Laatuteknologia ja Uusi Fysiikka (suhteellisuusteoria ja kvanttifysiikka)

Olen uudessa kirjassamme Lean Six Sigma 2.0 ja laatuteknologia todennut, että se pohjautuu ns. Uuteen Fysiikkaan (suhteellisuusteoria ja kvanttifysiikka /hiukkasfysiikka), joka syntyi 1900-luvun alussa Max Planckin, Albert Einsteinin, Niels Bohrin, Werner Heisenbergin ja monien muiden merkittävien tutkijoiden toimesta. Miten tähän liittyy laatuteknologia?

”Uuden” laatuteknologian alku

Uuden laatuteknologian ja TQM:n luoja, tri W. Edwards Deming oli kvanttifysiikan tutkija, joka valmistui tohtoriksi Yalen yliopistosta 1927. Hänen väitöskirjansa käsitteli hiukkasfysiikkaa (A Possible Explanation of the Packing Effect of Helium) ja julkaistiin Phys. Rev. 31, 453 –March 1928. Samassa julkaisussa on atomipommin isän, J.R. Oppenheimerin artikkeli On the Quantum Theory of the Capture of Electron. Deming ei kuitenkaan jatkanut hiukkasfysiikassa, vaan siirtyi USAD Graduate Schoooliin opettajaksi ja kirjoitti lukuisia artikkeleita teoreettisesta fysiikasta ja tilastollisista menetelmistä. (www.deming.org)

Yhdessä tri Walter A. Shewhartin kanssa tri W. Edwards Deming kehitti ja sovelsi uuden fysiikan oppeja laatuteknologiaan. Tri Walter A. Shewhart julkaisi ehkä laatuteknologian tunnetuimmat uuteen fysiikkaan (todennäköisyyteen) perustuvat kirjat: Economic Control of Quality of Manufactured Product vuonna 1931 ja Statistical Method from the Viewpoint of Quality Control 1939 (Statistical Process Control, SPC) ja Deming kirjat Out of the Crisis 1982 ja The New Economics 1993. Uusi tarkempi maailmankuva toi mukanaan TQM:n, Numeeriset ja Analyyttiset tutkimukset, Syvällisen tiedon systeemi, The Deming System of Profound Knowledge, SoPK (8, 9), SPC, DOE, Lean Six Sigman jne. muutaman mainitakseni.

Mistä pohjimmiltaan on kysymys Uudessa Fysiikassa?

Mikä on fyysisen maailman todellisuus ja mistä se muodostuu ja miten fyysinen maailma käyttäytyy? Tätähän me laadussa ja sen parantamisessa yritämme selvittää ja parhaan taitomme mukaisesti yritämme muuttaa maailmaa mieleiseksemme tai ainakin ymmärrettäväksi.

Klassinen Newtonin fysiikka (1687-) on toiminut käytännöllisenä tieteellisenä oletuksena, jota on vuosisatojen ajan totuttu pitämään totena ja pätevänä. Tämän oletukset ja uskomukset voidaan tiivistää karkeasti seuraavalla tavalla (1, 3):

1) ”Vahva objektiivisuus”: Klassinen tiede olettaa, että on olemassa objektiivinen maailma, joka on meistä riippumaton. Tämän maailman ymmärtämiseksi on erotettava havaittu kohde tarkkailijasta. Tieteessä korostetaan havainnoitsijasta riippumatonta tulosta!

2) ”Mekanismi”: Klassinen newtonilainen fysiikka kuvaa ilmiöitä mekanistisesti ”kellokoneen” tavoin. Käsitteeseen liittyy myös automaatio ja täydellinen ennustettavuus. Tieteenfilosofiassa mekanistisuuteen on viitattu Newtonin kolmen liikelain yhteydessä.

3) ”Syy-determinismi” sanoo, että tämä maailma on pohjimmiltaan deterministinen, järjestetty ja ennustettavissa. Jos tiedämme, mitkä voimat vaikuttavat esineeseen, tiedämme tarkalleen sen sijainnin ja nopeuden tiettynä ajankohtana. Virheelle ja vialle on syy, jopa juurisyy!

