i
pro gradu -tutkielma Kesäkuu 2021
Fysiikan ja matematiikan laitos Itä-Suomen yliopisto
LUKIOLAISTEN YMMÄRRYS
KOSMOLOGIASTA, LUONNON RAKENTEISTA JA PERUSVUOROVAIKUTUKSISTA
Petrus Otronen
ii
Petrus Otronen Lukiolaisten ymmärrys kosmologiasta, luonnon rakenteista ja perusvuorovaikutuksista, 70 sivua
Itä-Suomen yliopisto Fysiikan koulutusohjelma Fysiikan aineenopettajakoulutus Työn ohjaaja FT dos. Mervi Asikainen
Tiivistelmä
Tässä pro gradu -tutkielmassa tutkitaan suomalaisten lukio-opiskelijoiden ymmärrystä kosmologiasta, luonnon rakenteista ja perusvuorovaikutuksista. Tutkimukseen osallistui kaikkiaan 66 opiskelijaa kolmesta suomalaisesta lukiosta. Testin kysely toteutettiin Google Forms -alustalla, ja siinä oli 22 tehtävää, jotka vastasivat lukion ainoan pakollisen fysiikan kurssin, FY01 – Fysiikka luonnontieteenä, sisältöjä.
Kaikkien suomalaisten opiskelijoiden (N = 66) pisteiden keskiarvo oli 21,42/42,0 pistettä.
Tutkimuksessa havaittiin, että opiskelijat, jotka aikoivat suorittaa fysiikan ylioppilaskokeen (N = 27), suoriutuivat testistä paremmin (keskiarvo 23,44/42,0 pistettä), kuin opiskelijat, jotka eivät aikoneet suorittaa fysiikan ylioppilaskoetta (N = 23) (keskiarvo 18,48/42,0 pistettä). Lisäksi tutkimuksessa todettiin suomalaisten lukio- opiskelijoiden suoriutuneen kosmologiaan liittyvissä tehtävissä keskimäärin paremmin kuin yhdysvaltalaiset korkeakouluopiskelijat.
Tutkimuksen tuloksista havaitaan, mitkä testin sisällöistä olivat suomalaisille opiskelijoille haastavimpia, ja mitkä olivat yleisimpiä virhekäsityksiä. Näitä tuloksia voidaan hyödyntää kyseisten sisältöjen opetuksen ja suunnittelun kehittämisessä.
iii
Sisältö
Sisältö iii
1 Johdanto 1
2 Teoria 4
2.1 Perusvuorovaikutukset 4
2.1.1 Gravitaatiovuorovaikutus 5
2.1.2 Sähkömagneettinen vuorovaikutus 6
2.1.3 Vahva vuorovaikutus 9
2.1.4 Heikko vuorovaikutus 9
2.2 Aineen rakenne 11
2.2.1 Atomin ydin 12
2.2.2 Alkeishiukkaset 12
2.3 Kosmologia 13
2.3.1 Alkuräjähdysteoria 13
2.3.2 Maailmankaikkeuden alkuhetket 14
2.3.3 Tähdet ja alkuaineiden synty 16
2.3.4 Pimeä aine 18
2.3.5 Pimeä energia 18
2.3.6 Maailmankaikkeuden tulevaisuus 19
3 Aiempia tuloksia opetukseen liittyvistä tutkimuksista 21
3.1 Aiemmat tutkimukset kosmologisista aiheista 21
iv
3.2 Aiemmat tutkimukset aineen rakenteesta 22
3.3 Aiemmat tulokset testin kosmologiaan liittyvistä tehtävistä 23
4 Tutkimuksen toteutus 26
4.1 Tutkimuskysymykset 26
4.2 Aineiston kerääminen 27
4.3 Tutkimuksessa käytetty testi 27
4.4 Aineiston analyysi 29
5 Tulokset 31
5.1 Suomalaisten opiskelijoiden vastaukset tehtäväkohtaisesti 31
5.1.1 Valovuoden määritelmä 31
5.1.2 Luonnon rakenteet ja niiden väliset hierarkkiset suhteet 32
5.1.3 Maailmankaikkeuden koostumus 36
5.1.4 Maailmankaikkeuden kehityskulku 41
5.1.5 Perusvuorovaikutukset 46
5.2 Suomalaisten opiskelijoiden suoriutuminen testissä yleisesti 52 5.3 Suomalaisten opiskelijoiden suoriutuminen testissä sen mukaan, aikovatko he
suorittaa fysiikan ylioppilaskokeen 54
6 Pohdinta 57
6.1 Tutkimuskysymyksittäin tulosten tarkastelu 57
6.1.1 Suomalaisten opiskelijoiden suoriutuminen testissä yleisesti 57 6.1.2 Suomalaisten opiskelijoiden suoriutuminen testissä sen mukaan, aikovatko he suorittaa fysiikan ylioppilaskokeen 60 6.1.3 Suomalaisten opiskelijoiden suoriutuminen kosmologiaan liittyvistä tehtävistä verrattuna yhdysvaltalaisiin opiskelijoihin 61
6.2 Tutkimuksen luotettavuuden tarkastelu 66
6.3 Yleistä pohdintaa tutkimusprosessista ja tuloksista 67
6.4 Jatkotutkimusehdotukset 68
7 Lähteet 69
v
Liite A: Lukiolaisten ymmärrys kosmologiasta, luonnon rakenteista ja
perusvuorovaikutuksista -testi 71
Liite B: FY01-kurssin kirjan termien määritelmät 76
1
Luku I 1 Johdanto
Lapset alkavat jo vauvaiässä havainnoimaan ympäristöään, ja näiden havaintojen ja kokemusten kautta heille rakentuu käsityksiä ympäristöstä ja sen toiminnasta, eri ilmiöistä ja olioista. Esimerkiksi jo 3–6 kuukauden ikäiset vauvat hahmottavat, että tukemattomat esineet putoavat maahan. Jos esine ei käyttäydy vauvan odottamalla tavalla, esimerkiksi näkymätön siima estää esineen putoamisen, on heidän reaktionsa ilmeisen hämmentynyt (Bransford, Brown & Cocking, 1999).
Esineen putoamisen aiheuttava painovoima, eli gravitaatio on varsin helppo ymmärtää, sillä Maan gravitaation aiheuttaman vetovoiman tuntee jatkuvasti, ja sitä on helppo havainnollistaa: irti päästetyt kappaleet putoavat maahan. Painovoima johtuu gravitaatiovuorovaikutuksesta, joka on yksi neljästä perusvuorovaikutuksesta, joiden seurausta kaikki tunnetut voimat ja ilmiöt ovat. Toinen, sen aiheuttamista ilmiöistä lapsillekin varsin tuttu, perusvuorovaikutus on sähkömagneettinen vuorovaikutus, jonka seurausta ovat kaikki sähköiset ja magneettiset ilmiöt. Näiden kahden perusvuorovaikutuksen aiheuttamia ilmiöitä käsitellään laajasti sekä perusopetuksessa, että lukiossa. (Opetushallitus, 2014; Opetushallitus, 2015)
Kaksi muuta perusvuorovaikutusta ovat vahva vuorovaikutus ja heikko vuorovaikutus.
Niiden vaikutusmatka on äärimmäisen lyhyt ja ne vaikuttavat vain atomiytimen kokoluokassa, joten niiden havainnoiminen suoraan on mahdotonta, ja pelkkä niiden pintapuolinen ymmärtäminen vaatii ymmärrystä aineen rakenteesta kvarkkien tasolla.
Näistä syistä vahvaa ja heikkoa vuorovaikutusta käsitellään vasta lukion fysiikassa, ja siinäkin hyvin lyhyesti. (Opetushallitus, 2015)
2
Toinen laaja fysiikan kokonaisuus, jota käsitellään varsin vähän peruskoulun ja lukion fysiikassa on kosmologia. Tähtitieteeseen liittyen perusopetuksessa käsitellään ihmisen näkökulmasta olennaisia asioita, kuten vuorokauden- ja vuodenajan vaihtelut, sekä lisäksi tutustutaan lyhyesti maailmankaikkeuden rakenteeseen. Lukion fysiikan ainoalla pakollisella kurssilla, FY01 – Fysiikka luonnontieteenä, noin kolmasosa kurssin sisällöstä kuuluu kokonaisuuteen Maailmankaikkeus, jossa käsitellään perusvuorovaikutuksia, maailmankaikkeuden syntyä, mikrokosmosta ja makrokosmosta, sekä säteilyä. Lukion opetussuunnitelma vuodelta 2015 kertoo FY01-kurssin tavoitteiksi muun muassa, että opiskelija tutustuu aineen ja maailmankaikkeuden rakenteeseen liittyviin peruskäsitteisiin ja jäsentää käsitystään luonnon perusrakenteista, sekä saa kokemuksia, jotka herättävät ja syventävät kiinnostusta fysiikkaa ja sen opiskelua kohtaan. (Opetushallitus, 2014;
Opetushallitus, 2015)
FY01-kurssin lisäksi perusvuorovaikutuksia ja luonnon perusrakenteita käsitellään kurssilla FY07 – Aine ja säteily, jossa Lukion opetussuunnitelman 2015 mukaan kurssin tavoitteena on näihin teemoihin liittyen, että opiskelija syventää kokonaiskuvaa fysiikasta aineen ja maailmankaikkeuden rakennetta selittävänä tieteenä. Keskeisiä FY07-kurssin sisältöjä näihin kokonaisuuksiin opetussuunnitelmassa mainitaan: näkökulmia fysiikan ja kosmologian kehittymiseen, sähkömagneettisen säteilyn kvantittuminen ja fotonit, atomiytimen rakenne, ydinreaktiot, ydinenergia, ytimen sidosenergia sekä energian ja massan ekvivalenssi. (Opetushallitus, 2015)
Idea tämän tutkielman aiheeseen syntyi, kun huomasin, miten vähän kosmologiaan ja perusvuorovaikutuksiin liittyviä tehtäviä fysiikan ylioppilaskokeissa esiintyy: vuosien 2006–2020 aikana yhteensä kahdeksan tehtävää liittyi merkittävästi kosmologiaan tai perusvuorovaikutuksiin. Oma kiinnostukseni näihin aiheisiin on suurta, ja olen myös fysiikkaa opettaessani huomannut etenkin tähtitieteen ja kosmologian kiinnostavan oppilaita. Näistä aiheista löytyy suomalaista tutkimusta niukasti, mutta Hillukkala ja Lerssi käsittelevät kasvatustieteen pro gradu -tutkielmassaan (2013) tähtitieteen opetussuunnitelman toteuttamista 5. luokalle. Kyseinen kaksi viikkoa kestänyt kokeellinen opetussuunnitelma koostui kuudesta teemasta: Johdanto avaruuteen, Avaruustutkimuksen teknologiat, Jaksolliset ilmiöt, Aurinkokunnan rakenne ja mittasuhteet, Maailmankaikkeuden rakenne ja mittasuhteet sekä Tähtitieteen harrastaminen. Oppilailta opetuskokeilun aikana kerätyssä palautteessa kiinnostavimpina asioina korostui vesirakettien rakentamisen ja ampumisen lisäksi teoriasta muun muassa planeetat, Aurinko, tähtitaivaaseen liittyvä Stellarium-ohjelma, Kuun vaiheet ja
3
maailmankaikkeuden koko. Negatiivista palautetta ei tullut juuri lainkaan. Vaikka opetuskokeilun teoriasisällöt olivat osittain opetussuunnitelman tavoitteita laajempia ja haastavampia, kokivat oppilaat aiheet mielenkiintoisiksi, ja olivat hyvin motivoituneita opiskelemaan ja keskustelemaan tähtitieteen teemoista. (Hillukka & Lerssi, 2013) Tässä tutkielmassa tarkastellaan suomalaisten lukiolaisten ymmärrystä kosmologiasta, luonnon rakenteista ja perusvuorovaikutuksista. Testin kosmologiaan liittyvät tehtävät on suomennettu Baileyn ym. (2012) artikkelissa ”A Multi-Institutional Investigation of Students’ Preinstructional Ideas About Cosmology” esitellystä testistä;
perusvuorovaikutuksiin ja luonnon rakenteisiin liittyvät tehtävät on laadittu FY01-kurssin kirjan sisältöjen perusteella. Testin tehtävät on esitelty Liitteessä A.
