Pohdin tässä kirjoituksessa tieteellisen tiedon luonnetta luonnontieteellisestä näkökulmasta. Kurssin muissa osioissa käsitellään tieteellistä tietoa muista näkökulmista.

Oma alani avaruusfysiikka on aineen neljännen olomuodon eli plasman tutkimusta maapallon lähiavaruudessa. Yksi avaruusfysiikan suurimmista ja pitkäaikaisimmista mysteereistä on niin sanottu revontulialimyrsky, tai lyhemmin alimyrsky. Se on yleinen näytelmä, ja moni on kuvannut sen olevan lähes ylimaallinen kokemus.

Alimyrskyssä havainnoija näkee yleensä ensin pohjoisessa taivaanrannassa rauhallisen revontulikaaren, joka nousee kohti taivaan kantta eli etelää. Kaari saavuttaa eteläisimmän kohtansa tyypillisesti noin puolen tunnin kuluttua. Silloin kaikkein eteläisin osa kaaresta kirkastuu, ja se ikään kuin ”räjähtää” kohti pohjoista, itää ja länttä. Tämä laajenemisvaihe alkaa Suomessa tyypillisesti klo 22.30 ja kestää noin 15 minuuttia. Sen aikana revontulien muodot ja nopeus vaihtelevat voimakkaasti. Laajenemisvaiheen jälkeen alkaa paluuvaihe, jolloin revontulishow himmenee, muotojen kirkkaus ja nopeus pienenee ja kaari vetäytyy takaisin kohti pohjoista.

Jos fysiikassa pidetään varmana jotakin tietoa, se perustuu useisiin erilaisiin mittauksiin, jotka usea mittaaja on toistanut riittävän monta kertaa. Mitä enemmän samoja tuloksia saadaan, sitä varmempi tieto on kyseessä. Ja jos havainto vielä sopii johonkin tunnettuun ja testattuun fysiikan tai kemian lakiin, aina parempi.

Yllä kuvatussa alimyrskyesimerkissä varmaa tietoa edustaa ensinnäkin itse revontulivalo. Sen synty tunnetaan varmasti. Kauempaa avaruudesta syöksyy ilmakehää kohti elektroneita, jotka törmäävät ilmakehän yläosan atomeihin ja molekyyleihin. Tällöin atomit ja molekyylit virittyvät korkeampaan energiatilaan. Viritys kuitenkin laukeaa pian, ja silloin taivaalla näkyy värillistä valoa. Revontulissa yleisen vihreän valon tuottaa ilmakehän happiatomien virittymisen laukeaminen. Valon vihreä väri sopii atomimallin ennusteeseen laukeamisen yhteydessä vapautuvan energian määrästä.

Tiedämme kaiken tämän tehdyistä mittauksista, niiden ympärille kehitetystä teoriasta ja teorian tueksi saaduista uusista mittauksista. Kun siis näen vihreää revontulivaloa, tiedän varmasti, että yläilmakehän happiatomiin törmäsi elektroni, joka tuli kauempaa avaruudesta.

Muita varmoja tietoja alimyrskyesimerkissä ovat alimyrskyn sijoittuminen yöaikaan ja se, että yläilmakehään syöksyvät hiukkaset liikkuvat Maan magneettikentän sitomina. Maan magneettikentän voi havaita tavallisella kompassillakin.

Sen sijaan alimyrskyn vaiheiden kesto edustaa todennäköisesti tunnettua tietoa. Vaiheiden kesto tiedetään, koska alimyrsky on havaittu niin monta kertaa, että sen tyypillistä käyttäytymistä on voitu tilastoida.

Tutkimuksessa on yleensä tavoitteena löytää uusia, aikaisemmin tuntemattomia ilmiöitä tai varmentaa aiemmin löydettyä todennäköistä tietoa. Suurin osa tutkijoista haaveilee nimenomaan uusien ilmiöiden löytämisestä, ja sellaisista hankkeista myös tieteen rahoittajat ovat usein kiinnostuneimpia. Sen sijaan todennäköisen tiedon varmentamista pidetään vähempiarvoisena, vaikka se on ainoa tapa tuottaa varmaa tietoa.

Tutkijat kirjoittavat työnsä tuloksista artikkeleja, joita he lähettävät julkaistavaksi alan lehtiin. Ennen julkaisemista artikkelit vertaisarvioidaan. Vertaisarviointi on sitä, että yksi tai useampi samaan alaan perehtynyt tutkija lukee ja tarkastaa julkaisun, arvioi sitä ja suosittaa sen hyväksymistä tai hylkäämistä. Vertaisarvioinnista kerrotaan lisää kurssin seuraavassa luvussa Tiedonhaku.

