Otsikko tuo mieleen tieteiselokuvan, mutta asia on tosi. Mustan kappaleen säteily auttoi fyysikoita ratkaisemaan aineen ja universumin olemuksen. Nyt se mullistaa aurinkoenergian käyttöä.

Teksti: Petri Forsell

Otsikko tuo mieleen tieteiselokuvan, mutta asia on tosi. Mustan kappaleen säteily auttoi fyysikoita ratkaisemaan aineen ja universumin olemuksen. Nyt se mullistaa aurinkoenergian käyttöä.

Julkaistu Tiede -lehdessä 8/2012

Jos toisesta universumista tulisi maahamme vierailija, hänet vietäisiin tietysti saunaan. Vieras seuraisi kiinnostuneena kiukaan lämmitystä ja tekisi mittauksia laitteillaan. Kun kiuas alkaisi lähestyä kylpylämpöä, vieras säntäisi kauhistuneena ulos.

Isäntäväki ihmettelisi moista, kunnes huomaisi, että toisen universumin mittalaite hälyttää räjähdysvaarasta. Kohta kiukaasta tulee lämpösäteilyä niin järjettömästi, että sen sisältämä energia lennättää saunan taivaan tuuliin. Vierailijaa rauhoitettaisiin kertomalla, että meidän maailmankaikkeudessamme äärettömät energiat eivät ole mahdollisia. Täällä on sellainen järjestys, että mustat kappaleet säteilevät kvantittuneesti. Se estää kiukaita ampumasta kuolonsäteitä.

Mustan kappaleen säteily? Kvantittunutta? Vierailija pyytää selittämään tarkemmin. Vaikka kvantti-ilmiöille ei ole vastineita arkimaailmassa, sisukkaat suomalaiset päättäisivät tehdä asiasta selkoa parhaansa mukaan.

Kiinnostus heräsi kauan sitten

Parasta aloittaa aivan alusta, isäntäväki tuumaisi ja kävisi lyhyesti läpi mustan kappaleen säteilyn historiaa.

Jo 1600-luvulla Isaac Newton, joka tutki kappaleiden liikettä, huomasi, että kaikki kiinteä säteilee valoa tietyn lämpötilan ylitettyään. Klassisen mekaniikan perustaja arveli, että kappaleet koostuvat pienistä osista, joiden värähtely tuottaa valoa. Ällistyttävän oikeaan osunut ajatus, kun muistaa, että Newtonin aikaan atomeista tai sähkömagnetismista ei paljon tiedetty.

1790-luvulla posliinitehtailija Thomas Wedgwood seurasi saviastioiden polttoa uunissa ja pani merkille, että kappaleet hehkuivat sateenkaaren väreissä sen mukaan, miten lämpötila nousi: ensin purnukat punersivat, sitten muuttuivat keltaoransseiksi ja lopulta näyttivät valkoisilta. Näin hän tuli kirjanneeksi, missä järjestyksessä valon aallonpituudet ilmaantuvat.

Mustan kappaleen säteilystä käsitteenä puhui ensimmäiseksi fyysikko Robert Kirchoff 1860-luvulla. Hän esitti, että musta kappale olisi täydellisessä lämpötasapainossa ympäristönsä kanssa: se imisi kaiken itseensä kohdistuvan säteilyn mutta myös säteilisi kaiken saamansa energian ulos.

1800-luvun lopussa mustan kappaleen säteilystä tiedettiin jo yhtä ja toista. Oli selvää, että lämpösäteily oli sähkömagneettista säteilyä ja että säteilyn aallonpituus eli väri riippui vain säteilevän kappaleen lämpötilasta, ei sen rakenteesta tai kemiallisesta koostumuksesta. Tutkijoita vaivasi kuitenkin se, että säteilyn teoria – joka kaikkineen oli oikein hyvä – ei pitänyt yhtä mittaustulosten kanssa. Teorian mukaan säteilyn voimakkuuden piti kasvaa rajatta kappaleen kuumetessa ja aallonpituuden lyhentyessä, mutta käytännössä jokin tuntematon tekijä esti säteilyä saavuttamasta ääriarvojaan.

Hehkulamppu mullisti tieteen

1800-luvun loppuvuosina mittaustuloksia oli runsaasti saatavilla, sillä kaupungeissa käytiin taistelua siitä, valaistaanko kadut kaasu- vai sähkölampuilla. Saksan teollisuus ajoi sähkövalon asiaa ja rahoitti tutkimusta, jonka tarkoitus oli osoittaa sähkön ylivertaisuus. Koska hehkuvalon väri syntyy hehkulangan lämpötilasta, mustan kappaleen säteily oli Saksan tieteen keskeisiä kohteita.

