, sieltä saa myös hyviä vastauksia, ei tarvitse tyytyä pelkkään viisasteluun.

    VastaaPoista
  3. Noista Formuloista, etenkin niistä ykkösistä, saa niin kovin usein lukea vähätteleviä lausuntoja. Kun jokainenhan on autoa ajanut ja tietää, että kyllä se sujuu ihan jokaiselta. Noiden täysin mahdottomien kiihtyvyys- hidastuvuus- ja etenkin kaarrevoimien armoilla ajetaan kolmea ja puoltasataa pää avoimessa tilassa alle metrin päästä asfaltista ja pyörät muutaman sentin päässä naapurista (jatkuvassa kuolemanvaarassa) ilman että kovinkaan usein mitään todella vakavaa tapahtuu. Lisäksi he pystyvät tässä paineessa toistamaan toimensa niin, että ajavat peräkkäisiä kierroksia sekunnin sadasosalleen samassa ajassa ja autojen eroista huolimatta ensimmäisen ja viimeisen kuljettajan kierrosajan ero on usein alle kaksi sekuntia, siihen mahtuu parikymmentä autoa ja keskinäinen järjestys ei näissä eroissa ole sattumanvarainen vaan kilpailusta toiseen hyvin samankaltainen. Täytyy ymmärtää, että maailmassa on lienee vähemmän F1-kuljettajia kuin avaruudessa käyneitä, he ovat omanlaisiaan täydellisiä poikkeusyksilöitä, joista huonoimmatkin ovat valikoituneet suuresta erittäin lahjakkaiden joukosta.
    Tietenkään tämä toiminta ei ole sen hyödyllisempää kuin pianonsoitto, mutta arvostankin molempien lajien osaajia kovastikin. Olen saanut esimerkiksi Sokolovin harjoittelua seurata ihan vierestä ja intensiteetiltään se kyllä vetää vertoja kovalle kilpailulle. Sokolov tai Räikkönen, poikkeuksellisia lahjakkuuksia kumpikin ja toiminta miellyttävää seurattavaa. Tosin toiselle maksetaan enemmän (molemmille varmaan riittävästi, arvaan), mutta hän kyllä ottaa riskejäkin siitä edestä.

    VastaaPoista
  4. Asiasta kiinnostuneille ilmoitan, että tuo Feynmanin loistava QED on saatavana suomeksikin, Kimmo Pietiläisen ammattitaitoisesti kääntämänä ja erinomaisen laadukkaaseen kirjallisuuteen keskittyneen Art Housen kustantamana. Luin sen itse ensi kerran jo parikymmentä vuotta sitten.

    "Miksi ei ole ei-mitään" ei ole lainkaan niin lapsellisen hupsu kysymys kuin voisi äkkikuulemalta kuvitella. Nimitin sitä tuolla aiemmin hiukkasfysiikan, kosmologian ja uskonnan tärkeimmäksi kysymykseksi. Sen vastakysymys, yhtä tärkeä tavallaan, on "mitä on olemassaolo".

    Enkä tarkoita mitään ihmisen olemassaoloa tai elämää tms, vaan ihan ensimmäisen hiukkaseksi nimitetyn olion esiintuloa. Mistä se tuli ja mihin se tuli?

    "Tyhjä" eli ei-mitään tarkoittaa tietenkin myös sitä, kuten yritin aiemmin selittää, että ei ole kertakaikkiaan mitään, on vain olemattomuus - tai ei siis sitäkään silloin ole. Ainakaan ei ole mitään, mitä voisimme kutsua "tilaksi", joka siis muka on "tyhjä".

    VastaaPoista
    Vastaukset
    1. Tieteellistä väitöskirjatasoista näkökulmaa asiaan:

      http://tampub.uta.fi/handle/10024/66647

      "From Abyss into Nothingness"

      Poista
  5. Mikäli yhtään ymmärrän, mistä en tämän asian kyseessä ollen löisi vetoa, jos braani-malli olisi todempi kuin malli jolla nyt kykenemme huoneita arkipäivässä hahmottamaan, saattaa siinä huoneessa olla vaikka mitä.

    VastaaPoista
  6. Ensin ei ollut mitään, ja sitten se räjähti.

