Kvanttiteorian kehitys sai alkunsa, kun tutkittiin valon ja aineen vuorovaikutusta. Ensin todettiin, että valolla on aaltoluonteen lisäksi hiukkasluonne, ja myöhemmin huomattiin, että kaikilla hiukkasilla, joista materia koostuu, on hiukkasluonteen lisäksi aaltoluonne. Tämä piirre tunnetaan paradoksaalisena aalto-hiukkasdualismina.
Keskeinen havainto oli, että energia on ”kvantittunutta”. Valo ei siirrä energiaa materiaan (esimerkiksi metallilevyn elektroneille) aaltomaisen jatkuvasti vaan diskreetteinä energiapaketteina eli ”kvantteina” (valon tapauksessa fotoneina). Energian kvantittuminen ilmeni myös Bohrin varhaisessa atomimallissa, joka sallii elektronin energialle vain tietyt diskreetit arvot. Näytti myös siltä, että atomifysiikan peruslait olivat luonteeltaan tilastollisia.
Vaikka kvanttimekaniikka atomitason kokeellisia ilmiöitä menestyksellisesti ennustavana matemaattisena teoriana kehitettiin jo 1920-luvulla, on edelleen kiistanalaista, mitä se kertoo meille todellisuudesta.
Kvanttiteoria on luultavasti tieteen kaikkien aikojen menestyksellisin teoria. Bruce Rosenblum ja Fred Kuttner arvioivat teoksessaan Quantum Enigma (2006), että kvanttiteorian sovellukset (kuten transistori ja laser) muodostavat yhden kolmasosan Yhdysvaltojen nykytaloudesta. Paradoksaalisesti kuitenkin teoriaa, joka on erittäin käyttökelpoinen, voidaan pitää myös kaikkein vaikeimmin ymmärrettävänä ja monitulkintaisimpana. Se tuo esiin monia filosofisesti keskeisiä kysymyksiä, jotka liittyvät esimerkiksi kausaliteettiin, todellisuuden objektiiviseen olemassaoloon, yksilöolioihin ja kokonaisvaltaisuuteen.
Todistaako kvanttiteoria, että luonto on alkeishiukkasten tasolla perustavasti indeterministinen? Tukeeko teoria näkemystä, jonka mukaan kvanttihiukkaset eivät ole yksilöolioita ja rakenteet ja relaatiot ovat siten ontologisesti perustavia (rakennerealismi)?
Voidaanko teorian nojalla perustellusti kyseenalaistaa jopa havainnoista riippumattoman todellisuuden olemassaolo kvanttitasolla (antirealismi)? Miten tulkita koetulokset, joissa näyttäisi ilmenevän ”kaukovaikutuksia” toisistaan erillään olevien systeemien välillä (epälokaalisuus)? Entä miten suhtautua väitteisiin, joiden mukaan kvanttiteoria tukee ajatusta ”monista maailmoista”?
Toisinaan ehdotetaan myös – kuten filosofi David Chalmers luennoidessaan Helsingissä kesällä 2015 – että ihmisen tietoisuudella on kvanttifysiikan tutkimissa ilmiöissä jokin erityinen rooli tai että kvanttiteoria auttaa ymmärtämään mielen ja tietoisuuden paikkaa luonnossa (ks. Chalmersin haastattelu).
Kvanttiteorian tulkinnasta – erityisesti siitä, miten teorian yhtälöissä ilmenevät termit (esimerkiksi aaltofunktio) liittyvät todellisuuteen – ei ole päästy yksimielisyyteen huolimatta 1920-luvulta asti vaihtelevan vilkkaana jatkuneesta johtavien fyysikkojen ja filosofien välisestä keskustelusta. Perinteisen ”Kööpenhaminan tulkinnan” eri versioiden lisäksi viime vuosikymmeninä kannatustaan ovat lisänneet muun muassa Everettin monimaailmatulkinta, de Broglien–Bohmin pilottiaaltotulkinta, Griffithsin konsistenttien historioiden tulkinta, ja Ghirardin, Riminin ja Weberin sekä Penrosen objektiivinen kollapsitulkinta. Kysymys fysiikan kuvaaman todellisuuden luonteesta on siten edelleen aidosti auki.