Tutkimusta varten rakennettiin yhä parempia mittalaitteita. Noilta vuosilta on peräisin edelleenkin käyttökelpoinen tapa tutkia lämpösäteilyä: tehdään tehokkaan uunin kylkeen pieni reikä ja mitataan ulos karkaava säteily.

Lokakuussa 1900 säteilyn aallonpituudet mitattiin niin tarkasti, että yksi maailman parhaista termodynamiikan asiantuntijoista, Max Planck, pystyi tulkitsemaan tuloksia aivan uudella tapaa. Hän otti avuksi hiukkasten liikettä kuvaavat tilastolliset lait ja laski niiden avulla säteilyn kokonaisenergian ja jakauman. Tulokset osoittivat, ettei säteily ole yhtenäistä vaan muodostuu energiapaketeista, joista kukin värähtelee omalla tavallaan ja sisältää erilaisen annoksen energiaa.

Energiapaketteja Planck kutsui energia-alkioiksi, mutta pari vuotta myöhemmin käyttöön vakiintui äänijänteille säästeliäämpi nimitys kvantti. Suomen kielessä lainasana haluttiin korvata erkaleella, mutta se ei kuvaavuudestaan huolimatta saanut sijaa kielessä.

Planckin säteilylakia voi pitää jopa luonnontieteiden kaikkein suurimpana mullistuksena. Se ohjasi fyysikot oivaltamaan, että sähkömagneettisen säteilyn lailla myös aineella on kvanttiluonne, että atomit ottavat vastaan ja luovuttavat energiaa määräsuuruisina annoksina.

Löytyivät oikea atomimalli, luonnon perusvoimat ja niiden välittäjähiukkaset. Kesti kuitenkin kolmekymmentä vuotta, ennen kuin kvanttimekaniikka päihitti klassisen mekaniikan vallitsevana tulkintana luonnon rakenteesta ja vuorovaikutuksista. Uusilla aatteilla on tapana juurtua hitaasti.

Ihminenkin käy näytteeksi

Mielenkiintoista, sanoisi vieras. Tässä kummallisessa maailmassa voi siis todella sytyttää tulen ja lämmittää saunan ilman pelkoa räjähdyksestä. Missä näitä mustia kappaleita voisi käydä katsomassa? hän kysyisi.

Nolo juttu, myöntäisivät suomalaiset, mutta samalla kun kvantti-ilmiö selittää, miksi mustan kappaleen energia kasvaa ja vähenee hyppäyksittäin, se määrää, ettei yksikään kappale voi olla umpimusta. Lämpötasapainoon jää aina hieman epätarkkuutta. Laboratorioissa on kyllä onnistuttu luomaan lähes täydellisen mustia kappaleita, kun pinta on peitetty nanohiiliputkilla, mutta nämäkin kappaleet heijastavat prosentin murto-osia niihin osuvasta säteilystä.

Jos täydellisen mustuuden ei ole väliä, jatkaisi isäntäväki, niin ihan tavallinen suomalainenkin on musta kappale. Jokainen ihminen lähettää lämpöä eli infrapunaisen aallonpituuden säteilyä, jota silmä ei erota mutta erikoiskamera tai vaikkapa hyttynen kylläkin.

Mihin muuhun ihmiskunta käyttää mustan kappaleen säteilyä kuin saunomiseen? jatkaisi vieras. Vai puhummeko me nyt fysiikkanne kunniavanhuksesta, jonka saavutukset ovat suuret mutta joka ei kelpaa enää kuin termodynamiikan alaviitteeksi?

Sitä mitataan paljon pilvistä, sillä se antaa hyvinkin tarkkaa tietoa niiden vesimääristä. Kun pilvissä oleva kosteus tiivistyy sateeksi, vapautuu lämpöä, joka ilmenee mustan kappaleen säteilynä. Tätä tietoa sovelletaan sademäärien arviointiin, hirmumyrskyjen ennakointiin ja aivan tavallisten sääennusteiden laatimiseen, isäntäväki selvittäisi.

Sitten se myöntäisi: Välillä mustan kappaleen säteily tosiaan painui unohduksiin, mutta vanhuksessa oli enemmän puhtia kuin luultiin. Elokuvahirviöiden lailla se on tehnyt pari näyttävää paluuta.

Universumin synty varmistui

Todella komean paluun tiedelehtien otsikoihin mustan kappaleen säteily teki vuosikymmen sitten, kun se osoitti oikeiksi kosmologien rohkeat oletukset maailmankaikkeuden syntytapahtumista.

Jos maailmankaikkeudessamme on jotain, mikä luovuttaa ja imee säteilyä tasapainoisesti, se on maailmankaikkeus itse. Kun ensin suhteellisuusteoria ja sitten havainnot kaukaisista galakseista osoittivat, että maailmankaikkeus oli alkuun paljon pienempi kuin nykyään, kosmologit alkoivat pohtia keinoja, joilla voisi selvittää universumin ensi hetkien tapahtumia.

