Fyysikot ja insinöörit rakentavat wattivaakoja ja leijuttavat kiloa magneettikentässä. Toiset tutkijat laskevat piin atomeja. Taas kerran pitää oppia punnitsemaan entistä tarkemmin. Mittaaminen on teknisen kehityksen perusta, eikä nanotekniikan aikaan istu vanha metallipunnus.


Julkaistu Tiede-lehdessä 3/2009

Keskiajalla tultiin toimeen karkeilla painomitoilla. Porvoon leiviskä painoi 12,5, Tukholman leiviskä 6,75 ja "oikea leiviskä" 8,5 kiloa.

Maailman teollistuessa yksiköiden kirjavuus alkoi rasittaa. Ryhdyttiin standardoimaan. Lopulta, vuonna 1889 Sèvresiin, Pariisin lähelle, talletettiin platina-iridiumpunnus, jonka massaksi sovittiin yksi kilogramma. 

Tutkijat tiesivät jo silloin, että fyysinen punnus on epätyydyttävä: sen paino muuttuu väistämättä. Pariisin kilo on hitusen muuttunut yli sadassa vuodessa. Ilman epäpuhtaudet lisäävät painoa ja pesut vähentävät. Pariisin kilo tietenkin painaa aina juuri kilon, määritelmänsä mukaan. Mutta maailman muut kilot poikkeavat siitä hieman.


Mitataan sähköisiä suureita

Mitat halutaan sitoa luonnonvakioihin. Mittanormaaleja pitää etsiä "aallonpituuksista sekä molekyylien värähtelystä ja massoista, jotka ovat järkkymättömiä, mahdottomia muuttaa ja aina samoja", kirjoitti kuuluisa fyysikko James Clerk Maxwell jo 1870.

Maxwellin ohjelma on toteutumassa. Esimerkiksi metri on pitkään määritelty valon nopeuden avulla. Mutta massa tekee yhä vastarintaa. Ratkaisua haetaan kahdesta pääsuunnasta. Ensimmäinen tapa on mitata massa sähköisesti.

Jos esimerkiksi nostetaan magneettikentän voimalla kappale ilmaan leijumaan, kulutetaan sähköenergiaa, jonka määrä riippuu nostettavasta massasta. Tällöin massa voidaan laskea mitattujen sähköisten suureiden avulla ilman vertailupunnuksia.


Periaatteessa toimii hyvin

Mittatekniikan keskus Mikes ja Valtion teknillinen tutkimuskeskus VTT ovat kehittäneet levitoivaa kiloa. Yhteistyössä on ollut mukana pietarilainen tutkimuslaitos VNIIM.

Laitteessa on suprajohtava kela ja sen yläpuolella kappale, joka sekin on suprajohtava. Kun kelaan syötetään sähkövirta, syntyy magneettikenttä, joka työntää kappaletta ylöspäin. Kun sähkövirtaa kasvatetaan, kappale alkaa leijua. Samalla kuluu tietty määrä sähköenergiaa. Energiasta saadaan lasketuksi massa.

Mittauksen periaate on selkeä, mutta luonto on toistaiseksi kieltäytynyt noudattamasta tutkijoiden kaavoja.
- Ongelmana ovat energiahäviöt, kertoo tohtori Kari Riski Mikesistä. Laitetta käytettäessä muuttuu myös magneettikenttä, jolloin suprajohteissakin syntyy häviöitä.

Häviöiden mittaaminen on osoittautunut vaikeaksi. Koska vielä ei tiedetä tarkasti, kuinka paljon energiaa laitteesta häviää, ei myöskään tiedetä tarpeeksi hyvin energiamäärää, josta massa pitäisi laskea.

Ongelmaa ratkotaan tekemällä sähköisiä mittauksia yhä hienommin, yhä pienemmässä skaalassa. Avuksi otetaan kvanttimekaniikka.


