Kuva: Malene Thyssen / Wikimedia Commons
Kuva: Malene Thyssen / Wikimedia Commons

Jopa me ihmiset. Aivojen toiminta, sydämensyke ja puhe ovat aaltojen liikettä siinä missä meren mainingit tai auringonvalo.

Vielä noin sata vuotta sitten aalloista tiedettiin perin vähän, eikä niillä ollut suurta merkitystä. Meren aaltoja vastaan kasattiin kivistä aallonmurtajia, ja ääniaaltoja vahvistettiin megafoneilla. Sitten radioaallot alkoivat tuottaa käytännön sovelluksia. Suomessakin pystytettiin ensimmäinen radioasema vuonna 1917, ja vuosikymmen myöhemmin radio-ohjelmia saattoi kuunnella lähes koko maassa.

Sähkömagneettinen säteily, jonka pisintä aallonpituutta radioaallot edustavat, kiehtoi tutkijoita tuolloin yli kaiken – ja tutkimus tuotti myös yllätyksiä. Ranskalainen Louis de Broglie osoitti vuonna 1924, että kaikki aineen ja luonnon perusvoimien alkeishiukkaset ovat sekä hiukkasia että aaltoja.

Huomio oli varmasti viime vuosisadan tärkeimpiä. Se on yksi niitä kulmakiviä, joille nykyinen kvanttimekaaninen fysiikka rakentuu. Samalla se on tärkeä osa sitä ymmärrystä, jonka varassa teknologiamme toimii. Ilman tietoa sähkövarauksisten elektronien aaltomaisuudesta meillä ei olisi tietokoneita, kännyköitä eikä muitakaan laitteita, joihin tarvitsemme miljardikaupalla mikropiirejä joka vuosi.

Nykyinen tekninen mullistus saattaa kuitenkin olla vasta alkua. Aalto-ominaisuutta hyödyntämällä on jo voitu yhdistää yksittäisiä atomeja samalla tavalla kuin muurari liittää tiiliä. Kun tämä taito kehittyy, aukeaa mahdollisuus tuottaa yhä pienempiä komponentteja ja tehokkaampia tietokoneita ja kehittää mielikuvituksellisia nanoteknisiä laitteita ja materiaaleja, joille ei vielä ole edes nimeä.

Meren aalloista sähköä

Valtaosa maailman aalloista on joko kokonsa tai aallonpituutensa vuoksi meidän aistiemme ulottumattomissa, mutta on ympärillämme paljon tuntuviakin aaltoja. Tutuimpia ovat veden pinta-aallot, ääniaallot ja valo- ja lämpöaallot – tai toisin sanoen laineen liplatus, linnunlaulu ja päivänpaiste.

Veden aallot näyttävät marssivan rivistöinä eteenpäin, mutta oikeasti suurin osa aaltoliikkeestä tapahtuu paikallaan. Aalto on kuin pyörä, joka kieppuu akselissaan ja siirtää energiaa toisiin samanlaisiin pyöriin edessään. Tämä voi toistua lukemattomia kertoja; tutkijat ovat seuranneet yksittäisiä aaltoja tuhansia kilometrejä.

Aaltojen energia on houkutteleva voimanlähde sähköntuotannossa. Hyviä puolia onkin runsaasti: aalloista saa puhdasta, uusiutuvaa energiaa, eikä tuotanto heittelehdi yhtä paljon kuin aurinko- tai tuulisähkössä. Teknisiä ongelmia on kuitenkin paljon. Kukaan ei vieläkään tiedä edes sitä, mikä olisi paras tapa kerätä aaltovoima talteen. Niinpä meriin on raahattu jos jonkinnäköistä pumppua, purjetta ja vispilää.

Aaltovoimalan on kestettävä vääntöä ja ryskytystä, jopa myrskyjä, jotka hakkaavat sitä pikajunan voimalla. Joustava on tässäkin jääräpäätä viisaampi. Viime vuosina onkin alettu kehitellä laitteistoja, jotka mukailevat aaltojen liikettä.

Maailman ensimmäisessä kaupallisessa aaltovoimalassa Portugalin Aguçadourassa koko voimala liikkuu aaltojen mukana. Rakennelma muodostuu toisiinsa liitetyistä, aalloilla ylös ja alas kelluvista terässylintereistä, joiden nivelkohdissa on sähkögeneraattori. Portugalin Penichestä taas löytyy suomalaisvoimala, joka kerää energiaa pohjaan saranoiduilla levyillä.