Tässä tutkimuksessa tarkasteltiin tuloksia seuraavien tutkimuskysymysten kannalta:
1. Kuinka suomalaiset lukio-opiskelijat suoriutuivat testissä yleisesti?
2. Kuinka opiskelijat, jotka aikoivat suorittaa fysiikan ylioppilaskokeen, suoriutuvat testissä verrattuna niihin, jotka eivät aikoneet suorittaa fysiikan ylioppilaskoetta?
3. Kuinka suomalaiset lukio-opiskelijat suoriutuivat kosmologiaan liittyvistä tehtävistä verrattuna yhdysvaltalaisiin opiskelijoihin?
Tämän tutkielman Luvussa II esitellään testissä esiintyviin fysiikan sisältöihin liittyvää teoriaa ja käsitteitä. Luvussa III esitellään aiempien kosmologian ja aineen rakenteen opetukseen liittyvien tutkimusten tuloksia, sekä esitellään Baileyn ym. (2012) toteuttaman tutkimuksen tulokset niistä tehtävistä, jotka oli suomennettu suomalaisille opiskelijoille pidettyyn testiin. Luvussa IV avataan tutkimuksen toteuttamista, kuten tutkimuksessa käytettyä testiä, sekä aineiston keräämisessä ja analysoimisessa käytettyjä menetelmiä. Luvussa V esitellään tutkimuksessa saadut tulokset ja lopuksi Luvussa VI tulkitaan saatuja tuloksia tutkimuskysymysten kannalta ja pohditaan mahdollisia syitä tuloksille.
4
Luku II 2 Teoria
Tässä luvussa käsitellään Lukiolaisten ymmärrys kosmologiasta, luonnon rakenteista ja perusvuorovaikutuksista -testiin liittyviä fysiikan lakeja ja käsitteitä. Teoria-luku on järjestetty alalukuihin Perusvuorovaikutukset, Aineen rakenne ja Kosmologia.
2.1 Perusvuorovaikutukset
Perusvuorovaikutukset ovat alkeishiukkasten välisiä vuorovaikutuksia kuvaavia mekanismeja. Kaikki fysikaaliset ilmiöt ja vuorovaikutukset perustuvat näihin neljään perusvuorovaikutukseen, jotka ovat järjestyksessä vahvimmasta heikoimpaan:
1. Vahva vuorovaikutus
2. Sähkömagneettinen vuorovaikutus 3. Heikko vuorovaikutus
4. Gravitaatiovuorovaikutus
Näistä gravitaatiovuorovaikutus ja sähkömagneettinen vuorovaikutus ovat tutuimpia fysiikan tunneilta, ja niiden aiheuttamia ilmiöitä on helppo havainnollistaa luokassa tai vaikka kotoa löytyvien välineiden avulla. Perusvuorovaikutusten ominaisuuksia on esitelty Taulukossa 2.1. (Young & Freeman, 2020)
5
Taulukko 2.1 Perusvuorovaikutusten ominaisuuksia. (Young & Freeman, 2020)
Vuorovaikutus
Suhteellinen
voimakkuus Vaikutusmatka
Välittäjähiukkanen
Nimi Massa Varaus Spin
Vahva 1 Lyhyt (~1 fm) Gluoni 0 0 1
Sähkömagneettinen 1
137,04 Pitkä (1 𝑟2
⁄ ) Fotoni 0 0 1
Heikko 10−9 Lyhyt (~0,001
fm) 𝑊±,𝑍0 80,4; 91,2 GeV 𝑐⁄ 2 ±e, 0 1 Gravitaatio 10−38 Pitkä (1
𝑟2
⁄ ) Gravitoni¹ 0 0 2
¹hypoteettinen
Perusvuorovaikutuksia välittäviä hiukkasia kutsutaan mittabosoneiksi. Fysiikan perusvuorovaikutuksista vahva vuorovaikutus, sähkömagneettinen vuorovaikutus ja heikko vuorovaikutus, sekä alkeishiukkaset on saatu yhdistettyä niitä kuvaavaan teoriaan, jota kutsutaan hiukkasfysiikan standardimalliksi.
2.1.1 Gravitaatiovuorovaikutus
Gravitaatio eli painovoima vaikuttaa kaikkien massallisten kappaleiden välillä ja saa ne vetämään toisiaan puoleensa. Gravitaatio on tutuin ja helpoiten ymmärrettävä perusvuorovaikutus, koska se on jatkuvasti havaittavissa. Maan massan aiheuttama painovoima saa kappaleet putoamaan kohti Maata. Suuret avaruuden kappaleet, kuten planeetat ja tähdet, ovat pallon muotoisia niiden gravitaation vuoksi. Lisäksi gravitaatio aiheuttaa muun muassa kuiden ja planeettojen ellipsin muotoisen kiertoradan. Laajassa mittakaavassa tarkasteltuna gravitaatio on vallitseva vuorovaikutus, sillä heikko ja vahva vuorovaikutus vaikuttavat äärimmäisen pienessä mittakaavassa, ja sähkömagneettisen vuorovaikutuksen aiheuttama nettovoima on nolla, kun neutraalien kappaleiden sähkömagneettiset varaukset kumoavat toisensa. Gravitaation vaikutuksesta ovat muodostuneet jopa sadoista miljardeista tähdistä koostuvat galaksit, sekä useista galakseista muodostuneet galaksijoukot. (Young & Freeman, 2020)
Kahden kappaleen välistä gravitaatiovuorovaikutuksen aiheuttamaa voimaa kuvaa Newtonin painovoimalaki
6 𝐹𝑔 = 𝐺𝑚1𝑚2
𝑟2 , (2.1)
missä 𝐺 = 6,67408(31) × 10−11𝑁 · 𝑚2 𝑘𝑔2
⁄ on gravitaatiovakio, 𝑚1 ja 𝑚2 ovat kappaleiden massat ja r on kappaleiden välinen etäisyys. Gravitaatiovoiman suuruus on siis suoraan verrannollinen kappaleiden massoihin, ja kääntäen verrannollinen niiden välisen etäisyyden neliöön. (Young & Freeman, 2020)
Kuva 2.1 Gravitaatiovuorovaikutuksen aiheuttamat vetovoimat kappaleiden 𝑚1 ja 𝑚2 välillä. Voimat 𝐹1 ja 𝐹2 ovat yhtä suuret, mutta vastakkaissuuntaiset.
Kuten Kuvasta 2.1 nähdään, molempiin kappaleisiin vaikuttaa yhtä suuri, mutta vastakkaissuuntainen gravitaatiovoima. Jos esimerkiksi hyppäät pöydältä lattialle, Maan vetovoima saa sinut putoamaan kohti Maata. Yhtä suuri, mutta vastakkaissuuntainen voima vetää myös Maata kohti sinua, mutta Maan hyvin suuren massan vuoksi sen kiihtyvyys ja siten liike on merkityksettömän pieni. (Young & Freeman, 2020)
Gravitaatiovuorovaikutuksen hypoteettinen välittäjähiukkanen on gravitoni, joka on massaton, ja sen oletetaan toimivan vastaavasti kuin fotoni sähkömagneettisen säteilyn välittäjähiukkasena. Gravitonia ei oli vielä onnistuttu havaitsemaan kokeellisesti, sillä gravitaatiovuorovaikutus on huomattavasti heikompi kuin sähkömagneettinen vuorovaikutus. (Young & Freeman, 2020)
2.1.2 Sähkömagneettinen vuorovaikutus
Sähkömagneettinen vuorovaikutus on yksi standardimallin perusvuorovaikutuksista, ja sen välittäjähiukkanen on fotoni. Sähkömagneettisesta vuorovaikutuksesta ovat seurausta
7
kaikki sähköiset ja magneettiset ilmiöt. Lisäksi se pitää aineen koossa ja aiheuttaa kappaleiden ominaisuuksia ja niiden välisiä vuorovaikutuksia, kuten kimmoisuuden, kitkan ja tukivoiman. (Young & Freeman, 2020)
Sähkömagneettinen vuorovaikutus vaikuttaa kaikkien sähköisesti varattujen kappaleiden välillä ja sen aiheuttama voima voi olla luonteeltaan joko hylkivä tai vetävä. Tätä voimaa voidaan kuvata välittäjähiukkasten avulla, tai laajassa mittakaavassa kenttien avulla.