Mitä arvostetummasta lehdestä on kyse, sitä vaikeampi tutkijan on saada julkaisunsa hyväksytyksi. Tiedelehdistä arvostetuimpia ovat viikoittain ilmestyvät Nature ja Science. Ne ovat eri tieteenaloja kokoavia yleistiedelehtiä. Niitä lukiessa voi olla melko varma siitä, että tutkimus on tehty laadukkaasti ja useampi henkilö on tarkistanut tulokset. Jos taas kyseessä on lehti, joka ei tee vertaisarviointia, tutkimuksen luotettavuudesta ei voi olla yhtä varma.

Jos esimerkiksi Helsingin Sanomien juttu perustuu vertaisarvioidussa lehdessä julkaistuun tutkimukseen, lukija voi pitää sen tietoja melko varmoina. Jos taas jutussa ei mainita lähdettä eikä anneta linkkiä alkuperäiseen tutkimukseen tai viitataan vertaisarvioimattomaan tutkimukseen, se voi olla jopa pelkkää huuhaata.

Tutkimuksessa on tärkeää ymmärtää alan perusteet, kuten revontulivalon synty ja elektronien käyttäytyminen magneettikentässä. Revontuliharrastaja voi nähdä alimyrskyn maan pinnalta, mutta hänen havaintonsa kelpaavat vain tausta-aineistoksi, sillä silmämääräiseen havaintoon ei pystytä liittämään esimerkiksi valon maantieteellistä sijaintia ja tarkkaa aikaa.

Osa ihmisistä saattaa liittää revontulien käyttäytymiseen mitä erilaisimpia selityksiä, elleivät he tunne tieteenalan perusteita. Yksi tyypillisimmistä harhoista on, että revontulet ovat yhteydessä kylmiin säihin – eli, että kovat pakkaset ennustaisivat revontulia. Kyseessä on tyypillinen korrelaatioharha.

Esimerkiksi jäätelönsyönnin ja hukkumiskuolemien välillä on korkea korrelaatio, mutta jäätelönsyönnistä ei seuraa hukkumiskuolema, vaan kumpikin on seurausta kolmannesta tekijästä, eli lämpimistä keleistä. Revontuliin maanpäällinen sää ei vaikuta. Sää syntyy alle 10 kilometrin korkeudessa, kun taas revontulet sijoittuvat noin 100 kilometrin korkeuteen (vihreinä loimottavien revontulten korkeus). Revontulien korkeus pystytään laskemaan kahdesta maantieteellisesti eri paikkaan osuvasta samanaikaisesta revontulihavainnosta. Revontulia näkyy kylmällä säällä yksinkertaisesti siksi, että silloin ei yleensä ole pilviä häiritsemässä havaintoa.

Luonnontieteellisen tiedon hankkimisessa keskeistä on havaintoaineiston kerääminen ja sen virhelähteiden arvioiminen. Tutkijat havainnoivat alimyrskyä monilla eri mittalaitteilla, esimerkiksi revontulivalon intensiteettiä ja aallonpituutta mittaavalla koko taivaan kameralla.

Koska alimyrsky näkyy yöllä, sen valon synnyttävät elektronit eivät syöksy ilmakehään suoraan maapallon päiväpuolella sijaitsevasta Auringosta. Yöpuolella elektronit jostain syystä saavat lisää vauhtia ja syöksyvät kohti ilmakehää. Tässä on alimyrskytutkimuksen ydin: mikä elektroneja vauhdittaa ja miksi ne kiihtyvät syöksyyn juuri silloin kuin kiihtyvät.

Alimyrskyn tapauksessa on tärkeää saada mittauksia Maan yöpuolelta ilmakehän ulkopuolelta. Ongelmana on, että käytössä on usein vain yksi satelliitti, eli yksi mittaus ajassa ja paikassa. Lisäksi satelliitti ei useinkaan ole oikeassa paikassa oikeaan aikaan valtavassa avaruudessa.

Siksi myös mallinnustyökalut ovat tärkeitä. Ne perustuvat tunnettuihin fysiikan lakeihin. Niiden avulla voidaan kuvata koko suuri avaruus kaikissa paikoissa kaikkina aikoina ja tehdä valistunut arvaus siitä, mikä elektronit panee liikkeelle. Lopullinen luonnontieteellinen tieto pohjautuu kuitenkin aina mittauksiin. Aina on mahdollista, että luonnossa tapahtuu jotakin sellaista, mitä mallinnuksessa ei ole otettu huomioon.