4) ”Materialismi”: Tämä olettaa, että maailmankaikkeudessa ei ole mitään muuta kuin ainetta, joka noudattaa tieteellisiä fyysisiä lakeja. Ei ole olemassa kenttävaikutusta ei myöskään ”henkimaailmaa”!

5) ”Atomismi ja reduktionismi”: Reduktio tarkoittaa takaisinjohtamista ja se on vastakkainen holistiselle kokonaisnäkemykselle, missä kokonaisuus käy osien edellä ja osien ominaisuudet ja toimintatavat pyritään ymmärtämään kokonaisuudesta ja sitä hallitsevista laeista lähtien. Atomismi tarjoaa lähtökohdan aineen rakenteen tarkemmalle tutkimukselle ja se muodostaa perustan metriselle metrologialle.

6) ”Paikallisuus”: Tämä olettaa, että kaikki aineellisten esineiden väliset vuorovaikutukset tapahtuvat tietyissä asemissa tai paikoissa toisistaan riippumatta. Ei ole olemassa keskinäisvaikutusta!

7) ”Epifenomenalismi”: Tämä oletus on vaikea ja sanoo, että kaikki voidaan pelkistää aineeksi. Esimerkiksi tietoisuutta ja henkisiä prosesseja pidetään vain aineellisten aivojen epifenomenina. Mielen ja ruumiin kausaalinen vuorovaikutus on yksisuuntaista: aivoissa tapahtuvat muutokset voivat vaikuttaa mieleen/tajuntaan, mutta mieli/tajunta ei voi vaikuttaa aivoihin eikä ihmisen käyttäytymiseen. Mielentilat ovat siis vain fysikaalisen aivotoiminnan sivutuotteita. Toisin sanoen aine loi tietoisuuden; aivot loivat mielen!

Sitten tuli kvanttifysiikka (tai hiukkasfysiikka tai moderni fysiikka) ja heitti kaikki edellä olevat oletukset ulos ikkunasta. Havaittiin, että ainakin subatomisilla tasoilla aine tai se, minkä oletamme aineeksi, ei noudata Newtonin fysiikan ennustettavia lakeja.

Mitä on kvanttifysiikka?

Kvanttifysiikka saattaa kuulostaa pelottavalta ja vaikealta. Mutta sitä se ei ole ja siitä voi olla hauskaa oppia ja soveltaa! Opiskelin, sovelsin ja opetin Otaniemessä kvanttifysiikkaa 1960-70-luvulla ja hauskaa oli. Se hieroo ja venyttää aivojasi ja laajentaa kriittisen ajattelun taitoa. Kvanttifysiikkaa ei kuulu vain VTT:n kvanttitietokoneen kehitykseen vaan meille kaikille. Se muuttaa ajattelua olevaisesta. Kvanttifysiikan sovellukset ovat kaikkialla ympärillämme; kännykässä, tietokoneessa, laitteen sisällä, jota käytät tämän artikkelin lukemiseen! Se pitäisi olla laatutekniikassa, jolla tulkitset vikoja ja reklamaatioita, tutkit prosesseja ja yrität parantaa suorituskykyä Lean Six Sigmalla. Kaikkialla!

Mitä kvanttifysiikka on? Pohjimmiltaan kvanttifysiikka on tutkimus siitä, kuinka ja miten atomihiukkaset ovat olemassa ja kuinka ne ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Ajatuksen voi laajentaa myös jokapäiväiseen elämään, johtamiseen, organisaatiokulttuuriin ja psykologiaan, kuten Shewhart, Deming, Don Wheler (10), Whitney (7) ja monet muut ovat osoittaneet.

Saatat tuntea Newtonin klassiseen mekaniikan kolme liikelakia/aksioomaa (3).

