Fysiikanopettaja Riitta Salmenoja: “Jatkuva kehittyminen on työn ydin”

Teksti: Tapio Rasa

”Sellainen ns. perinteinen opettaja en ollut koskaan”, sanoo Riitta Salmenoja, joka opettaa fysiikkaa Novidan lukiossa Loimaalla. ”Lähdin opiskelemaan fysiikkaa Turun yliopistoon vuonna 1992, enkä ajatellut, että ryhtyisin opettajaksi. Turussa oli kiinnostavia linjoja, mutta opintojen aikana heräsi ajatus, että meillä ei ole kylliksi luonnontieteen osaajia. Tajusin, että voisin itse vaikuttaa asiaan, ja valmistuin vuonna 1998 opettajaksi.”

Riitta Salmenoja opettaa fysiikkaa lukiossa. Tarinan lopussa selviää miten pullat liittyvät Riitan oppitunteihin.

Riitalle opettaminen ei ole luokan edessä puhumista. Fysiikan oppitunnit ovat vahvasti kokeellisia, ja opiskelijat pääsevät itse tekemään fysiikkaa: ”Se on työtapa, joka sopii kaikille, ja osa pääsee vielä erityisen pitkälle itse tekemällä”. Vaikka oma opettamisen tapa onkin löytynyt, Riitta ei ole koskaan vetänyt samaa kurssia kahdesti samalla tavalla. ”Jatkuva kehittäminen ja kehittyminen on työn ydin”, Riitta tiivistää.

Erityisen keskeistä Riitan opetuksessa on digitaalisten opetusvälineiden perusteellinen hyödyntäminen. Digitalisaatio on poistanut paljon turhaa rutiinia opettajan työstä, ja Riitta käyttääkin opetuksen välineenä esimerkiksi itsekorjaavia pikatestejä. Myös kännykkägallupit ovat kovassa käytössä: näin fysikaalisiin kysymyksiin pääsee vastaamaan jokainen ryhmän opiskelija, ja käsitysten jakaumakin saadaan heti näkyviin. ”Yhteenveto osoittaa, että kaikilla on jotain opittavaa, eikä väärin vastaamista tarvitse pelätä”. Digitalisaatio onkin tehnyt Riitan opetuksesta joustavampaa ja digitaalisessa oppimisympäristössä kurssin kokonaisuuskin pysyy paremmin kasassa.

Kun ykköskurssissa on panostettu työtapojen oppimiseen, voi opiskelijoille antaa vastuuta ja vapautta. Riitan kursseilla kukin opiskelija tekee kotitehtäviä omien tavoitteidensa ja kiinnostuksiensa mukaan. Myös tietoa haetaan itse internetistä. ”Tiedon hakemisen mahdollisuutta pidetään itsestäänselvyytenä, mutta ei se lukiolaiselle ole. Harjoituksen myötä abit alkavat pikkuhiljaa jo osata vertailla lähteitä”, Riitta toteaa. Tablettien ja älypuhelinten aikana asiat kuten tiedostojen tallentaminen tietokoneelle on myös asia, jota täytyy opettaa. ”Olisipa aikaa opettaa ohjelmoinnin käyttöä fysiikassa. Oikeassa elämässä ei ole aina valmiina työkaluja, vaan ne pitää joskus itse tehdä”.

Opiskelijoiden valmistaminen tulevaisuuden haasteisiin onkin Riitan opetuksessa keskeistä. Kurssin lopuksi tehdään myös yleensä omatoiminen tutkimusprojekti, jonka aiheen opiskelijat voivat päättää itse. ”Opiskelijat pääsevät näkemään, että ovat oppineet jotain”, Riitta perustelee. Riitan opissa opiskelijat todella kehittyvätkin: kun aluksi opiskelijoilla on koevastauksissaan selkeät algoritmit, joiden pohjalta laskujen vastaukset tuotetaan, ilmestyy tyypillisesti ylioppilaskoevastauksiin joskus opiskelijan ”oma ääni”. Tällöin opiskelija on ratkaissut tehtävän eri tavalla kuin Riitta sen ohjeistaisi, mutta ratkaisu on silti täysin oikein. ”Hyvin palkitseva tunne”, Riitta hymyilee.

Riitta näkee itsensä yhteen saattajan ja mahdollisuuksien tarjoajan roolissa. Kun fysiikan kertauskurssi on päättymässä, tuntuu, että iso yhteinen projekti on viety onnistuneesti loppuun. Porukka on tiivis, ja joskus itketäänkin. ”Pyrin siihen, että olosuhteet ovat oppimiselle otolliset. Kaikki on tervetulleita”, Riitta toteaa. Välineinä tunnelman keventämiseen ovat usein pullat tai pannukakut (joita Riitta saattaa paistella, vaikka harjoituskokeen aikana). Riitalle yhtä tärkeitä ovat myös opiskelijat, jotka eivät suuntaudu fysiikkaan. ”Yleissivistävä ykköskurssi on erittäin tärkeä. Pääsee kaikkien opiskelijoiden kanssa miettimään, mistä meidän tieteellinen tieto tulee ja miten kokeita tehdään.” Opiskelijoilla saattaa olla jokin negatiivinen ennakkokäsitys fysiikasta, mutta tämä helposti muuttuu Riitan kurssilla. Myös kuva itsestä maailmankaikkeudessa kehittyy, ja tähän Riitta pyrkiikin antamaan välineitä.

Onko Riitta päässyt tavoitteeseensa – eli pystynyt innostamaan nuoria luonnontieteiden kysymyksiin? Tähän liittyy Riitalle erityisen mieluinen muisto. ”Ihan paras juttu oli, kun kävimme opiskelijoiden kanssa CERNissä ja opiskelijat pääsivät kyselemään tutkijalta fysiikasta. Johonkin kysymykseen tutkija vastasi, ettei kukaan tiedä vastausta. Opiskelijat innostuivat ja keskustelu siitä mitä ei tiedetä kävi vilkkaana koko matkan hotellille.

 

 

Elektronispektroskopian tutkija ja Suomen ensimmäinen fysiikan naisprofessori Helena Aksela

Teksti: Johanna Männistö ja Marko Huttula

Helena Aksela on ensimmäinen fysiikan professorin virkaan nimitetty nainen Suomessa. Hän suoritti filosofian kandidaatin tutkinnon Oulun yliopistossa vuonna 1972 ja väitteli filosofian tohtoriksi vuonna 1980 aiheesta ”Studies of Auger spectra based on atomic calculations”. Hän on toiminut professorina, akatemiaprofessorina sekä eri tutkimus- ja opetustehtävissä Oulun yliopistossa, jossa hän on osallistunut aktiivisesti Fysiikan opetukseen ja opetuksen kehittämiseen. Monet tutkimusryhmässä maisterin ja tohtorin tutkinnon suorittaneet ovat saaneet alkukipinän perusopintovaiheen kursseilla ensimmäisiä kertoja atomifysiikkaan tutustuttaessa.

Helena Aksela (kuva: Oulun yliopisto)

Elektronispektroskopian tutkimus oli alkanut Oulun yliopistossa 1960-luvun lopussa ja Aksela ryhtyi tutkimaan atomaaristen spektrien rakennetta laskennallisia menetelmiä käyttäen, mikä suuresti edesauttoi spektrien tulkintaa ja oli ensiarvoisen tärkeää, kun atomaarisia spektrejä ryhdyttiin 1970-luvun alkupuolelta lähtien mittaamaan synktrotronisäteilyä käyttäen. Näistä ajoista lähtien elektronispektroskopian ryhmälle on ollut ominaista kokeellisen ja laskennallisen tutkimuksen läheinen yhteys. Akselan johdolla ryhmässä perehdyttiin jo varhain erityisesti relativististen atomirakennelaskujen avulla fotoniviritteisen elektroniemission tutkimukseen ja simuloitiin mm. foto- ja Auger-elektronien elinaikoja ja kulmajakaumia. Tuloksia verrattiin ryhmässä mitattuihin korkean resoluution spektreihin, ja ryhmä saavuttikin nopeasti alallaan johtavan aseman. Synkrotronisäteilyn säädettävä, kapea energiajakauma avasi ainutlaatuisia mahdollisuuksia erityisesti absorptiorajojen spektroskopian tutkimukselle, jossa havaitaan resonanssivirityksissä purkautuvia fotoneja ja elektroneja. Alan teoriaa oli kehittänyt erityisesti Teijo Åberg Teknillisestä Korkeakoulusta ja hän oli läheisessä yhteydessä Akselan ja elektronispektroskopian ryhmän kanssa. Ryhmä oli 1990-luvuilla ensimmäisenä maailmassa soveltamassa ns Resonanssi Raman Auger -ilmiötä ja todentamassa monia teorian ennusteita atomien ja molekyylien elektroniemissiossa.

