Question: Mikä on indeterminismi fysiikassa?

Indeterminismi


Indeterminismi (lat.) tai epädeterminismi tai satunnaisuusoppi on filosofian näkökanta, jonka mukaan ainakin jotkin tapahtumat ovat edeltä käsin määräytymättömiä. Indeterminismissä mitkään edeltävät syyt eivät ehdottomasti määrää toimintaa, vaan ainakin osa tapahtumista on sillä tavoin määräytymättömiä, että ne olisivat voineet tai voisivat tapahtua toisinkin. Satunnaisuusopissa ihmisellä on tahdonvapaus siinä mielessä, että hän joutuessaan valitsemaan eri toimimismahdollisuuksien välillä, itse suorittaa valinnan. Tämän mukaan tapahtuminen ei noudata mitään poikkeuksetonta lakia eikä ole ehdotonta kausaliteettia. Se on determinismin vastakohta.[1][2][3][4]
Indeterminismistä puhuttaessa erotellaan usein ennustamattomuus ja satunnaisuus, jotka ovat eri asioita. Esimerkiksi kaaosteoriassa tutusta vertauksessa perhosen siivenisku Brasiliassa voi aiheuttaa myöhemmin myrskyn Teksasissa. Idean keksijä havaitsi tämän kun teki sääennustuksia ja huomasi, että esimerkiksi lukujen pieni pyöristys aiheutti sääsimulaatiossa suuria muutoksia lopputuloksessa. Systeemin monimutkaisuuden takia on käytännössä mahdotonta tehdä pitkän ajan luotettavia sääennustuksia. Kuitenkin kaaosteorian malleissa järjestelmät ovat yleensä deterministisiä.
Indeterminismi[5] ja satunnaisuus ovat kaaosteoriasta erilaisia siinä mielessä, että ainakin osalle tapahtumista ei ole välttämätöntä syytä.
Satunnaisuusopin peruspuutteena on, että miksi jotkin tapahtumat voi selittää etsimällä syitä ja syiden syitä kenties aina ensimmäiseen liikkumattomaan saakka esim. alkuräjähdykseen tai Jumalaan, mutta joidenkin luonnontapahtumien kohdalla täytyy vain pysähtyä.[6]
Fysiikassa
Nykyisessä fysiikassa on laajalti hylätty determinismi 1900-luvun alussa kvanttimekaniikan kehittyessä. Kvanttimekaniikan mukaan yksittäisen hiukkasen käyttäytymistä ei voi täysin ennakoida. Tämä on johtanut todennäköisyystulkintaan mikromaailman ilmiöiden tarkastelussa. Esimerkiksi kvanttimekaanisessa atomimallissa tehdään ennusteita, jotka kertovat todennäköisyyden, jolla elektroni on tietyssä kohdassa ytimien ympärillä.[7] Eri todennäköisyyksillä ”haaroilla” on erilaiset ”painot” - jotkut haarat ilmenevät paljon voimakkaammin kuin toiset. Eri haaroilla voi myös olla peittymiä, joista seuraa interferenssi-ilmiöitä.[8] Kvanttimekaniikassa syyn ja seurauksen laki eli kausaalilaki joutuu uuteen valoon. Tämä lainalaisuus on keskeinen periaate klassisessa fysiikassa ja siihen perustuvassa tekniikassa. Sinänsä deterministinen käsitys luonnossa vallitsemista vääjäämättömästä lainalaisuudesta on totta, mutta fysiikka ei enää tue Newtonin mekanistista determinismiä. Tilalle tulivat tilastolliset säännönmukaisuudet.[9]
Jos tutkitaan elektronin (tai hiukkasen) paikkaa ja nopeutta tarvitaan mittauksissa tiedon välittäjää esimerkiksi valoa. Jos säteily on lyhytaaltoista, elektronin paikka voidaan määrittää tarkasti valon interferenssin avulla. Tällöin säteilyn aallonpituus on paikan tarkkuuden mitta. Fotonin törmätessä elektroniin ja sirotessa siitä elektronin nopeus muuttuu. Tästä muutoksesta ei saada tietoa. Jos käytetään pitempiaaltoista säteilyä, fotonit muuttavat vähemmän elektronin nopeutta. Suuremman aallonpituuden vuoksi elektronin (hiukkasen) paikan määritys on epätarkempi. Mikromaailmassa mittaustarkkuudella on teoreettinen raja, jota ei mittausteknisillä parannuksilla voida ylittää. Kyseessä on aaltohiukkasdualismista johtuva mikromaailman perusominaisuus. Tämän Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen mukaan on mahdotonta tuntea tai mitata hiukkasen paikka ja liikemäärä (nopeus) samanaikaisesti tarkasti.[10] Yleinen tulkinta kvanttimekaniikassa on mm. Kööpenhaminan tulkinta.
