Atomi

En muista ensimmäistä kertaa, kun näin atomin, mutta muistan hyvin ensimmäisen kerran, kun tutkimme niitä luonnontieteiden tunnilla, ja ne kiehtoivat minua. Niiden monimutkaisuus piirroksissa, joita meille näytettiin, ja se, miten ne saattoivat yhdistyä ja muodostaa aineita, sai minut haluamaan tietää lisää: luin niistä paljon, niiden paikasta jaksollisessa järjestelmässä, niiden hiukkasista, ja jopa siitä, miten niitä käytettiin kotiemme energian tuottamiseen.

Paljon myöhemmin opin ohjelmoimaan, ja halusin heijastaa sitä, mitä olin oppinut tunneilla ja kirjoista. Halusin luoda atomin, katsoa sen liikkuvan, saada jokaisen sen osan näyttämään todelliselta; yhdistellä niitä ja ehkä rakentaa jotain suurempaa simulaattoriin. Mutta tapahtui jotain odottamatonta: en ollutkaan enää utelias nuori, vaan aikuinen, jolla oli toisenlainen ajattelutapa. Joten aloin tutkia asiaa alusta. Ja tulos oli yllättävä: vuosien mittaisen aihetta käsittelevän lukemisen jälkeen riitti vain muutama tunti kriittistä ajattelua paljastamaan yksityiskohtia, joita en ollut aiemmin nähnyt.

Vaikka kertomukset vaihtelevat suuresti, lähes kaikki niistä juontavat juurensa muinaisiin aikoihin ja muistuttavat melko paljon tätä:

"Kerrotaan, että ensimmäiset atomitutkimukset juontavat juurensa muinaisiin aikoihin, jolloin oppineimmat pohtivat, kuinka moneen osaan kaiken voisi jakaa. Pitkän tutkimuksen jälkeen he päättelivät, että asioita voitiin jakaa vain tiettyyn rajaan asti, jolloin lopulta jäljelle jäisi niin pieniä ja huomaamattomia palasia, että he kutsuivat niitä atomeiksi."

Idean ymmärtämiseksi kuvittele, että olet uskomattoman pitkästynyt ja tartut mihin tahansa jaettavaan esineeseen —hammastikkuun, lehteen, hedelmän palaan— ja jaat sen kahtia. Ja uudelleen. Ja vielä kerran… kunnes et enää yksinkertaisesti pysty. Ja siinä se on: sinulla on atomi! …tai näin ajatus ainakin kulki.

Jos voisimme pysäyttää ajan ja pitäytyä tässä tarinassa, voisin rakentaa simulaattorini ilman vaikeuksia: jakaisin vain omenan kahtia, kolmeen osaan…, asettaisin rajan ja se olisi siinä. Mutta tämä oli vasta tarinan alku.

Seuraava on syvällisen historiallisten tosiasioiden ja löytöjen tutkimuksen sivutuote, joka vähitellen muovasi sitä, mitä nykyään kutsumme atomeiksi.

1800-luvun alussa brittiläinen kemisti nimeltä John Dalton loi jaksollisen järjestelmän ja kemiallisten alkuaineiden esittämiseen tarkoitettujen symbolien puuttuessa oman graafisen esitysjärjestelmänsä. Käytännössä hän laati listan tunnetuista alkuaineista —kullasta, hopeasta, hiilestä, hapesta...— ja piirsi kunkin viereen ympyrän, jonka sisällä oli erilainen kuvio niiden erottamiseksi toisistaan.

Dalton käsitti atomit pieninä, kiinteinä ja jakamattomina palloina, joita hän kutsui yleisesti "perimmäisiksi hiukkasiksi" — jonkinlaisena aineen rajana, jonka jälkeen sitä ei voinut enää jakaa. Hänen työnsä onnistui yhdistämään lopullisesti atomin abstraktin käsitteen kemialliseen kokeiluun, minkä vuoksi häntä pidetään historiallisesti atomiteorian isänä.

Lähes vuosisata myöhemmin toinen brittiläinen tiedemies, Joseph John Thomson, yritti selittää katodisäteiden luonnetta ja väitti niiden koostuvan pienistä sähköä kuljettavista hiukkasista. Selittääkseen, mistä nämä hiukkaset olivat peräisin, hän väitti niiden asuvan atomien sisällä, jonkin verran kuin rusinat vanukkaassa, ja rakensi jopa atomiteorian tämän luumuvanukkaan pohjalta.

On syytä huomata, ettei Thomson koskaan näyttänyt maailmalle ainuttakaan niistä hiukkasista: hän päätteli ne kokeistaan, hän ei nähnyt niitä. Silti idea palkittiin Nobelin palkinnolla vuonna 1906 ja se vakiintui tosiasiaksi. Siitä lähtien atomi lakkasi olemasta vaatimaton hypoteesi ja muuttui jonkin, jota kukaan ei uskaltanut kyseenalaistaa. Nämä tapahtumat muuttivat täysin pelin säännöt sen ajan tiedemiehille, tehden atomista ja sen teorioista varman ponnahduslaudan menestykseen.

