torstai 16. lokakuuta 2014

Vihdoinkin fuusioenergiaa (?)

Olisikohan tässä nyt mahtavin tiedeuutinen vuosikymmeniin? Yhdysvalloissa Lockheed Martin - yhtiö ilmoittaa ratkaisseensa käytännön fuusioreaktorin ongelmat (ks. tiedote). Mikä ihmeellisintä, he aikovat demonstroida periaatetta vuoden sisällä - ja rakentaa toimivan prototyypin viidessä vuodessa. Mikä vielä ihmeellisempää, prototyyppireaktori on pienikokoinen, luokkaa metri kertaa kolme metriä - kun nykyisissä kokeissa on päädytty kasvattamaan reaktorin kokoa riittävän plasmatiheyden saavuttamiseksi. ITER- koereaktorissa reaktorin halkaisija on kymmeniä metrejä. 

Katsotaanpa asiaa hieman tarkemmin. Fuusiovoimalan idea on yhtä vanha kuin ydinvoiman, ja sitä on kehitetty 1950- luvulta alkaen. Alkuaan siihen suhtauduttiin optimistisesti. Mutta käytännön toteutus on osoittautunut suunnattoman vaikeaksi. Nyt rakennetaan Etelä-Ranskaan kansainvälistä ITER- koereaktoria. Laitos on varsin mittava, ja sen kustannukset ovat luokkaa 10 miljardia euroa. Laitoksen suunnitellaan tuottavan fuusiovoimaa 400 MW teholla ainakin 8 minuutin pituisina pulsseina.

Fuusiovoimalan lupaavimmaksi polttoaineeksi (helpoiten syttyväksi) on havaittu deuterium-tritium seos (vedyn isotooppeja, joita maapallolla on saatavissa täysin riittävästi). Reaktoria pyritään käytännössä toteuttamaan kahdella periaatteella. Plasma (kuuma ionisoitunut deuterium-tritiumseos) voidaan kuumentaa fuusiolämpötilaan nopealla laserpulssilla. Tai sitten plasma pidetään koossa sähkö- tai magneettikenttien avulla. Siihen tuodaan ulkoista kuumennusenergiaa, kunnes fuusio alkaa ja plasma palaa itsestään. Tällaisia laitteita ovat stellaraattori ja tokamak. Tokamakia (toroidi kammio, magneettinen koossapito) pidetään lupaavimpana. Andrei Saharov ja Igor Tamm keksivät tokamakin vuonna 1951 Neuvostoliitossa, ja sellainen on myös ITERin sydämenä. Stellaraattoria tunnetaan huonommin, ja se on teknisesti mutkikkaampi.

Lockheedin tavoite on kehittää pieni reaktori, aluksi sotalaivoihin ja sukellusveneisiin. Vaikka yhtiön sivuilla ei ole riittävää tietoa hankkeen arviointiin (uutisessa vain viitataan patenttihakemuksiin), he kertovat kuitenkin, että se perustuu deuterium-tritium reaktioon ja magneettiseen koossapitoon. Uutisoinnissa esitetyistä kuvista päätellen laite voisi olla stellaraattori, tai sitten kuvilla ei ole mitään tekemistä aiheen kanssa.

Joka tapauksessa Lockheed-Martinin tiedote on lähes uskomaton. Se edellyttäisi ainutlaatuisen radikaalia tieteellistä läpimurtoa. Ei asia toki ihan mahdottomalta tunnu, koska reaktorin vaatima teoria - plasman käyttäytyminen ja dynamiikkaa äärimmäisissä lämpötiloissa - tuskin on läheskään loppuun tutkittu. Mutta moni asia askarruttaa. Yhtiön julkaisema video ja koko juttu muistuttaa kovin epäilyttävästi aiheesta vuosia sitten tehtyä Hollywood elokuvaa, jonka olen nähnyt.