Esimerkiksi kun havaitaan uraaniatomin hajoamista ei voida sanoa milloin hajoamista tapahtuu. Sitä ei aiheuta ulkopuolinen voima ja järjestelmä on nykyfysiikan käsityksen mukaan satunnainen. Kun havaitaan suuria joukkoja uraaniatomeja voidaan tehdä tilastollisia yleistyksiä milloin uraaniydin todennäköisesti hajoaa, mutta tätä ei voida soveltaa yksittäiseen atomiin.[11]
Kvanttimekaniikan vastavetona pyrittiin etsimään piilomuuttujateorioita. Näiden pohjaoletuksena on, että ehkä kvanttimekaniikka on deterministinen, muttemme pysty joistain syystä havaitsemaan niiden syytä. Vertauskuvana käytettiin esimerkiksi pörssikursseja - ennustamattomia, mutta niiden takana voi olla syy-seuraussuhde, vaikka olemme kykenemättömiä sitä havaitsemaan. Tätä tutkittaessa tehtiin Bellin teoreema, joka vei jalansijaa piilomuuttujateorioilta.
Klassisen fysiikan vision kaatuminen 1900-luvun alussa ei kuitenkaan tuhoa determinismiä kokonaan. Aaltofunktioiden – kvanttimekaniikan todennäköisyysaaltojen – aikakehys noudattaa täsmällisiä matemaattisia sääntöjä, kuten Schrödingerin yhtälöä. Siinä tapahtumien todennäköisyydet määräytyvät tarkasti sen sijaan, että itse tapahtumat määräytyvät tarkasti, mutta todennäköisyydet määräytyvät kuitenkin perinteisessä kvanttiteoriassa täydellisesti.[12] Sen osoittaminen, onko hiukkasfysiikka pohjimmiltaan lainalainen vai satunnainen, ei ole nykyisellä tekniikalla mahdollista.[13]
Filosofiassa
Taustaa
Atomioppiin pohjautuvaa epädeterminismiä kehitti Epikuros. Hän oli tyytymätön ankaraan determinismiin, jota esimerkiksi stoalaiset edustivat. Heidän deterministisessä käsityksessä kaikki tapahtuu vääjäämättä pienintä piirtoa myöten. Lukijan silmät siirtyvät riviltä riville tarkalleen samassa tahdissa kuin edellisenkin maailmankaikkeuden aikana. Ja sama pätee kaikkeen muuhunkin, Epikuroksen mallissa atomit saattavat silloin tällöin poiketa radoiltaan, vaikkeivät olekaan törmänneet mihinkään. Kaikki pienet korvanraaputukset eivät siis välttämättä ole ennalta määrättyjä.[6]
Tahdonvapaus
Determinismistä kirjoitettaessa usein pidetään sitä ongelmallisena tahdonvapauden kanssa.[14] Indeterminismi ei välttämättä tuota tähän mitään ratkaisua.[15] Jos ajatellaan, että ihmisessä vaikuttaa satunnaisia indeterministisiä ilmiöitä, kuten esimerkiksi hiilen radioaktiivinen isotooppi C-14 niin tämä ei näytä tuovan ratkaisua vapaan tahdon ongelmaan, koska jos satunnainen radiohiilen hajoaminen vaikuttaa aivojen synapsissa olevan elektronin kulkemaan tiettyyn suuntaan ja tämän seurauksena valitset tietyn työpaikan ei päätöksenteko vaikuta olevan yhtään vapaampaa kuin determinismissä vaan vapaina pidetyt teot muuttuisivat arpomiseksi.[16][17]
Ajatuskokeen ohella muutenkin tiedetään, että kvanttimekaaniset ilmiöt ovat melko pienet makroskooppisessa kokoluokassa, johon aivojen synapsit kuuluvat. Molekyylien koko ja aivojen korkea lämpötila tarkoittavat, että kvantti-ilmiöiden vaikutus lienee ihmisessä vähäinen. Ihmisen toiminta on pääosin sähkökemiallisella tasolla tapahtuvaa.[18]
Filosofiassa on pohdittu myös paljon tapoja joilla ihmismieli voi syntyä ja onko niillä tahdonvapautta. Lähestymistapoja voidaan luokitella kolmeen pääryhmään ja niiden alalajeihin dualismiin ja reduktionistisiin tapoihin. Dualismissa tietoisuus on itsenäinen ruumiiton subjekti, jolla ei ole avaruudellisia ulottuvuuksia, kuten materiaalisilla esineillä, vaikka monilla lienee tunne, että tietoisuus sijaitsee jossakin korvien välissä ja silmien takana. Materiaalinen ja henkinen todellisuus nähdään tässä toisistaan riippumattomina.[19] Toinen tapa lähestyä asiaa on reduktionistinen – siinä pyritään palauttamaan tietoisuus johonkin luonnonilmiöön.[20] Kolmannessa tavassa tietoisuus nähdään luonnon ja sosiaalisen ympäristön vuorovaikutuksen tulokseksi.[21]
