Month: March 2018

Haastattelu ja teksti: Sami Räsänen

Jukka Maalampi tunnetaan monipuolisista ja näkyvistä tehtävistä tieteen parissa. Hän ei ole sulkeutunut tulostensa kanssa omaan kammioonsa, vaan on tullut näkyväksi myös akateemisen maailman ulkopuolella erilaisista tieteen popularisoinnin ja fysiikan opetukseen liittyvistä tehtävistä. Jukan julkaisuluettelo onkin harvinaisen mittava ja monipuolinen: pitkälle yli 300 nidettä sisältäen noin 170 tieteellistä artikkelia ja raporttia, joita seuraa pitkä lista oppi- ja populaarikirjoja, tiedeartikkeleita sekä lehtijuttuja. Hän oli myös Jyväskylän fysiikan laitoksen pitkäaikaisin johtaja. Hänelle myönnettiin tunnustuksena koko yliopistotason Hyvä esimies –palkinto vuonna 2009, mutta ennen kaikkea Jukan yhteensä 12,5 vuotta kestäneen johtajuuden suuri arvostus näkyi laitosneuvoston kokouksissa, joissa hänen jatkamistaan toivottiin yksimielisesti. Koska Jukka ei itse nosta johtamistyötä hänelle itselleen merkityksellisimpien kokemusten joukkoon, niin keskitytään seuraavassa tärkeämpiin asioihin.

Humppamuusikon hoteista Helsinkiin väitöstyöhön

Jukan lukioajat sijoittuivat 60-luvulle. Elettiin avaruusbuumin aikaa, ja keskeisinä tiedonlähteinä olivat perinteiset tietosanakirjat, joita Jukka ja kaksi muuta hänen tavoin luonnon asioista innostunutta kaveriaan tankkasivat ahkerasti. Kiinnostus ei ollut jäänyt opettajaltakaan huomaamatta. Tanssimuusikkonakin toiminut opettaja antoi Jukalle luettavaksi K. V. Laurikaisen modernin fysiikan luentomonisteen, jotka siivittivät tietä kohti Helsinkiä ja fysiikan yliopisto-opintoja.

Tuohon aikaan Helsingissä hakeuduttiin opiskelemaan tiedekuntaan ja pääaineen valinta tehtiin vasta myöhemmässä vaiheessa. Aluksi Jukka ajatteli suuntautuvansa matematiikkaan, mutta opintojen edetessä huomasi omien taipumustensa viittaavaan enemmän fysiikan suuntaan. Erikoistumisalaksi valikoitui teoreettinen hiukkasfysiikka, jota opetettiin suurenergiafysiikan laitoksessa ja teoreettisen fysiikan laitoksessa. Helsingin teoreettisen fysiikan opetuksen taso oli kova. Teoreettiseen fysiikkaan erikoistuva opiskelijajoukko oli pieni verrattuna fysiikan opiskelijoiden määrään. Porukka oli hyvin tiivis ja teki paljon yhteistyötä laitoksen kirjastossa, jossa myös opettajakunta vietti paljon aikaansa.

Väitöskirjatyö eteni ajan hengen mukaisesti. Nykyisen kaltaista väitösprosessia ei ollut, eikä rahoitusta järjestetty systemaattisesti. Tutkimustyön pariin Jukka päätyi mutkattomasti.

– Matts Roos kysyi erikoiskurssin luennolla: ”Kuka haluaa tehdä tutkimusta?” Neljä meistä sitten kokoontui keskustelemaan hänen kanssaan tutkimusaiheista.

Monien muiden tavoin Jukka toimi useita vuosia laitoksella tuntiopettajana ja tuntikuorma oli huomattava, jotta ansaitsi elantonsa. Opetuksen yhteydessä tehtiin tutkimustyötä ja tutkimusprojekteja, joista alkoi kertyä julkaisuja. Elettiin 70-lukua, joka oli hiukkasfysiikassa tavattoman antoisaa aikaa. Standardimalli oli kehittynyt 60-luvun lopussa, lumo-kvarkki löytyi 1974 ja mittakenttäteoriat saavuttivat yleisen hyväksynnän. Hiukkasfysiikassa oli paljon neitseellistä maaperää monenlaisille tutkimuksille. Ensimmäinen, lumokvarkin siivittämä julkaisu valmistui Ilkka Lieteen ja Matts Roosin kanssa vuonna 1976, ja seuraavassa julkaisussa tutkittiin sähköheikkojen vuorovaikutuksien mittakenttämalleja.

Varusmiespalvelun jälkeen Jukan mielenkiinto suuntautui kohti suuria yhtenäisteorioita, erikoistuen ortogonaalisiin Lien ryhmiin (SO(N)). Jukan ensimmäinen Ahaa! –elämys tutkimuksessa liittyi näiden ryhmien spinori-esityksiin. Hän oivalsi, että isojen ortogonaaliryhmien spinoriesityksiä käyttävissä yhtenäisteorioissa vain puolet fermioneista on tyypillisiä siinä mielessä, että ne kokevat heikon vuorovaikutuksen vasenkätisinä. Toiset ovat oikeakätisiä, ja niitä alettiin kutsua peili-fermioneiksi. Merkittävää oli, että näiden mallien mukaan tavallisten hiukkasten vuorovaikutukset eivät olleet puhtaasti vasenkätisiä, vaan peilihiukkasten kanssa tapahtuvan sekoittumisen takia muuttuivat hieman sekakätisiksi. Näistä teorioista ja niiden fenomenologiasta muodostui Matts Roosin ohjauksessa tehdyn väitöskirjan ydin.