I. Jatkavuuden laki: ”Jokainen kappale säilyttää lepotilansa, tai suoraviivaisen liikkeen tasaisella nopeudella, jos mikään siihen vaikuttava voima ei pakota sitä muuttamaan liiketilaansa.”

II. Dynamiikan peruslaki: ”Liiketilan muutos on aina verrannollinen vaikuttavan voiman suuruuteen, ja sen suunta on yhdensuuntainen vaikuttavan voiman kanssa.”

III. Voiman ja vastavoiman laki: Jokaista vaikutusta vastaa aina vastakkaissuuntainen ja yhtä suuri reaktio; kappaleiden vaikutukset toisiinsa ovat aina yhtä suuret ja toisiinsa suunnatut.”

Klassisen mekaniikan avulla tutkijat voivat tehdä ennusteita ”suurille” esineille. Mutta nämä ennusteet eivät toimi, kun katsot esineitä pienemmässä mittakaavassa tai tulevaisuuteen. Itse asiassa ne eivät toimi maan päällä, vaan avaruudessa taivaankappaleiden fysiikassa, jossa massan voi ajatella pistemassaksi. Fysiikka oli ”rikki” aina 1900-luvun alkuun. Katso artikkeli Numeeriset ja Analyyttiset tutkimukset (2).

Tässä astuu kuvaan kvanttifysiikka. Se kuvasi alkujaan energian lakeja atomien mittakaavassa. Paras tapa ymmärtää kvanttifysiikkaa on tutustua lyhyesti sen historiaan (3, 4).

1900: Planck ja Kvantti

1900-luvun alussa monet fyysikot ajattelivat, että heidän alallaan ei ollut enää mitään uutta löydettävää. Maailma tunnettiin 99,9%:sti! Oli kuitenkin yksi iso ongelma jäljellä. Tämä liittyi kuumiin esineisiin. Tutkitaan vaikkapa leivänpaahdinta tai lieden levyä. Kun elementit kuumenevat, ne hehkuvat punaisina. Jos pystyisit nostamaan lämpötilaa vielä enemmän, ne hohtavat valkoisina. Tämä värinmuutos lämpötilan mukaan on sama kaikille esineille riippumatta siitä, mistä aineesta esine on tehty. Outoa!

Aluksi tutkijat käyttivät klassista fysiikkaa yrittäessään ymmärtää tätä ilmiötä. Mallit ennustivat, että kuumien esineiden tulisi lähettää valoa, joka on enimmäkseen ultraviolettitaajuusalueella. Kuva 1.

Kokeet kuitenkin osoittivat, että kuumennetuista kappaleista ei säteille paljoakaan ultraviolettivaloa. Tätä ongelmaa kutsuttiin ultraviolettikatastrofiksi. Ongelman ratkaisi saksalainen fyysikko Max Planck. Häntä kutsutaan usein kvanttifysiikan isäksi.

Planck loi uuden matemaattisen kaavan, jolla hän kuvasi kuumasta kohteesta lähtevän säteilyn (valotaajuuksien) energian. Kaava osoitti, että lämpimät esineet lähettävät punaisia taajuuksia. Kuumemmat esineet lähettävät kaikkien näkyvien värien taajuuksia, jolloin ne näyttävät hehkuvan valkoisina. Tärkeintä on, että Planckin kaava ennusti, että ultraviolettitaajuuksia ei emittoidu. Kaava sopi kokeelliseen näyttöön täydellisesti, mutta mikä on malli, selitys!

Miksi Planckin kaava toimi? Hänen keksimänsä kaava toimi yhden avainidean vuoksi. Ennen Planckia tutkijat uskoivat energian olevan jatkuvaa. Newtonilaisen ajattelun mukaan esineellä oli mahdollista olla mitä tahansa jatkuvia energia-arvoja. Planckin radikaali hypoteesi oli, että subatomiatasolla (atomitasoa pienempi partikkelitaso) kuumat esineet voisivat lähettää energiaa vain pieninä yksikköinä tai ”paketteina”. Hän kutsui näitä paketteja kvanteiksi (yhtä energiapakettia kutsutaan kvantiksi). Planck sanoi, että kvantin energiamäärä kasvoi sen taajuuden mukaan( E=hν, jossa h= Planckin vakio 6,6*10-34 Js ja ν=∁/λ taajuus). Matalammilla taajuuksilla, kuten punaisella valolla, on vähemmän energiaa kuin korkeammilla taajuuksilla, kuten valkoisessa valossa.