Äänestä tuskaa ja iloa

Aistein havaittavista aalloista yleisimpiin kuuluvat ilmaa väliaineena käyttävät ääniaallot. Niiden loputtomasta valikoimasta kuulemme onneksi vain pienen osan. Hermostomme tuskin kestäisi, jos erottaisimme jokaisen hyönteisen tai seinänaapurin hengenvedon.

Ihminen on kuitenkin poikkeuksellisen taitava tajuamaan äänen suunnan sen perusteella, kuinka kauan ensimmäisestä kuulohavainnosta ehtii kulua, ennen kuin ääni saapuu toiseen korvaan. Tiettävästi vain eräs Ormia-suvun kärpänen erottaa kahden ääniaallon välisen aikaeron ihmistä tarkemmin.

Kymmeniintuhansiin vuosiin ihmissuvun ei tarvinnut kantaa huolta ympäristön äänistä, kunhan muisti hakeutua poispäin petoeläinten murinasta. Nykyisin ympäristön ääniaallot ovat huomattava ongelma. Ympäristömelun – käytännössä ennen kaikkea liikenteen melun – on osoitettu kytkeytyvän muun muassa sydän- ja verisuonitauteihin. Suomessakin vuosittain jopa 500 sydänkuolemaa voi aiheutua stressistä, jonka melualtistus synnyttää.

Myös kuuloalueen ulkopuolella olevat äänet voivat olla vaaraksi. Esimerkiksi auton tai moottoripyörän rungosta lähtee suuressa nopeudessa infraääniä, jotka voivat aiheuttaa päänsärkyä ja pahoinvointia, ja jos matkantekoa vain jääräpäisesti jatkaa, saattaa jopa menettää tajuntansa.

Ääniaallot eivät kuitenkaan ole hermostolle yksinomaan pahaksi. Puheääni, joka on fysikaalisesti vain aaltopaineen vaihtelua ilmassa, voi rauhoittaa, innostaa tai kiihdyttää seksuaalisesti.

Samankaltaisia tuntemuksia saa aikaan musiikki. Selitys voi piillä siinä, että ihminen on evoluutionsa aikana herkistynyt kokemaan jotkin aallonpituudet vaaran merkeiksi, toiset turvallisiksi. Tilastolliset tutkimukset tukevat ajatusta ainakin sikäli, että kaikissa kulttuureissa samankaltaiset äänen taajuuden vaihtelut koetaan miellyttäviksi.

Sykkii jopa sydämessä

Ihmisen mittakaavassa on myös vähemmän ilmiselviä mutta yhtä kaikki tärkeitä aaltoja. Aivot tuottavat vireystilansa mukaisesti erilaisia aaltoja, ja jokainen sydämenlyönti on sekin aaltoliike; aalto lähtee sydämen oikean eteisen sinussolmukkeesta ja kiertää koko sydämen. Näin veri ei koskaan pääse virtaamaan väärään suuntaan. Sydämenlyönti ei ehkä vaikuta aaltoilulta, mutta rytmin sekoamista ei voi olla havaitsematta. Tahdistimet ja defibrillaattorit pelastavat henkiä palauttamalla aaltoliikkeen säännöllisyyden.

Aaltotutkimus on myös valaissut ihmisjoukkojen käyttäytymistä. Samat yhtälöt, jotka kuvaavat veden aaltoilua tönäistyssä astiassa, sopivat kuvaamaan jalankulkijoiden tai autoilijoiden liikehdintää jonossa. Japanilainen fyysikko Yuki Sugiyama on osoittanut, että jos autoja on kilometrillä kaksikymmentäviisi tai enemmän, ajonopeuden pienetkin vaihtelut synnyttävät kulkusuuntaan nähden vastakkaisen aallon.

Aalto lähtee liikkeelle, kun ensimmäiset autot hidastavat vauhtiaan ja pakkautuvat lähekkäin. Kun ne sitten lisäävät nopeuttaan, takana tulevat autot ovat jo ehtineet jarruttaa, ja aalto etenee pitkin jonoa. Aallon syntyminen ei riipu autojen nopeudesta – se ilmenee yhtä helposti 30:n kuin 120 kilometrin tuntinopeudessa – koska sen syy on ihmisen hermoston toiminnassa. Oli ajoneuvon vauhti mikä tahansa, kuljettaja reagoi samalla nopeudella, eli hidastamistarpeen tai kiihdytysmahdollisuuden havaitsemisesta toimintaan kuluu aina sama pieni viive.