Coulombin laki kuvaa sähköistä voimaa, joka vaikuttaa kahden sähköisesti varatun pistevarauksen välillä
𝐹 = 𝑘|𝑞1𝑞2|
𝑟2 , (2.2)
missä k on Coulombin vakio, 𝑘 = 1
4𝜋𝜖0 = 8,98755 · 109 𝑁𝑚2
𝐶2 (missä 𝜖0 on sähkövakio eli tyhjiön permittiivisyys, 𝜖0 = 8,854 · 10−12 𝐶2
𝑁𝑚2), 𝑞1 ja 𝑞2 ovat hiukkasten sähkövaraukset ja r on hiukkasten välinen etäisyys. Kuvan 2.2 mukaisesti sähkömagneettinen vuorovaikutus aiheuttaa samanmerkkisten pistevarausten välille hylkimisvoiman, ja erimerkkisten pistevarausten välille vetovoiman. (Young & Freeman, 2020)
Kuva 2.2 Coulombin lain mukaiset samanmerkkisten varausten väliset hylkimisvoimat, sekä erimerkkisten varausten väliset vetovoimat.
Sähkövaraus on aineen tai hiukkasen ominaisuus, joka kertoo, kuinka suuri sähkökenttä sen ympärille muodostuu, tai kuinka voimakkaasti ulkoinen sähkökenttä vaikuttaa siihen.
8
Kappaleen sähkövaraus voi olla positiivinen tai negatiivinen. Samanmerkkisesti varautuneet kappaleet hylkivät toisiaan ja erimerkkisesti varautuneet kappaleet vetävät toisiaan puoleensa. SI-järjestelmän sähkövarauksen yksikkö on coulombi, C.
Sähkövaraus on kvantittunut suure ja pienin mahdollinen sähkövaraus on alkeisvaraus e, joka on suuruudeltaan 1,602176634 · 10−19 𝐶. Kaikki sähkövaraukset ovat tämän alkeisvarauksen moninkertoja. Protonin varaus on +e ja elektronin varaus on -e. (Young
& Freeman, 2020)
Useissa tilanteissa sähkömagneettista vuorovaikutusta on helpompi tarkastella kenttien avulla. Tarkastellaan ensin pelkästään yhtä pistemäistä sähkövarausta A, joka aiheuttaa ympärilleen sähkökentän. Kun tiettyyn paikkaan pistevarauksen A läheisyyteen tuodaan testivaraus B, havaitaan testivarauksessa pistevarauksen A muodostaman sähkökentän vaikutus. Tämä sähkökentän pistevaraukseen B aiheuttama voima on Coulombin lain mukaan suoraan verrannollinen pistevarausten A ja B sähkövarausten suuruuteen ja kääntäen verrannollinen niiden etäisyyden neliöön. (Young & Freeman, 2020)
Sähkökentän suuruus tietyssä pisteessä on sama kuin sähköinen voima alkeisvarausta kohden tässä pisteessä. Eli
𝑬 =𝑭0
𝑞0 (2.3)
missä E on sähkökentän suuruus, 𝑭0 on sähkökentän aiheuttama voima testivaraukseen ja 𝑞0 testivarauksen sähkövarauksen suuruus. Sähkökentän suunta on positiivisesta negatiiviseen varaukseen. Kaavasta (2.3) seuraa, että sähkökentän testivaraukseen aiheuttama voima on
𝑭0 = 𝑞0𝑬 (2.4)
Jos testivaraus 𝑞0 on positiivinen, niin voima 𝑭0 on samansuuntainen kuin kenttä 𝑬, ja testivarauksen ollessa negatiivinen, ovat voima ja sähkökenttä vastakkaissuuntaiset.
Hyödyntämällä yksikkövektoria r, voidaan kaavojen (2.2) ja (2.3) avulla kirjoittaa varauksen q ympärilleen muodostaman sähkökentän kaava vektorimuotoon
𝑬 = 1
4𝜋𝜖0 𝑞
𝑟2𝒓 (2.5)
9
missä q on pistevaraus, r on etäisyys pistevarauksesta pisteeseen, missä sähkökenttää tarkastellaan, ja r on yksikkövektori, jonka suunta on pistevarauksesta tarkastelupisteeseen. Määritelmän mukaan sähkökentän suunta on yksikkövektorin suuntainen, kun sähkökentän aiheuttama pistevaraus on positiivinen, ja vastakkaissuuntainen, kun pistevaraus on negatiivinen. (Young & Freeman, 2020) 2.1.3 Vahva vuorovaikutus
Vahvin kaikista perusvuorovaikutuksista on vahva vuorovaikutus. Kuten Taulukosta 2.1 nähdään, sen suhteellinen voimakkuus on yli satakertainen sähkömagneettiseen vuorovaikutukseen verrattuna. Vahvan vuorovaikutuksen vaikutusmatka on kuitenkin äärimmäisen lyhyt, noin yksi femtometri. Vahva vuorovaikutus ilmenee kvarkeista koostuvissa hadroneissa, kuten protoneissa ja neutroneissa, kvarkkien välisenä vetovoimana, joka sitoo kvarkit hadroneiksi. (Young & Freeman, 2020)
Atomin ydin koostuu nukleoneista, joita ovat positiivisesti varautunut protoni ja sähköisesti neutraali neutroni. Luvussa 2.1.2 todettiin, että samanmerkkisesti varautuneiden hiukkasten välinen sähkömagneettinen vuorovaikutus aiheuttaa niiden välille voimakkaan hylkimisvoiman. Tästä protonien välisestä hylkimisvoimasta huolimatta atomin ydin pysyy koossa. Tämä johtuu vahvasta vuorovaikutuksesta, joka sitoo ytimen protoneja toisiinsa. Atomiytimen koossa pysymiseen liittyen vahvasta vuorovaikutuksesta käytetään nimitystä ydinvoima, joka on vahvan vuorovaikutuksen nukleonien ulkopuolelle ulottuva jäännösvoima. Toisin kuin sähkömagneettinen vuorovaikutus, vahva vuorovaikutus ei riipu hiukkasen sähköisestä varauksesta, vaan se aiheuttaa vetovoiman myös neutronien välille, sekä protonin ja neutronin välille. (Young
& Freeman, 2020)
Vahvan vuorovaikutuksen vaikutusala ulottuu nukleonista vain sen lähimpiin naapurinukleoneihin. Suurissa ytimissä ytimen vastakkaisilla puolilla olevat nukleonit eivät siis tunne toistensa vahvan vuorovaikutuksen vetovoimaa, kun samalla ytimen protonien lukumäärä on suurempi, jolloin myös niiden välinen hylkimisvoima on suurempi. Osittain tästä johtuu se, että raskaammat ytimet ovat epästabiilimpia. Kaikkein stabiilein ydin on raudalla, jonka ytimessä on 26 protonia. (Young & Freeman, 2020) 2.1.4 Heikko vuorovaikutus
Neljäs, ja ehkä vähiten tunnettu perusvuorovaikutuksista on heikko vuorovaikutus. Sillä on kyky muuttaa hiukkanen toiseksi hiukkaseksi. Heikon vuorovaikutuksen
10
välittäjähiukkasia ovat 𝑊−, 𝑊+ ja Z. Nämä ovat erittäin massiivisia ja siten niiden vaikutusmatka erittäin lyhyt. Heikon vuorovaikutuksen seurausta on esimerkiksi beetahajoaminen, jota on olemassa kolme tyyppiä: beeta-miinus-hajoaminen (𝛽−), beeta- plus-hajoaminen (𝛽+), sekä elektronisieppaus. (Blatt, 1992)
𝛽−-hajoamisessa neutroni muuttuu protoniksi (toinen neutronin alas-kvarkeista muuttuu ylös-kvarkiksi) emittoimalla 𝑊−-bosonin, joka siroaa edelleen elektroniksi ja elektronin antineutriinoksi.
𝑛 → 𝑝 + 𝑒−+ ῡ𝑒 (2.6)
missä n on neutroni, p on protoni, 𝑒− on elektroni ja ῡ𝑒 elektronin antineutriino. (Blatt, 1992)
𝛽−-hajoamista tapahtuu yleisesti ytimissä, joissa neutronien määrä on suuri suhteessa protonien määrään. 𝛽−-hajoamisessa ytimen neutronien lukumäärä N pienenee yhdellä, protonien lukumäärä, eli järjestysluku Z kasvaa yhdellä ja massaluku A pysyy samana.
Yleisessä muodossa:
𝑍𝑋
𝐴 → 𝑍+1𝐴𝑋′ + 𝑒−+ ῡ𝑒 (2.7)
𝛽+-hajoamisessa protoni muuttuu neutroniksi (toinen protonin ylös-kvarkeista muuttuu alas-kvarkiksi). Tällöin emittoituu 𝑊+-bosoni, joka siroaa positroniksi 𝛽+ ja elektronin neutriinoksi 𝑣𝑒.
𝑝 → 𝑛 + 𝛽++ 𝑣𝑒 (2.8)
𝛽+-hajoaminen voi tapahtua ytimissä, joissa protoneja on paljon suhteessa neutroneihin.
𝛽+-hajoamisessa ytimen neutronien lukumäärä kasvaa yhdellä, protonien lukumäärä pienenee yhdellä ja massaluku pysyy samana.
𝑍𝑋
𝐴 → 𝑍−1𝐴𝑋′ + 𝑒++ 𝑣𝑒 (2.9) Elektronisieppauksessa suuren järjestysluvun omaavan atomin ydin voi siepata elektronin sisimmältä elektronikuorelta. Tämä elektroni reagoi ytimen protonin kanssa, jolloin protoni muuttuu neutroniksi ja samalla emittoituu elektronin neutriino.
