Thursday, 29 April 2010

Suuren poikkitiedejuhlan tuntua

Koejärjestely on seuraavanlainen
Ensimmäisessä laatikossa on heliumpallo ilmassa. Sen pitäisi tyhjentyä aika nopeasti, koska molemmat tekijät, paine ja diffuusio vaikuttavat samaan suuntaan eli pyrkivät poistamaan heliumia pallosta.
Toisessa laatikossa on ilmapallo heliumissa. Nyt ilmiöt vaikuttavat eri suuntiin. Jos diffuusio on vaikuttava ilmiö tai ainakin vaikuttavampi kuin pallon sisäinen paine, niin pallo alkaa kasvaa. Helium virtaa laatikosta palloon, kun heliumpitoisuudet pyrkivät tasoittumaan.
Kolmannessa laatikossa on heliumpallo heliumissa. Jos tyhjeneminen johtuu pallon sisällä olevasta paineesta, niin pallo tyhjenee. Ei kuitenkaan niin nopeasti kuin ensimmäisessä laatikossa, koska heliumia virtaa koko ajan myös laatikosta palloon.
Neljännessä laatikossa on ilmapallo ilmassa. Jos pallon tyhjeneminen johtuu paineesta, niin tämäkin pallo tyhjenee, mutta hitaammin kuin kolmannessa laatikossa. Isommat molekyylit läpäisevät hitaammin pallon kuoren.
Jotenkin näin ennakoin kokeessa käyvän. Ainakin kolmen päivän jälkeen tulos on olettamuksien mukainen.
Pysykää kuitenkin palstalla. Koe ei ole vielä ohitse. Outoja asioita voi tapahtua, kun luonto vastaa sille heitettyyn kysymykseen.


Tilanne 27.4. kokeen alkaessa.
Pallot ovat tavallisissa Etolan säilytyslaatikoissa. Helium ei pääse karkaamaan, koska laatikot ovat ylösalaisin ja seinämä on niin paksu, että heliumkaan ei sitä läpäise. Pallot on puhallettu niin saman kokoisiksi kuin se silmämääräisesti onnistui. Tässä kokeessa tavoitellaan vain kvalitatiivisia tuloksia, joten pienet heitot pallojen koossa ovat epäolennaisia.
Ilman ympäröimä heliumpallo on ylhäällä, muut luonnollisesti alhaalla.



Tilanne 28.4.
Molempien heliumpallojen koko on pienentynyt ja suunnilleen yhtä paljon. Ei kuitenkaan vielä niin paljon, että ilmassa oleva heliumpallo laatikossa 1. olisi kokonaan pudonnut alas. Laatikossa 4 ilmassa oleva ilmapallo on myös pienentynyt, mutta aika vähän. Sen sijaan laatikossa 2 heliumissa oleva ilmalla täytetty pallo on suurentunut. Heliumia siis virtaa tähän pallon "painetta vastaan". Koe alkoi lupaavasti ennusteen mukaisesti.



Tilanne 29.4.
Heliumpallot jatkavat kutistumistaan. Vieläpä suunnilleen tasatahtiin. Sillä, onko heliumpallo ilmassa vai heliumissa, ei näytä ainakaan tässä vaiheessa olevan juuri merkitystä.
Ilmapallo ilmassa on edelleen kutistunut, mutta vain hieman. Samoin ilmapallo heliumissa jatkaa hidasta kasvuaan.



Tilanne Vappuaattona 30.4.
Astrologit tekevät ennustuksia, tieteessä - jopa poikkitieteessä - tehdään ennusteita hypoteesin pohjalta. Tässä tapauksessa ennuste on ollut se, että muut pallot jatkavat kutistumistaaan, mutta ilmapallo heliumissa paisumistaan. Muutoset tässä vaiheessa ovat jo aika aika pieniä.
Jos ennusteet pitävät kutinsa, niin se on vahva askel hypoteesin kääntymisestä teoriaksi. Jos ei, niin hypoteesia pitää tarkistaa. Näin tiede toimii. Sen metodi ei ole saatujen onnistuneiden tulosten valitseminen ja epäonnistuneiden hylkääminen eikä varsinkaan asioiden selittäminen parhain päin jälkikäteen.



