Cernin julkistama koe osoitti yllättäen, että neutriinot liikkuisivat valoa nopeammin. Onko kyseessä virhe vai vihje useammista ulottuvuuksista? Se selviää ehkä vasta kuukausien tai vuosien kuluttua.

Juuri nyt -sarja

Teksti: Maria Korteila

Pitkästä aikaa koko maailma kohahti tieteellisen kokeen tuloksista. 23. syyskuuta Euroopan hiukkastutkimuskeskus Cern julkisti tuloksen, jonka mukaan neutriinot kulkisivat valoa nopeammin.

Sen pitäisi olla mahdotonta. Mikään ei liiku valoa nopeammin. Suhteellisuusteorian mukaan massattomat valohiukkaset eli fotonit kulkevat universumin suurimmalla mahdollisella nopeudella.

Yllättävä tulos saatiin Cernin ja sen yhteistyökumppanien Opera-kokeen sivutuotteena. Siinä neutriinoja ammuttiin Genevestä 732 kilometrin päähän italialaiseen tutkimuslaitokseen Gran Sassoon. 15 000 kertaa toistetuissa mittauksissa neutriinot näyttivät saapuvan perille 60 nanosekuntia nopeammin kuin valolta menisi samaan matkaan.

Kyseessä ei ole ensimmäinen kerta, kun neutriinojen on mitattu kulkevan valoa nopeammin. Aiemmin kuitenkin mittausvirheiden rajat ovat olleet niin laajat, ettei tulokseen ole voinut luottaa. Nyt tutkijat eivät löytäneet mitään syytä, joka voisi viedä yhtä isosti harhaan. Puoli vuotta yritettyään he päättivät julkaista tutkimuksen: jos vaikka joku muu löytäisi systemaattisen virheen lähteen.

"Syön kalsarini, jollei ole virhe"

Vaikka ajatus valon nopeuden ylityksestä kutkuttaa, suurin osa fyysikoista pitää todennäköisenä, että taustalta vielä paljastuu mittausvirhe. Yksi on lyönyt vetoa talostaan, toinen luvannut syödä kalsarinsa suorassa tv-lähetyksessä, jollei kyseessä ole erehdys.

Silti moni myös vähän toivoo, ettei virhettä olisikaan, sillä mikäpä olisi tieteelle mielenkiintoisempaa kuin täysin odottamaton tulos.

Suhteellisuusteoriaa on kuitenkin testattu niin moneen kertaan, että jos siinä olisi jotakin pahasti pielessä, johonkin epäilyttävään olisi pitänyt törmätä aiemminkin. Esimerkiksi supernovista peräisin olevia neutriinoja on tutkittu runsaasti, eikä niillä ole havaittu liian suuria nopeuksia.

On tiedossa, etteivät kaikki Albert Einsteinin teoreemat toimi atomitason mitoissa, mutta sellaisesta ei nyt ole kyse.

Mikä saattoi mennä vikaan?

Nopeus on matka jaettuna ajalla. Kummankin mittaamisessa voi olla ongelmia, sillä neutriinojen syntyhetkeä on vaikea määrittää. Ne syntyvät, kun parin metrin mittaista hiilitankoa pommitetaan protoneilla. Syntyy pioneja, joista syntyy neutriinoja. Mutta missä kohtaa ja milloin, kun kyse on nanosekunneista? Tutkijat ovat kuitenkin mielestään analysoineet virherajat, eivätkä ne riitä selittämään outoa tulosta.

Kannattaa myös pitää mielessä, ettei yksittäisiä neutriinoja voi havaita, vaan havainnot on tehty miljardeista neutriinoista koostuvista parvista.

Tutkimuksen julkaisemisen jälkeen tieteellisiä julkaisuja keräävään nettisivustoon arXiviin alkoi tulvia tulkintoja, ensimmäiset jo parin päivän kuluttua. Osa pyrkii selittämään ilmiötä teoreettisesti, osa pureutuu virhelähteiden etsimiseen.