11
𝑝 + 𝑒− → 𝑛 + 𝑣𝑒 (2.10)
Menetettyään yhden elektronin sisimmältä kuoreltaan, atomi on korkeaenergisellä viritystilalla, joka purkautuu välittömästi, kun ulommalta kuorelta siirtyy elektroni siepatun elektronin tilalle. Samalla vapautuu yksi tai useampia erittäin suurienergisiä fotoneita. (Young & Freeman, 2020)
Heikon vuorovaikutuksen vaikutusmatka on äärimmäisen lyhyt, vielä huomattavasti lyhyempi kuin vahvalla vuorovaikutuksella. Siten sen vaikutus ei ulotu nukleonien ulkopuolelle, vaan vain niiden kvarkit voivat kokea heikon vuorovaikutuksen. Heikon vuorovaikutuksen seurausta on tähtien nukleosynteesi, jossa kevyemmät alkuaineet fuusioituvat raskaammiksi alkuaineiksi ja samalla vapautuu energiaa sähkömagneettisena säteilynä. (Young & Freeman, 2020)
2.2 Aineen rakenne
Tässä luvussa käsitellään aineen rakennetta, ja tarkastellaan, miten eri perusvuorovaikutukset ilmenevät aineen pienimpien rakenneosien tasolla.
Aineeksi sanotaan substanssia, joka muodostaa havaittavat objektit ja koko maailmankaikkeuden. Kaikella aineella on massa ja tilavuus, ja se rakentuu alkuaineista, tai niiden muodostamista yhdisteistä. Alkuaine muodostuu atomeista, jonka rakenne on jokaiselle alkuaineelle ominainen. Atomin nimi tulee kreikan kielen sanasta atomos, joka tarkoittaa jakamatonta. Nykyään kuitenkin tiedetään atomin koostuvan pienemmistä osista: atomin ytimessä on positiivisesti varautuneita protoneita ja neutraaleita neutroneja, ja ytimen ympärillä on negatiivisesti varautuneita elektroneja. Näiden ominaisuuksia on esitelty Taulukossa 2.2. Sähkömagneettinen vuorovaikutus sitoo negatiivisesti varautuneet elektronit positiivisesti varautuneen ytimen ympärille. Atomin ytimen protonien määrä on sama kuin ydintä kiertävien elektronien määrä, joten atomien kokonaisvaraus on nolla. (Young & Freeman, 2020)
12
Taulukko 2.2 Atomin rakenneosien massat ja sähkövaraukset.
Massa Sähkövaraus
Protoni 1,672 622 · 10−27 𝑘𝑔 +1 e
Neutroni 1,674 927 · 10−27 𝑘𝑔 0 e
Elektroni 9,109 384 · 10−31 𝑘𝑔 -1 e
2.2.1 Atomin ydin
Atomin ydin koostuu positiivisesti varautuneista protoneista ja neutraaleista neutroneista.
Ytimen positiivisesti varautuneiden protonien välinen sähkömagneettinen vuorovaikutus aiheuttaa niiden välille hylkimisvoiman, mutta huomattavasti voimakkaampi vahva vuorovaikutus sitoo ytimen protonit ja neutronit yhteen. Kuten Taulukosta 2.2 nähdään, ytimen protonit ja neutronit ovat huomattavasti massiivisempia kuin elektronit, joten yli 99,9 % atomin massasta on keskittyneenä sen ytimeen. (Young & Freeman, 2020) Aineen alkuaine määräytyy sen atomien ytimen protonien lukumäärän mukaan, eli tietyn alkuaineen kaikilla atomeilla on sama määrä protoneja. Tätä lukumäärää sanotaan järjestysluvuksi (Z). Alkuaineiden jaksollisessa järjestelmässä alkuaineet on järjestelty kasvavan järjestysluvun mukaisesti. Esimerkiksi hiilellä on ytimessä kuusi protonia, joten sen järjestysluku on kuusi. (Young & Freeman, 2020)
Vaikka tietyn alkuaineen atomeilla on aina sama määrä protoneja, voi ytimen neutronien määrä vaihdella. Näitä rakenteeltaan erilaisia atomeja sanotaan alkuaineen isotoopeiksi.
Hiilellä on kaksi pysyvää isotooppia, hiili-12 ja hiili-13, sekä epävakaa isotooppi hiili-14.
Yleisin näistä on hiili-12, joka voidaan merkitä hiilen tunnuksen C avulla seuraavasti:
6𝐶
12 . Tässä merkinnässä alaindeksi kertoo atomin järjestysluvun Z, ja yläindeksi massaluvun A, joka saadaan, kun lasketaan atomin ytimen protonien ja neutronien lukumäärät yhteen. Ytimen neutronien lukumäärästä käytetään tunnusta N. (Young &
Freeman, 2020)
2.2.2 Alkeishiukkaset
Alkeishiukkasiksi kutsutaan hiukkasia, joilla ei nykytiedon valossa ole olemassa mitään pienempää sisäistä rakennetta. Protonit ja neutronit rakentuvat kumpikin kolmesta
13
alkeishiukkasesta, joita kutsutaan kvarkeiksi. Protoni koostuu kahdesta u-kvarkista, eli ylös-kvarkista (Eng. up quark) ja yhdestä d-kvarkista, eli alas-kvarkista (Eng. down quark). Neutroni taas koostuu yhdestä u-kvarkista ja kahdesta d-kvarkista. Myös elektroni on alkeishiukkanen ja kaikki tunnettu aine koostuu näistä kolmesta alkeishiukkasesta: u- kvarkki, d-kvarkki ja elektroni. Atomiytimen kvarkkien välillä vaikuttaa sekä vahva, että heikko vuorovaikutus. Vahva vuorovaikutus sitoo u- ja d-kvarkit protoneiksi ja neutroneiksi. Heikolla vuorovaikutuksella on kyky muuttaa toinen neutronin d-kvarkki u-kvarkiksi, jolloin neutroni muuttuu protoniksi, tai toinen protonin u-kvarkeista d- kvarkiksi, jolloin protoni muuttuu neutroniksi. (Young & Freeman, 2020)
FY01-kurssin kirjassa alkeishiukkasista käytetään nimitystä perushiukkanen, joten testissä ja tulosten tarkastelussa on käytetty tätä termiä.
2.3 Kosmologia
Tässä luvussa tarkastellaan alkuräjähdysteoriaa, maailmankaikkeuden alkuhetkien tapahtumia, alkuaineiden syntyä ja maailmankaikkeuden kehitystä nykyiseen tilaansa.
Luvussa käsitellään myös tähtien syntyä ja niiden elinkaaria, pimeää ainetta, pimeää energiaa, sekä maailmankaikkeuden kaukaista tulevaisuutta.
2.3.1 Alkuräjähdysteoria
Ensimmäiset havainnot laajenevasta maailmankaikkeudesta tulivat 1920-luvun lopulla, kun Edwin Hubble havaitsi, että galaksien lähettämän säteilyn spektriviivat ovat siirtyneet pidempien aallonpituuksien suuntaan. Mitä kaukaisempi galaksi oli kyseessä, sitä suurempi kyseinen punasiirtymä oli. Dopplerin ilmiön mukaan tästä seuraa se, että mitä kauempana galaksi on meistä, sitä suuremmalla nopeudella se etääntyy meistä.
Hubble tutki lukuisien kaukaisten galaksien punasiirtymiä ja tulokset johtivat Hubblen lakiin, joka voidaan punasiirtymän 𝑧 =𝜆−𝜆0
𝜆0 avulla kirjoittaa muotoon 𝑧 =𝐻
𝑐𝑟 (2.11)
missä H on Hubblen vakio, c valonnopeus ja r galaksin etäisyys. Koska galaksien etääntymisnopeus 𝑉 ≪ 𝑐, Dopplerin ilmiö voidaan kirjoittaa muotoon 𝑧 =𝑉
𝑐, jolloin Hubblen laki saadaan muotoon
14
𝑉 = 𝐻𝑟 (2.12)
Hubble havaitsi myös, että joka suunnassa kaukaiset galaksit loittonevat meistä, ja hyvin suuressa mittakaavassa tarkasteltuna maailmankaikkeus on homogeeninen, eli galakseja on keskimäärin yhtä tiheässä, ja isotrooppinen, eli suunnasta riippumaton. Tämä tarkoittaa, että emme ole mitenkään erityisessä asemassa, eräänlaisessa
”maailmankaikkeuden keskipisteessä”, vaikka joka suuntaan tarkasteltuna kaukaiset galaksit meistä loittonevatkin. Tästä käytetään nimitystä Kosmologinen periaate.
Hubblen laki ei ole sovellettavissa lähiavaruuteen, sillä tällöin lain mukainen nopeus on hyvin pieni ja paikallisten massakeskittymien, kuten galaksijoukkojen, gravitaation aiheuttamat nopeuden vaikutukset ovat suurempia. (Karttunen, Donner, Kröger, Oja &
Poutanen, 2000)
Hubblen vakion H suuruus on saanut eri mittauksissa hieman poikkeavia arvoja. Young
& Freedman (2020) käyttää arvoa 𝐻 = 68𝑘𝑚/𝑠
𝑀𝑝𝑐, eli kilometriä sekunnissa miljoonaa parsekia kohti (1 𝑝𝑐 = 3,26 𝑙𝑦).
Kun oli havaittu, että maailmankaikkeus laajenee, voitiin siitä tehdä johtopäätös, että se on ollut alussa erittäin pieni ja tiheä. Tästä muotoutui lopulta alkuräjähdysteoria, mikä on tämänhetkinen vallitseva maailmankaikkeuden syntyä ja kehitystä kuvaava teoria.
Hubblen lain mukaan etäisyydellä r oleva galaksi loittonee nopeudella 𝑉 = 𝐻𝑟. Matkan r kulkemiseen tarvittava aika t on
𝑡 = 𝑟
𝑉 = 𝑟
𝐻𝑟 = 1
𝐻= 4,5 × 1017𝑠 = 1,4 × 1010𝑦 (2.13) Tästä saatiin alkuräjähdyksen arvioiduksi ajankohdaksi 14 miljardia vuotta sitten.
