Gunnar Nordström, maailmalla tunnettu teoreetikko

Teksti: Eva Isaksson

Tieteenhistorian kiinnostuksen kohteena

Gunnar Nordström oli omana aikanaan suomalaisen fysiikan salainen suurmies. Hänen työnsä tiedettiin tutkimuksen eturintamassa 1910-luvulla, mutta kotimaassaan hän on oli oman tiensä kulkija, jonka saavutukset jäivät Suomessa vähemmälle huomiolle.

Nordström ponnisteli Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian soveltamiseksi painovoimaan. Varsin pitkään ajateltiin, että hän kilpaili Einsteinin kanssa, ja hävisi kilpailun jo kauan ennen maaliviivaa. Sittemmin on alettu nähdä 1910-luvun alussa kehitellyt painovoiman teoriat ajattelua avartavina avauksina, jotka auttoivat Einsteinia löytämään suunnan kohti yleistä suhteellisuusteoriaa. Nordström oli tässä työssä keskeisessä asemassa. Tämän arvostuksen nousun voi havaita vaikkapa siitä, että Nordströmin alkuperäisiin tutkimusartikkeleihin on alettu viitata yhä enemmän 2000-luvun puolella. Mielenkiinto suurta suomalaista teoreetikkoa kohtaan on osoitus hänen työnsä kestävästä merkityksestä.

Suomalaisen fysiikan salainen suurmies Gunnar Nordström. Kuva: Museovirasto

Suhteellisuusteorian lumoissa

Gunnar Nordström syntyi Taideteollisuuskoulun rehtori Ernst Nordströmin ja Alina Hirnin perheeseen. Hän valmistui diplomi-insinööriksi Polyteknisen opiston koneosastolta ja jatkoi fysiikan opintoja Helsingin yliopistossa, jossa valmistui maisteriksi vuonna 1905 ja tohtoriksi viittä vuotta myöhemmin.

Opettajansa Hjalmar Tallqvistin neuvosta Nordström haki matkastipendin ja lähti Eurooppaan. Saksan Göttingenissä tarjottiin huippuopetusta fysikaalisessa kemiassa Walter Nerstin johdolla. Jatko-opiskelija kuitenkin hurmaantui fysiikan uusista tuulista. Einsteinin suppeampi suhteellisuusteoria tuli tuoreeltaan tutuksi. Nordström tarttui haasteeseen, Newtonin vanhan painovoimateorian korvaamiseen uudella, jossa suhteellisuusteoria otettaisiin huomioon.

Suppeamman suhteellisuusteorian kulmakivenä on valon nopeus, joka on sama kaikille havaitsijoille. Teoria kattaa sähkömagneettiset ilmiöt. Ongelmana oli, kuinka ottaa painovoima mukaan yleisempään suhteellisuusteoriaan. Gunnar Nordström perusti 1912 julkaistun teoriansa fysikaalisiin suureisiin, joilla ei ole suuntaa, eli skalaareihin. Vähän aikaisemmin saksalainen Max Abraham oli luonnostellut vektoreihin nojautuvaa gravitaatioteoriaa.

Einstein oli julkaissut 1907 artikkelin jossa kehitteillä olevan yleisen suhteellisuusteorian yhdeksi kulmakiveksi asetettiin ekvivalenssiperiaate, joka määrittelee painovoiman ja kappaleen kiintyvyyden keskinäisen ekvivalenssin. Tätä seuranneet vuodet olivat uuden teorian hitaan hautomisen vuosia. Nykyisin monet katsovat, että Abrahamin ja Nordströmin teoriat olivat tärkeitä askelia tiellä kohti Einsteinin yleistä suhteellisuusteoriaa. Ilman niitä Einstein ei ehkä olisi nähnyt yhtä tarkasti käsitteitä, joita tarvittiin uuden teorian rakennustarpeiksi.

Näiden avaintutkijoiden vuorovaikutus artikkelien, vierailujen ja kirjeenvaihdon muodossa ovat osoitus siitä, ettei Einstein kehittänyt omaa teoriaansa suinkaan tyhjiössä. Nordström vieraili 1913 Zürichissa ja keskusteli siellä työstään Einsteinin kanssa. Nordströmin 1913 julkaisema parannettu versio skalaariteoriasta oli Einsteinin mukaan siihen asti kehitetyistä teorioista ainoa, joka täytti painovoimateorialle asetettavat neljä vaatimusta: (1) energia ja liikemäärä säilyvät (2) ekvivalenssiperiaate on voimassa (3) suppeampi suhteellisuusteoria pätee (4) luonnonlait eivät riipu gravitaatiopotentiaalin absoluuttisesta suuruusluokasta. Einstein lausui nämä julkiset kehunsa puhuessaan syyskuussa 1913 saksalaisten luonnontieteilijöiden 85. tapaamisessa Wienissä. Tämä tunnustus kuuluu suomalaisen teoreettisen fysiikan huippusaavutuksiin.

Einstein ratkaisi lopulta yleisen teorian kuvaamalla kentät vektoreilla eli suureilla, joilla on suunta. Vektorit on kätevää esittää matemaattisesti tensoreilla. Nordström taas oli valinnut skalaarit, jotka ovat tensorien yksinkertaisempi erikoistapaus. Matemaattisesti vaativien tensoriyhtälöiden viilaaminen kesti Einsteinilta vuoteen 1916.

Gunnar Nordströmin postikortti Albert Einsteinille 3.8.1916

Fysiikan teoriat testataan katsomalla, toteutuvatko ne luonnossa. Yleisen suhteellisuusteorian tunnetuin testi oli havainto siitä, kuinka tähdestä saapuva valonsäde hienoisesti taipuu Auringon vetovoimakentässä. Einsteinin teoria ennusti taipumista, kun Nordströmin mukaan valonsäde kulkisi suoraan. Ilmiö voitiin nähdä vain auringonpimennyksessä. Koska saksalainen auringonpimennysretkikunta joutui Venäjällä sotavangiksi 1914, tulosta saatiin odottaa vuoden 1917 pimennykseen. Se kertoi selvästi, että valonsäde taipuu.

Neljättä ulottuvuutta sopii tutkia kotona

Kauan ennen kuin alettiin puhua yhtenäiskenttäteorioista, Nordström päätti laatia teorian, jossa neliulotteinen avaruusaikamme oli viisiulotteisen jatkumon kuva. Tämä oli ensimmäinen yritys selittää fysiikan ilmiöitä ottamalla laskelmiin mukaan viides ulottuvuus. Aikalaiset eivät – ehkä juuri alkaneen ensimmäisen maailmansodan vuoksi – kiinnittäneet huomiota mullistavaan ideaan. Kunnian viidennen ulottuvuuden keksimisestä korjasi vuonna 1921 saksalainen fyysikko Theodor Kaluza. Sittemmin Nordströmin asema edelläkävijänä on huomattu ja tunnustettu.

Kansainvälisenä tutkijana Nordström hakeutui sinne, missä alan parhaat aivot ponnistelivat samojen ongelmien parissa. Hän työskenteli stipendiaattina Alankomaiden Leidenissä, joka tuolloin oli teoreettisen fysiikan keskuksia. Tutustuttuaan Einsteinin teoriaan ja keskusteltuaan Einsteinin kanssa Nordström ryhtyi kehittämään Einsteinin teoriaa. Sähköisesti varautuneen pallosymmetrisen kappaleen kenttäyhtälöiden ratkaisua kutsutaan Reissnerin-Nordströmin metriikaksi.

Tässä osoitteessa Witte Rozenstraatilla Nordström asui Leidenissä työskennellessään. Kuva: Eva Isaksson

Nordström olisi jatkanut uraansa Euroopassa, mutta avioliitto hollantilaisen fysiikan opiskelijan Cornelia van Leeuwenin kanssa vuonna 1917 asetti taloudelliset paineensa. Apurahalautakunnan mielestä neljättä ulottuvuutta sopi tutkia kotona tarvitsematta matkustaa ulkomaille, eikä rahoitusta enää herunut.

Nordström asettui kotimaahan ja jäi Suomessa nopeasti syrjään uuden fysiikan kiihkeästä valtavirrasta. Hän toimi Teknillisen korkeakoulun fysiikan ja mekaniikan professorina ja kirjoitti joitakin oppikirjoja. Sitten iski kohtalokas veritauti, joka saattoi olla seurausta tuolloisesta huolettomasta uraanin ja muiden radioaktiivisten aineiden käsittelystä. Nordströmin kerrotaan kanniskelleen voimakkaasti radioaktiivisia säteilymittareitaan jopa rintataskussaan tutkiessaan 1910-luvun alussa Suomen luonnonlähteiden veden “radioemanaatiota”.

Kadonneet kirjeet

Gunnar Nordström oli kirjeenvaihdossa Einsteinin kanssa, mutta vain muutama Nordströmin Einsteinille lähettämä kirje on säilynyt Einsteinin arkistoissa. Nämä kirjeet ovat peräisin ajalta, jolloin Nordström työskenteli Leidenissä. Kirjeitä on toki kulkenut toiseenkin suuntaan, mutta ne ovat valitettavasti kateissa.

Yhdessä dosentti Raimo Keskisen kanssa olimme menossa 1980 haastattelemaan Gunnar Nordströmin poikaa, Svante Nordstromiä. Tämän kollega Hydrologisella toimistolla muistelee, miten Svante Nordström oli aikeissa kopioida tärkeää kirjeaineistoa tutkijoille, mutta järkyttyi suuresti kun ei löytänytkään Einsteinin kirjettä kopiokoneesta. Kirje jäi kateisiin niiden lukuisien historiantutkijoiden harmiksi, jotka vuodesta toiseen kyselevät suomalaisilta Einsteinin Nordströmille lähettämiä kirjeitä.

Gunnar Nordström: elämänkaari pähkinänkuoressa

  • Syntyi Helsingissä 12.3.1881
  • Ylioppilas 1899; diplomi-insinööri Polyteknillisen opiston koneosastolta 1903; filosofian kandidaatti 1905, maisteri 1907, lisensiaatti 1909, tohtori 1910.
  • Aleksanterin yliopiston teoreettisen fysiikan dosentti 1910; Teknillisen korkeakoulun fysiikan professori 1918; korkeakoulun yleisen osaston johtaja 1919; mekaniikan professori 1920.
  • Puoliso Cornelia os. van Leeuwen (1889-1974), vihitty 1917; 3 lasta
  • Kuoli Helsingissä 24.12.1923

 

Leave a Reply

Your email address will not be published.