Lopullinen väitöskirjan kokoaminen lähti liikkeelle tuiki tavallisena päivänä

– Seisottiin Keijo Kajantien kanssa kolmosen ratikassa, kun Keijo totesi Mikonkadun ja Kaisaniemenkadun risteyksessä, että ”eikös sunkin olisi jo aika koota näitä juttujasi väitöskirjaksi?”.

Elettiin vuotta 1981, ja Jukalle oli kertynyt papereita jo kymmenkunta. Jukka laski keräämänsä impaktipisteet ja arveli papereiden todellakin riittävän väitöskirjaksi. Väitöskirjan johdanto syntyi raivokkaasti CERNissä parin intensiivisen viikonlopun aikana vuoden1982 alussa. Itse johdantoteksti oli noin 20 sivun mittainen, siis lyhyt verrattuna nykyisten väitöskirjojen Jukan mielestä turhankin laajoiksi ja työläiksi paisuneisiin johdantoihin.

CERN – Bielefeld – Helsinki

Helsingissä Jukan keskeisiksi yhteistyökumppaneiksi olivat Ilkka Lieteen ja Matts Roosin lisäksi tulleet Kari Enqvist ja Kalevi Mursula. Vuosina 1976-82 he tutkivat pääasiassa SO-ryhmiin perustuvia yhtenäisteorioita ja vasen-oikea symmetrisiä malleja. Työ näiden mallien parissa jatkui vielä myöhempinä vuosina, mutta lopulta Jukka luopui niiden tutkimisesta LEP-törmäyttimen tulosten perusteella. Mallit nimittäin ennustivat peilineutriinojen olevan kevyitä, jolloin niiden vaikutus olisi pitänyt näkyä Z-bosonin hajoamisleveydessä mutta ei näkynyt.

Jukka siirtyi vuonna 1982 tutkijaksi CERNin teoriaosastolle. Siellä tutkittiin suurella painolla supergravitaatiota ja supersymmetriaa. Myös Jukka alkoi tutustua tähän silloiseen tutkimuksen valtavirtaan, erityisesti supersymmetriaan. Yhteistyökumppanikseen hän sai portugalilaisen Joao Pulidon, jonka kanssa yhteistyö onkin jatkunut koko tieteellisen uran ajan, joitakin taukoja lukuun ottamatta. CERNissä alkoi yhteistyö myös toisen portugalilaisen, Augusto Barroson, kanssa. Hänen kanssaan Jukka tutki erityisesti neutriinojen sekoittumista ja CP-rikkoa. Tähän liittyvä ratkaiseva oivallus tapahtui CERNin kahvilassa kahvikupposen ääressä. Todellakin, me olemme saaneet Jyväskylässä havaita Jukan olevan sangen perso kahville, vaikkei laitoksen ravintolan sumpin laatu ylläkään aivan samaan tasoon CERNin kahvin kanssa, missä keittimet jauhavat pavut siinä hetkessä. Luova työ vaatii rennot olosuhteet ja tilaa ajattelulle!

CERNin jälkeen Jukka jatkoi post doc –uraansa  Bielefeldissä, Saksassa, missä hän haastoi standardimallia Dieter Schildknechtin johdolla. Vahvasti fenomenologisessa tutkimuksessa testattiin sellaisia mittabosonien välisiä vuorovaikutuksia, joita standardimalli ei ennusta, mutta jotka olisivat kvanttilukujen puolesta mahdollisia. Myös näiden mallien ennustuksia pystyttiin etsimään kokeellisesti LEP:ssä, mutta data ei antanut viitteitä tällaisista vuorovaikutuksista.

Tässä vaiheessa Jukan uraa oli tullut selvästi esille, että hänen työssään on koko ajan läsnä vahva fenomenologinen ote ja vuoropuhelu kokeiden kanssa. Malleja voi kehittää ja parantaa, mutta ne pitää hylätä, mikäli empiiriset mittaustulokset osoittavat muuta.

Helsinkiin palattuaan Jukka jatkoi yhteistyötä Kari Enqvistin kanssa. Samalla Jukan tutkimus liikkui kosmologian suuntaan, johon hän oli alkanut tutustua jo CERNissä ollessaan. He alkoivat yhdessä tutustua raskaiden neutriinojen pitoisuuteen eli  abundanssiin varhaisessa maailmankaikkeudessa. Tällaisia pitoisuuskäyriä oltiin laskettu olettaen, että neutriinot annihiloituvat aina fermionipareiksi. Kari ja Jukka kuitenkin ymmärsivät mallien olevan hieman yksinkertaisia, koska ne eivät ottaneet huomioon neutriinojen annihiloitumista W-pariin. Käytännön laskujen tekijäksi löytyi teoreetisen fysiikan laitoksen kovasta nuorisokatraasta Kimmo Kainulainen. Tulokset osoittivat, että annihiloituminen W-pariksi on itse asiassa tärkein neutriinojen abundanssiin vaikuttava kanava raskaiden neutriinojen tapauksessa. Pian tulosten julkaisemisen jälkeen vastaavia mekanismeja alettiin tutkia myös supersymmetristen hiukkasten pitoisuuksien määrittämisessä.