Planckilla ei kuitenkaan ollut syytä, mallia, miksi energia oli kvantittunut tällä tavalla. Hän kirjoitti kollegalleen kirjeessään, että tämän matemaattisen oletuksen tekeminen hänen kaavassaan oli ollut ”epätoivon sanelema”. Vastaus tähän saatiin Niels Bohrilta, 13 vuotta myöhemmin.

1905: Einstein ja fotonit

Ennen kuin Niels Bohria loi kvanttiteorian, oli ratkaistava vielä yksi fysiikan ongelma – valosähköisen efekti/ilmiö (photoelectric effect). Tämä on havainto, jossa valon kohdistaminen metallipinnalle voi saada elektronit emittoitumaan/irtoamaan metallista.

Klassinen mekaniikka kuvaa valoa aaltona. Aallon korkeutta kutsutaan sen amplitudiksi. Voidaan olettaa, että aalto, jolla on suurempi amplitudi, voi ”työntää” suuremman energian omaavia elektroneja pois pinnalta. Aaltojen huippujen välistä aikaa kutsutaan aallon taajuudeksi. Voidaan olettaa, että korkeamman taajuuden aallot osuvat ja työntävät enemmän elektroneja pois pinnalta. Näin pitäisi klassisen mekaniikan oletusten toimivan.

Mutta näin ei tapahtunut useimmissa kvanttikokeissa; havaittiin odottamaton tulos. Kun metalli altistettiin valolle, suurempi amplitudi aiheutti enemmän elektroneja. Ja korkeamman taajuuden valo sai elektronit emittoimaan (luovuttamaan) enemmän energiaa. Klassinen fysiikka ei voinut selittää tätä! Taulukossa 1 esitetty klassisen mekaniikan ja kvanttimekaniikan ristiriita.

Mikä selittäisi energian siirtymisen ristiriidan? Albert Einsteinilla, kuuluisalla saksalaisella fyysikolla, oli teoria. Hän sovelsi Planckin kvanttioletusta valoon. Hän teoretisoi, että valo käyttäytyy joskus kuin erilliset, diskreetit sähkömagneettisen energian paketit. Hän kutsui näitä paketteja fotoneiksi.

Jos valonsäteen amplitudi on suurempi, se tarkoittaa, että se sisältää enemmän fotoneja. Jos enemmän fotoneja osuu metallipintaan, törmäyksiä on enemmän, joten enemmän elektroneja työntyy ulos. Näin taulukon oikean laidan tuloksen voi selittää.

Yhden fotonin sisältämä energia riippuu vain sen taajuudesta. Tämä on aivan kuin Planckin energian kvantti. Joten korkeamman taajuuden valo siirtää enemmän energiaa elektronille, mikä havaittiin kokeellisesti. Albert Einstein sain Nobel-palkinnon tästä selityksestä vuonna 1921.

1913: Bohrin ja Elektronin kiertoradat

Kvanttiteoria sai lisää potkua Planckin ja Einsteinin havainnoista. Mutta se oli edelleen vain matemaattinen selitys oudoille havainnoille. Kukaan ei voinut selittää, miksi energiaa tuli erillisissä paketeissa. Tämä epätietoisuus vallitsi, kunnes Niels Bohr antoi selityksen. Vuonna 1913 tanskalainen fyysikko ehdotti uutta mallia atomin rakenteelle. Syntyi kvanttimekaniikan Kööpenhaminan tulkinta atomille.

