keskiviikko 12. kesäkuuta 2013

Tieteen rakkikoira analyysissä, osa 3


Keskustelu professori Esko Valtaojan kanssa jatkui hieman yllättäen.


Yritänpä nyt vielä kerran, aivan pelkästä psykologiapainotteisesta uteliaisuudesta...

Tähtien synnyllä ei ole juurikaan tekemistä termodynamiikan kanssa (enkä myöskään ymmärrä mitä "potentiaalierot" ilmeisesti ihan ikiomassa termodynamiikassasi mahtavat tarkoittaa).

Potentiaalierot ovat mitä tahansa eroja kahden eri systeemin tilaa kuvaavissa fysikaalisissa suureissa. Näitä suureita ovat esimerkiksi lämpötila, paine, pitoisuus (kemiallinen/sähkökemiallinen potentiaali). Käytännössä tämä potentiaali on vapaata energiaa eli systeemin kykyä tehdä työtä ja samalla tuottaa joku havaittava prosessi (muutos systeemissä tai systeemin ja ympäristön muodostamassa tilakokonaisuudessa).

Ilman näitä potentiaalieroja me emme olisi voineet muotoilla termodynamiikan toista pääsääntöä: esim. Lämpö siirtyy korkeammasta lämpötilasta matalampaan.

Me siis havaitsemme, että maailmassa olevat erilaiset potentiaalierot pyrkivät tasoittumaan eli systeemit pyrkivät kohti tasapainotilaa. Mikäli me pidämme näitä potentiaalieroja osoituksena monimutkaisuudesta, niin silloin maailma pyrkii spontaanisti kehittymään yksinkertaisemmaksi eli vähemmän potentiaalieroja (vapaata energiaa) sisältäväksi.

Meidän on myös aina tehtävä työtä näiden potentiaalierojen lisäämiseksi. (Jääkaapin sisälämpötilan pitäminen huoneenlämpötilaa alhaisempana vaatii työtä [lämmön siirtämistä pois jääkaapin sisältä]).

Hyvä esimerkki biologiasta on solun polttoaine ATP. ATP-syntaasi niminen huippuhieno protonigradientin avulla toimiva pyörintämoottori valmistaa ATP:ta liittämällä epäorgaanisen fosfaattiryhmän ADP:hen. ATP on runsaasti vapaata energiaa sisältävä molekyyli, joka on välttämätön solun toiminnoille. ATP-syntaasi tekee työtä vapaan energian (potentiaalieron) kasvattamiseksi. Fosfaattiryhmien välisiin sidoksiin sitoutunut energia vapautuu sidosten purkautuessa ja tätä energiaa solu käyttää hyväksi. ATP:ta on verrattu ladattavaan akkuun ja ATP-syntaasia dynamoon. Jotkut biologit ovat kutsuneet ATP-syntaasia "ihmeelliseksi laitteeksi" ("marvellous device").

Mutta tässä tähden synty askel askeleelta, havaintojen ja teorian perusteella:

1) Avaruudessa on kaasupilviä. Joitain niistä voi nähdä jopa paljain silmin, kuten Orionin suuren kaasupilven.

- kiistätkö tämän?

En. 

2) Jos ajattelemme täysin tasaisesti jakautunutta kaasua tms. ainetta, niin se pysyy tasapainotilassa vain jos siihen kohdistuva häiriö ei pysty järkyttämään tasapainotilaa. Tasapainotilan käsite on toki arjestakin tuttu. Jo Newton aikanaan pohti, miksi koko maailmankaikkeus ei luhistu kasaan, jos se on ääretön ja siinä on tasaisesti jakautuneena tähtiä. (Hänen vastauksensa oli, että Jumala estää kosmosta luhistumassa.)

- kiistätkö tämän?