Reduktionististen teorioiden osa-alueita voi kuvata mm. kolmella alakäsitteellä: behavioristinen, tietokonemetafora ja konnektionistinen. Behavioristisessa näkökannassa lähtökohtana on, että psyykkiset prosessit ilmenevät ulkoisessa käyttäytymisessä. Sen keskeisiä ongelmia on, että yksi ja sama stimulus tuottaa erilaisia reaktioita, eikä siihen näytä olevan erityistä havaittavaa syytä.[22]
Tietokonemallissa oletetaan, että kenties ihmisaivot toimivat tietokoneiden tavoin. Menettelytavassa on huomioitu, että monet tehtävät, jotka ihmiset kykenevät tekemään hyvin sujuvat myös tietokoneilta. Käsitetään, että symbolien käsittelyyn ja matemaattiseen logiikkaan perustuva vahva tekoäly voisi yhtä hyvin olla ihmisen aivojen metaforana. Sen innoittamana muistista on etsitty muistipaikkoja ja neuraalista koodia, valitettavasti huonolla menestyksellä.[23]
Ihmismielen toimintaperiaatteiden vertaaminen koneeseen ei ole uusi ilmiö. Antiikista lähtien tietoisuuden toimintaa on verrattu katapulttiin, väkipyörästöön, paineilmalaitteistoon ja teollisen aikakauden alussa sorvin kaltaisiin koneisiin, aina kulloisenkin uutuuden innoittamana. Uusimpien joukossa vertailujen saralla on tietoisuuden vertaaminen kvanttitietokoneen toimintaan.[24] Vertauskuvat ovat aina osoittautuneet hatariksi, ja niin on käymässä myös tietokonemetaforalle.[25]
Kolmas palauttava lähestymistapa on konnektionistinen ajattelutapa. Tässä pyritään simuloimaan aivosolujen toimintaa neuroverkkoja simuloivalla laitteella.[26] Siinä pyritään irti tietokonelähestymistavasta, mutta vastaesimerkkinä tähän on sanottu, että se, että lentokone ei räpytä siipiään ei tarkoita, ettei se lennä. Toisin sanoin tietoisuuden voi mahdollisesti rakentaa muutenkin kuin ihmisaivoja mukailemalla.[27]
Tietotekniikassa
Tietotekniikassa käytetään etenkin kryptografiassa ja verkkokasinoissa fysikaalisesti satunnaisia ilmiöitä tuottamaan satunnaisuutta (lämpökohina, ilmakehän vaihtelut, radioaktiivisuus jne.) Tietokoneet itsessään eivät kykene tuottamaan satunnaisuutta ja tämän takia täytyy olla fysikaalinen lähde, että saadaan puhtaasti satunnaisia merkkejä, dataa ja symboleita. Tietokoneiden tuottamaa näennäistä satunnaisnumeroa kutsutaan pseudosatunnaiseksi.[28] Se ei ole satunnaista samalla tavalla kuin esimerkiksi kuusisivuisen nopan heittäminen vaan deterministinen algoritmi tuottaa sitä ja ne ajan kanssa toistavat itseään.
Kirjallisuutta
Kvanttimekaniikasta:
Citation error, replace with{{cite book| author = Tarja Kallio-Tamminen| title = Kvanttilainen todellisuus: Fysiikka ja filosofia maailmankuvan muokkaajina| location = Helsinki| publisher = Yliopistopaino| year = 2006| id = ISBN 951-570-625-4}}
Citation error, replace with{{cite book| author = Laurikainen, K. V.| title = Tieteellä on rajansa: kvanttiteoria ja todellisuus| location = Helsinki| publisher = Yliopistopaino| year = 1997| id = ISBN 951-570-372-7}}
Citation error, replace with{{cite book| author = Ruelle, David| title = Sattuma ja kaaos| location = Helsinki| publisher = Art House| year = 1992| id = ISBN 951-884-020-2}}
Citation error, replace with{{cite book| author = Laurikainen, K. V. ja Rainio, Kullervo| title = Todellisuus ja kuvajainen| publisher = Wsoy| year = 1990| version = Etenkin kirjan osio II. Kvanttimaailman indeterminismi (sivut 73–147) – on aihepiiriin liittyvää| isbn = 951-0-16207-8| accessdate = 21.2.2016}}
Tahdonvapaudesta:
Citation error, replace with{{cite book| author = Näreaho, Leo| title = Mieli, aivot ja filosofia: näkökulmia tietoisuuden ongelmaan| location = Helsinki| publisher = Yliopistopaino| year = 2004| isbn = 951-570-571-1| accessdate = 21.2.2016}}
Lähteet

Luokka:Filosofiset opit
Luokka:Metafysiikka