Ennen Bohria tutkijat tiesivät, että atomi on muodostunut positiivisesti varautuneesta ytimestä, jonka ympärillä kiertää negatiivisesti varautuneita elektroneja. Bohr mullisti tämän mallin. Hän sanoi, että näiden elektronien täytyi olla yhdellä erityisistä poluista (orbital). Nämä polut olivat kuin planeettojen kiertoradat auringon ympäri. Hän kutsui näitä elektronien kiertoradoiksi. Jokaisella kiertoradalla on siihen liittyvä energiataso. Eikö ole samantapainen kuin SPC-ohjauskorttien ohjausrajojen väliin jäävä 6 sigma vyöhyke!

Kun elektroni absorboi (imee itseensä) tarpeeksi energiaa, se ”hyppää” yhdeltä kiertoradalta seuraavaksi suurimmalle kiertoradalle. Kun elektroni ”putoaa” yhdeltä kiertoradalta pienimpään, se emittoi (lähettää) energiaa. Lähetetty energiamäärä on täsmälleen kahden orbitaalin välinen energiaero. Siksi energiaa esiintyy erillisissä arvoissa ”kvantteina” eikä jatkuvassa muodossa kaikilla arvoilla. Kun emittoitunut valo levitetään eri aallonpituuksiksi, havaitaan kullekin aineelle ominaiset spektriviivat (ei yhtenäistä valopalkkia kuten kuvassa 1).

Laadun parannuksessa nähdään samantapainen hyppäyksellinen parannus, ”kvanttiparannus”, jonka J.M. Juran on kuvannut vuonna 1964 kirjassa ”Managerial Breaktrough” sivu 6. Mekanismina tähän on ohjauksen ja läpimurron/parannuksen (innovaatio) komplementaarinen vuorottelu! Katso tarkemmin lähde 6 sivut 193-197.

Planckin näkemä kvantittunut energia oli kuumien esineiden sähkömagneettista elektroneista lähtevää säteilyä. Einsteinin fotonit puolestaan siirsivät energiansa metallin elektroneihin. Jos fotonienergia olisi riittävän korkea, elektroni poistuu kiertoradaltaan ja lähtisi metallista. Bohrin elektroniradat osoittivat teoreettisen selityksen kvanttimekaniikalle. Bohr sai Nobelin palkinnon tästä mallista vuonna 1922.

Mitä kvanttifysiikka tuo meille?

Paljon. Fyysikko Carlo Rovelli on tiivistänyt kvanttifysiikan kirjassa Todellisuus ei ole sitä miltä se näyttää (5) seuraaviin päätelmiin. Kvanttifysiikka ei kuvaa objekteja. Se kuvaa prosesseja ja tapahtumia, jotka ovat prosessien välisisiä risteyskohtia (≈keskinäisvaikutuksia). Tuntuuko tutulta. Laadussa ja sen kehittämisessä emme enää puhu vioista ja virheistä ja niiden poistamisesta vaan prosesseista ja prosessien kehittämisestä ymmärtämällä prosessien välisiä vuorovaikutuksia ja sitä kautta koko systeemiä.

Yhteenvetona kvanttifysiikka tarkoittaa kolmen maailmaa koskevan piirteen paljastumista (5):

I. Hiukkasluonne. Fysikaalisen tilan informaatio on rajallinen ja sitä rajoittaa Planckin vakio. Meillä on kaikkialla mittausvirhettä, mutta jos olettaisimme, että voisimme tehdä täydellisen virheettömän mittauksen, emme saisi määritettyä partikkelin paikkaa ja liikemäärää tarkasti. Tämän estää paikkaan ja liikemäärään liittyvä rajoitus, jota kutsutaan Heisenergin epätarkkuusperiaatteeksi ∆x∆p≥h/2.