Lokakuun puolivälissä julkisuutta sai esimerkiksi hollantilaisen fyysikon ja tekoälytutkijan Ronald van Elburgin selitys. Hänen mukaansa suhteellisuusteoriaa ei otettu huomioon, kun mittauksissa käytetyt kellot ajastettiin gps-satelliittien signaalien avulla. Elburgin laskujen perusteella ajan mittauksessa syntyisi näin juuri sen suuruinen virhe kuin neutriinojen etuaikaisuus oli. Tämä ehdotus kuitenkin vain lisäsi väittelyä.

Nyt odotetaan jatkoa

Tieteellinen tulos voi olla varma vasta, jos se voidaan toistaa muuallakin. Sekä Yhdysvaltain hiukkastutkimuslaitos Fermilab että Japanin hiukkastutkimuskeskus T2K aloittavat omat neutriinomittauksensa, mutta menee aikaa, ennen kuin niistä saadaan riittävästi irti. Myös mittaukset Italian Gran Sassossa jatkuvat.

Aluksi Fermilab käy läpi aiemmat mittaustuloksensa neutriinojen nopeuksien kannalta. Fermilab arvioi tämän jatkuvan toukokuulle. Kenties siis jo keväällä saamme valaistusta asiaan – puolesta tai vastaan.

Tai ehkä jo ennen sitä joku osoittaa aukottomasti, mikä aiheutti virheen Cernin mittauksissa.

Yksi seikka ei ainakaan ole muuttunut: valo kulkee edelleen valonnopeudella.

Neutriinoista sen sijaan on tullut entistäkin kuumempi tutkimusaihe. Jopa vuosikausia metsästetty Higgsin hiukkanen tuntuu jäävän neutriinojen varjoon.

Artikkelia varten on haastateltu teoreettisen hiukkasfysiikan professoria Jukka Maalampea Jyväskylän yliopistosta ja teoreettisen fysiikan dosenttia Iiro Viljaa Turun yliopistosta.

Lisää neutriinotutkimuksesta: Jos kaikki menee nappiin, maailmankaikkeuden arvoitus ratkeaa Suomen uumenissa, Tiede 8/2011 tai tiede.fi/arkisto

Entä jos se on totta?

Fyysikoilla on muutama spekulatiivinen selitys takataskussa:

1 Ulottuvuuksia onkin enemmän

Säieteoriat ja muut modernin fysiikan uudet teoriat esittävät, että ulottuvuuksia on paljon enemmän kuin tutut kolme tilaulottuvuutta ja aika. Meidän neliulotteinen todellisuutemme voi olla viidennelle ulottuvuudelle kuin kaareutuva pinta. Neutriinot ovat voineet "oikaista" viidennen ulottuvuuden kautta ja siksi saapua perille etuajassa.

2 Neutriinot ovatkin takioneja

Takioni on oletettu hiukkanen, jolla on imaginäärinen massa. Siksi se liikkuisi valoa nopeammin eikä edes voisi liikkua valoa hitaammin. Takionin massan neliö olisi negatiivinen luku, mitä on ehkä vielä vaikeampi hahmottaa kuin ylimääräisiä ulottuvuuksia. Neutriinoilla saattaa olla takionimaisia ominaisuuksia tai ne voivat muuttua takioneiksi.

3 Lorentzin symmetria rikkoutuu

Suhteellisuusteoria perustuu Lorentzin symmetriaan, jonka mukaan fysiikan lait eivät riipu avaruuden suunnista eivätkä havaitsijasta, kunhan ei olla kiihtyvässä liikkeessä. Aika-avaruuden symmetrian rikkoutuminen tarkoittaisi esimerkiksi sitä, että syyn ja seurauksen lait eivät pätisi ja ajan suunta riippuisi havaitsijasta. Voisi kuitenkin olla, että rikkoutuminen tapahtuisi vain neutriinojen kohdalla eikä vaikuttaisi muuhun fysiikkaan.

Alkeishiukkasten outo lintu

Jokainen meistä tietänee jonkun omalaatuisen tyypin, joka aiheuttaa aina hämminkiä ja päätyy joskus jopa otsikoihin.