Esitätte tämän asian mielestäni epäselvällä tavalla. Kaasusta tms.aineesta koostuva systeemi pysyy tasapainotilassa tietysti itsekseen ja on saavuttanut tasapainotilan itsekseen eli spontaanisti. Mutta mikäli systeemi halutaan siirtää pois tasapainotilasta, on tehtävä työtä (aiheutettava häiriö).

3) Jos tarkastelemme erikoistapausta, jossa avaruudessa leijuu kaasupilvi, tasatiheyksinen tai ei, perusfysiikalla on helppo osoittaa, että se on stabiili vain tietyissä olosuhteissa - jos joko kaasun sisäinen paine tai sen pyöriminen pystyvät vastustamaan häiriötä. Jos näin ei ole, pieninkin häiriö saa aikaan gravitaatioluhistumisen. Nämä ehdot johti ensimmäisenä astrofyysikko James Jeans, jonka vuoksi niitä yleensä sanotaan Jeansin kriteereiksi. Se mitä tapahtuu, on siis se, että kaasupilvi luhistuu häiriön vaikutuksesta oman painonsa (niinsanotun itsegravitaationsa) alla. Yksinkertainen fysikaalinen johto löytyy vaikkapa wikipediasta:
http://en.wikipedia.org/wiki/Jeans_instability

- kiistätkö tämän?

Jeansin teorian olemassaoloa en kiistä. Se voi toimia paperilla, mutta entä käytännössä? Ainakaan laboratoriossa sitä ei ole voitu kokeellisesti vahvistaa. Usein tieteen erinomaisuutta tiedon tuottajana perustellaan tieteen kokeellisuudella ja todetaan samalla, että Jumalaa ei voi laittaa koeputkeen. Avaruuden molekyylipilviäkään ei voida laittaa koeputkeen ja katsoa mitä todella tapahtuu.

Wikipedian artikkelin mukaan myös jotkut astofyysikot ovat kritisoineet Jeansia...

Jeans mass: "Imagine that we compress the region slightly..." 
Entäpä jos minulla on huono mielikuvitus...?



4) Näemme avaruudessa eri vaiheissa olevia luhistuvia kaasupilviä. Voimme mitata niiden fysikaaliset ominaisuudet, erityisesti massan, tiheyden ja lämpötilan, ja todeta niiden olevan poissa tasapainosta.

- kiistätkö tämän?

Avaruudessa on erilaisia kohteita. Tasapainosta poissaolo ei todista mitään. Maailmankaikkeus kokonaisuudessaan on "poissa tasapainosta". Mutta miksi? Onko se poistunut tasapainosta spontaanisti vai suunnitellusti. Maailmassa olevien epätodennäköisten ja poissa tasapainosta olevien rakenteiden alkuperähän meidän pitäisi juuri selvittää. Meitä ei välttämättä auta se, että on olemassa molekyylipilviä tai elävä solu.

Ovatko kaasupilvet todella luhistumassa ja muodostumassa tähdiksi, vai onko erilaiset havainnot tulkittu kehitysopillisessa viitekehyksessä?


5) Luhistuminen pysähtyy vain, jos jostain syntyy riittävän suuri ainetta kohti keskustaa vetävää gravitaatiota vastustava voima. Kun kaasu tiivistyy luhistuessaan, se myös kuumenee, sekä arkikokemuksen että termodynaamiikan peruslakien mukaan.

- kiistätkö tämän?

Termodynamiikan ensimmäisen pääsäännön mukaan systeemin sisäenergian muutos on tuotu työ + tuotu lämpö (dU = dW + dQ). Systeemin sisäenergiaan voidaan vaikuttaa puristamalla systeemiä kokoon (jolloin on tehtävä työtä).  Termodynamiikan peruslaki ei siis tue ajatusta, että systeemi voisi itsekseen puristua kasaan ja kuumeta. Tämä voidaan milloin tahansa osoittaa laboratoriokokeella. 