Tilanne Vappupäivänä 1.5.
Poikkitieteellinen kokeeni oli näköjään siirretty Heurekan aulassa poikki lattian hieman näkyvämpään paikkaan. Ihmisiä näkyi käyvän tasaiseen tahtiin ihmettelemässä palloja. Ei se nyt ihan Heurekan Vapun ykköskohde ole, mutta selvästi aika useita kiinnostava.
Yllätykseni molemmat heliumpallot tuntuvat tyhjenevän suunnilleen samaan tahtiin. Olin olettanut heliumissa olevan heliumpallon tyhjenevän hitaammin kuin ilmassa olevan heliumpallon. Hypoteesia täytynee hienosäätää.
Suoraan edestä ei saa hyvää kuvaa, koska kuvaajan takana oleva vaalea tausta heijastuu laatikoista. Pakko käyttää vähän vinoa kuvakulmaa ja salamaa. tämän päivän kuva ei ole aivan vertailukelpoinen aikasempiin, mutta kutistuvat pallot olivat edelleen jatkaneet kutistumistaan ja paisuva pallo paisumistaan. Ero eiliseen oli kuitenkin silmämäärin mitaten hvyin pieni, paisumisen suhteen ehkä olematon.



Koe kiinnostaa Vappuna myös pienempää väkeä. Varsinkin, jos isän ja äidin vappuaaton saituus on näkynyt vappuaamuna lattialla.



Tilanne 2.5.
Heliumpallo ilmassa tuntuu jämähtäneen kokoonsa. Se ei sovi hypoteesiin. Onko hypoteesi vai koejärjestely väärä? Tätä pohdin tänään Heurekan aulavahtimestari Janne Äyräväisen kanssa.
Janne aprikoi, mahtaisiko ilmassa oleva heliumpallo olla hieman "huonossa hapessa".
Heureka! Näinhän sen täytyy olla. Kun heliumpallosta on virrannut heliumia ulos, niin ympäröivästä kaasusta on tullut niin heliumpitoista, että diffuusio pallosta pois ja palloon takaisin on suunnilleen yhtä voimakasta. Siksi pallon koko enää juuri juuri pienene. Sokea piste kokeen tekijän silmässä. Tarvittiin ulkopuolinen taho katsomaan asiaa ulkoapäin tuoreesta näkökulmasta. Ei niinkään harvinainen ilmiö tiedemaailmassa. Kenelle kuuluu kunnia, siitä sitten riidellään viimeistään Nobelia odoteltaessa.



Janne Äyräväinen vaihtaa "tuoreet ilmat" koelaatikkoon. Kevyt helium häipyy hetkessä taivaan tuuliin, kun alunperin ylösalaisin olevan laatikon kansi aukaistaan ja laatikko käännetään oikein päin.
Lisäsimme myös heliumia täynnä oleviin laatikoihin varmuuden vuoksi uutta heliumia, jos sitä olisi syystä tai toisesta päässyt karkuun. Laatikko sinänsä on niin paksua muovia, että sen ei pitäisi vuotaa edes heliumia. Ilmapallon ilmassa oletimme olevan kunnossa. Emme ainakaan keksineet, mitä oleellista sille voisi tehdä.
Tuskin maltan odottaa, että pääsen huomenna katsomaan, onko minuille niin rakkaiden pallojeni kehitys ollut hypoteesini mukaista.




Tilanne 5.5.
Pari päivää välillä poissa. Tilanne kehittyy suunnilleen hypoteesin mukaisesti. Heliumpallo ilmassa on odotuksen mukaan pienin. Heliumatomit läpäisevät kumin niin paljon helpommin kuin ilmamolekyylit, että kaasuhiukkasten liike on pääasiassa pallosta poispäin. On syytä huomata, että heliumpallossa on myös ilmamolekyylejä, koska ei olemassa sitä kuuluisaa Maxwellin demonia, joka päästäisi vain tietyt hiukkaset atomien kokoisista aukoista lävitse.