Neutriino on sellainen – hiukkasfysiikan pikku häirikkö. Se on lähes massaton alkeishiukkanen, mutta ei kuitenkaan täysin massaton, vaikka niin aluksi luultiin. Se ei juuri ole tekemisissä minkään kanssa, mutta on kuitenkin hiukan. Neutriinot reagoivat hitusen gravitaatioon ja alkeishiukkasten heikkoon vuorovaikutukseen.

Neutriinon alalajeja on kolme: elektronin, myonin, ja taun neutriinot. Ne näyttävät pystyvän muuttumaan toisikseen ihan tuosta vain. Lisäksi saattaa olla olemassa niin sanottuja steriilejä neutriinoja, joiden massa on vielä pienempi ja jotka vuorovaikuttavat vielä vähemmän kuin tavalliset neutriinot.

Sähkövarausta neutriinoilla ei ole, joten ne eivät reagoi sähkö- ja magneettikenttiin. Neutriinoja voi tuottaa ja havainnoida vain välillisesti. Kaikkein vähiten pystymme itse aistimaan, että joka sekunti lävitsemme kulkee tuhansia miljardeja neutriinoja, jotka ovat peräisin Auringon ydinreaktioista.

Neutriinot kuitenkin synnyttävät muita hiukkasia, joita on mahdollista havaita. Yhdysvaltalainen tutkimusryhmä teki ensimmäiset kokeelliset havainnot neutriinoista vuonna 1956, ja löytö palkittiin fysiikan Nobelin palkinnolla vuonna 1995.

Neutriinojen avulla etsitään myös vastausta kysymykseen, miksi universumi on olemassa eli miksi ainetta on enemmän kuin antiainetta.

Haamuhiukkasiksi kutsunut neutriinot voivat yllättää meidät vielä moneen kertaan. 

Julkaistu Tiede-lehdessä 11/2011

Hyvä harrastus – ja helppo. Lukemista löytyy aina. Kuva: Shutterstock

Kieli rikastuu, ajattelu syvenee ja sosiaalinen taju kehittyy.

Tietokirjan järki on selvä: saa tietoa, jolla jäsentää maailmaa ja vaientaa mutuilijat. Riittävästi tietoa hankkimalla tulee asiantuntijaksi, ja sillä on selvä hyötyarvo.

Entä missä on fiktion lukijan tulosvastuu? Mitä itua on kuluttaa aikaansa tuntitolkulla hatusta vedettyjen ihmisten hatusta vedettyihin edesottamuksiin? Paljonkin: romaani tai novelli opettaa toimimaan muiden ihmisten kanssa.

Fiktio simuloi sosiaalista maailmaa, esittää asiaa tutkinut Toronton yliopiston psykologian professori Keith Oatley. Niin kuin lentosimulaattori opettaa lentotaitoja, sosiaalisten tilanteiden simulaattori – romaani – opettaa sosiaalisia taitoja.

Kokeet vahvistavat, että fiktiota lukeneet tajuavat paremmin so­siaalisia kuvioita kuin tietotekstiä lukeneet. 

Suvaitsevaisuus kasvaa

Kuvitteellisesta tarinasta on sekin ilo, että pääsee väliaikaisesti jonkun toisen nahkoihin. Samastuminen tarinan henkilöön voi muuttaa lukijan käyttäytymistä ja pistää asenteet uusiksi, ovat kokeillaan osoittaneet Ohion yliopiston tutkijat.

Samastumisella on vaaransa. Romaanin aiheuttama itsemurha-aalto koettiin 1700-luvun lopulla, kun nuoret onnettomat miehet matkivat Johan Wolfgang von Goethen päähenkilön tekoa Nuoren Wertherin kärsimyksissä.

Ohiolaistutkimuksessa vaikutus oli rakentavampi: kun nuoret aikuiset olivat lukeneet tarinan miehestä, joka meni äänestämään, he menivät hanakammin vaaliuurnille vielä viikon kuluttua lukemisesta. He olivat saaneet kansalaishyvetartunnan.