Oletuksena on, että kaikki laajeneminen alkuräjähdyksen jälkeen on tasaista, eli esimerkiksi gravitaatiovuorovaikutuksen aiheuttamaa laajenemisen hidastumista ei oteta huomioon. (Young & Freeman, 2020; Karttunen ym., 2000)
2.3.2 Maailmankaikkeuden alkuhetket
Alkuräjähdysteoriaa tukevia havaintoja on löydetty useita (Hubblen laki, kosminen taustasäteily, kevyiden alkuaineiden runsaus maailmankaikkeudessa), joten siitä on muodostunut vallitseva maailmankaikkeuden syntyä ja kehittymistä kuvaava teoria. Tästä
15
huolimatta moniin, etenkin aivan kaikkeuden alkuhetkien tapahtumiin, liittyy avoimia kysymyksiä. (Young & Freeman, 2020)
Alkuräjähdysteorian mukaan maailmankaikkeus oli alussa äärimmäisen tiheä ja kuuma.
Alussa ei ollut hiukkasia eikä nykyisiä perusvuorovaikutuksia, vaan kaikki neljä vuorovaikutusta olivat sulautuneena yhdeksi kentäksi. Välittömästi alkuräjähdyksen jälkeen maailmankaikkeuden lämpötila ja tiheys alkoi laskea hyvin jyrkästi. 10−43 sekuntia alkuräjähdyksen jälkeen maailmankaikkeuden lämpötila oli noin 1032 𝐾 (kelviniä), ja hiukkasen keskimääräinen energia oli noin 𝐸 = 1019 𝐺𝑒𝑉. Energiatiheyden laskiessa gravitaatio erkaantui muista voimista, jotka muodostivat yhdessä suuren yhtenäisteorian mukaisen vuorovaikutuksen, maailmankaikkeus koostui kvarkki- ja leptonimassasta. 10−35 𝑠 alkuräjähdyksen jälkeen, kun lämpötila oli laskenut noin 1027 kelviniin ja hiukkasten energia oli 1014 𝐺𝑒𝑉:n luokkaa, vahva vuorovaikutus erkaantui sähkömagnetismin ja heikon vuorovaikutuksen muodostamasta sähköheikosta vuorovaikutuksesta. Kaikkeuden laajetessa ja vahvan vuorovaikutuksen erkaantuessa sähköheikosta vuorovaikutuksesta hiukkaset erkaantuivat toisistaan vahvan vuorovaikutuksen vaikutuksen ulottumattomiin, ja maailmankaikkeus laajeni hetkellisesti dramaattisella nopeudella. Tätä kutsutaan kosmiseksi inflaatioksi, erään mallin mukaan kaikkeus laajeni hetkeen 10−32 𝑠 mennessä jopa 1050-kertaiseksi. (Young
& Freeman, 2020)
Hetkeen 10−32 𝑠 mennessä oli muodostunut kvarkit, leptonit ja bosonit, sekä vuorovaikutusten välittäjähiukkaset gluonit, fotonit, ja 𝑊−-, 𝑊+- ja Z-bosonit.
Kaikkeuden laajenemisen jatkuessa ja lämpötilan laskiessa 1013 kelviniin, sähkömagneettinen vuorovaikutus erkaantui heikosta vuorovaikutuksesta aikavälillä 10−12𝑠 – 10−6𝑠. Kvarkit alkoivat yhdistyä muodostaen nukleoneja ja antinukleoneja.
Törmätessään toisiinsa nämä annihiloituivat energiaksi, mutta ainetta oli muodostunut alkuräjähdyksessä hieman enemmän kuin antiainetta, joten kaiken antiaineen annihiloiduttua jäljelle jäi aine, josta nykyinen maailmankaikkeus on rakentunut. Tästä käytetään nimitystä antimateria-materia-epäsymmetria. (Young & Freeman, 2020) Noin yksi sekunti alkuräjähdyksen jälkeen tärkein energiamuoto oli sähkömagneettinen säteily, ja lämpötila oli noin 1010 kelviniä. Kaikkeuden edelleen laajetessa lämpötilan ja energiatiheyden laskeminen mahdollisti protonien ja neutronien yhdistymisen keveiksi alkuaineiksi. Karttusen ym. (2016) mukaan on laskettu, että 100 sekuntia alkuräjähdyksen jälkeen protonien ja neutronien lukumäärien suhde oli 14:2. Heliumytimen muodostumiseen tarvitaan kaksi protonia ja neutronia, joten 4
⁄16= 25 % massasta
16
muodostui heliumytimiksi. Tämä vastaa hyvin nykyistä mitattua heliumin määrää maailmankaikkeudessa. Alkuräjähdyksen jälkeisissä ydinreaktioissa syntyi merkittäviä määriä vain isotooppeja 12𝐻, 𝐻13 , 24𝐻𝑒 ja 37𝐿𝑖. (Young & Freeman, 2020; Karttunen ym., 2000)
Seuraava kosmologian mittakaavassa merkittävä tapahtuma ajoittui noin 380 000 vuotta alkuräjähdyksen jälkeen, jolloin maailmankaikkeus oli laajetessaan jäähtynyt noin 3 000 kelviniin. Tällöin aiemmin vapaana liikkuneet sähköisesti varautuneet ytimet ja elektronit muodostivat neutraaleja atomeja, jolloin maailmankaikkeus muuttui läpinäkyväksi ja sähkömagneettinen säteily pääsi kulkemaan vapaasti. Tämä noin 3 000 kelvinin mustan kappaleen säteily täytti kaikkeuden ja tähän päivään mennessä se on punasiirtymän seurauksena muuttunut lyhytaaltoiseksi radiosäteilyksi. Tästä nykyään havaittavasta 2,7 kelvinin säteilystä käytetään nimitystä kosminen taustasäteily, ja se on yksi merkittävimmistä alkuräjähdysteoriaa tukevista havainnoista. (Young & Freeman, 2020) 2.3.3 Tähdet ja alkuaineiden synty
Alkuräjähdyksessä alkunsa saanut aine ei jostain tuntemattomasta syystä jakautunut täysin homogeenisesti laajenevaan maailmankaikkeuteen, joten pienet poikkeamat eri alueiden tiheyksissä saivat gravitaation vaikutuksesta aikojen saatossa aineen kasautumaan kohti näitä tihentymiä. Näiden massakeskittymien luhistuessa muodostui valtavia kaasupilviä, jotka lopulta gravitaation vaikutuksesta puristuivat hyvin tiiviiksi.
Kun tällaisen kaasupallon ytimen paine ja lämpötila kasvoi riittävän suureksi, alkoi vety fuusioitumaan heliumiksi ja tähti alkoi säteillä sähkömagneettista säteilyä. Ensimmäisten tähtien ympärille on myös voinut muodostua kaasuplaneettoja. Suuremmassa mittakaavassa laajasta massakeskittymästä muodostuneet tähdet alkoivat kiertää niiden yhteistä massakeskipistettä muodostaen galakseja. (Karttunen ym., 2000)
Ensimmäisissä tähdissä oli vain alkuräjähdyksessä syntyneitä keveimpiä alkuaineita.
Niiden vety alkoi fuusioitua heliumin isotoopiksi 24𝐻𝑒 monivaiheisten reaktioketjujen tuloksena. Esimerkiksi protoni-protoni-ketjussa kaksi vety-ydintä fuusioituu ensin deuteroniksi
1𝐻
1 + 𝐻11 → 𝐻12 + 𝑒10 ++ 𝑣 (2.14) Sitten deuteroni ja vety fuusioituvat helium-3:ksi
1𝐻
2 + 𝐻11 → 𝐻𝑒23 (2.15)
17
Lopulta He-4-isotooppi syntyy esimerkiksi fuusiossa
2𝐻𝑒
3 + 𝐻𝑒23 → 𝐻𝑒24 + 2 𝐻11 (2.16) Tähteen muodostuu tasapainotila fuusioreaktioiden ytimestä ulospäin aiheuttaman säteilypaineen ja tähteä kokoon puristavan gravitaation välille. Tätä vakaata vaihetta sanotaan pääsarjaksi, joka Auringon massaisella tähdellä kestää noin 10 miljardia vuotta.
(Karttunen ym., 2000)
Kun kaikki tähden vety on fuusioitunut, sen kohtalo riippuu massasta. Jos tähden massa on noin Auringon luokkaa, niin sen ytimen lämpötila mahdollistaa raskaampien alkuaineiden muodostumisen erilaisten ydinreaktioiden kautta hiileen 126𝐶 saakka. Tällöin vedyn loputtua tähden keskiosa puristuu kasaan ja kuumenee, mahdollistaen uusien ydinreaktioiden käynnistymisen, kun taas sen ulko-osat laajenevat ja viilenevät. Tähdestä muodostuu punainen jättiläinen, jonka ulko-osat leviävät lopulta avaruuteen muodostaen planetaarisen sumun. Tähden keskuksesta jää jäljelle tiivis, noin Maapallon kokoinen valkea kääpiö, jossa ei enää tapahdu ydinreaktioita, mutta se jatkaa lämpösäteilyn tuottamista. Tämä kohtalo tulee tapahtumaan Auringolle noin viiden miljardin vuoden kuluttua. (Karttunen ym., 2000)
Erittäin suurimassaisissa tähdissä alkuaineita voi fuusioitua aina rautaan 2656𝐹𝑒 saakka.
Tätä raskaampia ytimiä ei tähtien nukleosynteeseissä voi muodostua, sillä rautaa raskaampien alkuaineiden fuusioituminen vaatii energiaa, eikä vapauta sitä. (Karttunen ym., 2000)
Jos tähden massa on suurempi kuin noin 1,4 Auringon massaa, niin tähden ytimen romahtaessa siitä ei muodostu punaista jättiläistä, vaan sen ulko-osat räjähtävät erittäin suurienergisenä supernovana singoten ainetta avaruuteen. Tällöin tähden ydin luhistuu muutamien kymmenien kilometrien kokoiseksi neutronitähdeksi, joka koostuu pääasiassa neutroneista. Jos tähden massa on vielä suurempi, vähintään noin kolme kertaa Auringon massa, ytimen luhistuminen jatkuu äärimmäisen tiheään tilaan. Sen painovoima on niin voimakas, ettei edes sähkömagneettinen säteily pysty karkaamaan, mistä johtuu niiden nimi, musta aukko. Mustia aukkoja voidaan havaita vain niiden gravitaatiovuorovaikutuksen avulla. Lisäksi, jos mustaan aukkoon syöksyy lisää ainetta, voi mustan aukon havaita sen ympärille muodostuvasta kiekosta syntyvän säteilyn avulla.