Samalla porukalla – Enqvist, Kainulainen ja Maalampi – syntyi myös toinen alan pioneeripaperi. Kari oli alkanut miettimään neutriino-oskillaatioiden vaikutusta varhaisen maailmankaikkeuden tapahtumiin, kuten nukleosynteesiin. Samaan aikaan Jukka oli alkanut pohtia termisesti jakautuneen materian vaikutusta neutriinojen oskillaatioon. Armeijasta palavaa Kimmo Kainulaista odottikin sitten uusi projekti. Syntyi tutkimus, jossa kyettiin määrittämään yläraja ns. steriilien ja tavallisten neutriinojen väliselle sekoituskulmalle varhaiseen maailmankaikkeuteen syntyvän heliumin pitoisuuden avulla. Steriilit neutriinot ovat monien teorioiden ennustama hiukkastyyppi, jolla ei ole standardimallin mukaisia vuorovaikutuksia. Tutkimuksessa nähtiin se, että vaikka steriilejä neutriinoja ei edes olisi maailmankaikkeuden alkukylvyssä, niin niiden populaatio voisi nousta korkeaksikin neutriinojen sekoittumisen ja termisten reaktioiden kautta. Näitä tuloksia alettiin nopeasti soveltaa maailmalla.  Esimerkiksi Dodelson ja Widrow tutkivat kolmikon keksimän mekanismin pohjalta steriilien neutriinojen muodostaman pimeän aineen syntyä maailmankaikkeuteen.

Karin ja Kimmon siirtyessä NORDITA:an, Jukka suuntasi tutkimustaan uudelleen. Katri Huitu palasi Kaliforniasta Suomeen, ja Jukan ohjattavaksi saapui virolainen jatko-opiskelija Martti Raidal. Jukka oli vielä palannut vasen-oikea symmetrisiin malleihin turkulaisen Aarre Pietilän kanssa, ja nyt Katri, Martti, Aarre ja Jukka alkoivat yhdessä rakentaa supersymmetristä sähköheikkojen vuorovaikutuksien mallia, joka oli vasen- ja oikeakätisyyden suhteen symmetrinen. Tutkimus vei heidät osaksi kansainvälistä tutkimusryhmää, joka suunnitteli suuren lineaarikiihdyttimen rakentamista DESYn tutkimuskeskukseen Saksaan. He  tutkivat standardimallin sellaista vasen-oikea-symmetristä laajennusta, joka sisältää kaksoisvarattuja Higgsin hiukkasia. Lineaarikiihdytin ei toteutunut, mutta kaksoisvarattuja Higgsin hiukkasia on etsitty nyttemmin CERNin LHC:n kokeissa, toistaiseksi tuloksetta.

Tieteen popularisointia

Jukka aloitti tieteen popularisoinnin 1980-luvulla kirjoittamalla Kari Enqvistin kanssa juttuja Arkhimedekseen.

– Siihen aikaan emme olleet vielä täysin ymmärtäneet, millaisia populaaritarinoiden tulisi olla. Saatiin palautetta, että mitä helkkarin hiilihankoja te sinne laitatte?

 Vuoden 1987 supernovaräjähdyksen innoittamana Jukka kirjoitti Helsingin Sanomiin artikkelin neutriinoista. Sen jälkeen alkoi tulla kirjoituspyyntöjä sieltä ja täältä. Erityisesti Tiede-lehden silloinen päätoimittaja Tuula Koukku on jäänyt Jukan mieleen, sillä hän toimitti artikkeleita voimakkaalla ”koukkumaisella” otteella.

– Hän opetti, että näiden juttujen tarkoitus on tarjota elämyksiä. Tiede tarjoaa tarinan rungon, mutta tärkein tavoite on lukijan saama lukukokemus.

Tämän jälkeen Jukka on onnistunut populaarissa ilmaisussa heittämään loogisen purismin romukoppaan ja antamaan itselleen anteeksi sen, että asioita joutuu ilmaisemaan pyöreästi ja epätarkasti.

Ensimmäinen populaarikirja oli Kari Enqvistin kanssa kirjoitettu ”Tyhjästä syntynyt”, joka julkaistiin 1994. Se syntyi, kun uuden Arhimedes-artikkelin sijaan päätettiinkin kirjoittaa pitempi tarina.

Popularisoinnissa on kyse tiedon välityksestä ja elämyksistä. Lisäksi kirjat toimivat monelle tieteestä kiinnostuneelle lukiolaiselle ja opiskelijalle motivaationa sekä kiinnostuksen herättäjänä. [Kuten myös tämän artikkelin kirjoittajalle!]. Jukalle kirjojen kirjoittamisessa on aina ollut läsnä myös hauskuus.

– Tyhjästä syntyneen kirjoittaminen Enqvistin kanssa oli tosi mukavaa ja hauskaa, kirjaa työstettäessä huumori kukki! Editointivaiheessa huumoria piti hieman karsia, mutta kyllä sitä sinne kirjaan jäi ihan  riittävästi.