Joten on kolme mahdollisuutta. 1. Uutinen on totta, ja reaktori saadaan aikaan, mahdollisesti huomattavasti myöhässä ilmoitetusta aikataulusta. 2. Uutinen on tietoinen huijaus (mutta miksi?). 3. Uutinen on ankka, samaan tapaan kuin vuosien takainen uutinen kylmäfuusioreaktiosta. Annan jokaisen vaihtoehdon todennäköisyydeksi 1/3.

On myös eräs selitys. Hanketta vetää Lockheedin ”Skunk works”- osasto, joka on vienyt läpi useita haastavia teknologiaprojekteja. Tällainen eristetty ja kulttuuriltaan omaleimainen ryhmä on tunnetusti altis kollektiivisille harhoille. Tieteen historiassa on useitakin tällaisia esimerkkejä.

tiistai 14. lokakuuta 2014

Op - tulevaisuus joka meni ohi

Kävin Espoon taidemuseossa Emmassa katsomassa Victor Vasarelyn taidetta. Minulle se oli muisto menneisyydestä, ja samalla se oli häivähdys tulevaisuudesta, jota ei koskaan tullutkaan. 1900- luvun moderneille taidesuuntaukselle tyypillisesti 1970- luvun op- taide, jota Vasarely oli itse vahvasti mukana luomassa, uskoi vakaasti olevansa ihmiskunnan visuaalinen tulevaisuus. Vasarely kirjoitti manifestin, jonka mukaan uusi taide uudisti maailman visuaalisen ilmeen, ja samalla se mullisti täydellisesti taiteen luutuneet valtasuhteet: se olisi taidetta kaikille, ei eliitille tai kriitikoille. 

Huippukaudellaan 1960- ja 1970- luvulla Vasarely oli etenkin Euroopassa valtavan suosittu, ehkä suurimpia nimiä, mutta on jostain syystä painunut nykyään lähes unohdukseen ja taiteen marginaaliin. Näin maailma muuttuu.

Näyttelyssä pyöri vanha mustavalkoinen filmi tästä uudesta maailmasta. Naisten muoti perustui vahvasti kontrastoituihin mustavalkoisiin seeprakuvioihin tai geometristen kuvioiden rytmisiin sommitelmiin. (Jostain syystä miesten op- muotia ei koskaan esitelty). Taide mullistaisi myös arkkitehtuurin. Kaihoisan kiehtovalta näytti tuo uusi maailma, jonka välähdyksiä itsekin muistan nähneeni nuorena. Kokonaan op- taide ei kuitenkaan mennyt maan rakoon. Meillä se näkyy Marimekon vanhassa ja uudemmassakin mallistossa.

Victor Vasarely (alkuaan Győző Vásárhelyi 1906 - 1997), oli unkarilaissyntyinen ranskalainen taidemaalari. Työskenneltyään aluksi arvostettuna graafikkona hän siirtyi vähitellen taiteilijaksi, ja kehitti abstraktin, geometristen muotojen toistumiseen ja vähittäisiin muodon ja värin muunnoksiin perustuvan taidetyylin. Erityisesti kuvataiteessa ja muodissa sitä sanottiin op- taiteeksi, koska se tuottaa katsojille vahvoja optisia illuusioita.

Mutta asiaan. 1980- luvulla näin Budapestissä laajan Vasarelyn näyttelyn. Silloin se oli yllätys, sillä Vasarely oli suomalaisessa julkisessa keskustelussa lähes tuntematon (vain op tuli muotisektorin kautta näkyville). Emman näyttely on varsin suppea, mutta palautti alkuperäisen elämyksen vahvana mieleen. Pidin tavattoman rentouttavana ja miellyttävänä katsella teoksia, joita ei tarvitse ymmärtää eikä tulkita, Joissa ei ole symboleita eikä kätkettyjä muotoja eikä tarkoituksia. Vasarely on ratkaissut, miten tehdä taidetta, joka ei esitä, selitä eikä tyrkytä, jossa ei ole mitään vaan joka vain on. Täydellistä aivojen lepoa ja nautintoa ja pieniä ihmeitä.