Useimpien galaksien, kuten meidän Linnunratamme, keskuksessa uskotaan olevan supermassiivinen musta aukko. Niiden massa voi olla jopa kymmenen miljardia Auringon massaa. (Karttunen ym., 2000)
18
Supernovaräjähdyksissä, tai neutronitähtien törmäyksissä voi syntyä rautaakin raskaampia alkuaineita. Tällöin kyse on neutronisieppauksesta, jossa ydin absorboi neutronin, jolloin muodostuu kyseisen aineen raskaampi isotooppi.
0𝑛
1 + 𝑋𝑍𝐴 → 𝐴+1𝑍𝑋 (2.17)
Jos tämä muodostunut ydin on beeta-aktiivinen, niin yksi sen neutroneista voi muuttua heikon vuorovaikutuksen seurauksena protoniksi, jolloin ydin muuttuu raskaamman alkuaineen ytimeksi (Kaava 2.7). Vasta maailmankaikkeuden ensimmäisten tähtien elinkaarten lopussa avaruuteen levittämistä raskaammista alkuaineista on voinut muodostua kiviplaneettoja, kuten meidän Maapallomme. (Karttunen ym., 2000)
2.3.4 Pimeä aine
Pimeä aine on tuntematon substanssi, jonka luonnetta ei tiedetä. Sen ei ole havaittu absorboivan tai emittoivan sähkömagneettista säteilyä, mutta sitä voidaan havainnoida välillisesti sen aiheuttaman gravitaatiovuorovaikutuksen kautta. Tutkiessa tähtien liikkeitä kierteisgalakseissa, havaittiin, että niiden nopeudet eivät vastanneet nopeuksia, mitkä niillä pitäisi olla galaksien näkyvän aineen aiheuttaman gravitaatiovaikutuksen seurauksena. Kierteisgalaksien massa on keskittynyt sen keskusosan ympäristöön ja kauempana galaksin keskuksesta tähtien ja muun aineen tiheys pienenee jyrkästi. Tällöin tähden kiertonopeuden pitäisi olla sitä pienempi, mitä kauempana galaksin keskuksesta se on. Havaintojen mukaan näin ei kuitenkaan ole, vaan tähtien nopeus pysyy kutakuinkin vakiona. Tästä seuraa, että galakseissa on oltava jotain näkymätöntä ainetta, joka vaikuttaa tähtien liikkeeseen. (Karttunen ym., 2000)
Kosmisessa taustasäteilyssä on havaittu pieniä lämpötilan vaihteluita, mikä myös selittyy pimeän aineen olemassaololla. Nykytiedon mukaan pimeän aineen osuus kaikesta maailmankaikkeuden energiasta on noin 26 %, kun tavallisen näkyvän aineen osuus on noin 5 %. (Karttunen ym., 2000)
2.3.5 Pimeä energia
1990-luvulla saatiin ensimmäistä kertaa mitattua tarkasti hyvin kaukaisten galaksien etäisyys ja punasiirtymä. Kaikkein kaukaisimmista havaittavissa olevista galakseista saapuva valo on matkannut miljardeja vuosia, ja havaitsemme ne sellaisina kuin ne ovat olleet valon lähtemishetkellä. Jos maailmankaikkeuden laajeneminen on gravitaation
19
vaikutuksesta hidastunut, ovat kaukaiset galaksit valon lähtemishetkellä loitontuneet meistä nopeammin kuin nyt, joten niiden punasiirtymien pitäisi olla Hubblen lain mukaista suurempia. Mittaustulos oli yllättävä, sillä kaukaisten galaksien valon punasiirtymät osoittautuivat Hubblen lain ennustamaa pienemmiksi. Tämä tarkoittaa sitä, että varhaisessa maailmankaikkeudessa, valon lähtiessä kaukaisista galakseista, maailmankaikkeuden laajeneminen oli hitaampaa kuin nyt, joten laajeneminen on hidastumisen sijaan nopeutunut. Gravitaatiovuorovaikutuksen aiheuttama vetovoima pyrkii hidastamaan maailmankaikkeuden laajenemista, joten on olemassa jokin energia, joka aiheuttaa laajenemisen kiihtymisen. Tätä tuntematonta energiaa kutsutaan pimeäksi energiaksi, ja laskujen mukaan se sisältää 69,0 % kaikesta maailmankaikkeuden energiasta. (Young & Freedman, 2020)
2.3.6 Maailmankaikkeuden tulevaisuus
Nykyisiä malleja maailmankaikkeuden synnystä ja kehityksestä voidaan käyttää myös ennustamaan maailmankaikkeuden tulevaisuutta. Nämä mallit antavat kaksi erilaista kohtaloa maailmankaikkeudelle. Niistä ensimmäistä sanotaan loppuluhistumiseksi tai loppurysäykseksi. Sen mukaan maailmankaikkeuden laajeneminen lopulta pysähtyy, ja gravitaation vaikutuksesta kaikkeus alkaa pienenemään. Maailmankaikkeuden supistuessa tiheys ja säteilyn lämpötila kasvavat, eli se käy alkuräjähdysteorian esittämät vaiheet läpi käänteisessä järjestyksessä. Lopulta kymmenien miljardien vuosien kuluttua maailmankaikkeus päätyy vastaavaan tilaan, mikä vallitsi välittömästi alkuräjähdyksen jälkeen. Teorioiden mukaan maailmankaikkeus voisi aloittaa uuden laajenemisen, etenkin jos se välttää singulariteetin. Singulariteetti on teoreettinen tila, missä aine on pakkautunut yhteen pisteeseen, jonka tiheys on ääretön. Nykyiset fysiikan lait eivät päde tällaisessa tilassa, missä jokin suure on ääretön, joten tämän tilan fysiikan ennustaminen on nykytiedon valossa mahdotonta. (Karttunen ym., 2000)
Toisen, suositummaksi nousseen teorian mukaan maailmankaikkeuden laajeneminen jatkuu pimeän energian vaikutuksen vuoksi äärettömiin. Kaikkeuden laajetessa taivaankappaleiden väliset etäisyydet kasvavat, lopulta tähtien säteilyn aikaansaavat ydinreaktiot loppuvat ja tähdet sammuvat. Maailmankaikkeuden lämpötilaerot tasoittuvat ja lämpötila laskee äärimmäisen lähelle absoluuttista nollapistettä. Tästä kohtalosta käytetään nimitystä lämpökuolema. Maailmankaikkeuden kohtaloon liittyvät teoriat ovat hyvin epävarmoja, sillä jotkut nykyiset kosmologiset havainnot ovat vielä luonteeltaan
20
tutkijoille suuri mysteeri, kuten vasta parikymmentä vuotta sitten löydetty pimeä energia.
(Karttunen ym., 2000)
21
Luku III
3
Aiempia tuloksia opetukseen liittyvistä tutkimuksista
Tässä luvussa käsitellään kosmologian ja aineen rakenteen tutkimukseen liittyvää aiempaa kirjallisuutta, sekä esitellään niissä saatuja tuloksia.
3.1 Aiemmat tutkimukset kosmologisista aiheista
Tähtitiede on yksi vanhimmista tunnetuista tieteenaloista, ja sen opetukseen liittyvää tutkimusta on runsaasti jo 1900-luvun alkupuolelta saakka. Yleisimpiä tutkimuksen aiheita ovat olleet opiskelijoiden käsitykset sellaisista teemoista kuin Maan ja Kuun liike, Kuun vaiheet, vuorokauden ja vuodenajat ja Aurinkokunta. (Bailey & Slater, 2004) Kosmologian opetukseen liittyvää tutkimusta taas ollut hyvin niukasti ennen 2000-lukua.
Kosmologiaan liittyvät teemat ja uudet havainnot ovat kuitenkin hyvin suosittuja uutisaiheita ja ne ovat merkittävässä osassa tieteen yleistajuistamisessa. Baileyn mukaan opiskelijoiden kosmologian käsitysten ymmärtäminen voisi edistää tähtitieteen opetuksen tutkimusta ja kehitystä. (Bailey ym., 2012)
Prather, Slater ja Offerdahl (2002) toteuttivat tutkimuksen, jossa selvitettiin lähes tuhannen keskikoulun (Eng. middle school), lukion ja korkeakoulun opiskelijan käsityksiä alkuräjähdyksestä. Ensimmäiseltä opiskelijaryhmältä kysyttiin, olivatko he kuulleet alkuräjähdyksestä, ja jos olivat, heidän piti kuvailla sitä. Tuloksista selvisi, että yli puolet vastaajista, jotka olivat kuulleet alkuräjähdyksestä, kuvailivat sen järjestäneen jo olemassa olleen aineen. Tutkiakseen tätä pidemmälle, toista opiskelijaryhmää pyydettiin kuvailemaan, mitä tapahtui tai oli olemassa ennen alkuräjähdystä. Lähes 70 % vastaajista totesi, että ainetta oli olemassa ennen alkuräjähdystä. Prather, Slater ja
22
Offerdahl tulkitsivat tästä, että monilla opiskelijoilla oli käsitys, että ”mitään ei voi tehdä tyhjästä”. Tämä tulos osoitti, että monilla korkeakouluopiskelijoilla oli ennakkokäsityksiä, jotka olivat ristiriidassa nykypäivän fysiikan ja kosmologian teemojen kanssa, ja haittasivat näiden sisäistämistä. Vastaajista, jotka olivat kuulleet alkuräjähdyksestä, 27 % keskikoululaisista, 48 % lukiolaisista ja 54 % korkeakouluopiskelijoista kuvaili alkuräjähdyksen olevan maailmankaikkeuden syntyä kuvaava teoria. Vastaavasti 37 %, 28 % ja 25 % opiskelijoista kuvaili alkuräjähdyksen olevan aurinkokunnan tai Maapallon syntyyn liittyvä teoria. (Prather, Slater & Offerdahl, 2002)
Wallace, Prather ja Duncan (2012) toteuttivat syksyn 2009, kevään 2009 ja syksyn 2010 aikana tutkimuksen, johon osallistui kaikkiaan 2 318 opiskelijaa ennen tähtitieteen kursseille osallistumista. Tutkimuksessa ilmeni, että vain 18 % syksyn 2009, 32 % kevään 2009 ja 27 % syksyn 2010 testiin osallistuneista opiskelijoista kuvaili maailmankaikkeuden fyysisesti laajenevan, kun heitä pyydettiin kuvailemaan, mitä maailmankaikkeuden laajeneminen tarkoittaa. Pieni osa vastaajista jopa totesi, että sen fyysinen laajeneminen on mahdotonta, ja ”maailmankaikkeuden laajeneminen” (Eng.