    VastaaPoista
  7. Luulen että Feynmanista on ollut puhe tässä blogissa ennenkin. Joka tapauksessa nobelistin halu päästä käymään Tuvassa toi länsimaille tiedon tuvalaisesta kurkkulaulusta. Nyt kun kävin katsomassa tietoja tästä Feynmanin viimeisestä seikkailusta (valitettavasti ehti kuolla ennen sen tapahtumista), niin oli ilmestynyt tämmöinen osoite:
    http://youtu.be/Mn4_40hAAr0
    Toivon että linkki toimii, muuten jutun voi jäljittää googlaamalla Richard Feynman, Tuva.

    VastaaPoista
  8. Kysymyksessä, paljonko huoneilmassa on tyhjää, ei tosiaankaan ole mieltä siinä mielessä, että kysymykseen ei ole mielekästä vastausta. Kysymys on sukua kysymykselle rantaviivan pituudesta. Kuten matematiikan yleistajuisia esityksiä tunteva jo tietääkin, rantaviiva on fraktaalinen suure ja sen pituutta ei oikeataan voi määritellä tai paremminkin ainoa looginen vastaus on ääretön.

    Syynähän on se, että rantaviivan pituuden voi vaikka mitata kartalta, mutta jos mittaukseen ottaa lisää maaston yksityskohtia, pituus aina kasvaa. Maaston yksityiskohtien jälkeen pitäisi oikeastaan huomioida vaikkapa rantakiven uurteet, hiekanjyväset rannalla yms. ja siirryttäessä yhä pienempään mittakaavaan jossain vaiheessa koko käsite rantaviiva menettää mielekkyytensä. Matemaattisessa idealisaatiossa taas käy niin, että mittakaavaa voi pienentää loputtomasti ja siksi rantaviivan pituuskin kasvaa rajatta.

    Tyhjän tilan kanssa käy jokseenkin samoin. Voidaan kysyä, kuinka suuren osan molekyylit täyttävät ilmasta, mutta seuraavaksi pitäisi oikeastaan kysyä, kuinka suuri osa molekyylistä on tyhjää, sitten edelleen atomeista ja niin edespäin, kunnes päästään hiukkasiin, joilla ei ole enää mitään ominaisuutta, jonka voisi tulkita tilavuudeksi. Periaatteessa kait vaikka molekyylit voisi valita mielivaltaiseksi tarkastelumittakaavaksi ja sitten keksiä, mikä voisi olla molekyylin tilavuus, kun se ei ole millään muotoa tarkkarajainen kappale.

    Tyhjä/täysi vastakohtapari liittyy oikeastaan ihmisen havaintomaailmaan, eikä fysikaaliseen todellisuuteen samoin kuin värit. Oikeita mielekkäitä vastauksia kysymykseen on nähdäkseni kaksi: ei lainkaan tyhjää, sillä ilma on ainetta ja täyttää jäännöksettä koko huoneen, tai kaikki, sillä viime kädessä materiaa, jolla olisi jotain tilavuudeksi tulkittavaa, ei ole, vaan kaikki on energiaa.

    VastaaPoista
    Vastaukset
    1. Hyvä! - Emmekä mene vastakkaiseen varaukseen eli antimateriaan.

      Poista
    2. Ilma on lähinnä happea ja typpeä. Huoneilman lämpötilassa ko. molekyylit liikkuvat noin 500 m/s. Niiden törmäysten välimatka on noin 1000 molekyylin halkaisijaa. Näin "tyhjää" on luokkaa 99,9 %.
      Atomin massa on keskittynyt ytimeen. Joten vaikkapa typpimolekyylin (2 atomia) massa on kekittynyt kahteen "pisteeseen". Atomi koostuu myös elektroneista, joista uloimpana viilettävät määräävät atomin halkaisijan. Jos atomin ytimen kokoa kuvataan appelsiinilla, joka on sijoitettu Eiffel-tornin keskelle, löytyvät halkaisijan määräävät uloimmat elektronit tornin huipulta ja juuresta. "Tyhjää" siis löytyy runsain mitoin nytkin.
      Hiukkasfysiikasta on äkkiä sanottu se, mitä siitä voidaan ns. terveen järjen puitteissa kertoa. Ilmiöitä voidaan lähestyä vain matematiikan kautta, mutta tuloksekkaasti, koska se antaa oikeita ennusteita.
      Riidoiltakaan ei vältytä, kun joku Enqvist kertoo "kaikessa" olevan kyse vain "kvanttihyppelystä", kokevat monet tämä loukkauksena suorastaan ihmisyyttä vastaan. Itse ymmärrän jälkimmäistä asennetta huonosti. Miksi emme olisi koneita, joiden olemusta loputtomasti ihmettelemme ja selvitämme. Ei se vie Bachin kuuntelulta mitään pois.
      Visti

      Poista
    3. Älkäämme unohtako Planckin pituutta! Se on suhteellisuusteorian ja epätarkkuusperiaatteen määrittämä lyhin mahdollinen pituus. (1,6 x 10 potenssiin miinus 35 metriä.)