Yksi monivuotinen projekti oli vuonna 2006 ilmestynyt Jukan yksin kirjoittama kirja ”Maailmanviiva. Albert Einstein ja moderni fysiikka”. Einsteinin juhlavuosi 2015, jolloin suppea suhteellisuusteoria täytti 100 vuotta, oli yksi luonnollinen innoittaja kirjan kirjoittamiseen, mutta kirjan tarkoituksena on myös laajemmin valaista modernin fysiikan historiaa ja kehitystä. Jukka on hyvin innostunut historiasta, ja fysiikan historian penkominen on antanut myös syvyyttä fysiikan tutkimuksen ymmärtämiselle. Jukka sai tästä kirjastaan tiedonjulkistamisen valtionpalkinnon. Se oli hänelle jo toinen, sillä hän ja Kari Enqvist palkittiin aiemmin Tyhjästä syntynyt -kirjasta.

Viimeisen kymmenen vuoden aikana Jukka on osallistunut lukion fysiikan oppikirjojen päivittämiseen, sekä uuden opintosuunnitelman astuessa voimaan myös kokonaan uuden kirjasarjan kirjoittamiseen. Tämä työ on ottanut merkittävän osan kirjoittamiseen liikenevästä ajasta, varsinkin kun uutena asiana lukioon ovat tulleet sähköiset kirjat  ja niihin liittyvä digitaalinen verkkoon tuotettu lisämateriaali.

Oman tekstin tuottamisen lisäksi Jukka on myös suomentanut joitakin yleistajuisia kirjoja, kuten Steven Weinbergin kirjan Unelmia viimeisestä teoriasta. Kääntämisessä häntä kiehtovat kielelliset haasteet: toisaalta täytyy säilyttää alkuperäisen tekstin sanoma, mutta saada se samalla sujuvaksi suomeksi.

Opettajakoulutuksen vastuuprofessoriksi Jyväskylään

Yksi merkittävä käänne Jukan uralla tapahtui 2001, jolloin Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksella aukeni opettajankoulutuksesta vastaavan professorin virka. Jukka päätti alkuun olla hakematta virkaa, sillä hänellä ei ollut didaktista koulutusta. Jyväskylässä asuvan entisen luokkatoverinsa kannustuksesta hän kuitenkin alkoi ajatella asiaa uudelleen ja päätti hakea. Hakeminen meni niin viime tinkaan, että Jukka joutui hyppäämään junaan ja tuomaan hakupaperit henkilökohtaisesti yliopiston kirjaamoon viimeisenä mahdollisena päivänä.  Asiantuntijat painottivat enemmän tieteellistä pätevyyttä kuin didaktisia ansioita, ja Jukka valittiin tehtävään.

Jyväskylään tuleminen oli hyppy tuntemattomaan. Jukka oli käynyt laitoksella vain kerran aikaisemmin, nauttimassa kupposen kahvia Kari J. Eskolan kanssa. Karin lisäksi Vesa Ruuskanen oli tuttu hahmo, mutta paikka itsessään oli vieras.

– Tietenkin laitoksen hyvän maineen tiesin, mutta muuten oli paljon tutustuttavaa. Luonnollisesti otti aikansa, että sain rakennettua ryhmän ympärilleni. Alkuun ohjasin helsinkiläisiä opiskelijoita, joiden väitöstyö oli vielä kesken.

Jyväskylän yliopiston fysiikan laitos on kasvanut merkittävästi kaikilla mittareilla mitaten vuosituhannen alusta, kuten myös suurenergiafysiikan tutkimuksen volyymi. Ennen Jukan kiinnittämistä laitoksella oli vain yksi hiukkasfysiikkaan profiloitunut professori, kun heitä tällä hetkellä on viisi.

Heikkojen vuorovaikutusten lisäksi opettajakoulutuksen tehtävät toivat myös uusia haasteita. Fysiikan historian opetus alkoi ”virkavelvollisuutena”, mutta mieluisena sellaisena tarjoten paljon materiaalia mm. Einstein –kirjaan. Lisäksi Jukka tutustui fysiikan didaktiikan tutkimukseen, mikä ravisteli omia vanhoja käsityksiä opettamisesta. Erityisesti fysiikan tutkimuksen taustalta ponnistavien pedagogien, kuten Eric Mazurin, havainnot saivat Jukan vakuuttuneeksi moderneista opetusmenetelmistä.

– Perinteinen luento-opetus on keskimäärin tehottomin tapa opettaa. Tämä havainto on tullut varmistetuksi kerta toisensa jälkeen useissa tutkimuksissa. Me olemme tutkijoita, meidän tulee uskoa tutkimustuloksia!

Jukka alkoi puhua opetuksen kehittämisen ja erityisesti opiskelijoita aktivoivien opetusmenetelmien puolesta laitoksen opetuksen  kehittämispalavereissa. Ajan myötä varsinkin nuoret opettajat tarttuivat haasteeseen ja hyvin merkittävällä tavalla kehittävät fysiikan perusopintojen opetusmenetelmiä sekä opiskelijoiden ohjausta. Erityisen ilahduttavaa uudistuksessa oli, että se ei tapahtunut ylhäältä johdettuna, vaan lähti tekijöiden aidosta innostuksesta.

Jyväskylän yliopistossa on myös otettu käyttöön vaatimus, jonka mukaan kaikkien opetus- ja tutkimushenkilökuntaan kuuluvien uusien työntekijöiden on suoritettava nk. yliopistopedagogiset opinnot, ellei heillä ole aiemmin suoritettua pedagogista pätevyyttä. Jukka on pannut merkille, että vaatimus ei aina ole aiheuttanut pelkkää innostusta henkilökunnassa, mutta opintojen suorittamisen jälkeen useimmat ovat olleet tyytyväisiä.

