Osta kirja itsellesi
(Kirjavinkit.fi saa komission linkkien kautta tekemistäsi ostoksista.)
1920-luvun puolivälissä fysiikan peruskäsitteet mullistuivat. Siihen asti länsimaista tieteellistä maailmankuvaa oli hallinnut Newtonin mekaniikasta periytyvä ajatus maailmankaikkeudesta ennustettavana, täsmällisesti toimivana koneistona. Kvanttifysiikan löydöt kuitenkin osoittivat, että alkeishiukkasten tasolla todellisuus toimii aivan toisella tavalla kuin odotamme. Hiukkasten käyttäytymistä voidaan ennustaa vain todennäköisyyksien avulla, eikä epävarmuus näytä johtuvan tiedon puutteesta vaan itse luonnon perimmäisestä luonteesta.
Tähän mullistukseen liittyy kuitenkin erikoinen ristiriita. Kvanttifysiikka on yksi koko tieteenhistorian tarkimmin kokeellisesti testatuista ja menestyksekkäimmistä teorioista, ja monet teknologiset läpimurrot perustuvat sen hyödyntämiseen. Siitä huolimatta, emme edelleenkään ymmärrä, mitä kvanttiteoria oikeastaan kertoo todellisuuden perimmäisestä luonteesta. Tämä jännite on fysiikan professori Paul Daviesin kirjan ytimessä.
Quantum 2.0 aloittaa ensimmäisestä kvanttivallankumouksesta, eli kuinka opimme, miten kvanttimaailma toimii, ja kuinka olemme hyödyntäneet tätä tietoa esimerkiksi transistorien, laserien ja mikrosirujen kehittämisessä. Kirjan pääfokus on kuitenkin toinen kvanttivallankumous, jossa itse kvanttitilasta tulee informaation käsittelyn väline. Olemme toisin sanoen oppineet manipuloimaan yksittäisiä atomeja, elektroneja ja fotoneja sekä hyödyntämään suoraan niiden superpositiota ja lomittumista. Mitä kaikkea tällä voidaan saada aikaan, on vielä avoin kysymys, mutta tässä alkaa jo nousta mieleen Arthur C. Clarken sanat: ”Mikä tahansa riittävän kehittynyt teknologia on erottamaton taikuudesta.”
Tutuksi tulevat erityisesti kvanttiteleportaatio, kvanttikryptografia ja tietysti kvanttitietokoneet, jotka ovat varmasti monille lukijoille aiheina jo jossakin määrin tuttuja. Kvanttitietokoneilla voidaan periaatteessa ratkaista tiettyjä ongelmia, jotka olisivat tavallisille tietokoneille käytännössä mahdottomia. Siinä missä tavallinen tietokone käsittelee informaatiota ykkösinä ja nollina, kvanttitietokoneen kubitit voivat olla näiden tilojen superpositiossa, eli eräänlaisessa molempien tilojen yhdistelmässä. Tällaisten herkkien kvanttitilojen ylläpitäminen on kuitenkin äärimmäisen vaikeaa, sillä vuorovaikutus ympäristön kanssa voi tuhota laskennassa tarvittavan superposition.
Davies leikittelee myös ajatuksella QAI:sta eli kvanttitekoälystä, jonka kyvyt perustuisivat lomittuneiden kubittien muodostamiin yhteisiin kvanttitiloihin. Tällainen hypoteettinen keinoäly olisi laskentateholtaan jo jotain niin äärimmäistä, että sen kykyjä tai ajatusprosessia olisi meidän kaltaistemme ihmisten jopa täysin mahdotonta ymmärtää.
Hieman harvemmin kuultuja sovelluskohteita ovat muun muassa kvanttitutka, nanoteknologia ja kvanttibiologia. Erityisesti viimeinen on aiheena äärimmäisen kiinnostava, koska ihan viime aikoina on alettu ymmärtää, että kvanttitason ilmiöitä voi tapahtua myös biologisella tasolla, ja että elämä on ehkä oppinut hyödyntämään tätä ilmiötä laajastikin. Tämä on tullut suurena yllätyksenä, koska kvanttitason ilmiöt ovat alttiina dekoherenssille, joka hävittää kvanttiominaisuudet. Ala on uusi, joten saa nähdä mihin tässä vielä päädytään.
