Kiertotiellä kohti todellisuutta
Oikeastaan tieteessä ei pyritä totuuteen. Konsensus siitä, miten maailma toimii, lähestyy kyllä asymptoottisesti todellisuutta mutta kukaan ei voi varsinaisesti pyrkiä totuutta kohti. Väite saattaa kuulostaa näennäisen oudolta mutta yksikään tutkija tai tutkimusryhmä ei voi pyrkiä kohti totuutta, koska kukaan ei tiedä missä suunnassa se on. Kuvaamme todellisuutta monilla teorioilla ja malleilla, jotka kaikki ovat vain likimääräisiä kuvauksia todellisuudesta. Ne ovat kaikki pielessä, ainakin jonkin verran, ja kukaan ei tiedä tarkalleen missä todellisuus piileksii, vaikka se olisikin niiden lähettyvillä.
Tieteessä edetään kuten Arthur Conan Doylen dekkarinovelleissa, joissa etsivä nimeltään Holmes koettaa selvittää rikoksia. Periaatteena on, että ”kun eliminoidaan kaikki mahdottomat selitykset, jäljelle jäävä, oli se sitten kuinka epätodennäköihen hyvänsä, on totuus”.
Tiede perustuu yksinkertaistetusti siihen, että eliminoidaan mahdottomat vaihtoehdot, jolloin jäljelle jäävät selitysmallit kuvaavat todellisuutta tarkimmin. Oikeastaan tehdään havaintoja, joihin malleja ja teorioita verrataan. Jokainen havainto tekee huonoista malleista hiukan korostetummin hyviä malleja epätodennäköisempiä ja lopulta jää jäljelle vain hyviä malleja (tai parhaimillaan vain yksi hyvä malli), jotka selittävät havainnot mainiosti. Silloin ei edes pyritty löytämään hyviä malleja, vaan tekemään havaintoja, jotka osoittaisivat mahdollisimman monta mallia huonoiksi. Lopputuloksena päästiin kuitenkin lähemmäksi totuutta. Kun jäljelle jää vain yksi malli, sitä kutsutaan tavallisesti teoriaksi — teoria tarkoittaa tieteessä mallia, joka on koetettu osoittaa vääräksi lukemattomia kertoa mutta joka on selvinnyt jokaisesta yrityksestä kuivin jaloin.
Eksoplaneettojen havainnointi Doppler-spektroskopisin menetelmin tarjoaa esimerkin siitä, mitä tieteellisen tiedon karttuminen tarkoittaa. Menetelmällä on tarkoitus havaita tähden hienoista huojuntaa avaruudessa sitä kiertävän planeetan vetovoiman vaikutuksesta (Kuva 1.). Huojunta havaitaan tarkkailemalla pienenpieniä tähden värin muutoksia, jotka aiheutuvat tutusta Dopplerin ilmiöstä tähden liikkuessa vuoroin meitä kohti ja meistä poispäin. Mutta lähtötilanne on se, että emme tiedä minkälainen planeetta tähteä kiertää ja minkälainen sen kiertorata on — jos planeettaa tai planeettoja edes on. Tavallisesti oletetaan, että kaikki mahdolliset planeetat ja radat ovat yhtä todennäköisiä keskenään ja sen kanssa, että planeettoja ei ole. Teknisessä tieteellisten julkaisujen jargonissa sanotaan usein ennakkoinformaation noudattavan tasaista jakaumaa mutta kyse on todellisuudessa vain maksimaalisesta epätietoisuudesta (ennakkoinformaatio on oma monimutkainen aiheensa, jonka avaaminen ei mahtuisi yhteen lyhyeen tekstiin).
Seuraava askel on tähden havainnointi. Jokainen yksittäinen havainto, jokainen mittaus tähden liikkeestä, kertoo jotakin siitä, minkälaisia planeettoja tähdellä voi olla kiertoradoillaan. Mutta periaatteena on niiden poissulkeminen. Mitä enemmän havaintomateriaalia kertyy, sitä laajemman kirjon erilaisia planeettoja erilaisilla radoilla ne sulkevat pois. Lopulta jää jäljelle vain yksi tai muutama rata ja planeettatyyppi, joiden olemassaoloa havainnot eivät sulje pois. Silloin on havaittu planeetta tai planeettoja. Tieteellisessä mielessä jokainen havainto tekee olemattomien mutta periaatteessa havaittavissa olevien planeettojen olemassaolosta hiukan epätodennäköisempää. Lopulta niiden olemassaolo on niin epätodennäköistä, että voidaan katsoa havaintoaineiston sanovan, ettei niitä ole.