Avaruuteen mahtuu isoja

Meren ja ilman aallot voivat olla ihmisille tuhoisan suuria, mutta koko kaikkeuden mitassa ne ovat olemattoman pieniä. Jopa maapalloa puristelevat seismiset järistysaallot ovat pientä värinää, kun siirrytään avaruuteen.

Oma tähtemme Aurinko levittää ympärilleen valtavan sähkömagneettisten aaltojen kentän. Kauempana avaruudessa, vaikkapa mustien aukkojen läheisyydessä, on vielä paljon voimakkaampia hiukkasaaltoja.

Albert Einsteinin suhteellisuusteorian mukaan kosmoksessa pitäisi olla myös valtavia painovoima-aaltoja. Aurinkokunnan poikki kulkiessaan sellainen heilauttaisi kaikkia taivaankappaleita hetkeksi lähemmäksi toisiaan. Me emme heilahdusta huomaisi, sillä liike olisi niin pieni, ettei hienoinkaan kristalli helähtäisi. Tieteelle merkitys olisi kuitenkin suuri. Kosmologit vertaavat aaltojen havaitsemista siihen, että kuuro saisi kuulon, sillä painovoima-aaltoja lähettävät nekin avaruuden kappaleet, joita ei voi nähdä sähkömagneettisen säteilyn perusteella.

Universumia valon nopeudella ravistelevat painovoima-aallot eivät nekään ole suurimpia mahdollisia. Suurin aalto on maailmankaikkeus itse.

Nykyistä kvanttifysiikkaa seuraavan kvanttikosmologian mukaan universumi syntyi pienempänä kuin yksikään alkeishiukkanen. Tämän takia sen on täytynyt olla hiukkasille ominaisessa kvanttitilassa, eli sillä on ollut rajaton määrä aaltotiloja.

Kvanttitilan tiedetään romahtavan yhteen tilaan, kun hiukkanen joutuu vuorovaikutukseen ulkopuolisten voimien, vaikkapa sähkömagneettisen aallon, kanssa. Universumi ei kuitenkaan ole vuorovaikutuksessa minkään kanssa, joten kvanttitilan pitäisi olla tallella ja maailmankaikkeuksia lukemattomia, vaikka me emme niitä näekään. Jos taas oma kaikkeutemme on ainoa olemassa oleva kaikkeus, jonkin vielä tuntemattoman tekijän on täytynyt romahduttaa universumin aalto.

Aaltoilu jatkuu aina

Kaikki ei ainoastaan aaltoile vaan kaikki aaltoilee loputtomasti. Jokainen aalto matkaa lopulta avaruuden äärettömyyteen.

Yksikään hermoimpulssi, kynttilänliekki, maininki, maanjäristys tai mikään muukaan liike ei rajoitu planeetallemme. Kaikki aallot siirtyvät universumin suureen varastoon lämpönä eli sähkömagneettisena aaltona. Siellä ne lisäävät epäjärjestyksen eli entropian määrää, kunnes se kasvaa niin suureksi, että maailmankaikkeutemme jähmettyy kylmäksi ja kuolleeksi autiomaaksi.

Sittenkin jotain aalloista säilyy. Fysiikkaan lähtemättömästi liittyvä epätarkkuusperiaate määrää, että hiukkasen eri ominaisuuksia ei voi tuntea yhtä aikaa täsmällisen tarkasti. Niinpä kun entropian jähmettämä hiukkanen olisi vaipumassa täydelliseen lepoon, jossa kaikki mittarit näyttäisivät pyöreää nollaa, tulisi aalto kuin tyhjästä ja aloittaisi väreilyn.

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

Julkaistu Tiede-lehdessä 11/2012

Tutkimuksen aallonharjalla

Kvanttia tietokoneeseen

Kvanttimekaanisen aalto-ominaisuuden rajoja etsitään monissa laboratorioissa. Fyysikot haluavat tietää, millaisissa oloissa ja miten suurina rypäinä hiukkaset säilyttävät kvanttiominaisuutensa, kykynsä olla monessa tilassa yhtä aikaa ja jakaa ominaisuuksia keskenään. Toistaiseksi tiedetään, että sadan atomin järjestelmässä ominaisuus pysyy, mutta toisaalta on tiedossa, että gramman miljoonasosaakin pienempi kappale menettää aaltoluonteensa sekunnin triljoonasosan triljoonasosassa, jos se joutuu vuorovaikutukseen ympäristönsä kanssa. Aaltoilun säilyminen äärimmäisen eristyksen ulkopuolella kiinnostaa, koska silloin opittaisiin tekemään kvanttitietokoneita, joiden rinnalla nopeimmat nykykoneet ovat kuin laskutikkuja. Tavoitteen merkittävyyttä kuvastaa se, että Nobelin fysiikan palkinnon saavat tänä vuonna fyysikot, jotka ovat kehittäneet menetelmiä kvanttihiukkasten mittaamiseen ja manipulointiin.