Kun tutkimusaihe on jonkin alan keskiössä, tutkijat jakaantuvat usein leireihin, jotka kinastelevat keskenään heittäessään ilmoille valistuneita arvauksia. Joskus tutkija on niin kiintynyt omaan arvaukseensa, että hän ottaa huomioon vain sitä tukevat mittaustulokset ja sivuuttaa muut. Silloin saattaa syntyä hienolta kuulostavia julkaisuja, erityisesti siinä tapauksessa, että vertaisarviointi epäonnistuu. Periaatteena kuitenkin on, että selitysmallin tulee sopia kaikkiin havaintoihin ja tulosten tulee olla toistettavissa. Hyvä tutkija erittelee aina julkaisussaan, mikä osa aineistosta tukee hänen päätelmiään ja mikä ei, ja esittää tulostensa virherajat.

”Vaikka tutkijat pyrkivät tarkkuuteen ja huolellisuuteen, tutkimustiedossakin voi olla virheitä, eikä se aina ole objektiivista.

Tieteellisen tiedon sudenkuopat liittyvät usein vertaisarvioinnin puutteisiin. Tutkimus saattaa päätyä parhaan kaverin, pahimman vihamiehen tai muutoin jäävin henkilön pöydälle arvioitavaksi. Liian kapea havaintoaineisto saattaa vaikeuttaa tiedon löytymistä. Tutkija saattaa olla liian varma vallitsevasta paradigmasta ja päätellä, että hänen uusi löytönsä on väärä, koska se ei sovi paradigmaan. Tai tutkimusta on saattanut rahoittaa taho, joka haluaa löytää vain tiettyjä asioita. Tieto tutkimusta rahoittaneista tahoista löytyy tutkimusartikkelista otsikon Aknowledgements tai Kiitokset alta.

Vaikka luonnontieteessä mittaustulokset ovat usein hyvinkin tarkkoja, laadukkaat mittaukset eivät ole ainoa tapa varmistaa tutkimuksen objektiivisuus. Luonnontieteissä objektiivisuuden suurimmat puutteet löytyvät usein näkökulmista ja kysymysten asettelusta. Niihin voivat vaikuttaa esimerkiksi tutkijan kulttuurinen tausta, sukupuoli tai kuuluminen tiettyyn leiriin.

Kaikkiin näihin ongelmiin auttaa tieteen avoimuus ja julkisuus. Vertaisarvioijien odotetaan havaitsevan mahdolliset puutteet jo ennen kuin tutkimus julkaistaan. Muiden tutkijoiden on mahdollista tiedeartikkelin lukijoina arvioida kirjoittajan tieteellisen prosessin laatua. Heidänkin on mahdollista löytää tutkimuksesta esimerkiksi sopimattomia analysointitapoja, jääviyksiä tai ongelmia aineistossa tai näkökulmassa ja osallistua keskusteluun.

Tieteellinen tieto on mielipidettä arvokkaampi, koska tieto perustuu moniin mittauksiin ja mallinnuksiin ja tulokset ovat aina samat havainnoijasta riippumatta. Informaatio muuttuu tieteelliseksi tiedoksi vertaisarvioinnissa ja varmistuu vähitellen, kun useampi eri tutkimusryhmä toistaa tutkimuksen samoin tuloksin. Esimerkiksi jos joku joskus väittää ratkaisseensa alimyrskyn arvoituksen, suhtaudutaan ratkaisuun epäillen, kunnes moni muukin päätyy samaan tulokseen.

Tieteessä varma tieto siis rakentuu vähitellen, kun aiheesta tai ilmiöstä kertyy lisää tutkimustietoa. Toisaalta varmanakin pidettyyn tietoon voi syntyä säröjä! Silloin selvitystyö käynnistyy uudelleen ja jatkuu niin pitkään, että kaikki uudet havainnot on saatu selitettyä ja fysiikan laki muotoiltua niitä vastaavaksi.

Tieteellisestä ajattelutavasta on kaksi suurta hyötyä arkielämässä. Ensinnäkin tieteellinen ajattelu antaa hyvät valmiudet arvioida esimerkiksi uutisointia, some-keskustelua ja muita mediasisältöjä. Tutkijasielu kyseenalaistaa. Hän miettii lähdeaineistoa, sen objektiivisuutta ja miten se on hankittu, sekä erityisesti jutun motiivia. Joku toinen taas ei utele, vaan ehkä reagoi itse uutiseen, usein tunteellisesti – ja on siis jonkun toisen henkilön mahdollisesti hämärien motiivien vietävissä.

Toinen suuri hyöty tulee siitä, että tutkimuksessa tottuu olemaan jatkuvasti kovankin kritiikin kohteena. Silloin oppii erottamaan sellaisen kritiikin, joka liittyy asioihin, ja sellaisen, joka liittyy ensi sijassa henkilöön ja on siten sopimatonta.