tiistai 30. lokakuuta 2018

Ihmeellinen mittakaava

Lueskelen juuri junassa varsin mainiota kirjaa. Se on Geoffrey Westin Skaala. Elämän ja kuoleman universaalit lait eliöissä, suurkaupungeissa ja yhtiöissä (Terra Cognita 2017). West on veteraanifyysikko, joka alkoi kiinnostua myös biologiasta. Häntä kiinnosti, onko biologiassa löydettävissä lakeja, jotka toisivat sen vastaavalle tasolle kuin fysiikan. Siis ”oikeaksi” eli kvantitatiiviseksi tieteeksi, missä asioita voidaan kuvata matemaattisilla laeilla ja missä voidaan laatia matemaattisiin yhtälöihin perustuvia malleja. West oli muutaman kollegansa kanssa etsinyt eksaktia biologiaa jo useamman vuosikymmenen, ja alkoihan sitä löytyä, tosin odottamattomasta suunnasta. Todellisen tiedemiehen tavoin West myös tunnustaa olleensa väärässä biologian suhteen. Aloittaessaan työnsä hän toimi siis virheellisten oletusten pohjalta. Mutta niin kuin elämässä käy, rehellisellä työllä ja asenteella asiat alkavat selvitä. Skaala kertoo lukijoille tästä älyllisestä tutkimusretkestä selkeäsanaisesti ja kiehtovasti. 

Aloittaessaan työnsä West ajatteli raivaavansa neitseellistä aluetta. Vähitellen paljastui, että alue ei suinkaan ole täysin tutkimaton. Pikemminkin kävi niin, että hän törmäsi joukkoon tutkijoita ja julkaisuja, jotka käsittelivät asiaa ja esittivät radikaaleja ja loistavia tuloksia. Nuo työt olivat vain olleet tieteen marginaalissa. Hieman outoja ja syrjässä, ja siksi vähällä huomiolla. Kukaan ei vain ollut koonnut niistä synteesiä. West tarjoaa tällaisen synteesin, mutta edelleen se kärsii luokitteluongelmasta. Kyseessä on systeemitiede, jonka teemoja ovat kompleksisuus eli monimutkaisuus ja epälineaariset riippuvuudet, kaaosteoria. Ja ehkä vielä jotain muuta. 

Alan klassikoista West löytää ilman muuta D'Arcy Wentworth Thompsonin (1860–1948) ylistetyn teoksen On Growth and Form. Samoin hän käsittelee fraktaalitutkija Benoît Mandelbrotin (1924-2010) työtä. Hieman outoja aukkoja kirjasta kuitenkin löytyy. Ilman mainintaa jäi Ludwig von Bertalanffyn (1901 –1972) General systems theory. Mielestäni aiheeseen liittyy olennaisesti myös Alfred J. Lotkan (1880 – 1949) ainutlaatuinen tutkielma Elements of Physical Biology (1925). Samoin kaipasin Alan Turingin (1912 – 1954) uraauurtavaa artikkelia The Chemical Basis of Morphogenesis (1952). Mutta mitäpä näistä puutteista. Eihän West ollut tekemässä kattavaa katsausta, vaan dokumentoimassa omaa löytöretkeään. Mainitsin nämä puuttuvat tiedonlähteet lähinnä vinkeiksi lukijoille. 

Westin kirjan aineisto oli minulle suurelta osin tuttua, mutta luin kirjaa silti mielelläni sen kokoavan otteen takia. Lisäksi kirjassa on suuri määrä minulle uutta tilastollista dataa ja graafeja, esimerkkejä niin biologiasta kuin laajemmin systeemien ominaisuuksista. Siltä osin se on ainutlaatuinen. Lukiessa minulle tuli myös tunne, että olen lukenut hieman samantapaista kirjaa aikaisemminkin. Vähitellen se tuli mieleeni. 1970- luvulla olin lukenut David Harveyn kuuluisan kirjan Explanation in Geography (1969). Sen missio oli hieman samanlainen: käsitellä aluemaantiedettä eksaktin matematiikan ja tilastotieteen keinoin. West ei mainitse Harveyn kirjaa, mutta esittää samantapaisia tuloksia, muun muassa kaupunkien välisestä muuttoliikkeestä, jota voidaan mallittaa Newtonin gravitaatiolakia muistuttavalla yhtälöllä. 
 