– Uudistus on lisännyt opetuksen arvostusta, mutta ennen kaikkea pedagoginen koulutus jättää jälkiä sen läpikäyneiden mieleen ja pistää ajattelemaan omaa opetusta.

Opetuksen osalta Jukkaa mietityttää tällä hetkellä lukion kehitys. Lukio-opetuksen myönteisenä puolena on ollut ilmiölähtöisyyden lisääntyminen, mikä on lisännyt ilmiöiden ymmärtämistä. Toisaalta opetuksen matemaattinen vaatimustaso on alentunut ja samalla yliopistoon saapuvien opiskelijoiden valmiudet ovat laskeneet. Erityisesti Jukkaa surettaa lukio-opetuksen tietty joustamattomuus, joka kumpuaa  paineesta valmistaa koululaiset ylioppilaskirjoituksiin. Aikaa käytetään siihen, että vektorien nuolet ovat juuri oikeassa paikassa tai vastauksessa on täsmälleen oikea määrä merkitseviä numeroita.

– Nämä ovat täysin epäolennaisia asioita fysiikan opiskelussa yliopistossa, ja muutenkin! Paljon enemmän painoarvoa voisi olla ajattelulla, arvioinnilla ja suuruusluokkia hahmottavilla kysymyksillä.

Jukan työssä Jyväskylässä näkyy pitkä johtajakausi. Hän aloitti fysiikan laitoksen johtajana elokuussa 2005 ja luopui tehtävästä vuoden 2017 lopussa. Tämä noin 12,5 vuoden rupeama on pisin laitoksen historiassa, ainakin toistaiseksi. Tässä yhteydessä ei johtajuutta sen enempää käsitellä, mutta Jukan sanoin lyhyesti:

– Jokainen näitä hommia tehnyt tietää, mitä se on. En viettänyt unettomia öitä johtajana ollessa, mutta erityisesti tehtävän jättämisen jälkeen olen ymmärtänyt, kuinka paljon se vei tilaa kovalevyltä, ja kuinka paljon aikaa. Tutkimuksen tekeminen ilman muuta kärsi ja jäi vähemmälle tänä aikana.

Viime vuosiin osuu myös yksi mielenkiintoinen tieteellisen johtajuuden pesti. Eurooppaan alettiin suunnitella suurta neutriinokoetta, jolle etsittiin sopivaa sijoituspaikkaa. Suomesta löytyy Pyhäjärven kaivos, joka on syvä, sopivalla etäisyydellä  CERNistä ja koska kaivos on vielä toiminnassa, merkittävä osa tarvittavasta infrastruktuurista on saatavilla. Pyhäjärven kaivos osoittautui EU:n rahoittamissa selvityshankkeissa tieteellisessä mielessä ja infrastruktuuriltaan parhaaksi sijoituspaikaksi Euroopassa. LAGUNAna tunnettu hanke ei ollut suomalainen hanke vaan sen takana olivat eri puolilla maailmaa neutriinofysiikan tutkimusta tehneet eurooppalaiset tutkijat, jotka halusivat yhdistää voimansa. Pyhäsalmen kaivos herätti heidän kiinnostuksensa. Pyhäjärven kunta oli jo pitkään etsinyt aktiivisesti uusia käyttötapoja lopettavalle kaivokselle. Juha Peltoniemi, Jukan entinen oppilas, oli rekrytoitu ajamaan kaivoksen käyttämistä tieteellisen tutkimukseen. Juhan väistyttyä LAGUNA-hankkeen koordinointi Suomessa lankesi Jukalle. Valitettavasti hanke ei pystynyt riittävässä määrin vakuuttamaan suomalaista tiedejohtoa ja sen neuvonantajia, vaikkakin lopullinen päätös tuli rajojemme ulkopuolelta.

– Kansainvälisissä hiukkasfysiikan strategioissa päädyttiin siihen, että CERN keskittyy korkean luminositeetin LHC-fysiikkaan ja neutriinosuihkuun perustuva tutkimus painottuu Yhdysvaltoihin.

Neutriinofysiikan merkitys

Palataan haastattelun lopuksi vielä siihen, miten Jukka näkee neutriinofysiikan merkityksen tänä päivänä.

– Se on erittäin keskeinen ja kukoistava hiukkasfysiikan tutkimusala tänä päivänä, jos vaikka katsoo viime vuosina myönnettyjä Nobelin palkintoja!

Neutriinofysiikan kehitys on ollut vilkasta viimeisten vuosikymmenten aikana. 80-luvulla ihmeteltiin lähinnä Raymond Davisin (Jr.) havaitsemaa Aurinkoneutriino-ongelmaa, joka nosti neutriinofysiikan tapetille ja erilaisia neutriinokokeita käynnistyi 90-luvulle tultaessa. Samalla myös maanalainen fysiikka yleensäkin sai lisää  jalansijaa. Vaikka neutriinokokeisiin vaadittavat rahalliset panostukset eivät ole pieniä, niin ne ovat edelleenkin kertaluokkaa pienempiä  kuin suurien kiihdytinkokeiden kustannukset.