He ynnäsivät tietonsa ja päättelivät, että alkuräjähdyksestä peräisin olevan kosmisen mikroaaltosäteilyn lämpötilan pitäisi olla pari kelvinastetta absoluuttisen nollan yläpuolella. Lämpötilan selvittämiseksi päätettiin mitata mustan kappaleen säteily kaikkialta maailmankaikkeudesta niin pian kuin siihen olisi välineitä.

Alkuräjähdyksen kannattajat ja vastustajat kävivät piirileikkiään, kunnes tiedesatelliitit kuvasivat taivaankannen säteilyn vastaansanomattomalla tarkkuudella. Mikroaaltosäteilyn keskilämpötilaksi saatiin 2,7 kelviniä. Lämpötilassa esiintyi kyllä paikallista vaihtelua, mutta sekin oli mieluinen tulos: se tuki teoriaa, jonka mukaan alkukosmos laajeni hetken valoa nopeammin.

Suomalaisten roolikin kannattaa mainita. Kaikkein tarkimmat havainnot tehneen Planck-satelliitin mittausyksiköt on valmistettu Suomessa.

Uutta puhtia energiasta

Mustan kappaleen uusin jatko-osa on mullistamassa aurinkoenergian käyttöä, jatkaisivat suomalaiset. He selittäisivät, että fossiilisten polttoaineiden hupeneminen ja ilmastonmuutos ovat pakottaneet ihmiskunnan etsimään uusiutuvia energianlähteitä ja että auringonsäteilyä on jo pitkään muutettu sähköksi. Tämä onnistuu, koska valon energiapaketit, valokvantit eli fotonit, vapauttavat aurinkopaneelien puolijohteista elektroneja ja synnyttävät sähkövirran.

Kun vieras kiittelisi, että maailmankaikkeutemme asiat vaikuttavat olevan erinomaisessa järjestyksessä, energiakin jämpteissä paketeissa, isäntäväki myöntäisi, että poikkeuksia on, mutta vain kvanttifysiikan sallimissa rajoissa, ja nekin hyödyttävät energiantuotantoa.

Jo Max Planck itse huomautti, ettei hänen säteilylakinsa ehkä päde, jos kappaleet ovat hyvin pieniä. Hän ei – eikä kukaan muukaan pitkään aikaan – pystynyt mittaamaan lämpötilaa ja sähkömagneettista säteilyä järjestelmissä, joissa terävinkin neulankärki vaikuttaisi jättiläiseltä.

Kun mittaus viimein noin vuosikymmen sitten onnistui, tulokset olivat sekä odotettuja että odottamattomia. Säteily ei todellakaan jakautunut Planckin teorian mukaisesti, mutta toisaalta järjestelmään menevän säteilyn ja syntyvän lämmön ero oli yllättävän suuri.

Luvassa halpaa sähköä

Kun tavalliseen hehkulamppuun johdetaan sähköä, 95 prosenttia siitä muuttuu silmälle näkymättömäksi lämpösäteilyksi ja vain viisi prosenttia näkyväksi valoksi. Kun tutkijat käyttivät hehkulankana keinotekoisia kiteitä, valoksi muuttui 60 prosenttia. Oikein kunnolla tuloksia ei osata selittää minkään teorian avulla, mutta ilmiön arvellaan liittyvän siihen, että valon nopeus vaihtelee kiteiden mikrorakenteissa.

Vastaavia hyötysuhteita on saatu kokeissa, joissa on käytetty nanokokoisia metallikuulia. Silloin lämpösäteily kulkee kuulien välissä alueella, joka on pieni verrattuna yksittäisten kuulien pinta-alaan. Rakenne tuottaa säteilyyn tehon, joka ylittää teoreettiset arvot. Kun kuulat suljetaan lasi- ja metallilevyjen väliin, syntyy uudenlainen aurinkosähköä tuottava laite. Vielä nyt se tekee sähköä puolet tehottomammin kuin tavanomainen aurinkopaneeli, mutta toisaalta se on sitä paljon halvempi ja kylkiäisenä syntyvä lämpösäteily voidaan hyödyntää käyttöveden lämmityksessä.

Kumpikin tekniikka on herättänyt suurta kiinnostusta, ja niistä povataan mullistusta energia-alalla. Kun laitteiden rakentamiseen ei tarvita eksoottisia osia eikä raaka-aineita vaan ihan tavallisia sähkölaitteiden komponentteja ja rautaa, kuparia ja lasia, tekniikat sopivat erinomaisesti maihin, joissa paahdetta on enemmän kuin pääomia.