Skaala tarjoaa hätkähdyttävää tietoa sekä biologiasta että yhteisöjen dynamiikasta. Biologinen data osoittaa, kuinka eliöt erilaisuudestaan huolimatta ovat monessa suhteessa samanlaisia: ne ovat ikään kuin saman perusmallin variaatioita, ja evoluutiossa kehittyneet samojen fysiikan lakien ja samankaltaisten ympäristöpaineiden vaikutuksen alla. Oudoimpia asioita on, että selkärankaisen sydän lyö eläimen koosta riippumatta elämän aikana 1,5 miljardia kertaa. Kun pienen eläimen sydän tykyttää nopeasti, sen elämä on vastaavasti lyhyempi. Skaala käsittelee myös monipuolisesti yhteisöjen ominaisuuksia: kaupunkeja, yrityksiä ja talouselämää. Tiedot ovat taas hämmästyttäviä, ja viittaavat myös ihmisorganisaatioiden biologiseen ja fysikaaliseen perustaan. 

Tekniikassa mittakaava on suunnattoman tärkeä. Pienoismalleja on käytetty muinaisista ajoista, ja käytetään edelleen. Mutta niiden skaalautuminen pitää ymmärtää. Galileo Galilei oivalsi skaalautumisen matematiikan ensimmäisenä, ja kehitti uuden tieteen: lujuusopin. 

Olen itsekin kirjoittanut samoista aiheista kuin West. Vanha kirjoitukseni Galileo ja nanotekniikka käsittelee mittakaavojen vaikutusta tekniikassa. West ei kirjoita nanotekniikasta. En pidä sitä virheenä, koska hänen lähestymistapansa on runsaudensarvi, joka tuottaa suunnattomasti esimerkkejä. Yhteen kirjaan ei voi kaikkea ahtaa. Totean kuitenkin, että nanotekniikka on alue, jossa nimenomaan mittakaava tuottaa ainutlaatuisia ja teknisesti hyödynnettäviä ilmiöitä. 
 
Galileon lisäksi toinen Westin käsittelemä sankari on brittiläinen viktoriaanisen ajan insinööri Isambard Kingdom Brunel (1806 – 1859). Tämä meille vieras henkilö ei ole tuntematon Britanniassa: siellä hänet äänestettiin vuonna 2002 Churchillin jälkeen kaikkien aikojen toiseksi suurimmaksi britiksi. Brunel suunnitteli menestyksellisesti lähes kaikkea mahdollista: siltoja, rautateitä, kanavia, tunneleita ja höyrylaivoja. Monet hänen luomuksensa ovat edelleen käytössä. 1840- luvulla Brunel alkoi suunnitella maailman suurinta laivaa, jonka nimeksi tuli Great Eastern. Hän tavoitteli mittakaava-etua: laivan piti pystyä kulkemaan samalla hiililastilla Lontoosta Sidneyhyn ja takaisin, Suetzin kanavaa ei tuohon aikaan vielä ollut.  

Brunelin laskelmien mukaan laivan piti siihen pystyäkseen olla todella suuri: 225 metrin pituinen. Laivan rakennusprojektista tuli jopa nerokkaalle Brunelille suunnattoman vaivalloinen, ja itse laivakaan ei toiminut odotetulla tavalla. Hanke nujersi tarmokkaan Brunelin. Kasvattaessaan reippaasti laivan mittakaavaa Brunel otti liian suuren harppauksen. Hän ei osannut ennakoida muutoksesta koituvia toissijaisia vaikutuksia. Olen käsitellyt Brunelin epäonnista projektia kirjassani Projektitoiminnan musta kirja

Nuorena miehenä Brunel suunnitteli myös Thames- joen alittavan jalankulkutunnelin Itä-Lontooseen. Siitä tuli valtavan suosittu. Lähes kaksi miljoonaa ihmistä maksoi vuosittain pennyn päästäkseen alittamaan joen. Valitettavasti siinä kävi niin kuin kävi. Tunnelista muodostui kodittomien, ryöstäjien ja prostituoitujen oleskelupaikka. Siitä tuli vaarallinen. Tunneli jouduttiin sulkemaan, ja se muutettiin metrotunneliksi. Sellaisena se toimii edelleen. 
 
Vuonna 1967 Helsinkiin valmistui rautatieaseman ja makkaratalon yhdistävä maanalainen asematunneli. Suunnittelijoiden idea oli kieltää kokonaan kadun ylitys maan päällä, ja pakottaa kaikki jalankulkijat tunneliin. Kävi aivan samoin kuin Brunelin tunnelille: siitä tuli pelottava ja vaarallinen paikka. Jouduttiin lisäämään vartiointia ja rakentamaan maanpäälliset suojatiet. Olisi ollut hyvä, jos suunnittelijat olisivat tunteneet myös urbaanien rakenteiden historiaa.


Insinööri Brunel tappionsa partaalla.
Hän ei tiedä sitä vielä.