Monday, 8 December 2014

Tyhjää täynnä




Tiedelehdissä ja lehtien tiedeosastoilla julkaistaan usein lukijoiden kysymyksiä, laidasta laitaan. Olen marissut tästä ennenkin, mutta minulle on jäänyt tunne, että nimenomaan fysiikkaan liittyvät kysymykset hoidellaan puolivaloilla. Kysytään "päivystävältä dosentilta" ja tyydytään siihen vastaukseen, mitä satutaan saamaan. Aika usein hukataan hyvä mahdollisuus kertoa mielenkiintoisesti fysiikasta kansantajuisesti suurelle yleisölle.

Tässä tapauksessa päivystävän dosentin virkaa hoiti professori, Jukka Maalampi. Tiedän hyvin, että Jukan tietämys fysiikasta, varsinkin ydinfysiikasta on ihan toisella tasolla kuin meikäläisen. Kritiikkini kohdistuukin vain tähän pikku kirjoitukseen Tiede-lehdessä.

Kun vastaus kysymykseen, kuinka suuri osa ihmisen tilavuudesta on tyhjää vasta, on prosentin kymmenestuhannesmiljardisosaa vaille sata prosenttia, niin minusta ollaan aika lailla epäolennaisen keskiössä. Vitsiksihän se varmaan oli tarkoitettu, mutta ainakaan minua se ei oikein jaksanut naurattaa. Ehkä olen vain huumorintajuton.

Tyhjä on semanttisesti monimerkityksellinen käsite. Urheilukatsomossa on yleensä tyhjää, kun ala-sarjan joukkueet pelaavat keskenään. Pääkin voi olla tyhjä, kun ajatus ei tunnu liikkuvan. Kun huokoisia esineitä pakataan tiiviiksi, niin niistä puristetaan tyhjät pois. Se tarkoittaa yleensä ilmaa. Ilman täyttämää tilaa pidetään yleensä tyhjänä tilana, jos se voidaan täyttää tai tiivistää.

Tästä saisi fysiologisen näkökulman asiaan. Kuinka suurelta osalta ihminen on ontto? Oikea vastaaja ei välttämättä olisikaan ydinfysiikan professori, vaan joku ihmisen anatomiasta paremmin perillä oleva. 

Ihmisen keho on muuten kiinteää ja nestemäistä ainetta, mutta suusta, nenästä ja korvista  johtaa käytävät keuhkoihin sekä mahalaukun kautta peräsuoleen asti. Näiden kaasutäytteisyys voi vaihdella, mutta parhaimmillaan ihmisessä voi olla noin 10 % tyhjää. Keuhkot täynnä ja maha kaasuista piukeana ihmisen kokonaistiheys laskee helposti alle veden tiheyden, jolloin ihminen kelluu. Kaasut nostatavat  hukkuneetkin nousevat lopulta pintaan, vaikka keuhkot olisivat täynnä vettä.

Jos autoromuttamon prässiin (vrt James Bond ja kultasormi) laitetaan laitetaan autonromuja, niin niiden välissä on ennen puristamista tyhjää. Samaa tyhjää on myös autojen sisällä monessakin kerroksessa: kuten vaikka moottoritilassa ja moottorin sisällä sylintereissä. Kun jääkiekkotermein otetaan tyhjät pois eli autot puristetaan prässillä kasaan, niin autojen välistä autojen sisältä poistuva ilma on ihan samaa "tyhjää". Jäljelle jää vain tiivis pakkaus kiinteää ainetta.

Jos ihminen joutuu syystä tai toisesta samaan prässiin, niin hänelle käy ihan samoin. Ilma puristuu pois ja jäljelle jää suorakaiteen muotoinen massa kiinteitä ja nestemäisiä kehon aineita. Ne eivät puristu juurikaan kasaan, vaikka kuinka puristettaisiin. Nesteet ja kiinteät aineet ovat käytännössä kokoon puristumattomia. Joten atomien sisällä oleva tyhjän täytyy olla jotenkin eri lailla tyhjää kuin autojen  sisällä oleva tyhjä.

Auto ja sen sisällä sattumoisin ollut ihminenkin sen jälkeen, kun niistä on otettu tyhjät pois. 
Elokuvasta Goldfinger. 

Suoraan sanoen kertomalla ihmisen olevan pääosin tyhjää ei anneta ainoastaan irrelevanttia tietoa atomeista, vaan se on minusta suorastaan virheellistä. Tila, jossa elektronit liikkuvat, ei ole suinkaan tyhjää, vaan elektronien kvanttifysiikan kuvaamalla tavalla täyttämää tilaa. Vähän samaan tapaan, kuin maantien sanotaan ruuhka-aikaan olevan täynnä autoja, vaikka autotonta tilaa on paljon enemmän kuin autojen viemää tilaa tiellä.