      Tätä mittaa käyttämällä rantaviivalle saisi jonkin pituuden. Mutta se pituus olisi pituus vain siinä mielessä kuin pituuksia on mieltä laskea.

      Poista
    4. Mistä tietää, että englantilainen hovimestari on ammattitaitonsa huipulla? Kun hän saapuu tyhjään huoneeseen, se muuttuu vielä tyhjemmäksi.

      Poista
  9. Suvullisesti lisääntyvän eliön elämän alku ja loppu ja elämämme syklien keskellä harhauttavat päättelemään, että kaikella muullakin pitäisi olla jokin aikasidonnainen alku ja loppu. Ns. alkuräjähdys oli vain räjähdys.

    VastaaPoista
  10. Lawrence Krauss, jota olen pari kertaa tullut kuunnelleeksi metrin päästä, ymmärsi kirjoittaa asian teoksensa alaotsikoksi:

    A Universe From Nothing: Why There Is Something Rather Than Nothing. Free Press, 2012.

    Loistava kirja, jota pitää suositella aina kun voi. Vastaa kaikenlaisiin kysymyksiin, vaikka ei tietenkään alaotsikon mainitsemaan.

    vuorela, tampere

    VastaaPoista
  11. Valtaoja&Enqvist vain maalaavat itsensä nurkkaan tuolla telaketju-ateismillaan. Kaikenlainen ehdottomuus on pahasta, kun yritetään ymmärtää. Tiedettä tulisi tehdä avoimin mielin, eikä alkaa sotasille. Tai voimmehan me tietysti ihmetellä heidän ehdottomuuttaan ja näin nähdä enemmän.

    VastaaPoista
    Vastaukset
    1. Valtaoja ateisti?
      Sittenhän on Paavikin!

      Poista
    2. Ovathan isooset pojat vähän jyrkkiä, mutta he silti paaluttavat väitteensä selkeästi jokaisen horjutettavaksi. Näemme mitä reittiä ja mistä syystä he ovat tulleet päätelmiinsä.

      Hankalampi on puolustaa kolmannen kosmisen häjyn, Räsäs-Syksyn, Hesarissa ilmoittamaa kantaa, että sattuma selittää maailman synnyn. Se on pelkkä mielipide.

      Poista
    3. Jokaisen yksittäisen radioaktiivisen hajoamisen taustalla on sattuma. Tästä ei opponentit ole päässeet mihinkään. Voivathan ne Yliherran tai Pahaherran sormia väittää muttei todistaa.
      Tällä on merkitystä kun se atomifysikaalinen sattuma laukaisee pahan solun sattuman eli syövän ihmisyksilössä. Vaikka siinäkin jotkut voi olettaa yliluonnollista tekijää niin vakiintunein selitys - sattuma - on usein paras ja rauhoittavin selitys, koska muu olisi julmempaa. Ja tieteellisin.
      Kumma ettei samaa voi olettaa universumiin, joka on täynnä räjähdyksiä, säteilyä ja kaaosta myös ja 99,9999999999%:sti elämälle vihamielinen ja sopimaton ?


      M

      Poista
    4. Kvanttimaailma on sattumien maailma, myönnän ja tiedän.

      Tässä "maailmansynnyssä" on kyse kuitenkin eri asiasta: ei voi olla sattumaa, jos ei ole mitään.

      Jumalat ja pirut ja yliluonnollisuudet jätän omaan arvoonsa - siitä tässä ei todellakaan ole kysymys! - mutta on rehellistä myöntää, että tiede ei vielä tiedä, mikä oli tilanne hetkellä Nolla, puhumattamakaan ennen sitä, ja mikä prosessin käynnisti.

      (Nyt täytyy heti myöntää, etten ole vielä lukenut Enqvistin uusinta, jossa asiaa kirjan nimen perusteella varmaankin käsitellään. Hänellähän voi olla perusteita Sattumalle, edes pieniä.)

      Poista
  12. Oikeesti täällä on mun lisäks aika outoo populaa....

    iikka isolla iillä

    VastaaPoista