Valkoihoisten suvaitsevaisuutta taas kasvattivat tarinat, joissa päähenkilö osoittautui homoseksuaaliksi tai afroamerikkalaiseksi. Lukijoilta karisi myös stereotypioita. Tämä kuitenkin edellytti, että päähenkilön ”erilaisuus” paljastui vasta tarinan myöhemmässä vaiheessa ja lukijat olivat ehtineet asettua hänen nahkoihinsa.

Stressi väistyy

Kun uppoutuu lukemaan, maailman meteli jää kauas ja paineet hellittävät. Tuttu tunne, josta on myös tieteelliset näytöt: lukeminen poistaa stressiä.

Terveystieteen opiskelijat saivat Yhdysvalloissa tehdyssä tutkimuksessa lukeakseen netistä ja aikakauslehdestä poimittuja artikkeleita, jotka käsittelivät historiallisia tapauksia ja tulevaisuuden innovaatioita. Aihepiirit olivat siis kaukana tenttikirjojen pakkolukemistosta.

Puolentunnin lukutuokio riitti laskemaan verenpainetta, sykettä ja stressin tuntua. Huojennus on yhtä suuri kuin samanpituisella joogahetkellä tai televisiohuumorin katselulla. Mikä parasta, apu löytyy helposti, lukemista kun on aina saatavilla.

Sanasto karttuu

Kirjoitettu kieli on ylivoimaisesti suurempi uusien sanojen lähde kuin puhuttu. Erot lasten sanavaraston runsaudessa voi johtaa suoraan siihen, miten paljon he altistuvat erilaisille teksteille, vakuuttavat lukemisen tutkijat Anne Cunningham ja Keith Stanovich.

Tiuhimmin uutta sanastoa kohtaa tieteellisten julkaisujen tiivistelmissä: tuhatta sanaa kohti harvinaisia on peräti 128. Sanoma- ja aikakauslehdissä harvinaisten sanojen tiheys nousee yli 65:n ja aikuisten kirjoissa yli 50:n.

Lastenkirjakin voittaa sanaston monipuolisuudessa televisio-ohjelman mennen tullen. Lapsilukija kohtaa kirjassa yli 30 harvinaista sanaa tuhatta kohti, kun aikuisten telkkariviihdettä katsoessa niitä tulee vastaan 23 ja lastenohjelmissa 20.

Juttelukaan ei pahemmin kartuta sanavarastoa. Aikuispuhe sisältää vain 17 epätavallista sanaa tuhatta kohti.

Syntyy omia ajatuksia

Ihmisen aivoja ei ole ohjelmoitu lukemaan. Kun taito kehittyi 5 500 vuotta sitten, näkemiseen, kuulemiseen, puhumiseen ja ajatteluun rakentuneet alueet alkoivat tehdä uudenlaista yhteistyötä.

Nyt olemme jälleen uudenlaisen lukukulttuurin alussa. Verkkolukeminen on tullut jäädäkseen, ja jotkut pelkäävät, että tyhmistymme, kun totutamme aivomme ärsyketulvaan ja pikaselailuun netissä. Tiedonvälitys on lisääntynyt räjähdysmäisesti mutta niin myös häly.

Syventyvän lukemisen kohtalosta kantaa huolta professori Maryanne Wolf Tufts-yliopistosta. Tapaa näet kannattaisi vaalia. Aivokuvaukset paljastavat, että paneutuva lukija käyttää laajasti molempia aivopuoliskojaan. Hän ei vain vastaanota kirjoittajan sanomaa vaan vertaa sitä aiemmin hankkimaansa tietoon, erittelee sitä ja rakentaa omaa ajatteluaan. Pintalukijalla ei tähän ole aikaa.

Mikko Puttonen on Tiede-lehden toimittaja.

Julkaistu Tiede-lehdessä 12/2012 

Täysin raittiiden suomalaisnuorten osuus on moninkertaistunut vuosituhannen alusta.

Nuoruus raitistuu, kertoo Helsingin Sanomat jutussaan.