Aksela on tehnyt useita tutkijavierailuja ulkomaisiin yliopistoihin, näistä tärkeimpinä 1972-1973 Werner Mehlhornin tutkimusryhmään Freiburgin yliopistossa Saksassa, Darrah Thomasin ryhmään Oregonin yliopistoon 1976, University of Western Ontarioon 1984-1985, sekä Photon Factory -laboratorioon Japanissa 1990.

Helena Akselalla on ollut lukuisia kotimaisia ja kansainvälisiä luottamustehtäviä, muun muassa Suomen Akatemian luonnontieteen ja tekniikan toimikunnan jäsenyys 2007-2012, Suomen edustus ESRF:n ja Nordsyncin neuvostoissa, sekä toimiminen Suomen edustajana IUPAP:in Working Group on Women in Physics –jaostossa.

Lisäksi hän on toiminut monissa Oulun yliopiston koulutusta ja tutkimusta arvioineissa ja suunnitelleissa toimikunnissa. Aksela kuului myös Helsingin yliopiston tutkimuksen arvioinnin suorittaneeseen toimikuntaan vuonna 2005. Suomen Fyysikkoseuran hallituksessa Helena Aksela oli 2001-2002 ja on ollut jatkuvasti aktiivisena toimijana seuran synkrotronisäteilyjaoksessa.
Helena Aksela on toiminut myös monissa MAX- synkrotronisäteily laboratorion toimintaa ja tulevaisuutta suunnitelleissa komiteoissaja yhdessä puolisonsa Professori Seppo Akselan kanssa ovat edistäneet Suomen ja erityisesti Oulun Yliopiston osallistumissa näihin kansainvälisiin tutkimusinfrastruktuureihin ja luoneet pohjaa alan poikkitieteelliselle kehittymiselle yhteistyössä Tarton Yliopiston (Viro) tutkojoiden kanssa. Nykyisellään Suomi onkin Oulun Yliopiston koordinoimana vahvasti mukana maailman kirkkaimman synkrotronisäteilylähteen MAX IV laboratorion toiminnassa, mm. rakentamassa Suomalais-Virolaista FinEstBeAMS säteilylinjaa.

Akateemikko Pekka Jauho

Teksti: Risto Nieminen

Professori Pekka Jauho (1923 – 2015) kuului siihen tiede-, teknologia- ja kulttuurivaikuttajien harvalukuiseen joukkoon, joka rakensi perustan sodanjälkeisen Suomen jälleenrakentamiselle ja nousulle agraarivaltiosta korkeasti kehittyneeksi sivistysvaltioksi. Hän oli visionääri, joka varhain ymmärsi tieteellisen tutkimuksen ja kansainvälisyyden keskeisen merkityksen kansakunnan hyvinvoinnin rakentamisessa.

Akateemikko Pekka Jauho

Pekka Jauhon sukujuuret ovat syvällä Pohjois-Pohjanmaalla, Kemijoki-varressa. Hänen isänsä Antti Jauho oli tunnettu Oulun lyseon rehtori ja kaupunginvaltuuston puheenjohtaja. Pekka Jauho oli koko elämänsä vahvasti sitoutunut Pohjois-Suomen kulttuurin ja elinkeinoelämän kehittämiseen.

Pekka Jauho oli hävittäjälentäjä jatkosodassa ja kunnostautui mm. hakemalla Messerschmitt-koneita Suomeen kesällä 1944.  Sodan jälkeen hän suoritti yliopisto-opintonsa ripeästi ja teki teoreettisen fysiikan väitöstutkimuksensa Lundin yliopistossa Ruotsissa, aiheenaan inversio-ongelma: ytimien välisen vuorovaikutuksen määrittäminen protoni-protonisirontamittauksista.

Toimittuaan jonkin aikaa vakuutusyhtiö Kansan päämatemaatikkona  hän siirtyi akateemikko Erkki Laurilan innostamana Teknillisen korkeakouluun vuonna 1957.  Sen teknillisen fysiikan osastosta tuli vuosien mittaan monien uusien alojen kehitysahjo Suomessa: energiatekniikka, kylmäfysiikka, elektroniikka, tietokoneet, laserit, lääketieteellinen tekniikka, aivotutkimus ja nanoteknologia. Pekka Jauho vaikutti erityisesti ydinenergia-alan tutkimuksen ja koulutuksen ylösrakentamiseen Suomen siirtyessä ydintekniikkaan energiahuollossa.

Hän oli keskeinen toimija myös teoreettisen fysiikan aseman vahvistamisessa: Jauho oli vuonna 1957 toimintansa aloittaneen yhteispohjoismaisen Nordita-instituutin perustajajäsen1 ja mukana valtakunnallisen Teoreettisen fysiikan tutkimuslaitoksen perustamisessa Helsingin yliopiston yhteyteen vuonna 1964. Hän toimi useiden fyysikkosukupolvien innoittavana ja kannustavana kouluttajana.

Pekka Jauho siirtyi VTT:n pääjohtajaksi vuonna 1970, mutta säilytti läheisen yhteyden tiedemaailmaan mm. kvanttimekaniikan kurssien luennoijana TKK:ssa. Hän toimi tarmokkaasti VTT:n kansainvälistymisen ja ulkoisesti rahoitetun tutkimuksen vahvistamiseksi. Hänen kaudellaan VTT:n toiminta laajeni eri puolille Suomea. Jauho toimi myös Suomen ja Neuvostoliiton tieteellisteknillisen komitean puheenjohtajana ja Suomen edustajana kansainvälisessä avaruusyhteistyössä. Hänet kutsuttiin myös Ranskan kunnialegioonan jäseneksi maiden välisen yhteistyön edistämisen ansioista. Jauhon tieteellinen mielenkiinto laajeni myös monimutkaisten teknisten järjestelmien riskianalyysiin ja yleisemmin futurologiaan.

Pekka Jauho nimitettiin tieteen akateemikoksi vuonna 1987. Nimitykseen vaikutti hänen työnsä tieteen ja tekniikan tutkimuksen ja koulutuksen edistäjänä sekä hänen monipuolinen toimintansa talouden ja kulttuurin parissa. Hän toimi luottamustehtävissä mm. valtion tiedeneuvostossa, Teknillisten Tieteiden Akatemiassa, Suomen Kulttuurirahastossa sekä Maanpuolustuksen tieteellisessä neuvottelukunnassa. Hän oli myös sanomalehti Kalevan johtokunnan ja useiden yritysten hallintoneuvoston ja hallituksen jäsen.

Kiinnostavan ja aidon kuvan Pekka Jauhon toiminnasta saa hänen muistelmakirjastaan2 Ensiksi kielsin konditionaalin.  Kirjan sivuilta välittyy kuva ulospäin suuntautuneesta, aloitekykyisestä ja aikaansaavasta tutkijasta ja hallintomiehestä.

Pekka Jauho oli karismaattinen ja monella tavoin lahjakas, luottamusta herättävä ihminen. Hän oli oppilailleen ja alaisilleen esikuva ja ikoni, jossa yhdistyi eksaktien luonnontieteiden tinkimättömyys, monipuolinen kulttuuriharrastus ja pohjoisen ihmisen lämmin huumorintaju.

Hänen poikansa Antti-Pekka Jauho on Tanskan teknillisen yliopiston (DTU) nanoteknologian professori.

  1. http://www.nordita.org/docs/nordita_50_year_cronstrom.pdf
  2. Pekka Jauho: Ensiksi kielsin konditionaalin, Terra Cognita 1999

 

Ritva Serimaa – röntgenfyysikko ja monitieteisen tutkimuksen uranuurtaja

Jos isä on sähköteknikko, joka on erittäin kiinnostunut fysiikasta, ei tyttärenkään ole vaikea innostua luonnontieteistä. Näin myös Ritva Serimaa (1957-2016), tuolloin vielä sukunimellä Ström, sai kipinän fysiikkaan jo lapsuudessaan, ja se sai hänet aloittamaan fysiikan opinnot Helsingin yliopistossa. Hän valmistui filosofian maisteriksi vuonna 1982, lisensiaatiksi 1986 ja tohtoriksi 1990. Fysiikan dosentiksi hänet nimitettiin 1998. Ritva Serimaasta tuli koko Helsingin yliopiston historiassa ensimmäinen naispuolinen fysiikan professori vuonna 2004. Vain hieman tätä aiemmin koko Suomen ensimmäiseksi naispuoliseksi fysiikan professoriksi oli nimitetty Helena Aksela Oulun yliopistosta. Sattumoisin sekä Serimaan että Akselan tutkimusaiheena oli röntgen- ja synkrotronivalon käyttö materiaalifysiikassa.