Heliumpallo jatkaa kuitenkin tyhjentymistään tästä eteenpäinkin, vaikka paine pallon sisällä on suunnilleen sama kuin ulkona. Syykin tuli jo kerrottua edellä. Heliumatomit osuvat todennäköisimmin kuin ilmamolekyylit sopivan kokoiseen atomaariseen reikään kimpoillessaan kumiseinämään.
Ilmapallo heliumissa on pullistunut samasta syystä.
Mielenkiintoisia ovat tilanteet heliumpallo heliumissa ja ilmapallo ilmassa. Heliumpallo heliumissa tyhjeni alussa nopeammin, mutta nyt molemmat pallot ovat yhtä suuria. Se johtuu siitä, että ne ovat dynaamisessa tasapainotilassa. Molekyylejä tulee ja menee kumin lävitse yhtä paljon. Helium-pallossa tätä tapahtuu useammin puolin ja toisin kuin ilmapallossa, mutta makromittakaavassa ei voi havaita mitään eroa.
Nyt lähden muutamaksi päiväksi Krakovaan. Palataan loppulausuntoon ensi viikon alussa.




Tilanne 10.5.
Matkan aikana ei tapahtunut merkittäviä muutoksia pallojen koossa. Heliumpallo ilmassa on vielä hieman pienentynyt, mutta tästä eteenpäin kurttuun meno kestää. Kokeen voidaan katsoa menneen suunnilleen hypoteesin mukaisesti. Tieteellinen prosessikin tuli läpikäytyä myös koejärjestelyjen puutteiden osaltakin. Tutkimus on prosessi, jossa mennään eteen- ja taaksepäin ja välillä pysähdytään kokonaan. Tieteen kuvaaminen yksikön ja historian tasolla sarjaksi jatkuvia voittoja ja eteenpäin menoa on totaalinen näköharha.

Pienenä loppukevennyksenä tarina viimeisestä kokeen valokuvasta. Minulla oli jäänyt kamera kotiin, joten otin tämän viimeisen kuvan kännykällä. Nettikäyttöön sillä saa ihan riittävän hyviä kuvia, varsinkin jos tarkoituksena on vain dokumentoida tilanne.
Kotona en löytänyt mistään kännykän tietokoneesen yhdistävää miniUSB-kaapelia. Ankarasti pulmallista tilannetta pohdittuani lähetin kännykästä sähköviestin kuva liitteenä itselleni. Vaikka ongelma poistuikin, niin jotenkin kepulikonstilta ratkaisu tuntui.
Jotenkin tuli mieleen valokuvauksen pioneerien tekniset ongelmat. Esimerkiksi ihan valokuvaksen alkuainoina 1800-luvun lopussa ns. märkälevyjen aikaan kaukaisille seuduille suuntautuvilla valokuvamatkoilla piti olla mukana kanoja. Syy ole se, että kananmunan valkuaista käytettiin lasilevyn päällä emulsiona, johon valolle herkkä hopeasuola sekoitettiin. Vain tuoreiden munien valkuainen kelpasi, joten pelkkä muninen mukaanotto ei siis riittänyt. Piti ottaa munimiskoneetkin mukaan.



17.5. The ballons have left the building.
Heliumpallo ilmassa oli vielä hieman kurtistunut, mutta muuten tilanne oli odotusten mukaan säilynyt ennallaan. Kohti uusia poikkitieteellisiä haasteita.