II. Indeterministisyys. Menneisyys ei määrää tulevaisuutta yksiselitteisesti kuten determinismi määrittelee: lainomaista järjestystä, jonka perusteella myöhemmät tapahtumat ovat aikaisempien ennalta määrittämiä tai ”determinoimia”. Jopa pysyvimmiltä vaikuttavat säännönmukaisuudet ovat kvanttimaailmassa pohjimmiltaan vain tilastollisia. Vaihtelua on kaikkialla. Shewhart ja Deming ovat todenneet, että tulevaisuudelle voidaan määrittää korkeintaan tilastolliset rajat ± 3 sigma, jos prosessi on stabiili. Tilastolliset analyysit ovat vain suuntaa antavia (2)

III. Relationaalisuus. Luonnontapahtumat ovat aina vuorovaikutuksia, keskinäisvaikutuksia. Kaikki systeemin, järjestelmän, tapahtumat tapahtuvat suhteessa toiseen järjestelmään. Deming toteaa ”Syvällisen tiedon teoriassa” systeemin (so. keskinäisvaikutus) ymmärtämisen kaikkein tärkeimmäksi. (8, 9)

”Abstraktisuudestaan ja tulkinnallisista ongelmistaan huolimatta kvanttiteoria on osoittautunut erittäin tarkaksi ja käyttökelpoiseksi suuntaukseksi. Siitä on tullut modernin fyysikon perustyökalu, jota on voitu soveltaa ja kehittää yhä uusiin ja uusiin tutkimuksissa esiin tulleisiin tilanteisiin.” (3).

”Kvanttifysiikka opettaa meille, että maailmaa (ja yritystä) tulee ajatella prosesseina eikä asioina, jotka ovat jossain tilassa. Prosessi on siirtymä yhdestä vuorovaikutuksesta toiseen. Asioiden ominaisuudet ilmenevät hiukkasissa tai hiukkasina ainoastaan vuorovaikutuksen hetkellä eli prosessien ääripäissä. Asiat ovat mitä ovat vain suhteessa toisiin asioihin. Niitä ei voi ennustaa täsmällisinä arvoina, vaan ainoastaan todennäköisyytenä”. Näin toteaa Rovelli (5).

Onko asialla väliä?

Väitän, että on ja paljon. Onnistumisesi työssä ja työn ulkopuolella riippuu siitä, miten maailman koet ja näet. Laatu ja sen kehittäminen vaatii moderneimmat lähestymistavat!

Uudessa kirjassa – Lean Six sigma 2.0 ja laatuteknologia – olen kuvannut laatuteknologiaa Uuden Fysiikan ja modernin tieteen näkemysten mukaan. Kuinkapa muuten, koska olen oppini saanut tähän ajatteluun elektronifysiikan laboratoriossa Otaniemessä 1960-70-luvulla. Tein DI-työnikin elektronifysiikan laboratorioon ja tutkin Faradayn ilmiötä (sähkömagneettisen säteilyn, mikroaaltojen 60 GHz, polarisaatiokiertymistä) matalissa lämpötiloissa. Työn nimi on ”Faradayn ilmiö puolijohteissa ja sen mittausmenetelmät mikroaaltoalueella” 1974.

Lähteet:

1. https://lifestyle.inquirer.net/181548/newtonian-vs-quantum-physics/ 2015
2. http://www.qk-karjalainen.fi/fi/artikkelit/numeeriset-ja-analyyttiset-tutkimukset/ 2019
3. Tarja Kallio-Tamminen: Kvanttilainen todellisuus – Fysiikka ja filosofia maailmankuvan muokkaajana, 2012
4. https://letstalkscience.ca/educational-resources/stem-in-context/introduction-quantum-mechanics/ 2020
5. Carlo Rovelli: Todellisuus ei ole sitä, miltä se näyttää – kohti kvanttigravitaatiota, 2014, suo. 2019
6. Tanja Karjalainen, Eero E. Karjalainen: Lean Six Sigma 2.0 ja laatuteknologia, 2020
7. (https://deming.org/leadership-and-the-new-science/)
8. https://deming.org/explore/sopk/
9. Edward Martin Baker: The Symphony of Profound Knowledge – W. Edwards Deming’s Score for Leading, Performing, and Living in Concert, 2016
10. Donald Wheeler: Understanding Variation: The Key to Managing Chaos, second edition, 2000