Ritva Serimaa

Serimaan alaa oli erityisesti heikosti järjestäytyneen tiiviin aineen tutkimus, tärkeimpänä kohteena luonnolliset nanomateriaalit kuten selluloosa. Serimaan aikaan röntgenfysiikan tutkimus siirtyi hyödyntämään kansainvälisiä synkrotronisäteilylaboratorioita, jotka mahdollistavat ennennäkemättömiä mahdollisuuksia uusiin entistä tarkempiin kokeisiin, ja tuottavat uutta tietoa materiaalien ominaisuuksista atomi- ja molekyylitasolta nanoskaalaan ja aina makroskooppisiin rakenteisiin saakka. Serimaa näki uusien synkrotronimenetelmien tuomat mahdollisuudet ja lähtikin heti väitöskirjatyön valmistuttua tutkijatohtoriksi Kaliforniaan, missä hän työskenteli Stanfordin yliopiston synkrotronivalonlähteellä vuosina 1991-1993. Siellä hän perehtyi synkrotronisäteilyllä tehtävään pienkulmasirontaan, jota hän menestyksekkäästi hyödynsi sekä omassa laboratoriossaan Helsingissä että maailman monilla synkrotronivalonlähteillä. Kehittyvän alan tutkimuksessa nousi erittäin tärkeään rooliin mitatun tulosten tulkinta ja erilaiset simulointimenetelmät. Tällä saralla Serimaa oli kansainvälisesti tunnettu ja arvostettu. Tukea tähän työhön löytyi tarvittaessa läheltä, omasta puolisosta, teoreettisesta fyysikosta Olli Serimaasta, joka 80-luvulla Helsingin yliopistossa opetti erityisesti matematiikkaa monille nykyistenkin Helsingin fysiikan professorin tehtävien haltijoille.

Ritva Serimaa tutkimusryhmineen tarkasteli mm. kasvien hierarkkista rakennetta. Esimerkkinä lituruohon (Arabidopsis thaliana) rakenne (P. Ahvenainen, Väitöskirja, Helsingin yliopisto, 2016). eri mittakaavoilla aina kiteisen selluloosa I:n yksikkökoppiin asti.

Ritva Serimaa oli monitieteisen tutkimuksen uranuurtaja. Heikosti järjestäytyneiden materiaalien nanometrialueen rakennetiedolle on erittäin laaja tarve monilla eri tieteiden aloilla, esimerkiksi kemiassa, elintarviketutkimuksessa, ympäristötieteissä ja biologiassa. Tätä kuvaa hyvin se, että Ritva Serimaalla oli tieteellisiä yhteisjulkaisuja kuuden eri Helsingin yliopiston tiedekunnan kanssa. Tutkittavat kohteita olivat nanomateriaalit, luonnonpolymeerit, muovit, lääkeaineet, elintarvikkeet ja jopa syöpäsolut. Tieteellisesti suurinta vaikuttavuutta Serimaan tutkimus sai polymeeritutkimuksen saralla. Esimerkiksi vuonna 1998 Science-lehdessä julkaistuun artikkeliin on viitattu yli 500 kertaa.

Ritva Serimaa oli erittäin tuottelias tutkija. Hän oli tekijänä yli 230 vertaisarvioidussa tieteellisessä julkaisussa, joihin on myös viitattu laajasti, yli 6000 kertaa. Hänen yhteistyöverkostonsa oli erittäin laaja: yhteiskirjoittajia hänen julkaisuistaan löytyy yli 200. Oman tieteellisen työn rinnalle nousee merkittävänä myös Ritva Serimaan merkitys tutkijankoulutuksessa. Hän ohjasi uransa aikana 16 väitöskirjaa ja on näin ollut avainasemassa uudistamassa suomalaista materiaalitutkimusta kokonaan uudella tutkijasukupolvella. Koulutetut tohtorit olivat usein avainrooleissa monitieteisissä yhteistyöhankkeissa. Näin he saivat hyvän pohjan uralleen ja ovatkin sittemmin sijoittuneet merkittäviin tutkimustehtäviin ulkomailla tai yksityiselle sektorille.

Serimaa oli siis koko Helsingin yliopiston lähes nelisatavuotisen historian ensimmäinen naispuolinen fysiikan professori. Hän antoikin erinomaisen esikuvan lahjakkaille naispuolisille opiskelijoille. Ohjaajana ja tutkijakouluttajana Ritva Serimaa oli tasapuolisen vaativa kaikille opiskelijoille mutta esikuvarooli menestyvänä naisprofessorina on merkittävällä tavalla tervehdyttänyt alan sukupuolijakaumaa.

Ritva Serimaa valittiin vuonna 2010 Suomalaisen Tiedeakatemian jäseneksi ja vuonna 2011 Suomen Fyysikkoseuran puheenjohtajaksi. Tässäkin tehtävässä hän oli vuonna 1947 perustetun seuran ensimmäinen ja toistaiseksi ainoa siihen nimitetty nainen. Lisäksi Serimaa toimi useissa kansainvälisissä tieteellisissä luottamustehtävissä.

Ritva Serimaa oli vaatimaton ja iloinen persoona, jolle tiede ja tiedeyhteisö oli tärkeässä osassa elämää. Hän ei tyrkyttänyt itseään ja saavutuksiaan kuuluvasti esille vaan antoi vankkojen tulosten puhua puolestaan. Hän rakasti rockmusiikkia, ja hän jatkoi yhteisissä illanvietoissa musisointia ja musiikin kuuntelua usein aamuvarhaiseen saakka yhdessä opiskelijoiden kanssa. Nämä vapaamuotoisetkin yhteiset hetket ovat niitä tärkeitä mentoroivia tilanteita, joissa nuoret opiskelijat kasvavat osaksi tiedeyhteisöä. Tätä tärkeää tehtävää Ritva Serimaa toteutti myös toimiessaan arvostetussa luottamustehtävässä, Helsingin yliopiston Kymenlaakson osakunnan inspehtorina.

Ritva Serimaa kuoli vaikean sairauden murtamana 58-vuotiaana Haminassa 12.4.2016. Häntä jäi aviomiehensä Olli Serimaan, äitinsä ja muun suvun lisäksi kaipaamaan laaja kansallinen ja kansainvälinen yhteistyökumppanien ja kollegoiden verkosto.

Teksti: Simo Huotari

 

Päivi Törmä – teoreettisen kvanttifysiikan ja kokeellisen nanoplasmoniikan yhdistäjä  

Teksti: Jani-Petri Martikainen

Päivi Törmä on edennyt urallaan vauhdilla akatemiaprofessoriksi ja Millennium palkintolautakunnan puheenjohtajaksi. Väitöstä kvanttioptiikan saralta Helsingin yliopistossa Stig Stenholmin ohjauksessa seurasi tutkijatohtorivaihe Saksassa ja Itävallassa. Suomen Akatemian tutkijuutta seurasi nopeasti professuuri Jyväskylän yliopistossa. Jyväskylästä Törmä siirtyi Aalto yliopiston professoriksi vuonna 2008.

Törmä on tehnyt uraauurtavaa teoreettista tutkimusta kylmistä fermionisista kvanttikaasuista, mutta Jyväskylässä hänen tutkijanprofiiliinsa tuli myös vahva kokeellisen fysiikan painotus nanoplasmoniikan alalta. Hänen ryhmänsä äskettäin havaitsema Bose-Einstein kondensaatio plasmonisessa hilarakenteessa on myös rakentanut hedelmällisiä yhtymäkohtia kvanttikaasujen ja plasmonisten järjestelmien välille. Tämän rajapinnan tutkimukseen Törmä on saanut ERC Advanced Grant -tutkimusrahoituksen Euroopan tutkimusneuvostolta. Loisteliaan urakehityksen rinnalla Päivi on samalla kyennyt löytämään aikaa perheelleen, sulkapallolle, lenkkeilylle, klassiselle musiikille, ja lukemiselle. Tämä on hämmästyttävää joten annetaan nyt puheenvuoro Päiville.

Mikä toi sinut fysiikkaan? 

Lukioaikoina päätin, että minusta tulee kirjailija. Tarvitsin kuitenkin “oikean työn” josta saisin rahaa ennen läpimurtoteoksia, ja valitsin teoreettisen fysiikan. Ajattelin teoreettisen fysiikan olevan erityisen hyödyllistä (syystä tai toisesta), lisäksi matematiikka ja fysiikka olivat mielestäni helppoja ja hauskoja kouluaineita. Muita vaihtoehtoja olivat arkkitehtuuri ja taloustiede. Ympäristö yleisesti ottaen tyrkytti koulussa menestyvälle tytölle lääketiedettä, mutta se ei kiinnostanut minua. Vanhempani eivät ohjanneet mihinkään suuntaan, vaan rohkaisivat valitsemaan sen, mikä kiinnostaa. Niin siinä sitten kuitenkin kävi, että kirjoittaminen jäi ja fysiikka vei. Olen todella tyytyväinen valintaani. Tosin olen varma, että mikä tahansa asia, jossa saa käyttää luovuutta ja jossa on haasteita ja vapautta olisi sopinut minulle.

Mikä on fysiikan ja fyysikoiden rooli yhteiskunnassa? Onko se muuttunut?

Monen vuosikymmenen ajan toisen maailmansodan jälkeen fysiikka oli tiede, joka toteutti atomipommin ja ydinenergian. Rooli maailmanjärjestyksessä sotilaallisen merkityksen kautta oli valtava. Tämä on muuttunut. Viime vuosikymmeninä fysiikka on tullut julkisuudessa tunnetuksi CERNin kokeiden, mustien aukkojen, gravitaatioaaltojen ja muiden suurta yleisöä kiinnostavien, maailmankaikkeuteen ja sen rakenteeseen liittyvien kysymysten kautta. Paljon enemmän suurelta yleisöltä ovat olleet piilossa fysiikkaan pohjautuvat teknologiset edistysaskeleet, jotka ovat totaalisesti muuttaneet maailman: transistori mahdollistaa tietokoneet, ja internet nykymittakaavassaan on mahdollinen vain sellaisten fysiikan keksintöjen vuoksi kuin laser ja optinen kuituvahvistin. Fysiikan rooli sekä maailmankuvan rakentajana että teknologian ratkaisuntekijänä tulee jatkumaan. Esimerkiksi aurinkoenergian täysimittainen hyödyntäminen odottelee jotain täysin uudenlaista oivallusta. Vaikka rooli on muuttunut fysiikka on edelleen luonnontieteistä perustavanlaatuisin, ja sen antamalle pohjalle voidaan myös tulevaisuudessa rakentaa muita tieteitä ja teknologiaa.

Millaisia neuvoja antaisit tulevaisuuttaan pohtiville nuorille?

Neuvoisin nuoria miettimään vaihtoehtoja vähän laajemmin, kuin ne mitä ensimmäiseksi tulee mieleen tai tarjotaan. Nuoret ovat tietysti nyt ihan eri tilanteessa, kuin minä aikoinani – koska google on avannut mahdollisuuksia ottaa monista asioista tarkemmin selvää ennen päätösten tekemistä. Suosittelen keskustelemaan asiasta useiden aikuisten, ehkä asiaa tuntevien, kanssa, mutta yhden ihmisen mielipiteelle ei kannata koskaan antaa liikaa arvoa. Kyky itsenäiseen ja kriittiseen ajatteluun on ensiarvoisen tärkeää.

Fyysikon urapolku on muuttunut siinä, ettei enää ole ns. vihreitä oksia, siis että kun on aikansa ahkeroinut pääsee jotenkin sedimentoitumaan turvalliseen työpaikkaan. Toisaalta samalla on tullut ihan tavanomaiseksi asiaksi muuttaa radikaalistikin työtään ja uraansa vanhemmallakin iällä, ja se onnistuu helpommin kuin ennen. Pidän näitä pääosin positiivisina muutoksina. Tällaisessa tilanteessa hyvä strategia on tehdä töitä tasaisen varmasti. Ajattele suoritustasi pikemminkin maratonina kuin pikajuoksuna. Pidä mieli avoimena ja opettele koko ajan jotain uutta. Terveyteen ja perusasioiden vahvaan osaamiseen kannattaa aina panostaa kuten myös aidon innostuksen ja mielenkiinnon säilyttämiseen.

Päivi Törmä laboratoriossaan muutaman ryhmänsä jäsenen kanssa.

 

Liisi Oterma – priimustohtori ja peto hiomaan

 teksti: Eva Isaksson

Turku on Suomen tähtitieteen kehto, mutta yliopiston siirryttyä Helsinkiin alkoi tähtitieteen opetus Turussa uudelleen vasta 1924. Yrjö Väisälä käynnisti Turun yliopiston yhteyteen vahvaan havainto-osaamiseen perustuvan tutkimustradition, jonka perinnettä Tuorlan observatorio edelleen kunniakkaasti jatkaa.

Liisi Oterma Australiassa Parkesin observatorioon suuntautuvalla retkellä IAU:n yleiskokouksen yhteydessä 25.8.1973. (Kuva: AIP Emilio Segrè Visual Archives, John Irwin Slide Collection)

Yrjö Väisälän oppilas ja seuraaja Liisi Oterma oli Väisälälle vahva työpari. Oterma aloitti opettajansa kanssa pikkuplaneettajahdin jo ennen valmistumistaan maisteriksi 1938. Pikkuplaneettoja etsittiin kaksoispistemenetelmällä, jossa tähdet näkyivät päällekkäisinä pisteinä, mutta pikkuplaneetat olivat valotusten välillä ehtineet liikkua. Joinakin vuosina suurin osa Turun kansainvälisesti erittäin runsaslukuisista pikkuplaneettahavainnoista oli Oterman tekemiä.

Pikkuplaneettojen lisäksi valokuvalevyille tallentui myös komeettoja. Oterma havaitsi kaikkiaan kolme uutta komeettaa, joista tunnetuin, komeetta Oterma (1942 VII), ilmestyi valokuvaan maaliskuussa 1943. Laskelmat osoittivat, että pörröiseltä näyttävä kohde oli komeetta, jonka rata Auringon ympäri oli yllättävää kylläkin pyöreä. Komeetan kiertoaika oli vain kahdeksan vuotta. Oterma sai selville komeetan liikkuneen ennen vuotta 1937 tavanomaisempaa soikeaa 18 vuoden kiertorataa, kunnes Jupiterin vetovoima oli häirinnyt komeettaa siinä määrin, että se oli joutunut lähes ympyränmuotoiselle radalleen Marsin ja Jupiterin ratojen väliin. Oterma ennusti samanlaisen häiriön palauttavan komeetan soikealle kiertoradalle vuosien 1962-63 tienoilla. Tämä 1957 esitetty ennustus toteutui. Komeetta Oterma herätti aikoinaan suurta kansainvälistä huomiota.

Vuonna 1955 ilmestyneessä väitöskirjassaan Oterma käsitteli kaukoputkien optiikkaa ja niiden optimointia. Väitöskirja hyväksyttiin korkeimmalla arvosanalla. Liisi Otermasta tuli 1955 pidetyn Turun yliopiston promootion priimustohtori ja Suomen ensimmäinen tähtitieteestä väitellyt naistutkija. Seuraavana vuonna Liike- ja virkanaisten kansallisliitto valitsi hänet vuoden naiseksi.

Yrjö Väisälälle Otermasta tuli korvaamaton. Yhteistyössä he valmistivat niin optiikkaa teleskooppeihin kuin kvartsisauvoja maan navan liikkeiden havaitsemiseen. Väisälä kehaisi Oterman olevan ”oikein peto hiomaan”.

Yrjö Väisälä ja Liisi Oterma “tahkoamassa” Kvistabergin tähtitornin korjauslasia Tuorlan tunnelihiomossa 1955. (Kuva: Tuorlan observatorio)

Väisälän kanssa valmistettua optiikkaa päätyi niin koti- kuin ulkomaisiin observatorioihin. He viimeistelivät mm. Uppsalan yliopiston Schmidt-teleskoopin pääpeilin 1957. Tähän tuolloin lajissaan maailman suurimpaan teleskooppiin Väisälä ja Oterma valmistivat myös metrin läpimittaisen korjauslasin. Myöhemmin Oterman aloitteesta hankittiin Tuorlan observatorioon Kööpenhaminan observatorion valmistama 60 cm fotometrinen teleskooppi, joka mahdollisti uudet astrofysikaaliset havainnot Tuorlassa. Optiikka tähänkin teleskooppiin valmistettiin Tuorlassa Oterman johdolla. Samoin hänen johdollaan valmistettiin optiikka myös Tuorlan 70 cm Schmidt-teleskooppiin, joka valmistuttuaan 1980 oli Suomen suurin teleskooppi.

Liisi Oterma menossa tunnelilaboratorioon kvartsimetri kädessään. (Kuva: Tuorlan observatorio)

Tuorlassa valmistetuista havaintolaitteista kannattaa mainita myös vuonna 1960 valmistunut zeniittiputki, joka osoittautui hämmästyttävän tarkaksi ja pitkäikäiseksi. Liisi Otermalle omistetussa ”Maapallo ja avaruus” -juhlakirjassa (Ursa 1984) kerrotaan zeniittiputkella tehtyihin havaintoihin liittyvä anekdootti, joka hyvin kuvaa Oterman tutkijanluonnetta:

”Esimerkkinä prof. Oterman taidosta kerrottakoon, että viimeksi suoritetussa parannuksessa, jolloin havaintoja oli kertynyt jo yli 20 000 kpl, hän tarkisti ne kaikki, poisti virheelliset havainnot, korjaili laskuvirheitä sekä suoritti lopuksi em. havaintojen tasoituksen, jossa virheyhtälöitä oli yli 20 000 ja tuntemattomia yli 200 kpl. Tämä olisi melkoinen urakka tietokoneellakin suoritettavaksi, mutta prof. Oterma laski tämän kaiken käsin apunaan vain pieni pöytälaskukone! Prof. Oterman perustelu menettelylleen oli erikoinen ja ansaitsee myös tulla mainituksi. Hän tarvitsi tulokset nopeasti eikä hänellä ollut aikaa jäädä odottamaan sopivan tietokoneohjelman valmistumista tai havaintojen lävistystä reikäkorteille tietokoneelle luettavaan muotoon. Näiden havaintojen myöhempi kohtalo on sittemmin osoittanut, että prof. Oterman arvio tietokonekäsittelyn nopeudesta oli myös täsmälleen oikea.”

Väisälän seuraajaa valittaessa Liisi Oterma sai kansainvälisten asiantuntijoiden vahvan suosituksen, sillä hänen katsottiin parhaiten kykenevän jatkamaan Yrjö Väisälän aloittamaa työtä. Hänet nimitettiin Turun yliopiston tähtitieteen professorin virkaan 1965. Tutkijana Oterma varmasti oli saamiensa suositusten painoinen, mutta tutkimusresurssien hankkijana ja vaikuttajana hän ei yltänyt opettajansa mittoihin.

Yhdessä asiassa Väisälän oppilas oli kumminkin ylivertainen. Liisi Oterma hallitsi sujuvasti toistakymmentä kieltä, ja hänen tiedetään valinneen urakseen tähtitieteen, koska Turun yliopistossa ei opetettu sanskriittia.

Kalevi Mursula tutkii avaruusilmastoa

Teksti: Emilia Kilpua

“Aurinkotuulen protonit marssivat kuin preussilainen armeija” Kalevi Mursula kuvailee ja heiluttaa kädellään tahtia. Kalevi on professori Oulun yliopistolla ja hän tutkii avaruusilmastoa. Ala kattaa koko ketjun aina Auringon sisuksista Maan lähiavaruuteen ja ilmakehään asti. Painopiste on pitkän ajan vaihteluilla, vuosista vuosisatoihin. Aurinkotuuli on agentti, joka välittää muutokset Auringon magneettikentän rakenteessa ja aktiivisuudessa planeettainväliseen avaruuteen. Tämä varatuista hiukkasista koostuva jatkuva plasmavirta pakenee Auringosta ja pyyhkäisee planeettojen ohitse aina heliosfäärin reunamille asti.

Kalevi Mursula Meksikossa Teotihuacánissa Auringon temppelin huipulla

Mies joka yhdisti avaruusilmastotutkijat

Avaruusilmastoon liittyvää tutkimusta on tehty jo vuosikymmeniä, mutta porukka oli pitkään hajallaan. “Vielä kaksikymmentä vuotta sitten ei ollut alaan liittyviä kokouksia tai edes omia sessioita isommissa kokouksia” Kalevi kertoo, “Yksi syy tähän on varmasti se, että ala on niin monitieteellinen”. Nyt avaruusilmastotutkijat kokoontuvat säännöllisesti Kalevin koordinoimaan kansainväliseen Space Climate kokoukseen. Ensimmäinen kokous järjestettiin vuonna 2004 Oulussa ja siihen osallistui yli sata tutkijaa. Seuraava kokous on vuonna 2019 Kanadan Quebecissä.  “On ollut mahtavaa nähdä miten ala on laajentunut tieteellisestä marginaalista valtavirraksi reilussa kymmenessä vuodessa” Kalevi summaa tyytyväisenä. Kalevi peräänkuuluttaa myös rohkeutta rahoittajille ja nuorille tutkijoille. Valtavirran ulkopuolella olevista ideoista ja pienen porukan jutuista voi syntyä tulevaisuuden suuria uusia aloja.

Mikä dynamoa hölskyttää?

Kalevi johtaa Suomen Akatemian huippuyksikköä nimeltä ReSoLVE  (Research on Solar Long-term Variability and Effects), joka koostuu viidestä tutkijatiimistä Oulun yliopistossa ja Aalto-yliopistossa. ReSoLVE tarkastelee pääasiassa muutaman sadan vuoden vaihteluita ja Auringon hiljaisille ajanjaksoille tyypillistä poloidaalista magneettikenttää. Kalevi muistuttaa, että Auringon vaikutukset Maan lähiavaruuteen ovat merkittäviä silloinkin, kun  isoja purkauksia ei tapahdu. Auringonpilkkuminimin aikaan Auringon rakennetta dominoi valtavat koronan aukot, joista nopea aurinkotuuli syöksyy heliosfääriin. ReSoLVE selvittää nopean aurinkotuulen aiheuttamia häiriöitä Maan magneettikentässä ja hiukkasympäristössä, sekä niiden vaikutuksia Maan ilmakehään ja ilmastoon. Mielenkiintoinen tulos on se, että aurinkotuulella on osoitettu olevan uusia, Auringon säteilyaktiivisuudesta riippumattomia ilmastovaikutuksia erityisesti pohjoisilla leveysasteilla.

Yhdeksi huippuyksikön pääkysymykseksi Kalevi mainitsee Auringon poikkeuksellisen suuren aktiivisuuden 1900-luvulla. Nyt tämä aktiivisuus on ohitse ja olemme palanneet sata vuotta sitten vallinneeseen rauhallisemman Auringon tilanteeseen.  ”Mikä Auringon dynamoa hölskyttää niin, että saadaan aikaan näin suuria vaihteluita?” kysyy Kalevi. Aktiivisuus Auringon eteläisellä ja pohjoisella puoliskolla ei kehity aina ihan samaan tahtiin. Erossa on kuitenkin löydetty systemaattista käytöstä, jota kuvaamaan Kalevi on lanseerannut termin ”bashful ballerina”. Ujon ballerinan hameen laskostuminen kuvaa Auringon ja heliosfäärin magneettikentän pohjois-eteläsuuntaista epäsymmetriaa. Auringon magneettikentän rakenteen pitkän ajan vaihtelut sekä niiden syiden ja vaikutusten ymmärtäminen on ReSoLVEn päätavoitteita.

Pitkien aikasarjojen haasteet

Avaruusilmaston tutkimuksessa käytettävät pitkät aikasarjat luovat merkittäviä haasteita.  Kalevi mainitsee erityisesti datan homogeenisuuden olevan tärkeää ja teettävän valtavasti työtä. Mittausmenetelmät muuttuvat usein vuosien saatossa, mutta dokumentointi on puutteellista. Yhtenä paraatiesimerkkinä pitkistä aikasarjoista on auringonpilkkuluku. Auringonpilkut kertovat Auringon yleisen aktiivisuuden tasosta ja tutkijat käyttävät niitä ahkerasti, koska teleskooppimittauksiin perustuvaa tietoa on saatavilla 1600-luvulta asti.  Pilkkuluvut päivitettiin muutama vuosi sitten, mutta Kalevi mukaan ennenaikaisesti, sillä muutoksia on vielä tulossa.

Polku avaruusilmastotutkijaksi

Miten Kalevista sitten tuli fyysikko ja avaruusilmastotutkija? Lapsuuden harrastusten perusteella uravalinnaksi olisi voinut veikata vaikkapa muusikkoa. Pikku-Kalevi lauloi, soitti pianoa ja klarinettia ja perusti kavereidensa kanssa menestyksekkään tiernapoikabändin. Teini-iässä musiikkihommat tyssäsivät kuitenkin äänenmurrokseen. Samoihin aikoihin syttyi Kalevin ensimmäinen tieteellinen rakkaus. Hän innostui biologiasta ja tutustui luonnontutkija Carl von Linnen järjestelmään. Nuorta poikaa kiehtoi, miten kasvit ja eläimet voitiin luokitella systemaattisesti ja tieteellisesti.

Yliopistossa Kalevi luki aluksi pääaineena matematiikkaa ennen kuin vaihtoi teoreettiseen fysiikkaan. Tieteellinen ura alkoi hiukkasfyysikkona ja Kalevi tohtoroitui Matts Roosin johtamassa heikkojen vuorovaikutusten tutkimusryhmässä. Väitöstyön kruunasi usean tiedelehden huomio Kalevin ja Francis Halzenin julkaisusta, jossa johdettiin aiempaa paljon alempi yläraja hiukkasukupolvien lukumäärälle vastikään löydetyn Z-bosonin avulla.  Kun Suomi päätti liittyä vuonna 1987 Euroopan avaruusjärjestön liitännäisjäseneksi, avautui monille mahdollisuus siirtyä avaruusfysiikan pariin. Ollessaan ulkomailla nuoren perheensä kanssa Kalevi päätti palata Suomeen ja vaihtaa alaa. Eikä Kalevi ole katunut valintaansa. “Avaruusfysiikka on osoittanut äärimmäisen mielenkiintoiseksi, joustavaksi ja erittäin monipuoliseksi ja tärkeäksi alaksi” hän kehuu. “Erilaisia tutkittavia asioita on hirveästi ja kokeellista tietoa runsaasti ja vapaasti saatavilla. Open data on ollut avaruusfysiikassa käytäntö jo vuosikymmeniä. Kiitokset erityisesti jenkkilään ja alan kansainvälisille yhteistyöorganisaatioille ”.

Avaruusilmastotutkimus alkoi varsin pienestä ilmiöstä. Sodankylän observatorion mittauksista tehtiin jo 1930-luvulla merkittävä löytö. Observatorion silloinen johtaja Eyvind Sucksdorff havaitsi ensimmäisenä nopeita pulsaatioita magnetometridatoissa. Nämä ”helmiäiset” ovat seurausta sähkömagneettisista EMIC-aalloista, jotka liittyvät epästabiilin plasman palautumiseen. Kalevi matkusti vuonna 1990 prof. Jorma Kankaan ja Tapani Pikkaraisen kanssa Sodankylään tutkimaan vanhoja mittauskääröjä. Vierailun tuloksena syntyi Kalevin ensimmäinen avaruusilmastopaperi. Artikkelissa tutkittiin ”helmiäisten” esiintymistä yli 50 vuoden ajan ja havaittiin niiden voimakas vaihtelu auringonpilkkusyklin suhteen vastakkaisessa vaiheessa. Nyt Kalevilla on noin 250 vertaisarvioitua artikkelia, joihin on viitattu n.  8000 kertaa. H-indeksi on pienelle alalle komeat 45.

Ylhäällä näkyy noin sekunnin luokkaa olevia mikropulsaatiohelmiäisiä Sodankylän observatorion vanhoissa magneettikentän mittauksissa. Alhaalla olevat nuolet ovat seurausta salamoista. (Lähde: Mursula, Kangas and Pikkarainen, Journal of Geophysical Research, 1991)

Tulevaisuuden näkymiä

 Avaruusilmastotutkimuksessa on Kalevin mukaan vielä runsaasti tehtävää. Analyysimenetelmät ja mallit tarkentuvat ja vanhoja mittauksia ja tuloksia voidaan myös tulkita uudelleen uusien mittauksien avulla. Auringon aktiivisuuden vaihteluiden tilastollista ennustamista tullaan parantamaan ja pidentämään ainakin muutamaan vuoteen. Tämä edistäisi merkittävästi avaruussään ennustamista yhdistettynä havaintoihin perustuvaan lähes reaaliaikaiseen ennustamiseen. Kalevi uskoo myös, että Auringon magneettikentän ja dynamon toiminnan ymmärtämisessä tehdään tulevaisuudessa merkittäviä harppauksia. Hän muistuttaa kuitenkin, ettei tämä tarkoita sitä, että aktiivisuutta voitaisiin ennustaa useiden syklien yli. On mahdollista, ettei systeemillä ole kovin pitkää muistia. Auringon aktiivisuuden ilmastovaikutuksien tutkimisessa on paljon avoimia kysymyksiä. Mikään helppo tehtävä tämä ei ole. Ilmasto on monimutkainen ja kytketty järjestelmä, ja Auringon säteilyn ja aurinkotuulen vaikutukset vaihtelevat todennäköisesti olosuhteista ja alueesta riippuen. IPCC-raportit eivät ole vielä ottaneet huomioon vastikään havaittuja aurinkotuulen vaikutuksia, esimerkiksi Maata ympäröivistä säteilyvöistä ionosfääriin satavia energeettisiä hiukkasia, joiden tiedetään vaikuttavan yläilmakehän kemiallisiin reaktioihin ja pohjoisten alueiden talvi-ilmastoon. Uusimmissa ilmastomalleissa tämä vaikutus jo otetaan huomioon ja seuraava IPCC-raportti sisältänee ensimmäisen arvion tästä mekanismista.

Kalevi haluaa painottaa vielä lopuksi, että kokee olevansa erittäin kiitollinen saatuaan tehdä uransa tieteen parissa. Huippuyksikkö on mahdollistanut enstistä useamman tutkimusidean toteuttamisen ja testaamisen. “Tutkimusideoiden ja -kohteiden määrä ei lopu tutkimalla, vaan kasvaa entisestään. Niinpä tekemättömänkin työn määrä sen kuin kasvaa, kun ideoita tulee lisää ja lisää” Kalevi toteaa. ”Tutkimalla pystymme näkemään laajemmin kuin aiemmin, mutta emme koskaan näe rantaa. Emme koskaan pääse perille”.

 

 

 

Kalle Vähä-Heikkilä – Vuoden matemaattisten aineiden opettaja 2018

Teksti: Tapio Rasa

Mitä opettaja voi tarjota opiskelijoilleen? Tämän kysymyksen äärelle tuntuu Huittisissa sijaitsevan Lauttakylän lukion fysiikanopettaja Kalle Vähä-Heikkilä palaavan.

Kysyessään entisiltä oppilailtaan, mitä fysiikan tunneilta lopulta jäi käteen, vastaavat Kallen opiskelijat yleensä, että opettaja on auttanut “löytämään fysiikan”. Kun opetus on kohdallaan, fysiikka muuttuu kouluaineesta aidoksi tieteenalaksi ja syvällinen kiinnostus pääsee heräämään. Innostusta ei kuitenkaan saa aikaan, ellei itse ole innostunut. “Sun täytyy uskoa siihen mitä opetat, olla koko ajan kiinnostunut niin uusista löydöistä kuin tutustakin kurssisisällöstä,” Kalle toteaa, ja jatkaa: “Sata lasissa joka päivä.”

Lauttakylän lukio onkin erityisen ansioitunut opinahjo: opiskelijoiden ylioppilasarvosanoja vertaillessa Huittisten pieni ihme erottuu selvästi edukseen. Monet tulevat Huittisten lukioon kauempaakin. Pienessä lukiossa on ihanteelliset olosuhteet opettamiselle ja oppimiselle: opiskelijaryhmä pysyy pitkälti samana, ja jos tärkeää asiaa ei ehditä kurssilla käsitellä, voidaan seuraava kurssi aloittaa siitä, mihin jäätiin. ”Käsitteet täytyy oppia, se ei muutu”, Kalle korostaa.

Opettajan omakin suhde fysiikkaan elää ajassa. Jatko-opintojen aikana Kalle alkoi hahmottaa fysiikan selkeämmin käsitteiden kautta. “Silloin aukeni, että millaista fysiikan opetuksen pitäisi olla”, Kalle kertoo. Maaillma oli näyttäytynyt Kallelle jo pienestä pitäen fysikaalisena, ja kun luonnon ja arjen ilmiöitä pääsi tutkimaan kokeellisesti, oli kutsumus löytynyt. Nyt Kalle Vähä-Heikkilän erikoisosaamisaluetta onkin kokeellisuuteen ja demonstraatioihin perustuva opetus. Miltei jokaiselle oppitunnille löytyy oikea demo, ja jos sellaista ei heti ole, se keksitään.

Kalle esittelee sateenvarjosta rakennettua demovälinettä, jonka avulla voi määrittää maapallon magneettikentän voimakkuuden.

Kalle ihmettelee, miten jotkut luulevat opettajan työn olevan saman toistoa. Päin vastoin: parhaita puolia opettajan työssä on nimenomaan vaihtelevuus ja mahdollisuus auttaa nuoria kehittämään taitojaan. ”En ole katunut. Kyllä tämä on maailman paras ammatti. Huonot päivät kahdentoista vuoden ajalta voi laskea yhden käden sormilla, ja nekin on enemmän johtuneet itsestä.”

Uran edetessä Kalle on alkanut saada kiitosta myös opettajakollegoilta. Tänä vuonna matemaattisten aineiden opettajien liitto MAOL valitsi Vähä-Heikkilän vuoden matemaattisten aineiden opettajaksi. Palkinto myönnettiin “kentällä tehdystä työstä” viitaten eritoten Kallen suuren suosion saavuttaneisiin täydennyskoulutuksiin. “Kokeilin vetää MAOLin paikalliskerhoille koulutuksia kokeista ja demonstraatioista. Pidin huolta, että mukana oli ainakin yksi demo, jota kukaan opettaja ei ollut nähnyt.” Palaute oli erittäin positiivista, joten Kalle jatkoi osaamisensa jakamista. “Ei se niin mene, että jos minä pidän ideani itselläni niin olisin jotenkin parempi opettaja”, Kalle ajattelee. “Jos minä tiedän jotain, niin siitä on tärkeää jakaa muille. Siinä saa samalla palautetta ja oma ammattitaito kehittyy edelleen.”

Lisätietoja Kallen opetusmenetelmistä saat seuraamalla MAOLin Dimensio-lehteä, johon Kalle kirjoittaa mm. fysiikan demonstraatioista ja fysiikanopetuksesta yleisesti.

 

Ville Telkki mullistaa NMR-spektroskopiaa

Teksti: Emilia Kilpua

Oulun yliopiston käytävät ovat toivottoman sokkeloisia. Pienen etsimisen jälkeen löydän kuitenkin kyltin, joka ohjaa NMR spektroskopian yksikköön. Täällä tehdään huippututkimusta alan kansainvälisessä kärjessä. Otin muutama viikko sitten yhteyttä Ville Telkkiin. Hän on akatemiantutkija ja johtaa kokeellista NMR-tiimiä. Haastattelu ajoittui oikein sopivasti, sillä Ville oli juuri kuullut saaneensa Euroopan tutkimusneuvoston kahden ja puolen miljoonan euron apurahan.

NMR tulee sanoista Nuclear Magnetic Resonance ja tarkoittaa siis ydinmagneettista resonanssia. NMR spektroskopian kehittivät toisistaan riippumatta 1940-luvun lopulla Edward Purcelin ryhmä Harvardin yliopistolla ja Felix Blochin ryhmä Stanfordin yliopistolla. Sekä Purcel ja Bloch saivat keksinnöstään vuonna 1952 fysiikan Nobelin palkinnon ja NMR tekniikan sovellutukset ovat poikineet myös kemian ja lääketieteen Nobeleita. Kyseessä on erityinen mittausmenetelmä, jolla on sovellutuksia aina lääketieteen saralta auton katalysaattoreiden filttereihin.

Ville työhuoneessaan Oulun yliopistolla.

Magneettisia hyrriä 

Pyysin aluksi Villeä kuvailemaan, mitä NRM-spektroskopiassa oikein tapahtuu. Menetelmä pohjautuu atomiytimen spinien muutoksiin ulkoisessa magneettikentässä. Atomiytimellä, joka koostuu parittomasta määrästä protoneja ja neutroneja, on nollasta poikkeava ”ydinspin” ja siihen liittyvät sisäinen impulssimomentti ja magneettinen dipolimomentti.  Klassisena analogiana atomiytimet voidaan ajatella pieninä magneettisina hyrrinä. Spin-impulssimomentti  ei voi saada mitä arvoja tahansa vaan se on kvantittunut.

Jos ulkoista magneettikenttää ei ole ydinspinit osoittavat satunnaisiin suuntiin. Voimakas ulkoinen kenttä taasen järjestää spinit ja kiertää ytimien pyörimisakselia. Pikkuhyrrien energia riippuu siitä miten ne ovat suuntautuneet  magneettikentässä ja se on myös kvanttittunut suure.  Lämpöliikkeestä johtuen läheskään kaikki spinit eivät kuitenkaan järjestäydy magneettikentän määrämällä tavalla. NMR-tekniikka vaatii siis hyvin voimakkaita magneetteja.

Järjestäytyneitä ytimiä häiritään radiopulssilla. Jos pulssin taajuus on sopiva ydin absorboi fotonin, kääntyy ja siirtyy korkeammalle energiatilalle.   Häirityt magneettiset pikkuhyrrät indusoivat virran näytettä ympäröivään kelaan, josta signaali lopulta mitataan.

Aivotutkimusta ja arkeologiaa

Mikä tekee NMR-spektroskopiasta niin loistavan menetelmän? Ville kertoo, että tekniikalla saadaan erittäin tarkkaa tietoa aineen avaruudellisesta rakenteesta, miten molekyylit virtaavat ja käyttäytyvät. ”Tärkeää on, ettei NMR-mittauksissa rikota näytettä. Lisäksi tutkimukset tehdään yleensä nesteessä, mikä on monissa sovellutuksissa se aineen luonnollinen olotila.”

NMR-spektroskopian käytännön sovellukset ovat valtaisat. Se on keskeinen materiaalifysiikan tutkimusmenetelmä ja sitä hyödynnetään myös biologian ja arkeologian tutkimuksessa.  Tekniikalla voidaan esimerkiksi havainnoida miten kaasut absorboituvat huokoisissa materiaaleissa. Lääketieteen sovellutuksista Ville mainitsee magneettikuvauksen ja syöpäsolujen aineenvaihdunnan. ”Voidaan sanoa, että NMR menetelmä on mullistanut neurologian ja aivotutkimuksen.”

Kemian ja fysiikan välimaastossa

Ala on kiehtova sekoitus fysiikkaa ja kemiaa. Ville kertoo, että hän julkaisee tuloksensa aina fysikaalisen kemian tai kemian lehdissä. Tiimissä lähes kaikilla on kuitenkin fyysikon koulutus. Tietoa tarvitaan molemmilta aloilta, mutta analyysimenetelmien kehitys perustuu fysikaaliseen ymmärtämiseen. ”Pohjimmaltaan NMR perustuu kvanttimekaniikkaan”, Ville muistuttaa. “Lisäksi ala vaatii vahvaa matemaattista osaamista.”

Menestyksen salaisuus perinteissä

Oululaisryhmän menestys kumpuaa Villen mukaan pitkistä perinteistä. Pääroolia tässä on näytellyt viitisen vuotta sitten eläkkeelle jäänyt professori Jukka Jokisaari. Jukka oli myös Villen ohjaaja ja hänen työnsä tuloksena ryhmän käyttöön on saatu kattava laboratorio. ”Mutta toisaalta on tärkeää myös uudistua” Ville muistuttaa. ”Uusi sukupolvi on hyödyntänyt tradition ja kehittänyt sen pohjalle omia juttujaan”.

Toiseksi merkittäväksi tekijäksi Ville mainitsee teoreettisen ja kokeellisen tutkimuksen vuorovaikutuksen. Villen ryhmän vierestä löytyy professori Juha Vaaran vetämä NMR-tutkimuksen teoriaryhmä. ”Naapurihuoneesta löytyy kovia alan asiantuntijoita. Aina voi mennä juttelemaan ja kysymään neuvoa.”

Ville esittelee Oulun laboratorion NMR-mittauslaitteistoa. Magneetin voimakkuus on 14.1 Teslaa. Suprajohdemagneetti jäähdytetään nestemäisellä heliumilla.

Alalle sattumalta

 Alalle Ville ajautui sattumalta. Hän opiskeli Oulun yliopistolla fysiikkaa ja matematiikka, mutta selkeää suunnitelmaa tulevaisuudelle ei ollut. Ville pärjäsi hyvin opinnoissaan, mutta motivaatio oli hieman kateissa. Kevättalvella 1999 hän törmäsi yliopiston käytävällä pariin opiskelukaveriin, jotka olivat matkalla keskustelemaan kesätöistä Jukka Jokisaaren kanssa ja lyöttäytyi mukaan. Ville oli porukasta ainoa, joka lopulta sai töitä. Tutkimustyö imaisi nopeasti mukaansa ja opinnotkin alkoivat taas innostaa.

NMR tutkimus on pitänyt Villen otteessaan kesätöistä lähtien. Hän väitteli vuonna 2006 ja vietti sen jälkeen puolitoista vuotta tutkijatohtorina Berkeleyn yliopistolla. Siellä tutkimus keskittyi kaasujen virtausten kuvaamiseen NMR:n etähavaisemismenetelmällä.

Uraauurtavia menetelmiä

Uudella miljoonarahoituksellaan Ville aikoo tehdä läpimurtoja NMR tutkimuksen saralla. Tavoitteena on luoda kokonaan uusi NMR menetelmien luokka. Tämä on hyvin harvinaista jo pitkään vakiintuneella alalla.

Perinteisessä moniulotteisessa NMR kokeessa mittauksia toistetaan jopa satoja kertoja ja havaintoajat ovat pitkiä. Vuonna 2010 Israelissa Weizmannin tiedeinstituutissa kehitettiin Lucio Frydmannin johdolla ultranopea NMR menetelmä. Tällä menetelmällä mittaus voidaan suorittaa vain yhdellä skannauksella.

Villen ERC-projektin ydinajatuksena on kasvattaa yhtä aikaa sekä havaintojen nopeutta että herkkyyttä moninkertaisiksi. Näin voidaan tutkia hyvin matalapitoisia näytteitä ja nopeita prosesseja. Tekniikan nimi on ultrafast Laplace NMR. Laplace NMR tarjoaa yksityiskohtaista tietoa molekyylien liikkeestä relaksaatio- ja diffuusiomittausten kautta. ”Sovellan avaruudellista koodaamista moniulotteisten Laplace NMR mittausten tekemiseen yhdellä skannauksella.”

Tulevaisuuden nousevaksi trendiksi Ville mainitsee kompaktit NMR laitteet. Niillä ei pysty tekemään yhtä tarkkoja mittauksia kuin isoilla laitteilla, mutta ne ovat huomattavasti edullisempia.  Herkkyys on sitä parempi mitä voimakkaampi ulkoinen magneettikenttä on kyseessä. Voimakkaat magneetit ovat vain hirmuisen kalliita, jopa kymmeniä miljoonia euroa. Maailmalla on Villen mukaan useita yrityksiä jotka satsaavat nimenomaan ”pöytä-NMR” laitteiden kehittämiseen. Teollisuussovellutuksina näissä on valtavasti kasvun varaa.  ”Yksi ERC-tutkimukseni sovelluskohteista ovatkin juuri nämä pienet NMR laitteet”.

Oululaiselle NMR-spektroskopian tutkimuksen menestykselle on siis tulossa jatkoa. Onnittelut vielä Villelle ERC-rahoituksesta!

Oulun yliopiston NMR ryhmän sivut

Oulun yliopiston tiedote Villen ERC rahoituksesta

Venus Keus, unveiling the world behind the equations to explain the evolution of the Universe

Text: Erika Palmerio

The history of humanity through the centuries and millennia has often been characterised by one central question: how did everything come to being? We have, for example, many documents from ancient Greece written by philosophers that spent their life looking for the ἀρχή (arche), that translates to “beginning”, “origin”, “source”. Science and technology have answered many questions since then, and thanks to them we have formulated many theories, but a number of questions still remain unanswered. For example, what happened during the early evolution of the Universe, that is, a few seconds after the Big Bang? We do not have direct access to this information, but we do have some observational signatures of what might have happened. Early Universe Cosmology is a field that aims at finding theories for the early stages of the Universe through studying these signatures. These theories, then, would have to agree with what we see today. The Higgs boson, for example, was a significant particle back then (it is a heavy and unstable particle that has decayed already) that had an important impact on the Early Universe. The Standard Model of Particle Physics aims at describing the Universe as we see it today, but we know that it is an incomplete model, since it cannot explain several phenomena that we do observe (dark matter, the accelerated expansion of the Universe, baryon asymmetry, etc.).

The cosmic microwave background (CMB) at different resolutions. The CMB is a uniform and faint thermal background radiation due to the Big Bang. It is also known as “relic radiation”. (Picture: Cobe, WMAP, Planck)

Venus Keus is a postdoctoral researcher in Particle Physics at the University of Helsinki. As a child, she was always very curious about the world around her. “I wasn’t satisfied with knowing how a bicycle worked. I wanted to know WHY it worked the way it did!”, says Venus. She had many different interests, but science fascinated her the most. She realised in high school that physics was what she wanted to pursue as it dealt with the reason behind different phenomena. “I wanted to know everything about everything, which sounds quite silly now – jokes Venus – and physics was the field that was going to give me answers about how and why things worked”. However, she realised the chances of doing research in physics in her home country, Iran, were quite slim as the country doesn’t invest in research in fundamental physics. So, after receiving her Bachelor’s degree in Physics from the Amirkabir University of Technology in Tehran, Iran, she decided to move abroad.              

Venus Keus in her office in Physicum, Kumpula Campus, University of Helsinki. (Picture: Erika Palmerio)

She got a scholarship to study Bionanotechnology at the Delft University of Technology in the Netherlands. As exciting as it was to work at the interface of biology and physics, it was not what fed Venus’ curiosity. She wanted to go deeper to understand why these little particles and molecules behave the way they did. After getting her first Master’s degree from TU Delft, she moved to Sweden, this time for another Master’s program in Nanoscience at the Chalmers University of Technology in Gothenburg. “I enjoyed this programme more, where I worked on transportation properties of graphene and nano-ribbons”, says Venus. Finally, after getting her second Master’s degree, she knew what she wanted to do for life: particle physics.

Venus got a PhD position in Particle Physics at the University of Liège in Wallonia, Belgium. The position was for six years, but she ended up finishing her doctoral studies in three years. “It was an intense period, especially because I had jumped into a completely new mathematically challenging filed. There were times when all I could see were equations with no clear connection to the real world!”, Venus explains. Towards the end of her PhD, she moved to the UK as a visiting fellow at the University of Southampton. The research environment she found there was great and she believes it was during that time she started to understand the physics of particles at a deeper level. When asked when she started to “see the world behind the equations”, she says: “It is not something that happens overnight. It is a continuous process that happens little by little. Having a PhD in physics gives you the confidence to believe that you understand what is going on and that you can make a contribution. Going to conferences, seminars, and workshops is very helpful because you hear about new models or even similar theories but from different perspectives, which helps you put a general picture together.”. Moreover, Venus believes that one should never think “I’m too old to learn something new”. She still goes to lectures and basic level seminars on the chance of learning new subjects and new perspectives.

Venus Keus’ academic journey. She moved from Iran to Finland through several other countries. “Google tells me this journey should have taken me 125 hours, but it took me a lot longer than that”, she says laughing. (Picture: Venus Keus)

Finally, Venus came to the University of Helsinki for her first official post-doc. Finland was not actually a planned destination. As Venus explains, particle physics is a very competitive field with not many job openings and one cannot be very picky with where to go. She confesses that she knew very little about Finland before accepting the job offer in 2014, but she was very pleasantly surprised and welcomed into the research community in Helsinki. “I cannot deny that it was a bit of a shock to come here for the first time in April – jokes Venus – and see the frozen sea from the plane!”. However, adapting to life in Helsinki was no struggle and even though she came to Finland not knowing what to expect, Helsinki is her most favourite place to both live and work.

Venus works on Particle Physics and Early Universe Cosmology, trying to come up with theories to explain the evolution of the Universe, to match with observational data and to find unique experimental signatures so these models could be confirmed or ruled out one day. “I feel very lucky to be doing what I love for a living. It doesn’t pay much or leave me much free time but I really enjoy it”.