Elektronit siirtyvät yksitellen

Kvanttitason mittatikuilla eli kvanttinormaaleilla mittayksiköt saadaan sidotuksi luonnonvakioihin, jotka ovat aina ja kaikkialla samankokoisia. Punnituksessa turvaudutaan kahteen luonnonvakioon, elektronin varaukseen ja kvanttifysikaaliseen Planckin vakioon. Tätä kautta päästään käsiksi sähkövirtaan ja siitä edelleen massaan.

Mikes, Teknillisen korkeakoulun Kylmälaboratorio ja VTT ovat rakentaneet kvanttivirtalähteitä, joissa elektroneja siirretään eli "pumpataan" yksitellen - ja tästähän ei sähkövirta enää voi pienentyä
.
Isompi virta saadaan määritettyä pumppaustaajuuden ja elektronin varauksen tulona.

- Suomalaistutkijat ovat aivan maailman kärjessä sähkövirran kvanttinormaalin kehittämisessä, sanoo Mikesin sähköryhmän päällikkö, tohtori Antti Manninen.

Kahdella muulla tärkeällä sähköisellä suureella, jännitteellä ja vastuksella, on jo oma kvanttinormaalinsa. Sähkövirralle sellainen valmistunee 2010-luvulla.


Lasketaan piipallon atomit

Toinen tapa sähköisen punnitsemisen ohella on laskea kappaleen atomien määrä riittävän tarkasti. Kansainvälisessä Avogadro-hankkeessa lasketaan piin atomeja.

Jos tiedetään jossakin tilavuudessa olevien atomien lukumäärä, kilo pystytään, kuten Maxwell 1800-luvulla vaati, sitomaan "aina samoihin" massoihin.

Atomien lukumäärään päästään käsiksi mittaamalla pallon tilavuus ja jakamalla se yksittäisen atomin tilavuudella. Pallon tilavuus selviää, kun mitataan sen halkaisija tarkasti laservalolla. Röntgensäteillä taas on selvitettävissä, paljonko yksittäinen piiatomi vie kiteestä tilaa.

Ensimmäiset koekappaleet, maailman pyöreimmät pallot, tehtiin pari vuotta sitten. Ensin venäläiset materiaalitutkijat valmistivat ultrapuhdasta pii-28-isotooppia sentrifugeilla, joilla oli alun perin tuotettu ydinasemateriaalia. Sitten pii matkasi Saksaan, jossa siitä valmistettiin viisikiloinen piikide.

Kide rahdattiin Australiaan, jossa National Measurement Instituten ja tutkimuslaitos Csiron tutkijat ja hienomekaanikot hioivat siitä mahdollisimman pyöreitä yhden kilon painoisia palloja. Nyt metrologit tutkivat piipalloja laboratorioissaan.


Uteliaisuuskin kannustaa

Kansainvälisistä mittanormaaleista päättää Yleinen paino- ja mittakonferenssi CGPM, joka kokoontuu seuraavan kerran 2011 Pariisissa. Jos hyvin käy, uusi kilo otetaan käyttöön silloin. Perunoiden punnitsemiseen torilla uudistus ei vaikuta, mutta paljoon muuhun kyllä.

Nykyajan teollisuustuotteita ei olisi ilman 1800-luvulla luotua mittajärjestelmää. Mitä kaupankäynnistä olisi tullut, jos kilo Helsingissä ja Tokiossa olisi tarkoittanut eri massoja?

Vastaavasti 2000-luvun tuotteet vaativat uutta tarkkuutta. Internetissä ja kännyköissä on hyödynnetty tarkkoja kelloja - nyt massan mittaus halutaan saattaa samalle tasolle kuin ajan. Ellei mittajärjestelmää kehitetä, ei myöskään tule hienoja nanotuotteita, joita meille luvataan.

Mitä ei voi punnita, sitä ei voi valmistaakaan. Elämme niin kuin mittaamme.

On vielä yksi mahtava motiivi: inhimillinen uteliaisuus. Suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka syntyivät, kun mittaukset paljastivat vakiintuneiden käsitysten rajoitukset.


Kalevi Rantanen on diplomi-insinööri, tietokirjoittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.



 

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 
Viestejä25799
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 
Viestejä1194
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.