”expansion of the universe”) olisi vain kielikuva siitä, miten meidän tietämyksemme maailmankaikkeudesta kasvaa ajan mukaa. Näiden vastausten osuus vaihteli 12 ja 21 prosentin välillä eri lukukausina. Osa vastaajista taas totesi maailmankaikkeuden laajenemisen liittyvän jotenkin uusien kappaleiden syntymiseen ajan kuluessa (14–16 %).
(Wallace, Prather & Duncan, 2012)
3.2 Aiemmat tutkimukset aineen rakenteesta
Aineen pienimpiin rakenneosiin liittyvät käsitteet, kuten atomirakenne ja aineen hiukkasluonne ovat luonteeltaan abstrakteja. Tämän vuoksi opiskelijoiden on vaikea hahmottaa näitä mikrokosmoksen käsitteitä (Harrison & Treagust, 1996). Taber (2003) toteutti 15 korkeakouluopiskelijan kanssa edistyneen kemian kurssilla tutkimuksen, joka keskittyi metallien sidoksiin ja rakenteeseen. Tutkimuksessa Taber pohti aiemman tiedon ja opittujen mallien merkitystä uuden oppimisessa. Vertaamalla opiskelijoiden oppimista heidän aiempaan tietoonsa ja käsitteisiinsä, Taber totesi, että aiemmin opittu tieto voi joko toimia siltana, joka tukee uuden tiedon oppimista, tai olla esteeksi, joka johtaa virhekäsityksiin. Tämä tulos korostaa aiemmin opitun tiedon ja oikeiden mallien merkitystä uuden tiedon rakentumisessa. (Harrison & Treagust, 1996; Taber, 2003)
23
Ben-Zvi, Eylon ja Silberstein (1986) tutkivat israelilaisten 10. luokan opiskelijoiden ymmärrystä aineen atomimalleista, rakenteesta ja ominaisuuksista. 46,2 %:lla opiskelijoista oli vaikeuksia ymmärtää eroa aineen ja sen yksittäisen atomin ominaisuuksissa. Lisäksi 66,3 % opiskelijoista ilmaisi, että atomilla on erilaiset ominaisuudet sen mukaan, missä olomuodossa atomeista koostuva aine on. Tämä vahvisti Ben-Zvin, Eylonin ja Silbersteinin käsitystä siitä, että opiskelijoille kehittyy usein väärinkäsityksiä aineen ja molekyylien hiukkasluonteesta, sillä heillä on intuitiivinen käsitys aineesta jatkuvana ja tasaisena substanssina. Tutkijaryhmä toteutti opetuskokeilun, jossa atomirakenteen teorian yhteyteen sisällytettiin katsaus atomiteorian kehityksen historiaan. Tämä atomimallin opetus kehittyvänä ja tarkentuvana mallina auttoi opiskelijoita paremmin ymmärtämään atomin rakenteen luonnetta ja aineen rakennetta, sekä niiden eroja. (Ben-Zvi, Eylon & Silberstein, 1986)
3.3 Aiemmat tulokset testin kosmologiaan liittyvistä tehtävistä
Baileyn ym. (2012) artikkelin käsittelemässä tutkimuksessa oli kolme erilaista tehtäväkokonaisuutta, joissa kysyttiin osittain myös samoja asioita, mutta tehtäviä oli muokattu eri muotoon. Tehtäviä merkittiin kirjain-numeroyhdistelmillä. Esimerkiksi kevään 2009 testin tehtävä A*1 kuului: ”Kuvaile jokaista seuraavista: galaksi, tähdistö, aurinkokunta, maailmankaikkeus. Liittyvätkö nämä jotenkin toisiinsa? Jos liittyvät, niin miten?” (Eng. “Describe each of the following: Galaxy, Constellation, Solar System, Universe. Are any of these related? If so, how?”) Tutkijat huomasivat, että opiskelijat vastasivat vain osaan tehtävissä kysytyistä asioista, ja vastaukset olivat hyvin lyhyitä.
Tämän vuoksi tutkijat muokkasivat tehtävänasettelut ja jaottelut selkeämmiksi, saadakseen laajempia ja helpommin analysoitavia vastauksia. Tämä oli todettu toimivaksi menetelmäksi aiemmassa tutkimuksessa (Bailey, Prather, Johnson & Slater, 2009; Bailey ym., 2012)
Vastaava kysymys oli syksystä 2009 kevääseen 2011 käytetyssä toisessa tehtäväkokonaisuudessa merkitty A1 ja se kuului: ”Kuvaile jokaista seuraavista käsitteistä: a) galaksi: b) aurinkokunta c) maailmankaikkeus: d) Kuvaile mahdollisia suhteita näiden kolmen välillä.” (Eng. Describe each of the following terms: a) Galaxy:
b) Solar System: c) Universe: d) Describe any relationships that may exist among any of these three things.”) Uudelleen muotoiltuun tehtävänasetteluun tutkijat saivat tarkempia vastauksia, ja niiden analysointi oli helpompaa. (Bailey ym., 2012)
24
Tehtävien A*1 ja A1 osalta artikkelissa tarkastellaan vain jälkimmäisen tehtävän vastauksia. Osassa tehtävistä samaan tarkasteluun on taas otettu kahden eri tehtäväkokonaisuuden vastaukset, vaikka tehtävänasettelu olikin hieman poikkeava, esimerkiksi tehtävät A*2 ja A2, jotka koskivat alkuaineiden syntyä. (Bailey ym., 2012) Tehtävässä A1 vastaukset (N = 199) luokiteltiin kategorioihin ”riittävä määritelmä”,
”heikko määritelmä”, ”väärä tai epäselvä määritelmä”, sekä ”ei vastausta/epätieteellinen”. Aurinkokunnan määritelmään vastaukset jakautuivat edellä mainitussa järjestyksessä kategorioihin 64,8 %, 22,1 %, 9,5 % ja 3,5 %. Galaksin määritelmän vastaukset jakautuivat 64,8 %, 13,6 %, 12,1 % ja 9,5 %, ja maailmankaikkeuden määritelmän vastaukset 75,4 %, 14,1 %, 4,0 % ja 6,5 %. Näiden keskinäisiä suhteita kysyttäessä ”heikko määritelmä” -kategoriaa ei käytetty. Riittäviä määritelmiä oli 61,3 %, vääriä 26,1 % ja 12,6 % opiskelijoista ei vastannut, tai antoi epätieteellisen vastauksen. (Bailey ym., 2012)
Tehtävissä E2 ja F2 opiskelijoita pyydettiin määrittelemään valovuosi (N = 443). 54,9 % opiskelijoista määritteli valovuoden olevan etäisyyden mitta, mutta vain 26,2 % antoi riittävän määritelmän, ”matka, jonka valo kulkee vuodessa”. 28,0 % kuvaili valovuotta ajan yksiköksi, ja 8,8 % nopeudeksi. Lisäksi 12,4 % antoi vastauksen, jossa oli selvä ristiriita, kuten valovuoden kuvailu sekä valon nopeudeksi, että matkaksi. (Bailey ym., 2012)
Tehtävissä A*2 ja A2 kysyttiin missä alkuaineet ovat syntyneet, sekä kuvailemaan, jos maailmankaikkeudessa on jotain, mikä ei koostu alkuaineista (N = 251). 20,7 % vastauksista sisälsi maininnan alkuräjähdyksestä, 6,8 % tähtien nukleosynteesin ja 4,0 % supernovat alkuaineiden syntyyn liittyen. 52,6 % opiskelijoista vastasi, ettei tiedä, tai jätti vastaamatta tähän osioon. Pyydettäessä opiskelijoita kuvailemaan, onko maailmankaikkeudessa jotain, joka ei koostu alkuaineista, jopa 83,7 % ei tiennyt, tai jätti kokonaan vastaamatta. 8,8 % vastasi, että kaikki maailmankaikkeudessa koostuu alkuaineista, ja 7,6 % antoi vastauksessaan vähintään yhden asian, joka vastaajan mielestä ei koostunut alkuaineista. Näitä olivat esimerkiksi pimeä aine, energia ja sähkö. (Bailey ym., 2012)
Tehtävässä C2 pyydettiin kuvailemaan pimeää ainetta (N = 186). 26,9 % ei yrittänyt antaa vastausta. 12,4 % kuvaili pimeää ainetta ”aineeksi, joka ei ole näkyvää”. Loput vastauskategoriat keräsivät kukin alle 10 % vastauksista, näitä oli esimerkiksi mustat
25
aukot (8,6 %), avaruus (7,5 %) ja antiaine (6,5 %). Samassa tehtävässä pyydettiin kuvailemaan myös pimeää energiaa. 7,5 % vastasi mustat aukot, 7,0 % kuvaili pimeän energian olevan pimeään aineeseen liittyvää energiaa ja 5,4 % kutsui sitä
”näkymättömäksi energiaksi”. 3,8 % vastaajista yhdisti pimeän energian maailmankaikkeuden laajenemiseen, joskin keskimäärin epätarkasti, ja 41,9 % jätti vastaamatta tähän tehtävään. (Bailey ym., 2012)
Tehtävissä A*3 ja C1 opiskelijoita (N = 219) pyydettiin määrittelemään alkuräjähdys, sekä kertomaan, mitkä havainnot tukevat alkuräjähdysteoriaa. Tehtävän ensimmäisen osan vastauksista 49,8 % sisälsi maininnan jonkinlaisesta räjähdyksestä, 85,4 % yhdisti alkuräjähdyksen jonkin muodostumiseen tai syntymiseen. Näitä olivat esimerkiksi maailmankaikkeus, Maapallo, elämä ja aine. 9,1 % vastaajista kertoi alkuräjähdyksen aloittaneen maailmankaikkeuden laajenemisen ja 11,0 % kuvaili alkuräjähdykseen liittyvän kappaleiden tai hiukkasten väliset törmäykset. Näitä vastauksia on esitelty tarkemmin Kuvassa 6.1. Alkuräjähdysteoriaan liittyvistä havainnoista yleisin oli maailmankaikkeuden laajeneminen, joka oli mainittu 14,6 % vastauksista. Kosmisen taustasäteilyn oli maininnut vain 1,4 % opiskelijoista, ja kolmatta olennaista havaintoa, eli kevyiden alkuaineiden runsautta maailmankaikkeudessa, ei mainittu yhdessäkään vastauksessa. 8,7 % vastaajista vetosi asiantuntijoihin todisteena alkuräjähdyksestä, 5,5
% kertoi, ettei alkuräjähdysteorialle oli todisteita. 22,4 % vastaajista totesi erilaisten kappaleiden tai elämän olevan todiste alkuräjähdyksestä, ja 33,3 % ei yrittänyt antaa vastausta. (Bailey ym., 2012)
Tehtävissä B*3 ja B2 opiskelijat (N = 239) vastasivat kolmeen kysymykseen: ”Onko maailmankaikkeudella ikä?”, ”Mistä me tiedämme sen?” ja ”Jos maailmankaikkeudella on mielestäsi ikä, niin mikä sen ikä on?” Ensimmäiseen kysymykseen 59,0 % opiskelijoista vastasi, että maailmankaikkeudella on äärellinen ikä, 26,4 % sanoi maailmankaikkeuden olleen aina olemassa, tai antoi iäksi ääretön, ja 14,6 % ei vastannut tai antoi ristiriitaisen vastauksen. Toiseen kysymykseen 21,3 % opiskelijoista ei yrittänyt vastata, 17,6 % totesi, ettei ole mahdollista tietää ikää, 12,6 % vastaajista vetosi auktoriteetteihin, kuten opettajaan, ja 11,3 % kertoi maailmankaikkeuden saaneen alkunsa alkuräjähdyksestä. Kolmanteen kysymykseen 11,3 % vastasi maailmankaikkeuden iäksi 13–15 miljardia vuotta, 18,4 % miljardeja vuosia, 7,5 % biljoonia vuosia, 2,9 % miljoonia vuosia ja 2,5 % alle 20 tuhatta vuotta. 28,5 % ei yrittänyt vastata ja 20,5 % vastasi maailmankaikkeuden olleen aina olemassa, tai antoi iäksi ääretön. (Bailey ym., 2012)
26
Luku IV 4 Tutkimuksen toteutus
Tässä luvussa tarkastellaan tutkimuksen tavoitteita, aineiston keruuta ja esitellään tarkasteltavat tutkimuskysymykset. Lisäksi luvussa esitellään tutkimuksessa käytettyä testiä ja sen laatimista sekä aineiston analysointia.
