Syvällä fysiikan ytimessä on onnekas arvaus. Se oli uskomattoman hyvä arvaus, joka on pysynyt vakaana ajan ja kokeilujen edessä, ja se on nyt kvanttimekaniikan perusperiaate.
Nimeltään Bornin sääntö, ja vaikka sitä käytetään ennusteisiin, kukaan ei todella ymmärrä, miten se toimii. Mutta uusi rohkea yritys kirjoittaa se uudelleen saattaa olla se läpimurto, jota olemme etsineet, jotta voimme vihdoin ymmärtää sen kokonaisuudessaan.
University College Londonin fyysikot Lluís Masanes ja Thomas Galley ovat yhdessä Itävallan tiedeakatemian Markus Müllerin kanssa pyrkineet löytämään uuden tavan kuvata tämä fysiikan peruslaki.
Eivät he ole ensimmäisiä, jotka etsivät syvempiä totuuksia tähän mielettömimpään kvanttiperiaatteeseen. Eivätkä, olkaamme rehellisiä, he tule olemaan viimeisiä. Mutta jos ratkaisu on löydettävissä, se luultavasti vaatii heidän kaltaistaan ainutlaatuista lähestymistapaa.
Voittaaksemme ymmärtää, mikä Bornin säännössä on niin erikoista, meidän on ensin palattava hieman taaksepäin.
On tullut klisee sanoa, että kvanttimekaniikka on outoa. Kun on kissoja, jotka ovat yhtä aikaa eläviä ja kuolleita, ja hiukkasia, jotka teleporttaavat informaatiota halki tilan ja ajan, olemme tottuneet pitämään fysiikan kellaria taikashow’na.
Suuret nimet, kuten Schrödinger, Heisenberg ja Einstein, saavat yleensä kunniaa, mutta saksalainen fyysikko ja matemaatikko Max Born on se, joka todella ansaitsee kunnian siitä monumentaalisesta päänsärystä, jota kvanttimekaniikka tuottaa.
Ymmärtääksemme hänen panoksensa meidän tarvitsee vain katsoa sitä kuumaa sotkua, jonka fyysikot löysivät itsestään 1920-luvun alussa. Atomin rakenne oli hiljattain paljastunut koostuvan tiiviistä, positiivisesti varautuneesta ytimestä, jota ympäröivät pienemmät negatiivisesti varautuneet hiukkaset.
Miksi koko systeemi ei romahtanut, oli suuri kysymys, jota potkittiin ympäriinsä, kunnes ranskalainen fyysikko Louis de Broglie esitti rohkean ehdotuksen – aivan kuten valon aalloilla oli hiukkasmainen luonne, nuo negatiiviset elektronitkin saattoivat pysyä ylhäällä, jos nekin olivat aaltomaisia.
Valon dualiteetti oli jo valmiiksi tarpeeksi kova nieleskeltäväksi. Mutta kiinteältä näyttävän aineen kuvaaminen ikään kuin se olisi aalto valtameressä oli aivan hullua. Silti kokeet osoittivat, että se sopi hyvin yhteen.
Silloin, vuonna 1926, Born keksi yksinkertaisen ehdotuksen – hyödyntäen kollegoidensa matematiikan oivalluksia hän osoitti, miten nämä aallot heijastivat todennäköisyyttä, ja keksi säännön, joka yhdisti havainnot ja sattuman mittaukset. Tämän säännön avulla fyysikot voivat ennustaa hiukkasten sijainnin kokeissa käyttämällä näiden aaltofunktioiden amplitudien heijastamia todennäköisyyksiä.
Mutta Bornin sääntö ei perustunut mihinkään aksioomien perusjoukkoon tai syvempiin luonnon totuuksiin. Luennossaan, jonka hän piti saatuaan Nobelin fysiikan palkinnon työstään vuonna 1954, Born selitti Einsteinin työstä syntyneen ”aha!”-hetken.
”Hän oli yrittänyt tehdä hiukkasten – valokvanttien eli fotonien – ja aaltojen kaksinaisuutta ymmärrettäväksi tulkitsemalla optisten aaltofunktioiden amplitudien neliön todennäköisyystiheydeksi fotonien esiintymiselle”, Born sanoi.
Se oli inspiroitunut arvaus, ja vieläpä täsmällinen sellainen. Mutta ei ollut mitään perusaksioomia, ei mitään peruslakeja, jotka vetäisivät Bornin hänen johtopäätökseensä. Se oli puhtaasti ennustava, eikä kertonut mitään syvemmistä periaatteista, jotka tekevät monista mahdollisuuksista yhden todellisuuden.
Einstein inhosi seurauksia, ja hän väitti tunnetusti, että Jumala ei pelaa noppaa, ja hänestä kvanttimekaniikka oli epätäydellinen teoria, joka odotti uusia palasia, jotka selventäisivät kuvaa.
Pian vuosisataa myöhemmin nuo palaset ovat yhtä vaikeasti löydettävissä kuin koskaan. Ja Bornin sääntö istuu yhä sen ytimessä, ennustaen hiljaa paljastamatta valintansa salaisuutta.
Tarvitaan kuuluisan lain uudelleenmuotoilua, joka säilyttää ennustuskykynsä ja vihjaa samalla uusista totuuksista. Niinpä Masanes, Galley ja Muller muokkasivat säännön muotoilun uudelleen perustuen kouralliseen näennäisen triviaaleilta vaikuttavia oletuksia.
Ensiksi he huomauttivat, että kvanttitilat kuvataan suuruus- ja suuntamittojen mukaan.
Toiseksi he osoittivat, miten näitä tiloja voidaan kuvata niin sanotun yksikköisyyden mukaisesti. Tällä jargonilla viitataan informaatioon, joka yhdistää prosessin alku- ja loppupisteet. (Karkeasti sanottuna emme ehkä tiedä, miten pääsimme baarista kotiin, mutta menetelmä, jolla pääsimme sinne, kuvaa myös paluureitin.)
Seuraavaksi he olettivat, että riippumatta siitä, miten päätämme ryhmitellä monimutkaisen kvanttisysteemin osat, sillä ei pitäisi olla merkitystä lopputilan mittaamiseen. Sateenkaaren jakaminen seitsemään väriin on valinta, jonka teemme asiayhteydestä riippuen; luonto ei aina välitä kätevistä jaotteluista.
Viimeiseksi he vahvistivat, että kvanttitilan mittaus on ainutkertainen. Kun kaikki on sanottu ja tehty, lukemattomat mahdollisuudet päättyvät vankkaan vastaukseen.
Näistä yksinkertaisista lähtökohdista kolmikko rakensi loogisesti takaisin Bornin sääntöön. Heidän työnsä on kenen tahansa luettavissa pre-peer review -sivustolla arxiv.org, mutta se herättää jo nyt keskustelua.
Se ei kuitenkaan ole ratkaisu sinänsä, sillä se ei pysty selittämään, miksi mahdollisuuksien aalto romahtaa havaitsemaamme todellisuuteen.
Sen sijaan se osoittaa, miten perustavanlaatuiset olettamukset voivat synnyttää saman lain, ja tarjoaa näin uudenlaisen näkökulman siihen, miten ongelmaa voidaan lähestyä.
Toistaiseksi Jumala heittää noppaa edelleen reilusti. Ehkä näin saamme hänet kiinni huijaamisesta.