6) Paine ja lämpötila siis kasvavat luhistuvan kaasupilven sisässä. Jos luhistuminen jatkuu niin pitkälle, että lämpötila nousee miljooniin asteisiin, alkaa tapahtua alkuaineiden fuusiota, ensiksi vedystä heliumiksi, ja fuusioreaktioiden seurauksena kaasun keskusta alkaa säteillä energiaa. Nyt kaasun paine (lämpötila, tiheys) ja säteilypaine (ydinreaktiot) yhdessä ovat kasvaneet niin suuriksi, että luhistuminen pysähtyy. (Tai ellei se pysähdy, kuten joskus on asian laita, lopputuloksena on musta aukko.)

- kiistätkö tämän?

Nyt siis pitäisi uskoa siihen, että vastoin termodynamiikan peruslakia ja nimenomaan arkikokemusta (johon vetositte edellisessä kohdassa) tapahtuisi jonkinlainen ihme ja kaasupilvi käyttäytyisi omapäisesti.
Meidän olisi siis oletettava, että avaruudessa tapahtuu sellaista, mikä maan pinnalla on vastoin fysiikan lakeja. Onko meidän pakko uskoa , että näin todella taphtuu vai voimmeko luottaa "arkikokemukseemme" maan pinnalta ja olla uskomatta siihen. Ainakin siihen asti, kunnes se on varmasti luotettavin havainnoin vahvistettu.

7) Näemme avaruudessa juuri syntymässä olevia ja vastasyntyneitä tähtiä, tilassa jossa lämpötila on juuri nousemassa tai noussut niin suureksi, että ydinreaktiot käynnistyvät. Tunentuimpia esimerkkejä ovat Hubble-avaruusteleskoopin kuvat, joissa näkyvät kaikki yllä kuvatut syntyvaiheet eri osissa vaikkapa Orionin suurta kaasupilveä.

- kiistätkö tämän?

Näemme erilaisia kohteita. Ydinreaktioiden käynnistystä ei ole havaittu, eikä sitä voida havaita. Ns. prototähti (ei vielä ydinvoimaa) ei siis ulkoisesti mitenkään poikkea valmiista tähdestä. Tarvitaan siis uskoa erottelemaan prototähdet varsinaisista tähdistä. Tähden syntyä (uusi itsevalaiseva kohde avaruudessa) ei myöskään koskaan ole havaittu. 

Kehitysopilliseen tarinointiin kuuluvat erilaiset "välimuodot", joiden välillä oletetaan olevan kehitysopillinen jatkumo. Lisäksi kehityksen kerrotaan tapahtuvan niin hitaasti, että sitä on mahdoton havaita.

8) Lopputulos: avaruuteen on syntynyt kuumia kappaleita varsin viileään ympäristöön. Niitä on tapana sanoa tähdiksi.

- kiistätkö tämän?

En kiistä sitä, että avaruuteen on syntynyt tähtiä. Epäilen vain esittämäänne syntytapaa, enkä pidä sitä uskottavana. 
Tähtien kuolemia on havaittu. Miksi emme milloinkaan havaitse uuden tähden syntymää?

Kun Richard Feynman oli kirjassaan kertonut tämän (oppimansa) tarinan tähtien synnystä, elämästä ja kuolemasta ja edelleen uusien tähtisukupolvien synnystä, niin hän totesi lopuksi: "Tämä kuulostaa ihan ikiliikkujalta." Me tiedämme, että mikäli ikiliikkuja liitetään tai voidaan liittää johonkin fysikaaliseen järjestelmään, niin silloin ollaan heikoilla jäillä.

Itse näen Feynmanin tavoin tähtien kehitystarinassa ikiliikkujamaisia piirteitä. Kaasupilvi alkaa jostain syystä "luhistua" kasaan, se kuumenee ja lopulta siitä syntyy uusi tähti. Tähti loistaa aikansa ja räjähtää lopulta singoten molekyylinsä uusien kaasupilvien rakennusaineeksi, josta joskus syntyy uusi tähtisukupolvi. 
(Tähtien räjähdystä on myös esitetty alkusyyksi kaasupilven luhistumiselle. Tämä vaikuttaa vahvasti kehäpäättelyltä: Tähti saa aikaan uuden tähden syntymän.)