Tietysti Vasarelyn taiteeseen liittyy myös filosofinen puoli, jos sitä haluaa pohtia. Ehkä se heijastaa jollain lailla nykyaikaista fysiikan maailmankuvaa. Materia näyttää muodostuvan samankaltaisten osasten yhteisvaikutuksesta. Vasarelyn optiset illuusiot syntyvät pienen pienistä perusosasten variaatioista. Vaikka osat ovat samoja, niiden pienet muutokset luovat uusia muotoja. Vasarelyn taide heijastaa salaperäistä emergenssin ihmettä.

(Linkki Vasarelyn Vega- kauden kuvaan.  )

sunnuntai 12. lokakuuta 2014

Totuus fysiikasta - ei se ihan niin mene!

Taas tulee kovaa tiedettä. Kovaakin kovempaa eli fysiikkaa. Pahoittelen, heikkohermoiset hypätköön yli.

Sattuma toi käteeni Ramo Lehden kirjan ”Tieteen rannalla” (Ursa 2005). Matemaatikko Raimo Lehti (1931-2008) oli minulle tuttu Teknillisestä korkeakoulusta vuodelta 1970. Hän luennoi minulle integraalimuunnosten kurssia. Olin huono oppilas, mutta läpäisin kurssin joten kuten. Lehti ei ollut erityisen karismaattinen opettaja, muistan hänen olleen kuiva, mutta tavattoman tarkka yksityiskohdissa. Hän käytti myös säästeliäästi viistoa huumoria. Samaan aikaan riehui kuumana yliopistojen hallinnonuudistuskiista, jossa Lehti toimi oman ilmoituksensa mukaan ”tykkimiehenä”. Se oli masentava ja hyödytön episodi, joka viilensi opiskelijoiden ja professoreiden välejä.

Seuraavan kerran törmäsin Lehden kirjoituksiin vasta 2000- luvulla. Havaitsin, kuinka hän kirjoitti tavattoman kiehtovasti ja oivaltavasti tieteenhistoriasta, erityisesti Galileosta, Kopernikuksesta ja Kepleristä. Siteerasinkin hänen tekstejään mm omilla luennoillani.

Lehdestä oli siis tullut tieteen historian ja tieteenfilosofian tutkija ja asiantuntija, ja hän oli vähintäänkin hyvin perillä tähtitieteestä. Olin hyvin vaikutettu ”Tieteen reunalla”- kirjasta. Sain siitä uusia oivalluksia. Kirjassa on lähinnä muokattuja kirja-arvosteluja ja kommenttipuheenvuoroja - mutta ne ovatkin jotain ihan erityistä! Tieteen popularisoijana hän ei välttämättä ole esimerkiksi Kari Enqvistin veroinen, koska tarkkuus ja huolellisuus tuntuvat herkästi kuivakoilta. Minä tunnistin kirjasta heti hänen kuivan tyylinsä, viiston huumorin ja tarkkuuden yksityiskohdissa.

On kiintoisaa, että, Lehti ruotii ankarasti Enqvistin kirjaa ”Olemisen portilla” - vaikka hän on useimmista asioista samaa mieltä. Hän oli löytänyt epätarkkuuksia ja laiskaa ajattelua, jokaisen tietokirjailijan syntejä. Lehti yhtyi myös Enqvistin kritiikkiin kvanttifysiikan oudoimpia tulkintoja kohtaan, itse asiassa terävöittäen kritiikkiä. Schrödingerin kissa on siis elävä TAI kuollut, ei mitään muuta (kysyin asiaa kerran lapsiltani, ja hekin olivat tätä mieltä - ja lapset ovat viisaita.) Kaikkiaan Lehti antoi Enqvistin kirjalle reilun tunnustuksen, onhan sen aihe todella kunnianhimoinen. 