Vuosia myöhemmin uusiseelantilainen tiedemies Ernest Rutherford yhdisti myös radioaktiivisuutta koskevat tutkimuksensa atomeihin ja väitti, etteivät ne olleet staattisia kuten Thomsonin vanukas, vaan pikemminkin kuin pienoiskoossa oleva aurinkokunta. Hän lisäsi myös uuden osan —pienen ytimen, johon oli keskittynyt lähes koko massa— ja rakensi sen varaan uuden atomiteorian.

Uusi planeettamainen atomimalli oli jotakuinkin hyvin pieni, positiivisesti varautunut ydin, jonka ympärillä kiersivät negatiivisesti varautuneet hiukkaset (elektronit) muodostaen eräänlaisen kiertoradajärjestelmän. Kolmas osanen, neutroni, ei vielä ollut mukana kuvassa: se ilmestyisi vasta vuonna 1932. Radioaktiivisia aineita koskevista tutkimuksistaan Rutherford sai Nobelin palkinnon vuonna 1908.

Lähes samaan aikaan Rutherfordin menestyksen kanssa nuori tanskalainen Niels Bohr yritti korjata planeettamallin virheitä ja lisäsi siihen kiertoratatasot, energiatasot, hypyt ratojen välillä sekä jopa valon emission ja absorption, jonka hän oletti olevan sähkömagneettisia aaltoja. Työllään Bohr muutti sen, mikä oli ollut teoreettinen kartta tiettyjen ilmiöiden selittämiseksi, joksikin, jonka ymmärtäminen vaati liitutaulujen täyttämistä. Panoksestaan atomien rakenteeseen Niels Bohr voitti Nobelin palkinnon vuonna 1922.

Bohrin jälkeen seurasi lähes loputon lista nerokkaita mieliä. Kaikki heistä lisäsivät yhä hurjempia teorioita atomeista —joita ei koskaan oltu nähty—, kasvattaen niiden matemaattista koneistoa tähtitieteellisiin mittoihin. Ollakseni rehellinen, tuntien mittaisen aiheeseen liittyvän lukemisen jälkeen jokaisen atomimallin katsominen oli kuin katsoisi joulupukin rekeä: jotain räikeän mainostettua, jota kukaan ei ole koskaan pystynyt näkemään.

Koska atomimallit ovat kuvitteellinen kartta, herää rehellisempi kysymys: onko mitään atomia muistuttavaa koskaan nähty? Lyhyt vastaus on kiusallinen: se riippuu siitä, mitä tarkoitamme näkemisellä.

Selittääksemme sen paremmin, kuvitellaan, että katsomme omenaa: valo kimpoaa sen pinnasta, saapuu silmiimme ja muodostaa kuvan niissä. Mutta noin 200 nanometrin alapuolella tämä temppu lakkaa toimimasta: tavallinen valo ei enää palauta muotokuvaa siitä, mikä on olemassa; se näyttää kulkevan sen ohi piirtämättä sitä ja jatkaa matkaansa, ikään kuin asia olisi läpikuultava. Vain hyvin erityinen valo —äärimmäisen voimakas, kuten se, jota tuotetaan suurissa hiukkaskiihdyttimissä— on onnistunut pääsemään lähelle tätä mittakaavaa, ja silloinkin tulos ei ole valokuvia vaan kuvioita: siluetteja ja varjoja.

Tiede, käyttäen kaikkea käytettävissään olevaa teknologiaa, on edennyt hämmästyttävän pitkälle: se pystyy paikantamaan sumeita siluetteja, laskemaan niitä, järjestämään niitä yksitellen, mittaamaan sähkökentän uskomattoman pienissä mittakaavoissa. Mutta jokainen näistä saavutuksista on mittaus kuvan asuun puettuna, ei suora katse. Se, mitä nykyään kutsumme "atomien valokuvaksi", on yhä kartta —paljon parempi kuin Thomsonin tai Bohrin, mutta kartta silti—. Ja se on sanottava rauhallisesti, ilman draamaa: olemme mitanneet sen jäljen poikkeuksellisella tarkkuudella; niiden näkeminen, siinä yksinkertaisessa mielessä kuin näemme omenan, ei vielä. Ja sama pätee lähes kaikkeen hyvin pieneen tai hyvin kaukaiseen.