Atomien sisällä olevaa tilaa ei minusta voida mitenkään pitää tyhjänä, molekyylien välistä tilaa sen sijaan voidaan. Kun vesi jäätyy, niin vesimolekyylin muodosta johtuen molekyylien väliin jää tyhjää. Sen seurauksena veden tiheys pienenee. Joten jos palataan otsikon kysymykseen, johon ainakin koulun äidinkielen tunnilla kehotettiin vastaamaan, niin se riippuu myös ihmisen olotilasta. Jos ihminen on kuolla kupsahtanut ja jäätynyt pökkelöksi, niin runsasvetisenä kalmoon on syntynyt melkoinen määrä tyhjää tilaa. Sanoisin ilman sen syvempiä laskelmia ehkä 6 - 7 %.


15 comments:

  1. Tässä kyllä komppaan poikkitieteilijää. Vastaus ei voida mitenkään pitää muuna kuin vitsinä. Ongelma on vain siinä, että professorin arvovallalla kirjoitettuna suuri osa lukijoista olettaa sen sisältävän jotain olennaisa atomin rakenteesta. Sanoisinkin itse professorin vastauksen olevan tyhjää täynnä.

    ReplyDelete
  2. Vähän on taas happamien pihlajanmarjojen makua.

    ReplyDelete
  3. Ei pitäisi provosoitua kun provosoidaan, mutta provosoidutaan nyt kuitenkin. Kirjoitukseni ei ole mikään protesti eikä kiukuttelu kirjoittajaa kohtaan. Jukka on varmaan ihan hyvä tutkija ja professori, olen täysin inkompetentti arvioimaan sitä. Jukka on kirjoittanut monia ansiokkaita kansantajuisia kirjoja omasta alastaan.

    Krittiikkini kärki yritti olla siinä, että populaarin fysiikan kirjoittamiseen suhtaudutaan siten, että sitähän kuka tahansa päivystävä dosentti, professorista puhumattakaan tekee vasemmalla kädellään muiden tärkeämpien hommien ohessa.

    Minä olen kansantajuistanut fysiikkaa yli 30 vuotta. Olenko siinä hyvä vai huono, sen arvioivat muut. Sen kuitenkin tiedän, että sitä, kuten ei mitään muutakaan tehdä hyvin lonkalta vetäisten. Kirjoittajan pitää hallita alansa, kirjoittajan pitää hallita yleisönsä. Olennaisen esiin puristamien siten, että isoäitisikin ymmärtää sen, ei ole mikään helppo suoritus. Kokeilkaa itse. Luetuttakaa tekstinne maallikolla ja pyytäkää hänen sitten kertomaan ymmärtämänsä omin sanoin. Minä olen kokeillut. Tulokset eivät ole useinkaan olleet kovin hurrattavia - ennen kuin tekstiä on muokattu useita kertoja.

    ReplyDelete
  4. Sanoisin, etteipä olisi montaa pojoa herunut, jos kyse olisi ollut ylioppilastutkinnon reaalikokeen kysymyksestä ja vastauksesta. Sitä kun on 40 vuotta tolkuttanut abeille, että "vastatkaa siihen, mitä kysytään" ei enää osaa arvostaa täysin asian vierestä kirjoiteltuja vastauksia, vaikka muutoin ansiokkaitakin. Esimerkiksi kysymykseen "Montaks nakkia söit?" vastaukseksi ei kelpaa laaja ja asiantuntevakaan selvitys makkaratehtaan logistiikasta. (Ei myöskään x=9, se oli aikoinaan se pointti.)

    Samaan tapaan selvitys aineen rakenteen yleisistä perusteista ei ole vastaus kysymykseen, joka on spesifioitu ihmisen ominaisuuksiin. Osana ja lisätietona toki, mutta kysymyksen asettelu edellyttää nimenomaan vastausta siihen, miten ihminen eroaa muusta n.s. luomakunnasta.

    ReplyDelete
  5. Kannattaako nyt tällaiseen varikseen tuhlata ruutia? Mitäpä, jos keskittyisit taas olennaiseen!

    ReplyDelete
  6. Poikkitieteellinen palsta pyrkii keskittymään epäolennaiseen ja nimimerkki asianajajan kommentista päätellen on siinä onnistunut varsin hyvin.