Termodynamiikassa käytetään usein kiertoprosesseja kuvaamaan systeemin tilaa eri vaiheissa. Oleellinen asia on se, että termodynaaminen kiertoprosessi voi spontaanisti edetä kahden tilapisteen välillä vain yhteen suuntaan. Eli termodynamiikka ei tunne spontaania kiertoprosessia. Esimerkiksi kuuluisa Carnot'n koneen kiertoprosessikuva ei siis kuvaa spontaania prosessia.

Kun tähtien kerrotaan syntyvän, kuolevan ja syntyvän taas uudestaan, niin tällöin ollaan hyvin lähellä termodynaamista kiertoprosessia. Mikäli voidaan osoittaa, että tähden (kerrottu) elämänkaari kaikkine vaiheineen kulkee vähintään kahden erilaisen termodynaamisen tilapisteen kautta, niin silloin on selvää, että tämä kertomus ei vastaa todellisuutta, vaan se perustuu uskoon.

Charles Lada on todennut:

 Huolimatta menestyksestä tähtien elämän ja kuoleman selittäjänä, kosminen evoluutio epäonnistuu eräässä perustavassa kysymyksessä. Se ei kykene selittämään tähtien alkuperää. 

 Lada, Charles J. (2004): Star Formation in the Galaxy, An Observational Overview, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge.

Kirjoitin ylläolevan aivan vain koettaakseni osoittaa mahdollisimman yksityiskohtaisesti, miksi en kerta kaikkiaan pysty ymmärtämään tapaasi kieltää todellisuus, sekä testattu perusteoria että havainnot. Omalta kannaltani tilanne on aivan samankaltainen kuin jos yrittäisin keskustella henkilön kanssa, joka lujasti ja vankkumattomasti uskoo, että maapallo on litteä - kaikesta todistusaineistosta ja valokuvista huolimatta. Sellaisiakin ihmisiä on. Miten sinä itse suhtautuisit keskusteluun sellaisen henkilön kanssa, ja miten hänen sieluntilaansa luonnehtisit? Kokisitko mielekkääksi yrittää "väitellä" hänen kanssaan?

Pitäisin kyseistä henkilöä vähintäänkin hyvin erikoisena tapauksena. En usko, että kokisin mielekkääksi väitellä hänen kanssaan maapallon muodosta. Mutta henkilön persoonallisuudesta riippuen "väittely" hänen kanssaan voisi olla parhaimmillaan olla jopa viihdyttävää.


Koska olet jo lupaa kysymättä laittanut aikaisempia yksityiseksi tarkoitettuja sähköpostejani blogiisi, laita tämäkin. (On totta, että kirjeen vastaanottajalla on oikeus julkaista saamansa kirje, mutta on myös olemassa sellainen asia kuin hyvät tavat.)

On totta, että olen tässä käyttänyt lain minulle sallimia keinoja tämän keskustelun saattamiksi yleiseen tietoon. Katson, että 1) alkuperäkysymys on erittäin tärkeä ja mielenkiintoinen ongelma ja että 2) asemanne vuoksi lausunnoillanne on yleistä mielenkiintoa.

Tässä kirjeenvaihdossa on käyty vain tiede (ja usko) keskustelua. Mikäli se olisi sisältänyt tietoja henkilökohtaisista asioistanne, niin niitä en olisi julkaissut.

Myönnän, että en välttämättä ole toiminut hyvien tapojen mukaisesti. Toisaalta persoonaani on internetissä arvioitu nimimerkkien takaa tavalla, joka ilmeisesti täyttäisi herjauksen tai kunnianloukkauksen tuntomerkit. Voi olla, että tämä on vaikuttanut myös omaan toimintatapaani.

