Mikä paljain silmin ei näy

PIENET pölyhiukkaset leijailevat huomaamattomina ilmassa. Mutta sitten huoneeseen osuu auringonsäde, ja näkymätön muuttuu yhtäkkiä näkyväksi. Ikkunasta sisään tunkeva valokimppu paljastaa hiukkaset ihmissilmälle.

Ajatellaanpa toista esimerkkiä näkyvästä valosta, joka paljain silmin katsottuna näyttää valkoiselta tai värittömältä. Mitä tapahtuu, jos aurinko paistaa juuri sopivassa kulmassa vesipisaroiden läpi? Vesi toimii prismana, ja näemme sateenkaaren kauniit värit!

Ympärillämme olevat esineet heijastavat valon eri aallonpituuksia, jotka silmämme näkevät väreinä. Esimerkiksi vihreä ruoho ei itse säteile vihreää valoa, vaan imee näkyvästä valosta kaikki muut aallonpituudet paitsi vihreän. Vihreän valon aallonpituus heijastuu siitä silmäämme, ja siksi ruoho näyttää meistä vihreältä.

Laitteet avuksi

Viime vuosina monet paljaalle silmälle näkymättömät kohteet on saatu näkyviin uusien keksintöjen ansiosta. Voimme katsella tavallisella mikroskoopilla elottomalta vaikuttavaa vesipisaraa ja havaita, että se kuhisee kaikenlaisia eliöitä. Ja hius, joka normaalisti vaikuttaa pehmeältä ja sileältä, osoittautuukin karheaksi ja rosoiseksi. Erittäin voimakkaat mikroskoopit voivat suurentaa esineet miljoonakertaisiksi – samassa suhteessa suurennettuna postimerkki olisi pienen valtion kokoinen!

Käyttämällä vielä voimakkaampia mikroskooppeja tutkijat saavat kuvia atomien pintojen ääriviivoista. Näin he pääsevät katsomaan kohteita, jotka näihin aikoihin asti ovat olleet ihmisen näkökyvyn ulottumattomissa.

Toisaalta saatamme nostaa katseemme kohti yötaivasta ja katsella tähtiä. Kuinka paljon näemme niitä? Paljas silmä erottaa niitä vain korkeintaan joitakin tuhansia. Mutta kun kaukoputki keksittiin lähes 400 vuotta sitten, niitä alettiin nähdä paljon enemmän. Sitten 1920-luvulla Mount Wilsonin observatorion voimakas kaukoputki paljasti, että oman galaksimme lisäksi on muitakin galakseja, joissa myös on lukemattomia tähtiä. Nykyään tiedemiehet tutkivat maailmankaikkeutta pitkälle kehitetyillä laitteilla ja arvioivat, että galakseja on kymmeniä miljardeja ja monet niistä sisältävät satoja miljardeja tähtiä!

Kaukoputkilla on tehty sellainen hämmästyttävä havainto, että miljardit tähdet, jotka näkyvät Linnunratana, koska ne näyttävät olevan hyvin lähellä toisiaan, sijaitsevatkin käsittämättömän suurten välimatkojen päässä toisistaan. Samoin voimakkaat mikroskoopit ovat auttaneet paljasta silmää näkemään, että läpeensä kiinteiltä näyttävät esineet muodostuvatkin atomeista, jotka ovat pääosin tyhjää tilaa.

 Äärettömän pientä

Pienin hitunen, joka näkyy tavallisessa mikroskoopissa, koostuu yli kymmenestä miljardista atomista! Vuonna 1897 havaittiin, että atomi puolestaan sisältää pieniä, kiertäviä hiukkasia, elektroneja. Myöhemmin opittiin, että atomin ydin, jonka ympärillä elektronit kiertävät, koostuu suuremmista hiukkasista, joita sanotaan neutroneiksi ja protoneiksi. Maapallolla on luonnostaan noin 90:tä eri alkuainetta, joista kukin koostuu yhdenlaisista atomeista. Erilaiset atomit ovat pohjimmiltaan samankokoisia, mutta niiden paino vaihtelee, koska noiden kolmen perushiukkasen määrä kasvaa asteittain alkuaineesta toiseen.

Elektronit – vetyatomin tapauksessa yksi ainoa elektroni – kiitävät atomiytimen ympäri miljardeja kertoja sekunnin miljoonasosassa ja antavat siten atomille muodon ja saavat sen käyttäytymään ikään kuin se olisi kiinteä. Protoni tai neutroni painaa saman verran kuin noin 1840 elektronia. Sekä protoni että neutroni ovat noin satatuhatta kertaa pienempiä kuin koko atomi!

Jonkinlaisen käsityksen atomin tyhjyydestä saa, kun yrittää nähdä mielessään vetyatomin ytimen suhteessa sitä kiertävään elektroniin. Jos tuo yhdestä protonista muodostuva ydin olisi tennispallon kokoinen, sitä kiertävä elektroni olisi noin kolmen kilometrin päässä!

Elektronin löytymisen satavuotisjuhlallisuuksista kertovassa raportissa sanottiin: ”Harva miettisi kahta kertaa, juhlisiko hän jonkin sellaisen takia, jota kukaan ei ole nähnyt, jolla ei ole havaittavaa kokoa mutta jolla on mitattava paino ja sähkövaraus – ja joka pyörii kuin hyrrä. – – Nykyään kukaan ei kyseenalaista sellaista ajatusta, että meille näkymättömiä asioita on todella olemassa.”

Vielä pienempiä kohteita

Hiukkaskiihdyttimet, joiden avulla aineen hiukkasia voidaan singota toisiaan vasten, tarjoavat tiedemiehille nykyään mahdollisuuden kurkistaa atomiytimeen. Alan artikkeleissa vilahtelee oudonnimisiä hiukkasia: positroneja, fotoneja, mesoneja, kvarkkeja ja gluoneja, vain muutamia mainitaksemme. Mitään niistä ei pystytä näkemään edes voimakkaimmilla mikroskoopeilla. Mutta esimerkiksi sumu- ja kuplakammioiden sekä tuikelaskimien avulla niiden olemassaolo on voitu jäljittää.

Tutkijat näkevät nykyään sellaista, mikä aiemmin oli näkymätöntä. Sen ansiosta he tajuavat yhä paremmin niiden voimien merkityksen, joita pidetään neljänä perusvoimana: painovoiman, sähkömagneettisen voiman ja kahden ydinvoiman, joita sanotaan ”heikoksi” ja ”vahvaksi” ydinvoimaksi. Jotkut tiedemiehet etsivät niin sanottua ”kaiken teoriaa”, jonka he toivovat selittävän kattavasti koko maailmankaikkeuden makrokosmoksesta mikrokosmokseen.

Mitä voidaan oppia sen näkemisestä, mikä paljain silmin ei näy? Mitä päätelmiä monet ovat tehneet oppimastaan? Näitä kysymyksiä käsitellään seuraavissa kirjoituksissa.

[Kuvat s. 3]

Nikkeliatomeja (yllä) ja platina-atomeja

[Lähdemerkintä]

IBM Corporation, Research Division, Almaden Research Center