Lähes mahdoton hypoteesi, mutta ratkaiseva sellainen: mitä tapahtuisi, jos päättäisimme sen epätodennäköisyydestä huolimatta poistaa atomin yhdellä kertaa, pyyhkiä pois jokaisen sen mallin luokkahuoneista ja jokaisesta ja kaikista tiedon haaroista?

Ensimmäinen asia, joka tapahtuisi, olisi täydellinen kaaos luokkahuoneissa ja koulutuksessa. Oppikirjat pitäisi kirjoittaa uudelleen, pyyhkien pois yli 200 vuotta historiaa. Miljoonat sivut jäisivät täyteen käsitteellisiä "aukkoja", yliviivattuja sanoja tai kiellettyjä termejä, jotka tekisivät teksteistä täysin lukukelvottomia. Schrödingerin yhtälöiltä, Lewisin rakenteilta ja molekyylisidosten kaavioilta puuttuisi perusolettamus, ja niistä tulisi merkityksettömiä sutuja. Kokonaiset nanoteknologialle, ydinfysiikalle tai biokemialle omistetut väitöskirjat mitätöityisivät yhdellä iskulla.

Tiede puolestaan ei pysähtyisi: se etsisi muita polkuja —matemaattisia, filosofisia— selittääkseen sen, mitä atomi ennen selitti. Sillä maailma olisi yhä tehty samasta asiasta. Olisimme pyyhkineet pois vain kartan, emme aluetta.

Vaikka se saattaa vaikuttaa epätodennäköiseltä, kaiken tämän vaivannäön —ja tuhansien ihmisten koko elämänsä omistamisen atomin paremmalle kuvaamiselle— takana on veto: aineen koostumuksen tutkiminen syvemmällä tasolla lupaa mahdollisuuksia täynnä olevan maailmankaikkeuden.

Kemiallisten alkuaineiden muuntaminen voisi tulla toteuttamiskelpoiseksi. Ydinreaktorit muuntavat jo nyt alkuaineita, kuten uraania, plutoniumiksi ja cesiumiksi. Kevyempien alkuaineiden pommittaminen hiukkasilla voi samoin muuttaa ne raskaammiksi. Jokainen näistä muunnoksista on kuitenkin äärimmäisen kallis ja epäkäytännöllinen, ja tuottaa lisäksi vain mitättömiä määriä. Kaikki tämä on jotain, mikä voisi muuttua, jos ymmärtäisimme prosessin paremmin ja voisimme hallita sitä alemmalla tasolla.

Vitsinä sanottuna voisimme muuttaa kiviä kullaksi tai timanteiksi, täyttää pankit ja muuttaa ne sitten takaisin kiviksi; ja jopa mennä pidemmälle ja luoda uusia kemiallisia alkuaineita uusilla ominaisuuksilla: materiaaleja, jotka uhmaavat painovoimaa, suprajohteita korkeissa lämpötiloissa… tarina vailla loppua.

Toinen palkinto on jo käytössä, eikä laboratoriossa vaan kotonasi: hyvä osa maailman sähköstä tulee valtavasta ponnistuksesta, joka mahdollistaa sen, että me kaikki voimme nauttia siitä. Aineen parempi ymmärtäminen voisi avata tapoja tuottaa energiaa, joita emme vielä tunne, paljon parempia ja tehokkaampia kuin nykyiset. Tämä unohtamatta mahdollisuutta sen käyttöön ei-rauhanomaisiin tarkoituksiin, mikä on tuonut traagisia seurauksia läpi historian.

Mutta kaikki ei toisi tragediaa. Tämän tutkimuksen takana on toivo parantaa teknologioita, kuten ydinmagneettista resonanssikuvantamista, joka on välttämätön sairauksien diagnosoinnissa; tai löytää uusia tapoja käsitellä tietoa, jotka voisivat viedä tulevat tietokoneet ennennäkemättömiin rajoihin. Ja epäilemättä kunnianhimoisin ja kuvitteellisin niistä kaikista, siintää vanha tavoite: ymmärtää, mitä aika on, ja ehkä hallita sitä.

Kaikki tämä selittää, miksi niin moni ei koskaan laske kynää kädestään ja jatkaa tutkimista. Jos näin sumea ja kuvitteellinen kartta kuin atomi on jo vienyt meidät näin pitkälle, kuinka pitkälle pääsisimme, jos voisimme ymmärtää ja hallita ainetta sen alimmalla tasolla?

Lopulta simulaattorini jäi pelkäksi yritykseksi. Kuten olet varmasti arvannut, atomin simulointi tietokoneella oli kuin yrittäisi pyydystää perhosia silmät sidottuina. Silti kaikki tämä sai minut kiinnostumaan paitsi atomeista ja niiden kuvitteellisista malleista, myös tarttumaan kokonaiseen tiedon maailmankaikkeuteen, joka kerran kiehtoi meitä ja jota harva meistä pohjimmiltaan todella tuntee.