Aurinko on loistava musta

Aurinkoon päästyään suomalaiset innostuisivat – niin kuin meillä on tapana innostua sen säteilystä talven jälkeen. He selittäisivät, että Aurinkomme ja tähdet kaikkineen ovat erinomaisia mustia kappaleita ja helpottavat tähtitieteilijöiden työtä. Tähden väristä voi melkein suoralta kädeltä päätellä sen lämpötilan, mikä puolestaan kertoo, minkä ikäinen tähti on. Esimerkiksi Aurinko säteilee lämpötilansa ja ikänsä mukaisesti sinertävänvalkoista valoa.

Hetkinen, sanoisi vieras. Aurinkonnehan on pikemmin kellanvalkoinen. Isäntäväki myhäilisi kuten tekevät kaikki, jotka pääsevät esittelemään nippelitietojaan. Oikeasti Auringon kaasukehä säteilee valkoisena. Keltaisen värinsä se saa, koska ilmakehä suodattaa säteistä sinisiä ja vihreitä aallonpituuksia.

Ihmissilmä on muuten harjaantunut havaitsemaan tarkimmin juuri ne aallonpituudet, joita Aurinko säteilee voimakkaimmin. Me myös miellämme tämän sähkömagneettisen sekoituksen valkoiseksi, mikä kulttuurissamme on kaiken visuaalisen ilmaisun perusta. Jos silmämme toimisivat röntgensäteiden tai infrapunavalon aallonpituudella, taiteilijat eivät tietäisi värejä olevankaan.

Kun toisen universumin vierasta lopulta päästäisiin opastamaan saunaetiketissä, hän toteaisi, että sinänsä vaatimattoman oloinen ja välillä liki unohdettu ilmiö on saanut paljon aikaan – ja ajatella, näköjärjestelmännekin on virittynyt havaitsemaan sen.

Avoin kysymys onkin enää, joko tunnemme koko ilmiön täydellisesti vai vieläkö mustan kappaleen säteily yllättää, suomalaiset tuumaisivat.

Petri Forsell on vapaa tiedetoimittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.

Mikä kappale?Fyysikot tarkoittavat mustalla kappaleella esinettä tai kohdetta, joka imee itseensä lähes kaiken siihen osuvan säteilyn, olipa säteilyn aallonpituus mikä tahansa.

Mikä säteily?Vaikka musta kappale ei heijasta mitään, se säteilee energiaa yhtä paljon kuin imee sitä. Säteily sisältää kaikkia aallonpituuksia, mutta se, millä aallonpituudella säteily on voimakkainta ja minkä värisenä me kappaleen näemme, vaihtelee lämpötilan mukaan.

Huoneenlämpöinen musta kappale lähettää eniten infrapuna- eli lämpösäteilyä, jota ihmissilmä ei havaitse. Siksi kappale vaikuttaa mustalta. Kuumat mustat kappaleet eivät näytä mustilta, koska ne säteilevät voimakkaimmin näkyvän valon aallonpituuksilla.

Merkille pantavaa on, että mustan kappaleen väri riippuu yksinomaan lämpötilasta, ei sen rakenteesta tai kemiallisesta koostumuksesta. Grillihiilet ja rautatanko muuttuvat kuumetessaan ensin punaisiksi ja lopulta valkohehkuisiksi. 

Psykedeelit ayahuasca ja psilosybiini tehoavat tutkimusten mukaan masennukseen.

Amazonin alueen ihmiset ovat ammoisista ajoista nauttineet näkyjä nostattavaa ayahuasca-kasviuutetta.

Aine kiinnostaa myös lääketieteen tutkijoita. Se näyttää tehoavan masennukseen ja riippuvuuksiin, kertoo Helsingin Sanomat jutussaan.

Muilla psykedeeleillä, kuten tietyissä sienissä esiintyvällä psilosybiinillä, on havaittu samanlaisia vaikutuksia.

Ayahuascaa pitkään tutkinut Jordi Riba Sant Paun sairaalasta kertoo, miten vaikeasta masennusta potevat potilaat ovat saaneet apua yksittäisestä kokeilusta.

”Tavalliseen masennuslääkkeeseen verrattuna teho oli todella nopea vain yhdellä annoksella. Hämmästyttävästi tulokset näkyivät heti, ja ne säilyivät monia viikkoja”, Riba sanoo HS:n haastattelussa.

Lontoon Imperial Collegen Robin Carhart-Harris on saanut samanlaisia tuloksia psilosybiinillä.

Ratkaisevia myönteisille vaikutuksille ovat ympäristö ja olot, joissa psykedeelejä käytetään.

”On tärkeää, että ammattiterapeutti valmistelee kokemukseen, on mukana sen aikana ja auttaa sen jälkeen tekemään siitä selkoa”, Carhart-Harris sanoo.

Suomessakin tutkijat etsivät rahoitusta tutkimukseen, jossa testaan psilosybiinin tehoa masennukseen.

Kysely

Kokeilisitko psykedeeliä masennukseen, jos lääkäri määräisi?

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