Lehti ottaa myös voimakkaasti kantaa ns. postmodernia tieteenkäsitystä vastaan, osoittaen - mielestäni varsin armottomasti - sen pinnallisuuden ja väärintulkinnat. Myös reduktionismin, emergenssin ja determinismin käsitteitä Lehti ruotii ilahduttavalla innolla ja älyllä.

Lehti kurmottaa myös liian yksioikoista luonnontieteellisen metodin esittelyä. Usein esitetään, että luonnontieteellisen mallin ihannetyyppi on differentiaaliyhtälö, ja sen ratkaisut esittävät kuvattavaa ilmiötä. Lehti jos kuka tunsi differentiaaliyhtälöt. Hän toteaa purevasti, että differentiaaliyhtälöllä ei useinkaan ole ratkaisua, tai sitten ratkaisu on kelvoton kuvaamaan mitään ilmiötä. Usein mainittu esimerkki on niin sanottu kolmen kappaleen ongelma: kolme kappaletta kiertää toisiaan avaruudessa, jolloin niiden radat määrää liikevektorien alkuarvot ja kappaleiden keskeinen vetovoima. Niiden liikeyhtälöt on helppo kirjoittaa, mutta yhtälöiden ratkaisua on pidetty mahdottomana. Jo Newton sai päänsärkyä tästä ongelmasta. Ranskan tiedeakatemia lupasi jopa palkkion ongelman ratkaisemisesta.

Olen tavannut väitteen ongelman ratkaisemattomuudesta useammassakin tiedettä popularisoivassa kirjassa. Lieneekö kyseessä tieteellinen sovinismi, sillä vuonna 1912 suomalainen matemaatikko Karl Frithiof Sundman julkaisi ratkaisunsa matemaattisessa aikakausilehdessä, ja kuittasi Ranskan akatemian palkkion jopa kaksinkertaisena. Myös toinen suomalainen, Pauli Kustaanheimo on esittänyt oman ratkaisunsa. Raimo Lehti on eritellyt näitä ratkaisuja erillisissä kirjoituksissaan.

Varsinainen oivallus syntyi artikkelista, joka käsitteli Juri Baryshevin ja Pekka Teerikorven englanninkielistä kirjaa kosmoksen fraktaalirakenteista. Ja se oivallus on seuraava. Sekä populaareissa että tutkijoille suunnatuissa tieteenfilosofian esityksissä väitetään varsin yleisesti, että suhteellisuusteoria korvasi Newtonin fysiikan, ja että kvanttimekaniikka on pidemmälle kehitettyä ja oikeampaa kuin Einsteinin relativistinen fysiikka. Asia ei ole lainkaan näin. Kvanttimekaniikan tulkitsemisessa on runsaasti ongelmakohtia. Ehkä vielä kiehtovampaa on, että Newtonin fysiikka tarjoaa kosmologialle sellaisen hedelmällisen viitekehyksen mihin Einsteinin geometrinen painovoimateoria ei yllä. Yhteenvetona, näillä kolmella teorialla on sovelluskohteen mukaan vaihteleva tarkkuus ja kattavuus ilmiöiden mallituksessa. Ja mikä yhtä olennaista, kullakin näistä teorioista on kyky stimuloida ihmisen ajattelua ja ei-matemaattista keskustelua fysiikasta yhä tänäkin päivänä.

Niin että unohtakaa väite Newtonin fysiikan vanhentuneisuudesta. Ja muistakaa että suhteellisuusteoria ei ole kaikkivoipa. Ja kvanttimekaniikka - siitä ehkä kannattaisi puhua äärimmäisen varovasti.

