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.



 

Kätevä sana on valunut moneen käyttöön.

Makea vesi kuuluu elämän perusedellytyksiin. Siksi tuntuu itsestään selvältä, että vesi-sana kuuluu suomen kielen vanhimpiin sanastokerroksiin.

Se ei kuitenkaan ole alun perin oma sana, vaan hyvin vanha laina indoeurooppalaisista kielistä, samaa juurta kuin saksan Wasser ja englannin water.

Suomensukuisissa kielissä on toinenkin vettä merkitsevä sana, jota edustaa esimerkiksi saamen čáhci, mutta sen vastine ei syystä tai toisesta ole säilynyt suomessa. Ehkäpä indoeurooppalainen tuontivesi on tuntunut muodikkaammalta ja käyttökelpoisemmalta.

Tarkemmin ajatellen vesi-sana on monimerkityksinen. Luonnon tavallisimman nesteen lisäksi se voi tarkoittaa muunkinlaisia nesteitä, kuten yhdyssanoissa hajuvesi, hiusvesi tai menovesi.

Vesiä voi erotella käsittelyn tai käyttötarkoituksen mukaan, vaikka Suomen oloissa juomavesi, kasteluvesi ja sammutusvesi ovatkin usein samaa tavaraa. Sade- ja sulamisvesistä tulee varsinkin asutuskeskuksissa viemäröitävää hulevettä. Murteissa hulevesi tarkoittaa tulvaa tai muuta väljää vettä, esimerkiksi sellaista, jota nousee sopivilla säillä jään päälle.

Luonnon osana vesi voi viitata erilaisiin vedenkokoumiin, etenkin järviin. Suomen peruskartasta löytyy satoja vesi-loppuisia paikannimiä, joista useimmat ovat vesistönnimiä, kuten Haukivesi, Hiidenvesi tai Puulavesi.

Useat vesien rannalla olevat asutuskeskukset ovat saaneet nimensä vesistön mukaan. Vesi-sana ei enää suoranaisesti viittaa veteen, kun puhutaan vaikkapa Petäjäveden kirkosta tai Ruoveden pappilasta.

Vesi-sanasta on aikojen kuluessa muodostettu valtava määrä johdoksia ja yhdyssanoja. Näistä suuri osa on vanhoja kansanomaisia murresanoja, kuten vetelä, vetinen, vetistää ja vettyä.

Vesikosta on muistona enää nimi, sillä tämä vesien äärellä ja vedessä viihtyvä näätäeläin on hävinnyt Suomesta 1900-luvun kuluessa. Myyttisiä veden asukkaita ovat olleet vetehinen ja vesu eli vesikyy, jotka mainitaan myös Kalevalassa.

Antiikista 1700-luvun loppupuolelle asti uskottiin veden olevan yksi maailman alkuaineista. Sitten selvisi, että se onkin vedyn ja hapen yhdiste. Oppitekoinen uudissana vety tuli suomen kielessä tarpeelliseksi kuitenkin vasta 1800-luvun puolimaissa, kun luonnontieteistä alettiin puhua ja kirjoittaa suomeksi.

Kaisa Häkkinen on suomen kielen emeritaprofessori Turun yliopistossa.

Julkaistu Tiede-lehden numerossa 11/2018

Alzheimerin tautiin tarkoitettu lääke auttoi unien hallintaa.

Jos haluat hallita uniasi, se voi onnistua muistisairauden hoitoon tarkoitetulla lääkkeellä. Lääke virittää ihmisen näkemään niin sanottuja selkounia, kertoo Helsingin Sanomat jutussaan.

Selkounessa ihminen tiedostaa näkevänsä unta ja pystyy jopa vaikuttamaan siihen.

Joka toinen ihminen on mielestään nähnyt selkounen ainakin kerran elämässään. Joka neljäs näkee niitä kuukausittain, arvioi parin vuoden takainen tutkimuskatsaus.

