Epävakaa alkuaine, epävakaa tiede: alabamiini ja patologinen tiede

Fred Allison uskoi löytäneensä uuden alkuaineen Alabamassa, mutta hänen magneto-optinen menetelmänsä petti aisteja ja havaintoja. Allisonin tapaus muistuttaa, että tieteessä odotukset ja todellisuus eivät aina kohtaa. Joskus vilpittömät tutkijat voivat nähdä sen, mitä he toivovat. 

Harvoin pro gradu -tutkielma nousee kansallisten ja jopa kansainvälisten uutisten aiheeksi. Näin kävi kesällä 2023 Henna Kokkoselle. Fysiikkaa opiskellut Kokkonen onnistui tuottamaan Jyväskylän yliopiston kiihdytinlaboratoriossa aiemmin tuntemattoman iso­toopin. Uusia atomiytimiä löytyy harvoin maailmalla, joten ihan ansaitusti iltapäivälehdet kirjoittivat hänestä, ja presidentti kutsui hänet linnan juhliin. Kokkonen jatkaa tutkimusta tohtorikoulutettavana ja tulokset ovat hyvät. Kesällä 2025 saimme lukea, kuinka hän oli löytänyt jälleen uuden isotoopin. 

Kokkosen löytämät atomiytimet ovat astatiinin isotooppeja. Astatiinilla on atomiluku 85 ja se on radio­aktiivinen halogeenien ryhmään kuuluva alkuaine. Kokkosen löytämät 190-astatiini ja 188-astatiini ovat keveimpiä tunnettuja astatiinin isotooppeja. Ytimet, joissa on näinkin valtava määrä protoneja ja neutroneja, ovat yleensä hyvin lyhytikäisiä. Nämä astatiinin isotoopit hajoavatkin silmänräpäyksessä. Astatiini on jopa saanut nimensä kreikan sanasta astatos, joka tarkoittaa epävakaata.

Astatiini on niin radioaktiivista, että jos onnistuisit saamaan lusikallisen sitä kasaan, niin radioaktiivisen hajoamisen tuottama lämpö höyrystäisi sen saman tien. Tosin lusikallinen astatiinia olisi todella suuri määrä. Arvioiden mukaan astatiinia ei löydy koko maa­pallolta lusikallista enempää. Joidenkin arvioiden mukaan maapallolla on vain 0,07 grammaa astatiinia. Vähäisiä määriä sitä on, koska sitä syntyy uraanin ja toriumin hajotessa maankuoressa. Koska kaikki astatiinin isotoopit ovat hyvin lyhytikäisiä, on astatiini harvinaisin luonnollisesti esiintyvä alkuaine maapallolla.

Aukkoja jaksollisessa järjestelmässä

Kun Dmitri Mendelejev kehitti jaksollisen järjestelmän, ei kaikkia alkuaineita vielä tunnettu. Taulukkoon jäi siis reikiä, joiden avulla hän osasi ennustaa tuntemattomien alkuaineiden olemassaolon ja jopa joitakin niiden ominaisuuksista. Mendelejev ei alkanut keksimään nimiä näille puuttuville aineille, vaan kutsui niitä sen mukaan, mikä alkuaine oli jaksollisessa järjestelmässä niiden yläpuolella. Esimerkiksi skandiumista Mendelejev käytti nimitystä ekaboori, koska se oli boorin alapuolella. Etuliite eka tulee sanskritin ykköstä tarkoittavasta sanasta.

Mendelejevin ennustamat alkuaineet löytyivät yksi toisensa jälkeen, mutta samalla kemistit ennustivat uusien aineiden olemassaoloa. 1930-luvulla etsintä kohdistui erityisesti kahteen aineeseen: ekajodiin ja ekacesiumiin, eli alkuaineisiin 85 ja 87.

Uusien alkuaineiden etsintään kietoutui vahva kansallis­mielinen eetos. Löydöille annettiin valtioiden ja alueiden nimiä, ikään kuin jaksollinen järjestelmä olisi ollut myös symbolinen kartta tieteellisestä kunniasta.