    ReplyDelete
  7. Ihmettelen usein, mistä kumpuavat vaatimukset, että joistakin teemoista ei saisi kirjoittaa, kun on tärkeämpiäkin asioita. Kuten sote-uudistus, maailmanpolitiikan kiristyvä jännitys tai Kimi Räikkösen morsmaikun raskauden edistyminen. Joka härjillä kyntää, se härjistä puhuu. Joten uusia poikkitieteellisiä epäolennaisuuksia odoteltaessa.

    ReplyDelete
    Replies
    1. Hesarissa oli alla oleva tiedepalstalla vastauksena lukijan kysymykseen.

      Miksi vaahto on valkoista?
      TIEDE 8.12.2014 2:00
      Helsingin Sanomat

      Vaahto on pieniä ilmakuplia. Ne ovat jääneet veden tai muun nesteen sisään. Kun katsoo vaahtoa tarkasti, kuplat voi nähdä.

      Kylpyveteen syntyy paljon kuplia, koska siinä on saippuaa, joka pienentää veden pintajännitystä. Saippua lisää ilmakuplien määrää vedessä.

      Vaahdon valkoisuus johtuu siitä, että vaahdon läpi kulkeutuva valo taittuu pienten ilmakuplien pinnoista ja kimpoilee joka suuntaan. Tätä kimpoilemista kutsutaan siroamiseksi.

      Eniten valo siroaa sellaisesta vaahdosta, jossa on paljon hyvin pieniä ilmakuplia. Tiiviin vaahdon läpi ei näe kättään.

      Veli-Matti Ikävalko
      koordinaattori
      Kemian opetuksen keskus Kemma

      En malttanut olla kommentoimatta. Onhan vastauksen sentään antanut yliopistollinen taho.

      Sironta on hieno ja monille tuntematon termi. Se on kuitenkin monien visuaalisten ilmiöiden takana oleva mekanismi ja olisi fysikaalisesti parempaa käyttää sitä heijastumisen sijasta.

      Paitsi tässä. Vaahdon valkoisuus, myös värillisen nesteen kuten oluen, johtuu heijastumisesta. Kun valo heijastuu vaahtokuplien pinnasta, niin kaikki aallonpituudet eli näköaistin havaitsemat värit heijastuvat siitä. Kaikkiin suuntiin, koska kuplat kaarevina heijastavat valoa toisin kuin taso moniin suuntiin. Siksi valkoisessa valossa vaahto on valkoista, värillisessä valossa juuri valon väristä. Kun vaahtoa katsotaan tekstissä kerrotulla tavalla vaahdon läpi kulkevalla valolla, niin vaahto on enempi vähempi siinä olevan nesteen väristä. Siis esimerkiksi oluessa ruskeaa.

      Ihan kaikki ei sentään ole väärin. Tiiviin vaahdon läpi ei todellakaan näe kättään, eikä juuri muutakaan. Miten se liittyy vaahdon valkoisuuteen, sitä jäin vain miettimään.

      Delete
    2. Epäilevä Tuomas10 December 2014 at 16:59

      Voipi olla, että tällaiset kommentit eivät tuo lähemmäksi sitä päivää, jolloin Hesarin puolelta päätetään se sinun kovasti mainostamasi boikotti.

      Delete
    3. Paljastettakoon sen verran, että kun Hesarin puolelta tarjouksen minulle 5 vuotta sitten esittäneet ovat jo saaneet potkut lehdestä ja kohtuuttomia juridisia vastuita sisältäviä sopimuksia ei enää kuulemma vaadita, niin olen tehnyt linnarauhan Hesarin kanssa. Joten juttua pukkaa, ainakin yksi. Tarkkailkaa postianne, jos ko. lehti vielä teille tulee.

      Delete
  8. Professori tosiaan harhautuu väljille vesille vastauksessaan. Lisäksi hänen käsityksensä atomien rakenteesta on kovin mekanistinen. Vastaus olisi siis huono, vaikka kysymys olisi kuulunut: "Minkä verran aineesta on tyhjää".

    ReplyDelete
  9. Kun joku kysyy kuinka suuri osa ihmisen tilavuudesta on tyhjää, on mielestäni ainoa oikea vastaus kysymys: mitä tarkoitat "tyhjällä"? Fyysikoille tyhjä merkitsee jotakin ihan muuta kuin maallikolle.

    ReplyDelete
  10. Maalammelle voisi ehdottaa pään kajauttamista kiviseinään.... Siinähän hänen lausumansa mukaan sitten kaksi tyhjää törmää tosiinsa: vain elektroniverhot, jotka siis ovat tyhjää, kohtaavat. Sattuu se silti :)

    Oliko kysyjä lapsi? Jos, niin vastaus pitäisi muotoilla lapsen maailmaan sopivaksi, ja se taitaa olla liian kaukana fyysikon maailmasta.