Solitoni siirtää dataa

Toinen tutkijoita kiinnostava aalto on solitoni, itseään vahvistava yksittäinen aalto, joka säilyttää muotonsa liikkuessaan muuttumattomalla nopeudella. Solitonin havaitsi ensimmäisenä skotlantilainen laivanrakennusinsinööri 1830-luvun puolimaissa tarkkaillessaan kanavaan virranneessa vuorovedessä etenevää kohoumaa. Löydön arvo oivallettiin vasta 1960-luvulla, kun solitonit putkahtivat esiin valosta. Kun ne yhdistettiin laseriin ja valokaapeliin, syntyi keino lähettää valtavia tietomääriä pitkien matkojen päähän. Tulevaisuudessa tietoliikenneyhteyksien odotetaan entisestään nopeutuvan, sillä solitonien määrää valokuidussa voi huoletta lisätä. Toisin kuin tavalliset aallot solitonit eivät näet törmätessäänkään sotkeudu toisiinsa vaan jatkavat matkaansa muuttumattomina. Solitonit kiinnostavat myös biologeja, fyysikoita ja astronomeja. Biologiassa erikoiset aallot saattavat selittää solujen energiataloutta, fysiikassa plasman liikkeitä ja tähtietieteessä tähtien käyttäytymistä.

Iskusta vauhtia ja voimaa

Iskuaalto on aalloista tuhoisin, koska siinä siirtyy paljon energiaa nopeasti. Monet tutkijat etsivätkin keinoja torjua tsunamien kaltaisten iskuaaltojen tuhovoimaa, mutta toiset miettivät, miten voiman saisi hyötykäyttöön. Iskuaaltojen valjastaminen saattaa jopa tehdä ydinfuusiosta vihdoin käyttökelpoisen energianlähteen. Kanadaan suunniteltu koereaktori synnyttäisi fuusiossa vaadittavan kuumuuden metalliseokseen iskevällä ärhäkkäällä ääniaallolla. Iskuaallot voivat olla myös tulevaisuuden matkustustapa. Iskuaaltomoottorit ovat itse asiassa vanha keksintö, mutta meluisina niitä ei ole voitu käyttää liikenne-lentokoneissa. Jos meluongelmat ratkeavat, tulevaisuuden lentokoneet voivat olla hiljaisia ja nopeita ja silti vähäruokaisia.

Laulettu sana kuului puhuttua paremmin ja pidemmälle.

Koulujen lukukausi lähestyy loppuaan. Pian tulevat ne ajat, jolloin taas kerran pähkäillään, sopiiko päättäjäisissä laulaa suvivirttä vai ei.

Aiempien vuosien kädenvääntö on osoittanut, että virttä voivat iloisin mielin ja henkisesti häiriintymättä laulaa muutkin kuin luterilaista uskoa tunnustavat. Yhdessä laulaminen vahvistaa yhteistä tunnekokemusta enemmän kuin juhlapuheen kuuntelu.

Suomen evankelisluterilaisessa kirkossa virrellä tarkoitetaan yleensä kirkolliskokouksen hyväksymää hengellistä yhteislaulua, mutta tämä ei ole virsi-sanan vanhin eikä ainoa merkitys.

Virsi on alkanut vakiintua tietynlaisen kirkkolaulun nimitykseksi vasta luterilaisen reformaation myötä.

Reformaation ohjelmaan kuului seurakunnan ottaminen mukaan jumalanpalveluksiin aktiivisesti virsiä laulamalla. Sitä ennen laulusta olivat huolehtineet papit ja heidän koulutetut avustajansa. Muutoksesta seurasi epäilemättä kirkkomusiikin tason dramaattinen lasku, ainakin väliaikaisesti.

Virsi-sana on esihistoriallisella ajalla saatu balttilainen laina, joka alun perin lienee tarkoittanut sanaa tai puhetta. Suomalaisessa kansankulttuurissa virsi on ollut pitkän kertovan runon nimitys. Kalevalan henkilögalleriaan kuuluu virsikäs eli runsaasti runoja taitava Vipunen, ja hänen muistissaan olevaa runovarastoa nimitetään sanaiseksi arkuksi tai virsilippaaksi.