Alkuaineet 85 ja 87 tunnettiin hetken aikaa amerikkalaisten osavaltojen mukaan alabamiinina ja virginiumina. Näin ne nimesi Virginiassa syntynyt ja Alabaman teknillisessä korkeakoulussa työskennellyt Fred Allison. Virginiumia ja alabamiinia ei löydetty perinteisin menetelmin, vaan Allisonin kehittämän magneto-­optisen menetelmän avulla.

Allisonin magneto-optinen menetelmä

Allison esitti, että jokaisella alkuaineella on sille ominainen magneto-optinen ”spektri”. Allisonin koe­järjestelmässä valo johdettiin polarisaattorin kautta kahteen rinnakkaiseen nestesäiliöön, joista toinen toimi vertailuna ja toinen sisälsi tutkittavan näytteen. Molemmat säiliöt asetettiin voimakkaaseen magneetti­kenttään, ja magneetti­kenttää muuttamalla havaittiin valon intensiteetin eroja, hetkellisiä kirkkauden minimejä. Ajatus oli, että näytesäiliön ja vertailusäiliön välillä syntyvä ero voitaisiin tulkita suoraan tutkittavan alkuaineen ominaisuudeksi.

Allisonin menetelmä perustui paljain silmin tehtyihin havaintoihin tummista juovista valossa. Allison itsekin myönsi, että vaatii paljon aikaa oppia tekniikat, joilla säätää laite ja joilla erottaa minimit varmuudella. Kokematon havaitsija saattaisi sivuuttaa minimit täysin. Jo tämän pitäisi soittaa hälytyskelloja. Havainto­kynnyksen rajalla oleva ja havaitsijasta riippuva ilmiö on altis virhetulkinnoille.

Tulokset puhuivat kuitenkin puolestaan. Allison teki järkevän oloisia havaintoja. Lukuisia artikkeleja kirjoitettiin kokeista ja löydöistä, jotka perustuivat Allisonin menetelmään. Ennen vedyn isotoopin tritiumin yleisesti hyväksyttyä tunnistamista raportoitiin sen havainnoinnista tällä menetelmällä. 

Menetelmän ehdoton hyöty oli se, että tutkittavaa ainetta tarvitsi olla liuoksessa hyvin pieniä määriä ja silti se voitiin havaita. Kummallista kyllä, jos konsentraatiota kasvatti, signaalin voimakkuus ei kasvanut. Taas hälytyskellojen tulisi soida.

Kyllä hälytyskellot soivatkin. Useat tutkimusryhmät epäonnistuivat toistamaan Allisonin kokeita. Allisonin mielestä he eivät vain olleet tarpeeksi harjaantuneita havainnontekoon. Lopulta kuitenkin tiedeyhteisö hylkäsi menetelmän, eikä sitä käyttäviä artikkeleita enää hyväksytty julkaistaviksi. Oikeat alkuaineet 85 ja 87, eli astatiini ja frankium, löydettiin toisenlaisia menetelmiä käyttäen. Todellinen alkuaine 85 on epävakaa, mutta olemassa. Allisonin alabamiini oli vakaa vain mittaajan mielessä.

Patologinen tiede

Kemisti Irving Langmuir oli tunnettu äärimmäisestä metodologisesta kurinalaisuudesta. Jopa jotkut hänen kanssaan työskennelleistä pitivät hänen vaatimustasoaan kokeellisille kontrolleille liioiteltuna. Langmuir kuitenkin tiesi, että kun työskennellään mittauskynnyksen tuntumassa, ei voi olla liian tarkka. Hänen huolellinen pintakemiaan liittyvä työnsä palkittiin Nobelilla vuonna 1932.

Langmuir oli yksi niistä, joilla hälytyskellot soivat. Allison edusti kokeellista kekseliäisyyttä ja luottamusta havaitsijan taitoon; Langmuir puolestaan epäluuloa kaikkea sellaista kohtaan, mikä ei pakene yksittäisen havaitsijan kontrollia.

Sivustakatsojan olisi helppo leimata Allison joko huijariksi tai sitten vaan hölmöksi, joka näkee sen, mitä haluaa. Langmuir tuntui kuitenkin osaavan asettua myös Allisonin saappaisiin. Hän ei aluksi hyökännyt menetelmää vastaan, vaan piti asiaa avoimena, mutta kummallisena. Kun konsensus kääntyi Allisonen metodia vastaan, Langmuir oivalsi, että kyse ei ollut huijauksesta, vaan kokeellisesta itsepetoksesta. Mitä lähemmäs mittauskynnyksen rajaa mentiin, sitä helpompi oli nähdä se, mitä toivottiin näkevän.