Friday, 23 April 2010

Poikkitiedettä vappupallolla

Kuva: Kati Tyystjärvi

Tuttu ilmiö varsinkin vapun aikaan. Aattona ostettu täyteen puhallettu heliumpallo on vappuaamuna enää vain pieni ja kurttuinen kuin, kuin,… eipä nyt tule mitään osuvaa vertausta mieleen. Sen sijaan ilmalla täytetty pallo pitää pulleutensa monta päivää. Mistä eroavuus?
Lähteistä löytyvät selitykset vaihtelevat. Heliumkaasun atomit ovat paljon pienempiä kuin ilman happi- ja typpimolekyylit. Siksi heliumatomit läpäisevät ohuen ilmapallon kuoren helpommin kuin ilmamolekyylit.
Tuntuu järkeenkäyvältä. Ero selityksissä onkin siinä, mikä on se tekijä, joka työntää heliumin pallon kuoren lävitse. Onko pallossa oleva ilmanpainetta suurempi paine vai diffuusioilmiö, jonka johdosta ns. puoliläpäisevän kalvon eri puolilla olevat erilaiset pitoisuuserot pyrkivät tasapainottumaan? Siis sama ilmiö joka saa kurttuisen rusinan pullistumaan vedessä ja sienen kutistumaan suolaliemessä. Vai ehkä molemmat.
Tehdään koe, jossa asiaa kysytään luonnolta. Jos kysymys on oikein asetettu eli koejärjestely on pätevä, niin luonto vastaa. Näin kokeellinen tiede toimii. Myös poikkitieteellinen
Tämän vapun merkittävin poikkitieteellinen koe alkaa tiedekeskus Heurekassa tiistaina 27.4 ja jatkuu niin pitkään, kunnes kokeen tieteelliset tulokset ovat selvillä. Koetta voi seurata tämän blogin välityksellä, mutta parhaaseen, ainakin autenttisimpaan vappupallokoetunnelmaan pääsee vain paikan päällä. Ilmassa on suuren poikkitiedekoejuhlan tuntua.

ps. Ainoa aito asia kuvassa on kurttuinen 3 viikkoa vanha heliumpallo. Tämän pienemmäksi se ei enää tule. Ylioppilaslakki on netistä napattu ja photoshopattu harvoille kutreille (Oman lakkini hukkasin jo yli 40 vuotta sitten lakkiaisjuhlien jälkeisinä aamun tunteina jonnekin Orimattilan torille, jonne olin jotenkin eksynyt kotipaikkani Oriveden sijasta. Ei ollut GPS-laitteita silloin.) Dagen efter -ilmekään ei ole aito, vaan pelkkää huonoa näyttelemistä. Tuskin enää muistan, millaiselta vappuaamun naamarin pitäisi näyttää. Omat vaput kun ovat viime aikoina menneet vaarin vastuullisia hommia hoidellessa, seuraavan sukupolven pitäessä huolen juhlimisesta.

pps. Vappuun sopivat vanhat, kuluneet ja ajankohtaan sopimattomat vitsit. Millä nimellä tunnetaan paremmin marraskuun 7. päivä?
No, sehän on tietysti svenska dagen efter.

Tuesday, 20 April 2010

Dualistinen Kari Enqvist


















Heurekassa havaittiin perjantaina 16.4.2010 klo 11.15 merkillinen fysikaalinen ilmiö. Professori Kari Enqvist esiintyi Heurekan uudessa Tiede muuttaa maailmaan –näyttelyssä samanaikaisesti sekä lihaa ja verta olevana ihmisenä että puupatsaana.
Kumpi Kari Enqvistin ilmenemismuoto kuvastaa paremmin Kari Enqvistin todellisuutta? Puu-Kari vai Elävä-Kari. Elävä-Kari väitti, että tanssilattialla hän on notkeampi kuin Puu-Kari. Hypoteesi jäi kuitenkin todistamatta, kun kummankaan tanssitaidosta ei saatu kokeellista näyttöä. Voihan nimittäin olla, että Puu-Kari on hyvinkin läheistä sukua puunukke Pinocchiolle.

Kareista otettuja valokuvia lähemmin tarkasteltaessa merkilliset ilmiöt jatkuivat. Kahdesta peräkkäisestä ruudusta toinen oli terävä ja toinen epäterävä. Terävässä kuvassa Elävä-Karin silmät olivat kiinni ja epäterävässä auki. Puu-Karilla olivat silmät auki molemmissa kuvissa. Havaittu ilmiö johti uuteen hypoteesiin, jolla täytyy olla jokin syvällinen yhteys Heisenbergin epätarkkuusperiaatteeseen. Elävä-Kari ei voi olla valokuvassa yhtä aikaa tarkka ja silmät auki. Silmät auki olevan Elävä-Karin epätarkkuus indusoituu myös muihin kuvassa näkyviin kohteisiin.



