Kirjan jälkimmäisellä puoliskolla tutustutaan myös kosmisiin mysteereihin: pimeään aineeseen, mustiin aukkoihin ja Hawkingin säteilyyn, joiden arvoitusta kvanttifysiikan sovellukset kenties tulevaisuudessa ratkaisevat.
Kaiken taustalla kuitenkin kummittelee suurempi kysymys itse todellisuuden luonteesta. Nykyäänhän tiedetään, ettei edes täydellinen tyhjiö ole varsinaisesti tyhjä. Nykyfysiikan mukaan maailmankaikkeuden perimmäisiä rakennuspalikoita eivät ole niinkään hiukkaset vaan kvanttikentät, joissa esiintyy kvanttivaihtelua jopa täydellisessä tyhjiössä. Suomi-viittaukset pitää tietysti aina muistaa mainita, joten kerrottakoon, että kirjassa viitataan muun muassa tutkimukseen, jossa Aalto-yliopiston Pasi Lähteenmäki ja kollegansa onnistuivat luomaan fotoneita tyhjiöstä.
Voisiko kvanttifysiikka siis vastata siihen kaikista suurimpaan kysymykseen, kuinka universumi syntyi, ja syntyikö se tosiaan ”tyhjästä”? Alkuräjähdyksen jälkihehkussa eli kosmisessa mikroaaltotaustasäteilyssä näkyy pieniä lämpötilaeroja, joiden uskotaan olevan seurausta varhaisen maailmankaikkeuden kvanttifluktuaatioista. Eli kun katsomme taustasäteilyn karttaa, voimme katsella maailmankaikkeuden nuoruuteen tallentunutta jälkeä sen alkuperäisestä mikroskooppisesta kvanttiluonteesta. Tässä päästään jo todella hurjiin ajatuksiin. Tavallisessa kvanttimekaniikassa esimerkiksi elektronin tilaa kuvataan aaltofunktiolla, mutta voisiko jopa koko maailmankaikkeudella olla aaltofunktio?
Ei hätää, kirja ei ole niin vaikeaselkoinen kuin voisi kuvitella! Paul Davies tekee parhaansa, jotta aihe avautuisi myös lukijoille, joille kvanttifysiikka on ennestään vierasta. Tässä hän onnistuukin hyvin ja kykenee havainnollistamaan niin kvanttimaailman kummallisuuksia kuin sen mahdollisia sovelluksia.
Kvanttifysiikasta kun puhutaan, niin vääjäämättä paljon mysteerejä kuitenkin jää. Suuri kysymys on ollut jo sadan vuoden ajan, kuinka meidän tulisi yhdistää näkemämme jokapäiväinen maailma tähän aavemaiseen kvanttimaailmaan, jossa hiukkaset voivat olla useassa tilassa samanaikaisesti ja lomittua toisiinsa etäisyyksistä riippumatta. Missä tarkalleen ottaen menee arkimaailman ja kvanttitodellisuuden raja? Entä liittyykö tietoisuuden mysteeri jotenkin kvanttimaailman outoon luonteeseen ja siihen, millainen rooli havaitsijalla on todellisuuden muodostumisessa?
Lopussa Davies vielä johdattelee lukijan Gödelin epätäydellisyyslauseen äärelle, jonka mukaan jokaisessa riittävän monipuolisessa ja ristiriidattomassa matemaattisessa järjestelmässä on väittämiä, jotka ovat tosia mutta joita ei voida todistaa järjestelmän omilla säännöillä. Toisin sanoen kaikkia matemaattisia totuuksia ei voida todistaa yhden ja saman sääntöjärjestelmän puitteissa. Teoreettinen fyysikko John Archibald Wheeler alkoi tunnetusti vanhoilla päivillään pohtia, voisiko Gödelin epätäydellisyyslauseella olla jokin syvällinen yhteys kvanttifysiikkaan ja ajatukseen siitä, ettei todellisuus voi koskaan tuntea itseään täydellisesti. Onko todellisuus mysteeri jopa itselleen? Se on kaunis ja kummallinen ajatus, ja niitähän kvanttifysiikassa riittää.