Pitkiä runomuotoisia kertomuksia on tyypillisesti esitetty laulamalla. Laulettu sana kuuluu paremmin ja kauemmas kuin puhuttu. Sävelmä ja kalevalainen runomitta antavat sisällölle muodon, joka on helpompi muistaa ja toistaa kuin vapaa puhe.

Suvivirrelle antaa erityistä viehätystä sanan alkuosa suvi. Se on ikivanha kesää merkitsevä perintösana, jota on käytetty länsimurteissa, mutta nykyään se tuntuu runolliselta ja ylätyyliseltä, kun se on yleiskielessä jo aikoja sitten korvattu itämurteista poimitulla kesä-sanalla. Virressä vaikutelmaa tehostaa vielä alkusointuinen sanayhdistelmä suvi suloinen.

Muissakin tapauksissa suvi on tehokas tunnelman luoja. Suvisunnuntai on autuaan rauhallinen ja kaunis. Suvituuli on lempeä ja lauha, suvipäivä lämmin ja suviyö romanttinen. Kesän alkaessa suunnitellaan proosallisesti aikatauluja ja lasketaan rahoja, mutta suven kynnyksellä haaveillaan tulevan suven parhaista hetkistä.

Kaisa Häkkinen on suomen kielen emeritaprofessori Turun yliopistossa.

Julkaistu Tiede-lehdessä 6/2018

Tutustu sisältöön ja lue uusi lehti digilehdet.fi:ssä.

Tieteessä 6/2018 

PÄÄKIRJOITUS

Eläköön uteliaisuus

Leikkisä mieli ja villit ideat potkivat maailmaa eteenpäin.

 

PÄÄUUTISET

Ystävyys syntyy 200 tunnissa

Läheinen suhde rakentuu yhteisissä riennoissa omalla ajalla.

Lintu suuntii kompassisilmin

Se näkee magneettikentän valoherkän proteiinin ansioista.

Ydin poikii mustia aukkoja

Linnunradan jättimäiselle Sagittarius A:lle löytyi 12 kaveria.

Atlantin merivirta jarruttaa

Hidastuminen varmistui sekä pinnalta että pohjalta.

 

ARTIKKELIT

Seitsemän mahdollista maailmanloppua

Kauhuskenaarioita riittää, mitä sanovat tutkijat.
Uhkaako jokin Maata meidän elinaikanamme?

Keskity! Siihen voi oppia

Ärsyketulva ei pääse häiritsemään tekemisiä,
kun käyttää aivojen toiminnanohjausjärjestelmää.

Kaikkien aikojen kalajuttu

Lohenpoikasten ei tarvitse kasvaa kassissa.

Opioidikriisi alkoi
joka kodin lääkkeestä

1800-luvulla oopiumia käyttivät kaikki.
Se oli halpaa ja hoiti vaivan kuin vaivan.

Antiaine kätkee mysteerin

Kyse on koko universumin olemassaolosta.

Otto Wille Kuusinen
käänsi takkia tarvittaessa

Punaisten ideologi teki itänaapurissa komean uran
pitämällä omana tietonaan, mitä mieltä asioista oli.

 

TIEDE VASTAA

Osaako norsu hypätä?

Missä digitaalinen tieto säilyy pisimpään?

Mihin avaruus laajenee?

Kuka syö Itämeren kalat?

Mikä on Tiede-lehden hiilijalanjälki?

Mistä johtuu raskauspahoinvointi?

 

KIRJAT

Remonttireiskana avaruudessa

Scott Kelly vietti vuoden Kansainvälisellä avaruusasemalla.

 

KUVA-ARVOITUS

Siinähän on ihan selvästi...

Klassikkopalsta kutsuu lukijoita tulkitsemaan kuvia
ehden Facebook-sivustolle.

 

OMAT SANAT

Virsi kantoi kauas

Laulettu sana kuului puhuttua paremmin ja pidemmälle.

 

Jos olet Sanoman jonkin aikakauslehden tilaaja, voit lukea uusimman numeron jutut Sanoman Digilehdet-palvelussa.

Ellet vielä ole ottanut tilaukseesi kuuluvaa digiominaisuutta käyttöön, tee se osoitteessa https://oma.sanoma.fi/aktivoi/digilehdet. Aktivoinnin jälkeen pääset kirjautumaan suoraan digilehdet.fi-palveluun.