Alzheimerlääke auttoi tuoreessa yhdysvaltalaisessa tutkimuksessa koehenkilöitä selkouniin. Koehenkilöistä nuori nainen onnistui unessa rullaluistelemaan tavaratalossa, kun oli ensin suunnitellut sitä valveilla.

”Luistelimme ystäväni kanssa pitkin käytäviä. Oli niin hauskaa, että upposin täysillä uneen mukaan”, 25-vuotias nainen kuvailee.

Unet olivat koehenkilöiden mukaan lääkkeen vaikutuksesta todentuntuisempia kuin ilman lääkettä. Yhdysvaltalainen tutkimus julkaistiin Plos One -lehdessä.

Kokeessa tutkijat harjoittivat yli 120 eri ikäistä koehenkilöä näkemään selkounia. Ryhmään oli valkoitunut ihmisiä, jotka muistavat unensa hyvin ja ovat kiinnostuneita selkounista.

He opettelivat tekniikoita, joiden pitäisi helpottaa selkouneen pääsyä. Pitkin päivää ja ennen nukkumaan menoa voi esimerkiksi toistella itselleen, että kun näen unta, muistan näkeväni unta.

Unia voi visualisoida eli harjoitella mielessään etukäteen. Selkouneen päästyään voi tehdä todellisuustestejä, kuten onnistuuko seinän läpi käveleminen tai leijuminen.

Lääkekokeessa, jota johti selkounien uranuurtaja Stephen LaBerge, koehenkilöt saivat galantamiinia. Sitä käytetään lievän tai kohtalaisen vaikean Alzheimerin taudin hoitoon.

Lääke terästää asetyylikoliinin määrää aivoissa. Asetyylikoliini huolehtii viestien välityksestä aivosolujen välillä, virkistää muistia ja kiihdyttää rem-unta. Juuri remvaiheessa ihminen näkee yleisimmin unia.

Suurimman annoksen galantamiinia saaneista 42 prosenttia pystyi kuvauksensa mukaan selkouniin. Osuus oli huomattavasti suurempi osa kuin muissa koeryhmissä.

Koehenkilöiden unta ei mitattu unilaboratorioiden laitteilla, joilla tallennetaan silmien liikkeitä ja elintoimintoja. Tulokset perustuivat koehenkilöiden kertomaan.

LaBerge seurasi kuitenkin toisessa tuoreessa tutkimuksessaan silmien liikkeitä unennäön aikana. Silmien liikkeet kiihtyvät rem-unen aikana.

Kun koehenkilöt siirtyivät selkouneen, he liikuttivat silmiään ennalta sovitusti vasemmalta oikealle. Sitten heidän piti seurata unensa kohteita, joita he olivat ennalta visualisoineet.

Silmät liikkuivat sulavasti, samoin kuin ihmisen seuratessa katseella todellista kohdetta. Kuviteltua kohdetta seuratessa silmät liikkuvat nykäyksittäin.

Tutkimus julkaistiin Nature Communications -lehdessä.

Kysely

Oletko nähnyt selkounta?

mdmx
Seuraa 
Viestejä5216
Liittynyt23.11.2009

Viikon gallup: Oletko nähnyt selkounta?

Käyttäjä4499 kirjoitti: Mikä on mt häiriö? Kuten sanoin, minusta lääkkeen käyttö tuohon tarkoitukseen on arveluttavaa. Siinä mennään ehkä peruuttamattomasti alueelle, jonne ei pitäisi mielestäni olla mitään asiaa suoranaisesti. Ehkä en nyt vain ymmärrä tarvetta nähdä hallittua "unta" - miksi ei vain kuvitella? Jos "hourailet" saman, tunnet sen varmaan voimakkaammin. Mutta toisaalta et ole siitä niin tietoinen kuin hereillä ollessa, vai mitä? Niin siis, siinä nimenomaan on täysin tietoinen että...
Lue kommentti