Neutriinofysiikan suurena  etuna on sen puhtaus ja yksinkertaisuus siinä mielessä, että kaikki fysiikka tulee yksistään heikoista vuorovaikutuksista.  Se myös tarjoaa suorimman tien fermionien massojen selityksen äärelle. Esimerkiksi neutriinojen oskillaatioiden tarkka mittaaminen voisi tarjota mahdollisuuden löytää ja rajoittaa teoreettisia struktuureja, jotka pystyvät kuvailemaan alkeishiukkasten suuren massahaitarin, josta standardimalli ei sano mitään. Toisena konkreettisena tutkimusalueena on neutriinofysiikan mahdollisuudet astrofysiikan havainnoissa, kuten esimerkiksi tarkemmat ja kattavammat mittaukset supernovaräjähdyksistä. Suuri haave on, että ilmaisinteknologian kehittyessä pystyttäisiin mittaamaan maailmankaikkeuden neutriinotaustasäteily, mitä ei vielä osata tehdä.

Mutta entäpä Jukka itse?

– Kaksi minulle antoisinta asiaa ovat olleet tutkimustyö mukavien työtovereiden kanssa ja kirjoittaminen. Nyt johtajahomman päätyttyä molempiin on enemmän aikaa. Mitä tässä on viime vuosina eniten kaivannut, on että pääsisi vielä täydellä teholla käsiksi tutkimustyöhön ja konkreettiseen kaavojen vääntämiseen.

Teksti: Jani Lukkarinen

Antti Kupiainen johtaa  Matemaattisen fysiikan tutkimusryhmää Helsingin yliopiston Matematiikan ja tilastotieteen osastolla, hän on toiminut useita kausia akatemiaprofessorina ja saanut kahdesti European Research Councilin (ERC) myöntämän Advanced Grant miljoona-apurahan.  Kuinka lähes 30 vuotta matematiikan professorina toiminut, matematiikan alan Suomen Akatemian huippuyksikön johtaja ja yksi harvoista kahdesti matematiikan maailmankongressiin (International Congress of Mathematicians, ICM) kutsutuista puhujista tulee  luetuksi myös merkittävien suomalaisten fyysikoiden joukkoon?

Antti Kupiainen valmistui diplomi-insinööriksi Teknillisestä korkeakoulusta (nykyään osa Aalto-yliopistoa), väitteli tohtoriksi  25-vuotiaana Princetonin yliopistosta Yhdysvalloissa, ja ennen paluutaan Suomeen työskenteli siellä Harvardin ja Rutgersin yliopistoissa.  Ehkä yksi tärkeä osa vastausta onkin tuo varhainen sukellus keskelle  kansainvälistä tutkimusympäristöä, jossa keskitytään fysiikan ongelmien ratkomiseen matemaattisesta tarkkuudesta tinkimättä.  Princetonissa sijaitsee myös tutkimuslaitos Institute for Advanced Study (IAS), jossa Antti on ollut useita kertoja vierailevana tutkijana.  IAS oli Albert Einsteinin työskentelypaikka hänen elämänsä loppuvuosina ja monet muutkin matemaattisen fysiikan keskeiset tutkijat (esimerkiksi John von Neumann, Hermann Weyl ja Eugene Wigner) ovat vaikuttaneet siellä.

Useat Antin siteeratuimmista julkaisuista käsittelevätkin fysiikan avoimia ongelmia.  Monet niistä koskevat hiukkasfysiikassa tärkeää renormalisaatiota, erityisesti skaalausmuunnoksista syntyvää renormalisaatioryhmää, ja sen sovelluksia spinsysteemien faasimuutoksissa ja konformikenttäteorioissa.  Tulokset sisältävät läpimurtoja koskien kvanttikenttäteorioiden matemaattisesti konsistenttia määrittelemistä — määritelmäongelman ratkaisusta toivotaan apua uusien entistä tarkempien pienten skaalojen teorioiden kehittelyssä.

Toinen tärkeä juonne Antin tutkimuksessa on statistinen mekaniikka, erityisesti sen perusteisiin kuuluva kysymys makroskooppisen diffuusion ja normaalin lämmönjohtavuuden syntymisestä.  Tuloksia löytyy esimerkiksi virtausdynamiikassa esiintyvästä turbulenssista sekä satunnaisympäristössä liikkuvan satunnaiskävelijän diffuusiosta. Yksi fysiikassakin paljon keskustellun ongelman ratkaissut tulos oli Krzysztof Gawȩdzkin kanssa tehty todistus niin sanotun passiiviadvektiomallin korrelaatioiden skaalautumisesta.  Tämä oli ensimmäinen matemaattinen johto turbulenssin kaoottisesta ajoittaisuudesta (intermittency) ja se auttoi laajemminkin ymmärtämään ilmiön teoreettista perustaa.  Tulos myös osoitti, että muutkin kuin Kolmogorovin skaalauseksponentit voivat esiintyä turbulenteissa malleissa, päinvastoin kuin tuolloin laajalti odotettiin.  Dynaamiset systeemit ja fysiikan osittaisdifferentiaaliyhtälömallit ovat yleisemminkin olleet hänelle tärkeitä tutkimuskohteita.

Antti on laajasti arvostettu ja pidetty henkilö, jolla on ollut useita kansallisia ja kansainvälisiä luottamustehtäviä.  Hän on toiminut monien alansa keskeisten julkaisusarjojen editorina ja esimerkiksi matemaattisen fysiikan kansainvälisen järjestön  International Association of Mathematical Physics (IAMP) presidenttinä vuosina 2012-2014.