4.1 Tutkimuskysymykset
Tutkimuksen tarkoituksena oli tutkia suomalaisten lukiolaisten ymmärrystä kosmologiasta, luonnon rakenteista ja perusvuorovaikutuksista. Näitä asioita käsitellään lukion pakollisella fysiikan kurssilla FY01, Fysiikka luonnontieteenä. Tutkimuksessa tarkastellaan lukiolaisten yleistä osaamista kyseisistä aiheista, sekä vertaillaan miten opiskelijat, jotka aikovat kirjoittaa fysiikan ylioppilaskokeen suoriutuvat verrattuna niihin opiskelijoihin, jotka eivät fysiikkaa aio kirjoittaa. Lisäksi vertaillaan Suomen lukiolaisten testin tuloksia Yhdysvalloissa toteutettujen testien tuloksiin.
Tutkimuskysymykset ovat:
1. Kuinka suomalaiset lukio-opiskelijat suoriutuivat testissä yleisesti?
2. Kuinka opiskelijat, jotka aikoivat suorittaa fysiikan ylioppilaskokeen, suoriutuivat testissä verrattuna niihin, jotka eivät aikoneet suorittaa fysiikan ylioppilaskoetta?
3. Kuinka suomalaiset lukio-opiskelijat suoriutuivat kosmologiaan liittyvistä tehtävistä verrattuna yhdysvaltalaisiin opiskelijoihin?
27
4.2 Aineiston kerääminen
Tutkimuksen kohderyhmänä oli suomenkielisten lukioiden opiskelijat. Testi lähetettiin sähköpostilla 21 satunnaisesti valittuun lukioon 56 fysiikan aineenopettajalle.
Sähköpostissa oli linkki Google Forms -alustalla toteutettuun testiin, ohjeet testin toteutukseen, sekä lyhyt selvitys tutkimuksesta, johon testi liittyy. Testin vastaukset kerättiin kevättalvella 2021.
Opiskelijat vastasivat testiin nimettömästi, mutta heitä pyydettiin antamaan tutkimuksessa tarvittavat taustatiedot. Pakolliset taustatietokysymykset olivat:
1. Millä paikkakunnalla opiskelet?
2. Missä lukiossa opiskelet?
3. Opiskeletko LUMA-painotteisella linjalla?
4. Mitä fysiikan kursseja olet suorittanut?
5. Aiotko suorittaa fysiikan ylioppilaskokeen?
Neljännessä kysymyksessä opiskelija merkitsi, mitkä fysiikan kursseista FY01 – FY07 opiskelija on suorittanut, sekä mahdolliset muut suoritetut fysiikan kurssit. Näitä oli Fysiikan työkurssi (2 kpl) sekä Tähtitiede (1 kpl). Viidennessä kysymyksessä vastausvaihtoehtoina oli: ”Kyllä”, ”Ei”, ”En tiedä” ja ”Olen jo suorittanut”. Pakollisten taustatietokysymysten jälkeen opiskelija pääsi vastaamaan itse testin tehtäviin.
4.3 Tutkimuksessa käytetty testi
Tässä luvussa tarkastellaan tutkimuksessa käytettyä testiä ja sen laatimista, sekä esitellään yhdysvaltalaista kosmologiaan liittyvää tutkimusta, jota hyödynnettiin testin laatimisessa.
Suomalaisille opiskelijoille pidetyn testin tehtävät on esitelty Liitteessä A. Testin tehtävät 1.–15. liittyivät kosmologiaan, ja ne oli suomennettu suoraan artikkelissa ”A Multi- Institutional Investigation of Students’ Preinstructional Ideas About Cosmology” (Bailey ym., 2012) käsitellystä tutkimuksesta. Kaikki kosmologiaan liittyvät kysymykset olivat avoimia kysymyksiä, eli opiskelija kirjoitti vastauksensa omin sanoin.
Baileyn ym. (2012) artikkelissa esitellyn tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää ylioppilaiden käsityksiä kosmologian opetussisällöistä ennen korkeakoulun tähtitieteen kursseja. Tutkimuksen tuloksia oli tarkoitus hyödyntää tähtitieteen johdantokurssin
28
opetuksen kehittämisessä. Artikkeli käsitteli yhtä näkökulmaa laajemmasta tutkimuskokonaisuudesta, johon vastasi kaikkiaan 1270 opiskelijaa; sen tehtävät liittyivät valovuoden määritelmään sekä maailmankaikkeuden rakenteeseen, koostumukseen ja muutokseen. Tutkimustehtävien laatimiseen osallistui tiedekasvatuksen tutkija ja kosmologi, jotka laativat tehtävät opetussuunnitelman kehittämishankkeen tavoitteita ja kurssikirjallisuutta hyödyntäen. Tutkimukset toteutettiin kevään 2009 ja kevään 2012 välillä 15 kosmologian johdantokurssin yhteydessä viidessä eri koululaitoksessa Yhdysvalloissa (urban community college, regional Christian college, urban minority- serving university, regional state college, urban research-intensive university). Jokaisen lukukauden jälkeen tutkimuksen tehtäviä muokattiin, tavoitteena saada tehtävänasettelut mahdollisimman yksiselitteisiksi. (Bailey ym., 2012)
Baileyn ym. (2012) artikkelin testien tuloksia tarkasteltiin Glaserin ja Straussin (1967) kehittämän grounded theory -nimisen menetelmän mukaisesti: vastauksia analysoi useampi tutkija, jotka itsenäisesti dokumentoivat vastauksissa esiintyneitä teemoja.
Lopulta tutkijat vertailivat teemojaan keskenään ja laativat yhdessä jokaiseen tehtävään kategoriat, joihin kussakin vastauksessa esiintyneet teemat luokiteltiin. Jotkut teemojen luokittelut olivat yhdenmukaisia useammassa tehtävässä, kun taas joihinkin tehtäviin laadittiin juuri siihen sopivat teemat ja luokittelut. (Bailey ym., 2012; Glaser & Strauss, 1967)
Perusvuorovaikutuksiin ja luonnon rakenteisiin liittyvät tehtävät 16.–22. laadittiin FY01 -kurssin sisältöjen perusteella. Näistä osa oli avoimia kysymyksiä ja osa monivalintatehtäviä, joissa piti antaa oikeat vastaukset valmiista vaihtoehdoista. Tähän tutkimukseen valikoitiin Baileyn ym. (2012) artikkelissa esitellyistä tehtävistä sellaiset, jotka vastaavat mahdollisimman hyvin FY01-kurssin opetussisältöjä.
Lisäksi syksyllä 2020 toteutettiin FY01-kurssin lopussa testin ensimmäinen versio, johon vastasi seitsemän opiskelijaa (N = 7). Testin tarkoituksena oli selvittää, ovatko kosmologian tehtävien suomennokset selkeitä ja ovatko tehtävät yksikäsitteisiä, sekä varmistua Google Forms -alustan toimivuus tiedonkeruun ja vastausten käsittelyn osalta.
Tämän testin tulosten ja opiskelijapalautteen perusteella tehtäviä muokattiin selkeämpään ja paremmin jäsenneltyyn muotoon. Esimerkiksi tehtävä ”Kuvaile mahdollisimman tarkasti atomin rakenne. Mistä perushiukkasista atomi koostuu, ja mitkä vuorovaikutukset ovat vallitsevia?” poistettiin, ja sen tilalle laadittiin tehtävät 18.–20., ks. Liite A.