Irving Langmuir esitteli patologisen tieteen käsitteen. Allisonin menetelmä oli yksi hänen käyttämistään esimerkkitapauksista. Patologinen tiede on tutkimusta, jossa vilpittömät ja pätevät tutkijat tulevat vakuuttuneiksi ilmiöistä, jotka syntyvät mittauskynnyksen rajalla kohinan ja odotusten yhteisvaikutuksesta.

Allisonin minimit olivat vain juuri ja juuri nähtävissä. Tämän takia valon intensiteetissä nähdyt kohinasta johtuvat pienet muutokset voitiin tulkita signaaliksi. Efekti ei voimistunut magneettikentän tai liuoksen konsentraation kasvaessa. Kuitenkin tarkkuuden väitettiin olevan erinomainen. Kokeiden perusteella esitettiin poikkeuksellisia väitteitä, kuten uusien alkuaineiden löytäminen, ilman riittäviä perusteita. 

Jos muut eivät onnistuneet toistamaan koetta, sivuutettiin kritiikki ad hoc -selityksillä, kuten havaitsijan kokemattomuudella tai huonosti viritetyllä mittalaitteella. Todellisuudessa huonosti viritetty laite synnytti täydellisen asetelman havaintoharhalle. Jos vertailusäiliön ja näytesäiliön välillä oli pienikin ero lämpötilassa tai optisessa kohdistuksessa, saattoi syntyä näennäinen ero, jonka havaitsija tulkitsi signaaliksi.

Patologiselle tieteelle ominaista on myös se, että vaikka se ei koskaan saavuttaisi yleisesti hyväksytyn teorian asemaa, saa se kuitenkin jonkun verran kannatusta. Lopulta kannatus kuitenkin hiljalleen hiipuu. Toisin kuin selvien virheiden tai huijausten kohdalla, patologiset tutkimukset kohtaavat yleensä loppunsa juurikin hiipumalla sen sijaan, että ne hylättäisiin kerta­rysäyksellä. Näin kävi myös Allisonin menetelmän kanssa. Tavallaan se loppui siihen, kun merkittävät tieteelliset lehdet päättivät hylätä menetelmää käyttäneiden tutkimusten julkaisun. Se ei kuitenkaan ollut selvä­rajainen loppu. Allison itse ei koskaan nähnyt syytä perua tai korjata aiempia tutkimuksiaan.

Puhuessaan patologisesta tieteestä Langmuir painotti, että asianosaiset ovat rehellisiä, päteviä – ja väärässä. Juuri tämä tekee ilmiöstä vaarallisen. Päteväkin tutkija voi haluta onnistuvansa niin paljon, että näkee, mitä haluaa. Toki Allisonin ja Langmuirin aikaan paljain silmin tehtävät havainnot olivat tieteessä yleisempiä. Patologiseen tieteeseen voi sortua myös koneellisesti kerätyn mittausdatan käsittelyssä. Allisonin tapaus onkin yleinen varoitus tiedeyhteisölle. Mittauskynnyksen rajalla toimivia tutkimusalueita löytyy edelleen. Voimakkaat odotukset voivat vaikuttaa tulkintaan erityisesti silloin kun signaalit ovat heikkoja ja datamassat suuria. Joskus se, mitä näemme, on enemmän omaa toivettamme kuin luonnon todellisuutta.

Fred Allisonin tapaus on kuitenkin myös huojentava esimerkki siitä, että yksi erehdys ei välttämättä pilaa koko uraa. Allison teki huippulaatuista tutkimusta eläke­päiviinsä saakka ja vielä niiden aikanakin. Hän oli niin opiskelijoiden kuin kollegojensa arvostamana. Allison eteni akateemisella polullaan ja toimi fysiikan ja matematiikan laitoksen johtajana parissakin yliopistossa. Tämä siitä huolimatta, että hän ilmeisesti ei koskaan lakannut uskomasta magneto-optiseen menetelmäänsä. Hän kirjoitti aiheesta vielä emeritusprofessorina 1960-luvulla. • 

Niklas Hietala