Antilla on harvinaisen monipuolinen kiinnostus matematiikkaa ja fysiikkaa kohtaan, ja hän mielellään keskustelee hyvin moninaisista ongelmista erilaisista lähtökohdista tulevien tutkijoiden kanssa.  Tästä osoituksena sekin, että Antin oppilaista monet ovat päätyneet hyvin erilaisille poluille tieteessä ja sen ulkopuolella.

Mutta mistä saisi kysymykseen parempaa vastausta kuin Antilta itseltään?

“Luetko itsesi matemaatikoksi vai fyysikoksi?  Onko rajanveto edes tarpeen?”

Antti: Kyllä rajanveto matematiikan ja fysiikan välillä on tarpeen. Matematiikassa viime kädessä ainoa validi perustelu väitteille on täsmällinen todistus kun taas fyysikolla ei ole varaa tällaiseen ylellisyyteen. Lev Landau totesi löydettyään “Landaun navan”, josta seuraisi, että kvanttielektrodynamiikka ei ole konsistentti hyvin
korkeilla energioilla, että ihmiselämä on liian lyhyt sille että hänen kannattaisi kaikkia tällaisia väitteitä todistaa. Kvarkkien kahliutuminen ja Navier-Stokes yhtälöiden ratkaisujen sileys ovat matematiikan miljoonan dollarin ongelmia, mutta fyysikot ottavat ne annettuina kunnes joku esittää vastakkaista evidenssiä. Itse olen tehnyt pääasiassa tuota matemaatikon työtä eli todistamista, mutta olen myös tehnyt noita fysiikan “vakuuttavia argumentteja” turbulenssin ja konformikenttäteorioiden aloilla.

“Miten päädyit tekemään juuri matemaattista fysiikkaa?”

Antti: Varmaan samalla tavalla kuin moni muu matemaattinen fyysikko eli en osannut opiskeluaikoina päättää kumpi kiinnostaa enemmän, matematiikka vai fysiikka. Myös sattumilla oli osansa tässä: joskus lukioaikoina lukemani fysiikan populaariesitys pani kytemään ajatuksen, että kenttäteoria on jotain jota olisi hienoa ymmärtää, vaikkei minulla tietenkään siinä vaiheessa ollut harmainta aavistusta mitä se on. Päädyin Otaniemeen lukemaan teknistä fysiikkaa ja siellä Stig-Olof Londen sai minut innostumaan funktionaalianalyysistä ja nämä kaksi kiinnostuksen kohdetta sitten veivät jatko-opintoihin Princetoniin, joka oli tuolloin 70-luvun lopulla yksi matemaattisen fysiikan keskuksia.

“Mitä itse pidät merkittävimpinä tutkimustuloksinasi?”

Antti: Urani alkuajoilta ehkä satunnaisen magneettikentän Ising-mallin kriittisen dimension määrittäminen, keskivaiheilta turbulentin advektion anomaalisen skaalauksen osoittaminen ja viime vuodelta Liouville kvanttigravitaation integroituvuuteen liittyvä tulos.

 “Ongelmien ratkaisu täysin matematiikan sääntöjä seuraten vaatii paitsi suurta huolellisuutta usein myös huomattavasti enemmän työtä ja joskus myös selvästi ‘epäfysikaalisten’ tapausten käsittelyä.  Miksi (tai milloin) tämä kannattaa?”

Antti: Tulee mieleen ainakin neljä tapausta: silloin kun väite on kiistanalainen fyysikkojen keskuudessa, silloin kun siihen uskotaan esimerkiksi numeriikan perusteella mutta todellinen ymmärrys puuttuu, silloin kun olemassa olevat argumentit ovat liian heuristisia ja silloin kun se on matemaattisesti kiinnostava.  Ensimmäisestä voisi olla esimerkkinä tuo Ising-malli satunnaiskentässä: kriittisestä dimensiosta jopa äänestettiin eräässä alan konferenssissa. Toisesta tapauksesta käy edellä mainittu kvarkkien kahliutuminen: sille on vahvaa numeerista evidenssiä mutta aika vähän kunnollisia argumentteja. Navier-Stokes yhtälöiden ratkaisujen sileys on kiinnostava matemaattinen ongelma, jolle negatiivinen tulos olisi varmasti sensaatiomainen myös fyysikoille.  Onkin kiinnostavaa, että eräät alan asiantuntijat ovat kallistumassa tälle kannalle!  Samoin tuo Landaun ongelma on fundamentaalinen kysymys, johon vain matemaattinen todistus voi antaa lopullisen vastauksen. Varmasti myös fyysikkoja kiinnostaa, että samalle ongelmalle skalaarikenttäteoriassa on hiljattain saatu todistus: vain vapaa kenttä on konsistentti fysikaalisessa 4- ulotteisessa avaruusajassa. Tätä voi pitää lelumallina QED:n ongelmalle, mutta onhan Higgsin kenttä esimerkki fysikaalisesta skalaarikentästä. Kun Kenneth Wilson loi renormalisaatioryhmäteorian selittämään kriittisten ilmiöiden universaalisuutta piti hän sitä niin heuristisena ideana, että hän käytti paljon aikaa sen todistamiseen, että teoria toimii edes yhdessä epäfysikaalisessa lelumallissa. Nämä lelumallit ovat tärkeitä ja joskus niiden tutkimiseen kannattaa käyttää paljonkin aikaa.

“Usein sanotaan, että fysiikan ongelmat ovat tuoneet matematiikkaan uusia mielenkiintoisia ongelmia ja tekniikoita.  Tuleeko mieleesi esimerkkejä tästä?  Onko urallasi joskus käynyt myös toisin päin, eli ovatko puhtaan matematiikan menetelmät tuoneet myös jotain uutta fysiikkaan?”

Antti: Tietenkin iso osa klassista matematiikkaa ja fysiikkaa kehittyivät tiiviissä vuorovaikutuksessa ja tämä jatkui osin myös suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan alkuaikoina. Oman urani aikana tapahtui topologian ja geometrian tulo fysiikkaan mittakenttäteorioiden synnyn myötä. Tällä oli valtava merkitys matematiikassa algebrallisessa geometriassa ja esitysteoriassa. Fysiikassa tietenkin tätä kehitystä vei eteenpäin säieteoria ja kun osoittautui, että se ei onnistunut lunastamaan lupauksiaan “kaiken teoriasta”, syntyi fysiikan piirissä ehkä jonkinlainen vastareaktio. Topologiset ideat ovat kuitenkin olleet merkittävässä roolissa kiinteän aineen teoriassa kuten hiljattainen Nobel-palkintokin osoittaa.

Analyysissä ja todennäköisyysteoriassa fysiikan teorioilla on viime vuosikymmeninä ollut myös suuri merkitys. Fyysikot johtivat 80-luvulla konformikenttäteorian keinoin valtavan määrän eksakteja ennusteita kaksiulotteisen tilastollisen mekaniikan malleille ja tämä on inspiroinut kompleksianalyysiä ja stokastista analyysiä. Sittemmin matemaatikot Oded Schrammin johdolla kehittivät aivan uuden tavan tutkia näissä kriittisissä systeemeissä esiintyviä satunnaisia fraktaaleja. Tässä on ollut hedelmällistä vaikutusta molempiin suuntiin. On syntynyt uusi tieteenala, satunnaisgeometria, joka inspiroi niin matemaatikkoja kuin fyysikoitakin. Toinen tällä hetkellä itseäni lähellä oleva ala on epätasapainoilmiöiden teoria. Fysiikassa alunperin kehitetty renormalisaatioteoria on osoittautunut hyvin hyödylliseksi näitä ilmiöitä kuvaavien stokastisten osittaisdifferentiaaliyhtälöiden teoriassa.

“Miltä matemaattisen fysiikan tulevaisuus näyttää?  Mitkä ongelmat vaikuttava juuri nyt kiinnostavilta ja missä voisi olla odotettavissa läpimurtoja?”

Antti: Ainakin näin matematiikan perspektiivistä se näyttää hyvältä. Matemaattinen fysiikka ja fysiikan inspiroima matematiikka ovat olleet vahvasti esillä esimerkiksi viime aikojen Fieldsin mitalistien töissä ja alalla on maailmalla paljon nuorta lahjakasta porukkaa. Myös täällä Suomessa ala on hyvin edustettuna ja sen vuorovaikutus analyysin ja stokastiikan kanssa on vahvaa. Uskoisin, että tuo vuorovaikutus tulee jatkumaan myös lähitulevaisuudessa esimerkiksi edellä mainitsemissani satunnaisgeometriassa ja stokastisissa yhtälöissä. Itselleni läheisistä aloista voisi mainita myös kriittiset ilmiöt kolmessa dimensiossa ja vahvasti vuorovaikuttavat kenttäteoriat. Näissä on teoreettisen fysiikan piirissä saavutettu huomattavaa edistystä sekä konseptuaalisesti että numeerisesti ja olisi hienoa pystyä luomaan matemaattinen pohja näille “bootstrap” -ideoille.

“Miten haluaisit neuvoa fysiikan opiskelijaa, joka on kiinnostunut tekemään tutkimusta matematiikasta tinkimättä?  Entä matematiikan opiskelijaa, joka on kiinnostunut fysiikan ongelmien ratkaisemisesta?”

Antti: Ensinnäkin, molempia neuvoisin hankkimaan hyvät perustiedot. Fyysikoilla saattaa olla kiire opiskella heti edistynyttä matematiikkaa pelkillä fysiikan matemaattisten menetelmäkurssien esitiedoilla. On paljon tärkeämpää opiskella “helppoja” asioita kunnolla, jotta saa kuvan mitä matemaattinen todistaminen tarkoittaa. Matematiikan kursseilla taas laskeminen jää aika vähiin ja siksi matemaatikoiden on tärkeää keskittyä tähän aspektiin fysiikassa. Fysiikkaa on mahdotonta oppia ilman sitä. Toiseksi, täytyy olla aidosti kiinnostunut molemmista aloista ja valmis vaihtamaan tutkimusaiheita joskus hyvinkin eri aloille. Minua kiehtoo matemaattisessa fysiikassa se, että siinä voi ja usein pitääkin melko vapaasti siirtyä aihepiiristä toiseen. Tällä alalla menestyneet omaavat “bag of tricks” -ideapankin, jota voi yrittää soveltaa mitä erilaisimpiin ongelmiin. Kiehtovaa tässä on se, että siinä pääsee tutustumaan samalla eri tieteenaloihin sisältä päin. Mikäänhän ei ole parempi tapa oppia uutta asiaa kuin ryhtyä tekemään tutkimusta sen piirissä. Matemaattisen fysiikan menetelmien sovellukset eivät ole pelkästään fysiikassa vaan yhä enemmän myös biologiassa, koneoppimisessa, yms.