Toisaalta sanotaan, että sodassa ja rakkaudessa kaikki keinot ovat sallittuja. Tämä on kuitenkin jonkinlaista ideologista sotaa.

Nyt vaikenen, sat sapienti.

Kiitos tästä mahdollisuudesta keskusteluun kanssanne.
Raimo Lonka 
Esko Valtaoja

Päivitys 13.6:

Sen verran vielä lyhyesti, että tämä "kirjeenvaihto" osoittaa kyllä mielestäni jokaiselle sen lukijalle, miksi keskustelussa ei ole mitään mieltä. Jos itse määrittelet sanat ja niiden merkitykset, etkä edes yritä kuunnella, mitä toinen sanoo, ei voi myöskään tapahtua sellaista ajatustenvaihtoa, mihin ainakin väität pyrkiväsi.

Pari konkreettista esimerkkiä. "Potentiaali" ja "potentiaaliero" ovat aivan tarkkaan määriteltyjä käsitteitä, mikä tahansa suureen vaihtelu ei ole potentiaaliero missään muualla kuin omissa kuvitelmissasi! Esimerkiksi termodynamiikassa on erilaisia potentiaaleja, mutta lämpötilaero EI ole "potentiaaliero". Kuinka kukaan voi edes yrittää keskustella kanssasi termodynamiikasta, jos kieltäydyt hyväksymästä sitä, mitä erilaiset termit tarkoittavat?

Yritin myös mahdollisimman yksityiskohtaisesti selittää, että gravitaatioinstabiliteetilla ja -luhistumisella ei ole yhtikäs mitään tekemistä termodynamiikan ja sen pääsääntöjen kanssa. Kyse on aivan yksinkertaisesti perusmekaniikasta, kuten voit havaita jos edes yrität perehtyä asiaan. Gravitaatioluhistumisen yksinkertainen teoria pätee aivan samalla tavalla myös tähtijoukkoihin tai mihin tahansa massapisteisiin, joiden välillä vaikuttava voima on gravitaatio. Jos meillä on Jeansin kriteerit ylittävä kaasupilvi, tai tähtijoukko, ja siihe kohdistuu pieninkin häiriö, se alkaa luhistua aivan ilman termodynamiikkaa. Häiriö voi olla vaikkapa satunnaisesti läheltä ohi kulkeva tähti, supernovaräjähdys, tai periaatteessa jopa infinitesimaalisen pieni, väiastämätön kvanttifluktuaatio.

Tällä kaikella ei ole niin mitään tekemistä lämpötilaerojen, solun ATP:n, maailmankaikkeuden, laboratoriokokeiden tai minkään muunkaan kanssa. Sinulla on järjetön pakkomielle termodynamiikan toisesta pääsäännöstä (jota sitäkään et tunnu ymmärtävän), aivan samalla tavalla kuin muuten täysijärkisellä ihmisellä voi olla pakkomielle litteästä maapallosta, salaliitosta tai jostain muusta. Jos sinulle osoitetaan, että olet väärässä jossain asiassa, vastaat vain, että "se ei todista mitään" ja vaihdat sujuvasti puheenaihetta.

Kylähullujen kanssa väitteleminen ei minusta ole sen koommin hauskaa kuin hyödyllistäkään ajanvietettä. Siksi en enää vastaa tulevaisuudessa mahdollisiin kyselyihisi.

Esko


Hyvä professori,

Kiitos viestistänne ja ajastanne, jota olette käyttänyt tähän ilmeisen hyödyttömään ajatustenvaihtoon. Toisaalta on varmasti erittäin epätodennäköistä, että luomiseen uskova ja maailman itsesyntyyn uskova voisivat päästä yksimielisyyteen olevaisuutta koskevissa kysymyksissä tai edes ymmärtää toisiaan.

Terveisin,

Raimo Lonka


2 kommenttia: