Introductory Chemistry – 1st Canadian Edition

Kemia on tieteenala. Vaikka tiedettä itsessään on vaikea määritellä tarkasti, seuraava määritelmä voi toimia lähtökohtana. Tiede on prosessi, jossa luonnollisesta maailmankaikkeudesta tiedetään havaintojen ja kokeiden avulla. Tiede ei ole ainoa tietämisprosessi (esim. antiikin kreikkalaiset vain istuivat ja ajattelivat), mutta se on kehittynyt yli 350 vuoden aikana parhaaksi prosessiksi, jonka ihmiskunta on tähän mennessä keksinyt oppiakseen meitä ympäröivästä maailmankaikkeudesta.

Tiedeprosessi ilmaistaan yleensä tieteellisenä metodina, jota kuvataan melko naiivisti seuraavasti: (1) asetetaan hypoteesi, (2) testataan hypoteesi ja (3) tarkennetaan hypoteesia. Itse asiassa prosessi ei kuitenkaan ole näin yksinkertainen. (En esimerkiksi mene joka päivä laboratoriooni ja huuda: ”Aion esittää tänään hypoteesin ja käyttää koko päivän sen testaamiseen!”). Prosessi ei ole niin yksinkertainen, koska tieteellä ja tiedemiehillä on tietämys, jonka on jo todettu olevan peräisin korkeimmalta ymmärryksen tasolta, ja useimmat tiedemiehet rakentavat tietämyksensä tämän tietämyksen varaan.

Valistunutta arvausta siitä, miten luonnollinen maailmankaikkeus toimii, kutsutaan hypoteesiksi. Tiedemies, joka tuntee, miten osa luonnonuniversumista toimii – vaikkapa kemisti – on kiinnostunut edistämään tätä tietoa. Tämä henkilö tekee järkevän arvauksen – hypoteesin – jonka tarkoituksena on nähdä, toimiiko maailmankaikkeus myös uudella tavalla. Tässä on esimerkki hypoteesista: ”Jos sekoitan yhden osan vetyä ja yhden osan happea, voin valmistaa ainetta, joka sisältää molempia alkuaineita.”

Useimmat hyvät hypoteesit perustuvat aiemmin ymmärrettyyn tietoon ja edustavat testattavissa olevaa laajennusta tuolle tiedolle. Sen jälkeen tutkija suunnittelee tapoja testata, onko tuo arvaus oikea vai ei. Toisin sanoen tutkija suunnittelee kokeita. Kokeet ovat luonnollisen maailmankaikkeuden testejä, joilla selvitetään, onko arvaus (hypoteesi) oikea. Koe edellisen hypoteesin testaamiseksi olisi sekoittaa vetyä ja happea ja katsoa, mitä tapahtuu. Useimpiin kokeisiin sisältyy havaintoja pienistä, tarkoin määritellyistä luonnonuniversumin osista, joiden tarkoituksena on nähdä kokeiden tulokset.

Miksi meidän on tehtävä kokeita? Miksi meidän on testattava? Koska luonnollinen maailmankaikkeus ei aina ole niin ilmeinen, kokeita tarvitaan. Esimerkiksi on melko ilmeistä, että jos esine pudotetaan korkealta, se putoaa. Useita satoja vuosia sitten (sattumalta lähellä modernin tieteen alkua) painovoiman käsite selitti tämän kokeen. Onko kuitenkin ilmeistä, että koko luonnollinen maailmankaikkeus koostuu vain noin 115 kemiallisesta perusrakenteesta, joita kutsutaan alkuaineiksi? Tämä ei näyttäisi pitävän paikkaansa, jos katsoisit ympäröivää maailmaa ja näkisit kaikki ne erilaiset muodot, joita aine voi saada. Itse asiassa alkuaineen käsite on vain noin 200 vuotta vanha, ja viimeinen luonnossa esiintyvä alkuaine tunnistettiin noin 80 vuotta sitten. Tarvittiin vuosikymmeniä testejä ja miljoonia kokeita, ennen kuin saatiin selville, mitä alkuaineet todella ovat. Nämä ovat vain kaksi esimerkkiä; tällaisia esimerkkejä on lukemattomia kemian ja tieteen alalla yleensä.

Kun on kerätty tarpeeksi todisteita, jotta voidaan vahvistaa yleinen periaate siitä, miten luonnonkaikkeus toimii, todisteet tiivistetään teoriaan. Teoria on yleinen väite, joka selittää suuren määrän havaintoja. ”Kaikki aine koostuu atomeista” on yleinen väite, teoria, joka selittää monia kemian havaintoja. Teoria on hyvin voimakas lausuma tieteessä. Tieteessä on monia väittämiä, joihin viitataan nimellä ”teoria _______” tai ”______ teoria” (jossa aihiot edustavat sanaa tai käsitettä). Näin kirjoitettuna teoriat osoittavat, että tieteellä on ylivoimainen määrä todisteita sen oikeellisuudesta. Tämän tekstin aikana tulemme näkemään useita teorioita.

Kerrottua lausumaa, jota koko luonnonkaikkeuden ei uskota koskaan rikkovan, kutsutaan laiksi. Tieteellinen laki on korkein ymmärrys luonnonuniversumista, joka tieteellä on, ja sen ajatellaan olevan loukkaamaton. Esimerkiksi se, että kaikki aine vetää puoleensa kaikkea muuta ainetta – gravitaatiolaki – on yksi tällainen laki. Huomaa, että tieteessä käytetyillä termeillä ”teoria” ja ”laki” on hieman eri merkitys kuin yleisessä kielenkäytössä; teoriaa käytetään usein tarkoittamaan hypoteesia (”Minulla on teoria…”), kun taas laki on mielivaltainen rajoitus, jota voidaan rikkoa, mutta jolla voi olla seurauksia (kuten nopeusrajoitukset). Tässäkin tapauksessa tiede käyttää näitä termejä eri tavalla, ja on tärkeää soveltaa niiden oikeita määritelmiä, kun käytät näitä sanoja tieteessä.