    ReplyDelete
  11. Haluan vielä korostaa sitä, että nyt ei ole kyse mistään ristiretkestä professori Jukka Maalampea kohtaan. Vaikka hänen vastauksensa lukijan kysymykseen olikin minusta vähemmän ansiokas, jopa pahasti syrjäpoluille eksynyt, niin kritiikin kärki koitti olla siinä asenteessa, mikä minusta on läpitunkeva näissä "Kysy mitä vain fysiikasta, me vastaamme mitä vain".

    Minusta kuvaava anekdootti asiasta on jostai lukema kertomus. Yliopiston matematiikan professori vieraili lastentarhassa, jossa esikoulun nuori opettajatar opetti lapsille matematiikan alkeita. Professori kröhäytti kurkkuaan ja kysyi, että montakohan opintoviikkoa fröökynä on suorittanut matematiikasta.

    "Täsmälleen yhtä monta, kuin herra professori on suorittanut esikoululaisten opettamisessa."

    Pätevöityminen yhdelle alalle ei pätevöitä kaikille aloille.

    ReplyDelete
  12. Kaarle Kurki-Suonio18 December 2014 at 20:35

    En usko, että Jukan vastaus on vitsiksikään tarkoitettu. Onpahan menty vain siitä, mistä aita on matalin, eli paneutumatta asiaan. Vastaushan on ikivanha popularisoinnin klisee, luultavasti juuri sitä, mitä kysyjä ja Hesarin tiedepalstan toimittajat toivoivat. Paneutuminen kysymykseen, mitä tyhjä tarkoittaa, taas ei menisi läpi Hesarin tiedetoimittajista. Mutta kiinnostava aihe se on.

    Tyhjyys hävisi lopullisesti fysiikasta Faradayn kokeiden myötä, jotka vakuuttavasti osoittivat, että kentät ovat jotakin olemassa olevaa. Sen jälkeen käsitys siitä, miten avaruuden tilan täyttö jakautuu aineellisiksi miellettyjen olioiden ja kenttien välillä, on sitten kehittynyt samassa tahdissa kuin käsityksemme aineesta. .

    Siteeraan tässä itseäni eli kesäkuun 2011 täydennyskoulutuskurssin luentoa 4. Käsitteiden merkitykset ja niiden kantajat:

    ” Primaarihahmotuksen mukaisessa mielikuvarakenteessa aika ja avaruus ovat olioiden olemisen ja ilmiöiden tapahtumisen näyttämö. Avaruus on siinä jatkuva tyhjä tila, jossa olioilla on joka hetki tietyt paikat. … Olioiden eksistenssiin kytkeytyvä kuva "tyhjän" avaruuden luonteesta täydentyy kenttien kvanttiteorian myötä, jossa jokaista hiukkaslajia – aineellisia perushiukkasia (fermioneja) yhtä hyvin kuin vuorovaikutusten kantajahiukkasia (bosoneja) – edustaa oma kenttänsä. Kaikkien näiden "lajikenttien" Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen mukaiset kvantti-mekaaniset nollapistevärähtelyt täyttävät avaruuden tyhjiön. Tästä aiheutuvaksi tulkittu "tyhjiön paine" on jopa mitattavissa. Tässä mielessä tyhjiötä voidaan hyvinkin kutsua edellisen luentoni "loppuheiton" mukaisesti kaikkien olemassaolon vapausasteiden potentiaalisen eksistenssin kentäksi.”

    Siitä, että kentät ovat jotakin eivätkä pelkkää tyhjää, saa mielestäni ihan riittävän havainnollisen käsityksen, kun yrittää työntää kahta vahvaa magneettia yhteen samannimiset navat vastakkain.

    Jos taas pohditaan sitä, kuinka paljon aineellista maailma sisältää, voi vaikka ajatella tähtein kehitystä. Kun se, mitä kuvittelemme aineeksi, alistuu yhä suurenevaan paineeseen, aineen rakennehierarkian kerrokset luhistuvat toinen toisensa jälkeen, ja lopulta ”mustassa aukossa” teoreettisen käsityksemme mukaan koko roina on surkastunut pistemäiseksi singulariteetiksi. Siis, ellemme hyväksy kenttiä tilan täytteiksi, maailma onkin pelkkää tyhjää 100 %.

    Onhan tuossa vähän koppavaa terminologiaa, mutta olkoon. UGH, olen puhunut.

    ReplyDelete