Nuorten alkoholin käyttö kasvoi vuoteen 1999, joka oli myös kaikkein kostein vuosi. Silloin vain joka kymmenes yhdeksäsluokkalainen ilmoitti, ettei ollut koskaan käyttänyt alkoholia.

Sittemmin täysin raittiiden osuus on moninkertaistunut, ilmenee vuoteen 2015 ulottuneesta eurooppalaisesta, nuorten päihteidenkäyttöä käsittelevästä Espad-tutkimuksesta.

Jopa muut eurooppalaiset jäävät jälkeen. Suomessa täysin raittiita 15–16-vuotiaista nuorista on joka neljäs, kun Euroopassa heitä on keskimäärin joka viides.

Terveyden ja hyvinvoinnin laitoksen THL:n erikoistutkija Kirsimarja Raitasalo kollegoineen on ­koettanut tunnistaa niitä nuoruuden muutoksia, jotka voisivat selittää humalan hiipumista.

Ratkaisevaa näyttää olleen ainakin se, että alaikäisten on yhä vaikeampi saada alkoholia. Nykynuoret kokevat sen selvästi hankalammaksi kuin aiemmat ikäpolvet.

Kauppojen omavalvonta on osaltaan tehonnut. Kassoilla kysytään kaikilta alle 30-vuotiaan näköisiltä papereita.

Vanhemmat ja muutkin aikuiset ovat tiukentaneet asenteitaan nuorten juomiseen.

”Tietoisuus alkoholin haitoista on ehkä lisääntynyt. On tullut paljon tutkimustietoa esimerkiksi siitä, miten alkoholi vaikuttaa nuorten aivojen kehitykseen”, Raitasalo pohtii.

Nuorten omakin maailma on muuttunut toisenlaiseksi. Älylaitteet, pelit ja sosiaalinen media kyllästävät arkea. Pussikaljoittelu joutuu kilpailemaan monen muun kiinnostavan ajanvietteen kanssa ja on ehkä osittain hävinnyt niille.

Juovuksissa olemisesta on ehkä tullut myös tyylirikko. Nuoret eivät enää näytä arvostavan kännissä örveltämistä.

Kysely

Mikä mielestäsi raitistaa nuoria?

Neutroni
Seuraa 
Viestejä25758
Liittynyt16.3.2005

Viikon gallup: Mikä mielestäsi raitistaa nuoria?

Käyttäjä4809 kirjoitti: Eiköhän syy ole -90 luvulla alkaneen laman menetetyt työpaikat ja samalla supistettu koulutus, minkä seurauksena vuodestä -99 alkaen vanhemmilla ei enää ole ollut niin paljon rahaa annettavaksi nuorisolle. Sekä myös nuorisolle soveltuvien työpaikkojen vähentyminen ja samaan aikaan tapahtunut kohtuuton vuokrien nousu, vasinkin pääkaupunkiseudulla. En tiedä, mutta en usko rahaan. Esimerkiksi kilju, 10 % juoma joka maksaa joitain senttejä litralta, tuntuu olevan...
Lue kommentti
molaine
Seuraa 
Viestejä1187
Liittynyt3.8.2011

Viikon gallup: Mikä mielestäsi raitistaa nuoria?

En kyllä usko, että rahalla on iso merkitys ja veikkaan, että käytettävissä olevat rahat on vain kasvaneet, jos verrataan vaikka omaan nuoruuteen. Ei viina suomessa ole niin kallista, etteikö köyhälläkin olisi varaa dokailla. Oma junnu ei läträä lainkaan viinan kanssa. Iso osa kavereistakaan ei, vaikka osa ilmeisesti jonkin verran lipittelee. Kyllä nuorten asenteet on mielestäni muuttuneet ihan selkeästi. Ehkä alkoholipolitiikka on toiminut? Kotoa ei meillä kyllä tällaista ole opittu...
Lue kommentti

Panterarosa: On selvää, että "Partitava kisaa kurupati-kuvaa" ei oikein aukene kehitysmaalaisille N1c- kalmukinperseille.