Merkillisyydet eivät päättyneet tähän. Elävä-Karin niskasta kasvoi esiin toinen pää. Samanlainen kuin John Lennonin kirjassa Hispanialainen Jakovainaa esiintyvä Hörpeli. Oliko tämä pää merkki siitä, että Kari Enqvist ei olisikaan jakamaton alkeis-Kari, vaan koostuisi vielä pienemmistä osista? Millaisia ominaisuuksia näillä Kari-kvarkeilla on? Ovatko ne samanlaisia kuin alkeishiukkasten kvarkkien lumot ja outoudet? Sielläkö piilee selitys Karien tanssitaidon erilaisuuteen? Olisiko jollain Kari-kvarkilla kaksi mahdollista tilaa: ”kanki” ja ”öljylanne”?


















Valokuvaaja on vääristänyt todellisuutta ottamalla avoimena olevat silmät toisesta kuvasta ja poistanut Hörpeli-kvarkin Karin niskasta. Tieteellisenä dokumenttina tämä kuva on arvoton.


Muutaman vuoden päästä koittavilla eläkepäivilläni aion keskittyä tämän mielenkiintoisen tieteellisen ongelman ratkaisemiseen. Tässä vaiheessa on vielä ennen aikaista arvioida, odottaako minua sen johdosta Skepsiksen Sokrates- vai Huuhaa-palkinto?
Palkinnosta päättämiseen liittyy tosin pieni jääviysongelma. Tutkimuksen kohde kun on Skepsiksin entinen puheenjohtaja ja nykyinen tieteellisen neuvottelukunnan jäsen. Onneksi se olisi Skepsiksen eikä minun päänsärkyni.

Thursday, 8 April 2010

Aurinkokuninkaan jäätelökone
























Jo oppikoulussa minussa ilmeni piirre, joka ei ole hellittänyt vuosien varrella eikä tuonut minulle ystäviä, menestystä eikä vaikutusvaltaa. Se on sietämätön näsäviisaus ja besserwisseriys.
60-luvun pedagogiksi kohtuullisen avarakatseisen äidinkielen opettajani erään opetustunnin aihe oli kielikuvat, metaforat. Esimerkkinä oli vanha sanonta, jonka mukaan sulaa se sokeri vanhankin suussa. Kysymys kuului, miten tämä metafora voidaan tulkita.
Viittaisin sen verran innokkaasti, että pääsin myös vastaamaan. Se kuului suunnilleen näin. ”Sokerin sulamispiste on +185oC, joten sen mummon tai vaarin, jonka suussa sokeri sulaa, täytyy olla varsinainen Hot Lips. Jos taas kyseessä on sokerin liukeneminen, niin sillä luultavasti tarkoitetaan symbolisesti sitä, että vanhuksillakin on rakkauselämään liittyviä henkisiä ja fyysisiä tarpeita.”



