Viime vuosina edistysaskeleet niin sanotuissa heikoissa mittauksissa ovat kuitenkin herättäneet toiveita siitä, että koetulokset alkaisivat pian nykyistä paremmin rajata vapaasti polveilevaa tulkintakeskustelua1Ks. esim. Shan Gaon toimittama teos Protective Measurement and Quantum Reality, 2014..
Katsaus kirjallisuuteen
Kvanttiteorian filosofiasta on tarjolla runsaasti kirjallisuutta. Lucien Hardy ja Robert Spekkens (2010) antavat tiiviin kuvauksen siitä, miksi fysiikka tarvitsee kvanttiteorian perusteiden pohdintaa. Erittäin hyvän tuoreen johdatuksen aihepiiriin tarjoaa myös Alyssa Neyn luku ”Introduction” hänen ja David Albertin toimittamassa kokoelmassa The Wave Function. Essays on the Metaphysics of Quantum Mechanics (2013). Antologian muut esseet pohtivat valaisevasti ja eri näkökulmista kysymystä kvanttiteorian keskeisen matemaattisen objektin, aaltofunktion, ontologisesta statuksesta. Kirja on suunnattu nimenomaan filosofeille (metafyysikoille) eikä siten edellytä matemaattisia ennakkotietoja. Suomenkielisen johdatuksen aihepiiriin tarjoaa Tarja Kallio-Tammisen teos Kvanttilainen todellisuus (2008).
Kvanttiteorian eri todellisuuskäsityksiä – erityisesti suhteessa Everettin monimaailmatulkintaan – pohditaan Simon Saundersin ja kumppaneiden toimittamassa 600-sivuisessa antologiassa Many Worlds? Everett, Quantum Theory, & Reality (2010). Huomiota osakseen on saanut myös David Wallacen Lakatos-palkittu kirja The Emergent Multiverse. Quantum Theory According to the Everett Interpretation (2012). Kvanttitodellisuuden luonnetta Bohmin teorian näkökulmasta esittelevät Bohm ja Hiley kirjassaan The Undivided Universe. An Ontological Interpretation of Quantum Theory (1993). De Broglie-Bohmin lähestymistavan historiallisia juuria käsittelevät Guido Bacciagaluppi ja Antony Valentini teoksessaan Quantum Theory at the Crossroads (2009). Informatiivisen ja viihdyttävän johdatuksen Bohmin teoriaan tarjoaa niin ikään Mike Towlerin (2009) Cambridgen yliopistossa pitämä kurssi.
Kööpenhaminan tulkinnan filosofisia ulottuvuuksia pohtii syvällisesti Arkady Plotnitsky kirjassaan Epistemology and Probability (2010). Robert Griffits puolestaan esittelee monia kiehtovaa ”konsistenttien historioiden” tulkintaansa teoksessaan Consistent Quantum Theory (2002).
Laajan kirjallisuuden on niin ikään synnyttänyt ajatus, jonka mukaan kvanttiteoria vaatii luopumista yksilöolioista fundamentaalisina ja vihjaa relaatioiden ja rakenteiden ontologiseen ensisijaisuuteen. Erityisen tärkeä on James Ladymanin ja Don Rossin teos Every Thing Must Go. Metaphysics Naturalized (2007). Myös Steven Frenchin The Structure of the World (2014) puolustaa väitettä, että objekteja ei ole olemassa ja että perustasolla fysiikka paljastaa meille rakenteiden maailman. Yksilöolioiden statusta metafysiikassa ja tieteissä tarkastellaan myös juuri ilmestyneessä Alexandre Guayn ja Thomas Pradeaun toimittamassa antologiassa Individuals Across the Sciences (2015).
Oma lukunsa ovat yritykset yhdistää kvanttiteoriaa ja yleistä suhteellisuusteoriaa. Tässä keskustelussa yksi varteenotettava – ja filosofisesti radikaali – vaihtoehto on näkemys, jonka mukaan aika-avaruus pitäisi nähdä emergenttinä jostain syvemmästä perustasta. John Wheeler (1980) luonnehti tätä perustaa ”esiavaruudeksi” tai ”esigeometriaksi” (prespace, pregeometry2Ks. myös Meschini ym. 2005). Bohm ja Hiley (1993, luku 15) puolestaan luonnehtivat perustaa ”kokoontaittuneeksi järjestykseksi” (implicate order). Ladyman ja Ross kuvaavat kvanttigravitaatiokeskustelun käänteitä tyylikkäästi ja filosofeille avautuvasti teoksensa Every Thing Must Go (2007) luvussa 3.7.2. Tuoreen katsauksen aiheeseen luovat niin ikään Stephen Weinstein ja Dean Rickles (2015).