lauantai 11. lokakuuta 2014

Vapaan tahdon uudet vaatteet

Onko ihmisellä vapaa tahto? Kysymys on vanha, mutta luonnontieteiden edistys on tuonut siihen uutta särmää. Vapaan tahdon on nähty erottavan ihmisen eläimestä. Aikanaan René Descartes pohti kysymystä kovasti. Hänen mukaansa eläimet ovat koneita, jonkinlaisia heijasteautomaatteja, jotka reagoivat ulkoisiin ärsykkeisiin jonkun sisäänrakennetun ohjelman vaikutuksesta. Itse asiassa tällaisia koneita oli rakenneltu jo renessanssiajalta lähtien: mekaanisia androideja, ihmisiä ja eläimiä, jotka liikehtivät taitavasti ja suorittivat hyvinkin ällistyttäviä tehtäviä. Tällaiset laitteet tekivät ihmisiin tavattoman voimakkaan vaikutuksen. Eipä ihme, että myös Descartes otti käyttöön koneanalogian. Mutta ihmisen kohdalla hän päätyi dualismiin. Ihminen voi olla osittain kone, mutta sen sisällä asustaa henki eli sielu - joka viime kädessä päättää asioista. Juuri tuolla haihtuvaisella ja näkymättömällä sielulla on vapaa tahto.

Tällaista keskustelua käydään myös nykyään ja ihan vakavissaan erityisesti Yhdysvalloissa, missä uskonnolliset jännitteet edelleenkin heijastuvat tiedemaailmaan. Sillä jos vapaata tahtoa ei ole, sikäläiseltä oikeusjärjestelmältä putoaa pohja. Rikollisen toiminnan takana nähdään synti, ja ilman vapaata tahtoa ihminen ei voi tehdä syntiä. Yhteiskunnan uskonnollis-eettinen ohjaus latistuu mekanismien kohtaamiseksi. ”Pakko tappaa”, sanoo rikollinen. ”Pakko tuomita”, vastaa tuomari. Vai onko, pitääkö ohjelmointivirheestä rangaista tietokonetta?

Vapaan tahdon ongelma on siis ikivanha psykofyysinen ongelma (sielu-ruumis ongelma). Yleisesti ottaen maallistunut tiede pitää ongelmaa aikansa eläneenä tai epäkiinnostavana. Mutta vapaa tahto on sitkeähenkinen käsite - niinkuin monet kulttuuriin syvälle juurtuneet käsitteet. Nyt sielun paikalle vain asetetaan näppärästi sana ”tietoisuus”.

No hyvä, mutta mitä tietoisuus sitten on? Yleisen käsityksen mukaan se syntyy aivojen neuronien toiminnasta, aivan kuin sen kuvitteellisena vastaparina oletettu aivojen heijasteautomaatti. Tässä siis yksi tai useampi neuronien järjestelmä tekee nopeasti automaattisia päätöksiä, ja eräs toinen neuronijoukko yrittää arvioida ja muokata niitä - yleensä hieman jälkijunassa. On kuitenkin kiinnostavaa, että tämä nykyaikainen kuva aivojen kaksitasoisesta kognitiivisesta toiminnasta näyttäisi toistavan samantapaista dualistista mekanismia kuin ikivanha sielu-ruumis asetelma. Onko tämä siis sattumaa, vai onko vanha kulttuurinen malli ohjannut tutkijoiden ajatuksia? En kyllä osaa sanoa.

Tämä asioiden tila johtuu siitä, että tietoisuutemme toimii hitaasti ja sen ikkuna on kovin kapea. Aivot joutuvat toimimaan pitkälle automaattiohjauksella. Tietoisuus on kuitenkin aivan keskeínen osa ihmisenä olemista. On tärkeää pohtia, miten kasvatus, kokemus, tunteet ja kulttuuri vaikuttavat tietoisuuteen ja sen mekanismien kehittymiseen ajan myötä. Aihe kiinnostaa laajasti, psykologiasta ja neurotieteistä aina taloustieteen päätöksentekoteorioihin asti. Esimerkiksi talousnobelisti Daniel Kahneman on omistanut sille elämäntyönsä.

Mutta sanapari ”vapaa tahto” ei tuo uutta valaistusta tähän pohdintaan.