Kuva: Kati Tyystjärvi

Nyt kun olen jo ylittänyt teini-ikäiselle aikoinaan käsittämättömän 60 vuoden ikärajan ja ihan oikeasti myös vaari, niin voin omakohtaisten havaintojen perusteella sanoa, että sehän oli kaikilta osiltaan ihan pätevä, joskaan ei välttämättä hirveän viisas vastaus.
Sulaminen ja liukeneminen ovat kaksi eri fysikaalista ilmiötä. Sulaminen on aineen olomuodon muutos kiinteästä nesteeksi ja liukeneminen on kiinteän, nestemäisen tai kaasumaisen aineen täydellistä sekoittumista nesteeseen. Jää sulaa, mutta sokeri liukenee veteen.
Sulaminen on ilmiö, joka vaatii aina lämpöä. Keväinen vesisade ei lämmitä, joten päinvastaisesta yleisestä käsityksestä huolimatta se ei juuri sulata lumikinoksia. Jää sen paremmin kuin lumikaan ei liukene veteen ilman sulamista. Kansanviisaus ”Uusi lumi on vanhan surma” kuuluu sarjaan agraarit legendat. Se perustuu vain siihen tosiseikkaan, että kevään edetessä päivät lämpenevät ja kaikki lumi lopulta sulaa. Mitään sen syvempää fysikaalista perustaa sanonnalla ei ole.
Liukeneminen on siinä mielessä arvaamattomampi fysikaalinen ilmiö, että joissakin tapauksissa se vaatii lämpöä ja joissakin luovuttaa sitä. Maantiesuolaksi sopiikin paremmin kalsiumkloridi kuin ruokasuolanakin tunnettu natriumkloridi, koska kalsiumkloridin liukenemislämpö on eksoterminen, eli liukeneva liuos lämpenee. Lisäksi kalsiumkloridin suolaliuoksen sulamispiste voi olla niinkin alhainen kuin -50 oC, joten tiet pysyvät sulina kovillakin pakkasilla. Kun vielä keksittäisiin, miten suola saataisiin olemaan ruostuttamatta autot ja saastuttamatta pohjavedet, niin siinä olisi meillä talvikelille aine verraton.
Useimpien aineiden liukeneminen jäähdyttää liuosta. Esimerkiksi kolme palaa sokeria pieneen kupilliseen kahvia laskee kahvin lämpötilaa noin 5 oC. Siis laita reilusti sokeria kahviin, jos liian kuuma kahvi pitää saada nopeasti juomalämpöiseksi. Tai vaikka ihan kylmäksi, jos uskoo sen kaunistavaan vaikutukseen.
Erityisen paljon lämpöä vaatii ammoniumkloridin, eli salmiakin makuaineen veteen liukeneminen. 1700-luvun Ranskassa Aurinkokuninkaana tunnetun Ludvig XIV:n hovissa tätä ominaisuutta käytettiin jäätelön tekoon. Vatkatusta kermasta, sokerista ja hedelmistä tehty seos laitettiin kulhoon, joka taas laitettiin isompaan vetistä jäärouhetta ja ammoniumkloridia sisältävään kulhoon. Sekoittamalla jäärouhetta voimakkaasti saatiin ammoniumkloridia liukenemaan veteen ja samalla osa jäärouheesta suli sulamispisteen aletessa. Molemmat prosessit, liukeneminen ja sulaminen vaativat lämpöä, josta osa tuli kermaseoksesta, joka jäätyi näin jäätelöksi.
Jokainen itse jäätelöä tehnyt on havainnut tuloksen olevan aika isorakeista, jos jäädytys on liian hidasta. Tämä oli varmaan pantu merkille myös Aurinkokuninkaan keittiössä. Siellä nimittäin hyödynnettiin erästä 1700-luvulla keksittyä lämpöopin ilmiötä. Tiedemiehet olivat havainneet, että lämmittämällä sopivasti jääsuolaseosta saatiin suola liukenemaan niin nopeasti, että prosessi kulutti enemmän lämpöä kuin mitä lämmitys siihen antoi. Näin jäätelöannos saatiin nopeasti jäädytettyä. Niin paradoksaaliselta kuin se kuulostaakin, Ludvig XIV:n päivällisille jäätelö valmistettiin tulen avulla.
Kuriositeettina voidaan mainita, että säveltäjä Kaija Saariahon vuonna 2008 ensi-esityksensä saaneen oopperan Emilie libretossa esiintyy tämä fysikaalinen ilmiö. Asian tulee ehkä hieman ymmärrettävämmäksi, jos tietää oopperan päähenkilön Emilie de Châtelen olleen 1700-luvun tunnetuin tiedenainen – ja siinä ohessa lähes jokaisen Ranskan akateemikon rakastajatar, Voltaire näistä etunenässä.
Vaikka tässä kulinaarisessa tarinassa yhdistyy romanttisesti tiede ja historia, niin taidan sittenkin hakea kodinkoneliikkeestä töpseliin laitettavan jäätelökoneen. On se sen verran kätevämpi peli.