Myös kvanttiteorian merkitystä mielen filosofialle on pohdittu laajasti. Nykykeskustelun tärkeitä käynnistäjiä olivat Roger Penrosen teokset The Emperor’s New Mind (1989) ja The Shadows of the Mind (1994). Myös Henry Stappin Mind, Matter and Quantum Mechanics (1993) ja filosofi Michael Lockwoodin Mind, Brain and the Quantum (1989) esittivät radikaaleja hypoteeseja mielestä kvanttiteorian kontekstissa. Oma teokseni Mind, Matter and the Implicate Order (2007) käsittelee mielen filosofian kysymyksiä erityisesti Bohmin kvanttiteoriatulkinnan viitekehyksessä. Hyvän yleiskatsauksen aihepiiriin – erityisesti ehdotuksiin kvantti-ilmiöiden roolista neuraalisissa prosesseissa – tarjoaa Harald Atmanspacher artikkelissaan ”Quantum Approaches to Consciousness” (2015). Hakusanalla ”quantum” löytää Stanford Encyclopedia of Philosophyn kotisivulta myös monia muita tärkeitä artikkeleita kvanttiteorian tulkinnasta.
Kvanttiteorian uudet sovellukset eivät rajoitu pelkästään metafysiikkaan ja mielen filosofiaan. Viime vuosikymmeninä on nähty tärkeitä edistysaskeleita esimerkiksi kvanttibiologian saralla3Ks. esim. Ball 2011.. Kvanttimekaniikkaan perustuvaan informaatioteknologiaan liittyy niin ikään suuria odotuksia4Ks. esim. Bub 2015..
Aivan viime vuosina on noussut vahvasti esiin myös ”kvanttikognitiona” tunnettu tutkimussuuntaus. Sen mukaan kvanttimekaniikan käsitteillä ja formaaleilla työkaluilla (kuten kvanttitodennäköisyys, kietoutuminen, ei-kommutatiivisuus, ei-Boolelainen logiikka ja komplementaarisuus) voi mallintaa menestyksellisesti ihmisen kognitiivisia prosesseja (kuten päätöksentekoa, monimielisiä havaintoja, merkitystä luonnollisessa kielessä, todennäköisyysarvioita, järjestysefektejä ja muistia). Jonkinlaisena alan läpimurtona voi pitää Emmanuel Pothoksen ja Jerome R. Busemeyerin artikkelia ”Can Quantum Probability Provide a New Direction for Cognitive Modeling” (2013), joka julkaistiin kognitiotieteen johtavassa lehdessä Behavioral and Brain Sciences. Huomautettakoon, että kvanttikognition edustajat suhtautuvat yleensä agnostisesti vahvempaan, esimerkiksi Hameroffin ja Penrosen kannattamaan ”kvanttimieli”-hypoteesiin, jonka mukaan kognition perustana olevissa neuraalisissa prosesseissa olisi merkittävässä roolissa ”eksoottisia” kvanttiefektejä (kuten aaltofunktion kollapsi5Ks. Atmanspacher 2015.). Toisaalta äskettäin ilmestynyt tunnetun yhteiskuntatieteilijän Alexander Wendtin radikaali teos Quantum Mind and Social Science (2015) edustaa vahvempaa näkemystä, jonka mukaan kvanttiteorian avulla voidaan kehittää uusi kokonaisvaltainen sosiaalinen ontologia.
Edellä on tarjottu pikainen katsaus joihinkin tämän hetken kiintoisimpiin yrityksiin hyödyntää kvanttiteorian avaamia uusia mahdollisuuksia filosofialle ja muille tieteenaloille. Vaikka toisinaan filosofian piirissä luonnontieteisiin suhtaudutaan varauksellisesti (ollaan esimerkiksi huolissaan luonnontieteiden ”mekanisoivasta” vaikutuksesta ihmistieteisiin), on selvää, että kvanttiteoria voi inspiroida filosofiaa sen omien perustavien – myös mekanististen – oletusten uudelleenarviointiin. Samalla filosofiaa tarvitaan selkiyttämään ja arvioimaan niitä moninaisia väitteitä, joita kvanttiteorian pohjalta on esitetty.
Paavo Pylkkänen
Helsingin yliopisto ja Högskolan i Skövde