Viimeinen askel on laskea (tietyin oletuksin) kuinka todennäköistä on saada tehdyt havainnot, jos tähteä kiertävät ne planeetat, joiden olemassaoloa ei saatu poissuljettua, verrattuna siihen, että planeettoja ei ole. Jos todennäköisyys on riittävän suuri, vaikkapa yli 99%, voidaan sanoa, että tähdellä on luultavasti kumppaneita. Planeetat, joiden havaitsemiseen mittaustarkkuus ei riitä, voivat edelleen olla olemassa tai sitten eivät. Niistä ei voida sanoa mitään.
Tieteessä periaate on se, että eliminoidaan selitysmallit, jotka eivät sovi havaintoaineistoon ja jotka data siksi saa näyttäytymään epätodennäköisinä. Joskus on vain mahdotonta eliminoida kumpaakaan kahdesta (tai useammasta) selitysmallista, koska ne selittävät havainnot aivan yhtä hyvin. Silloin vedotaan tavallisesti yksinkertaisuuden periaatteeseen. Selitysmalli, joka sisältää vähemmän oletuksia, katsotaan luotettavammaksi. Jos esimerkiksi tähden liikkeen voi selittää yhtä hyvin ilman eksoplaneetan vaikutusta kuin sen kanssa, ei ole perusteltua sanoa, että planeetan olemassaololle on todistusaineistoa. Samaa ajattelua sovelletaan jokaisella tieteenalalla — kosmologiassa ehkäpä kaikkein räikeimmällä tavalla.
Kosmologia pyrkii vastaamaan kysymyksiin maailmankaikkeudesta, sen synnystä, kehityksestä ja olemassaolosta. Pyrkimyksenä on kehittää teoria, joka selittäisi niin maailmankaikkeuden olemassaolon kuin sen kehitystä ja toimintaa sääntelevät luonnonlaitkin. Olemme onnistuneet kehittämään erinomaisia teoreettisia viitekehyksiä maailmankaikkeuden toiminnalle ja osaamme ennustaa niin gravitaation kuin kaikkien muidenkin perusvuorovaikutustenkin toimintaa yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttikenttäteorian avulla. Ongelmana vain on, että ne ovat nykymuodossaan keskenään ristiriidassa, joten tarvitaan vielä runsaasti kehitystyötä ennen kuin saamme koko maailmankaikkeutta kuvaavan teoreettisen kuvauksen aikaiseksi. Se olisi koko fysikaalisen maailmankuvamme huipentuma, kaiken teoria, ja teoreettisen fysiikan kliimaksi. Mutta sellaista ei ole.
Fyysikoita ei voi syyttää yrityksen puutteesta. Yksi suurimmista ongelmista vain on, että teoreettisia malleja ja hypoteeseja ei voi erottaa toisistaan. Ei ole olemassa havaintoja tai koejärjestelyjä, joilla voitaisiin havaita malleja toisistaan erottavia tekijöitä. Ei siis ole mahdollista saada mittaustulosta, joka madaltaisi sitä todennäköisyyttä, että yksi tai useampi malli on oikeassa. Erilaisista kompleksisista säieteorioista onkin siksi vitsailtu, että ne eivät ole edes väärässä — ei ole olemassa tapaa tehdä havainto, joka voisi osoittaa ne vääriksi. Jotkut fyysikot ovat sitä mieltä, että puhtaan teoreettinen fysiikka vailla mahdollisuutta tarkastella sitä kokeellisesti havaitsemalla ei ole minkään arvoista. En ole itse valmis aivan yhtä raakaan arvosteluun. Teoreettisen fysiikan kehitys on usein johtanut uuden matematiikan löytämiseen ja teknologinen kehitys kyllä mahdollistaa tulevaisuudessa niidenkin mallien testaamisen, joita nykyisellään on mahdotonta osoittaa vääriksi. Kuitenkin, pelkästään teoreettisia rakennelmia konstruoimalla ei edistetä tiedettä.
Tarvitaan siis mittauksia. Ne ovat tieteessä kaikki kaikessa. Mallien keskinäistä paremmuutta voidaan tarkastella vain todellisuudesta tekemiemme havaintojen kontekstissa. Ja poiketessaan havainnoista liikaa, mallit osoitetaan vääjäämättä heikoiksi todellisuuden kuvauksiksi ja ne saavat väistyä niiden mallien tieltä, jotka eivät poikkea merkittävästi havainnoista. Silloin olemme päässeet taas yhden pienen askeleen lähemmäksi fysikaalista todellisuutta ja ymmärrämme aavistuksen paremmin sen toimintaa.
Mikko Tuomi
Satunnaislukuja 