Author: Emilia K J Kilpua
Kullervo Hynynen – Fyysikko, joka mullisti aivosairauksien hoidon
Teksti: Tero Karjalainen
Pyhännältä Kuopion kautta Aberdeeniin
Kullervo Hynynen syntyi vuonna 1954 Pyhännällä – aika lailla keskellä Suomea. Vuonna 1966 hyväksyttiin laki Kuopion korkeakoulusta, ja vuonna 1972 ensimmäiset opiskelijat aloittivat lääketieteen ja luonnontieteen integroidussa opetuksessa. Vuonna 1973 Hynynen, toisen vuosikurssin opiskelijoiden joukossa, aloitti lääketieteellisen fysiikan opinnot. Hynynen valmistui ensimmäiseksi fyysikkomaisteriksi Kuopion korkeakoulusta vuonna 1977 päättötyönään ”Radioaalloilla tapahtuva verenlämmitys”. Tämän jälkeen Hynynen lähti Iso-Britanniaan tekemään väitöskirjaa Osk. Huttusen säätiön apurahalla. Väitöskirjatyö oli ensimmäinen askel, nyt jo lähes neljäkymmentä vuotta kestäneellä tutkimusmatkalla, ultraäänen ja kudosten välisten vuorovaikutusten ymmärtämiseen. Väitöskirja kasvainten hoidon mahdollistavan ultraäänilaitteiston kehittämisestä valmistui vuonna 1982 ja Hynynen sai filosofian tohtorin tutkinnon Aberdeenin yliopistosta. Aberdeenissä Hynynen teki vielä runsaan vuoden tutkijatohtorikauden, jonka jälkeen hän palasi Suomeen apulaisfyysikoksi Oulun yliopistolliseen keskussairaalaan, mutta asevelvollisuuden aikana sai paikan Arizonan yliopistosta.
Kymmenen käänteentekevää vuotta Arizonassa
Intensiiviset tutkijavuodet Arizonassa tuottivat Hynysen ensimmäiset runsaasti viitatut tieteelliset artikkelit. Vuonna 1991 hän julkaisi tutkimustulokset, joilla hän osoitti akustisen paineen ja kudosta rikkovan kavitaation välisen riippuvuussuhteen. Toinen, tulevaisuuden kannalta käänteentekevä läpimurto tapahtui vuonna 1992, kun Hynynen esitti käytettäväksi magneettikuvausta ohjaamaan ja monitoroimaan kohdennetulla ultraäänellä aiheutettuja kudosvaurioita. Samalla termi Magnetic Resonance guided Focused Ultrasound Surgery (MRgFUS) keksittiin. Ennen tätä hänen piti suunnitella ja rakentaa ensimmäinen ultraäänianturi, joka on vietävissä magneettikuvauslaitteen vahvaan magneettikenttään ilman että se häiritsee itse kuvausta.
Ratkaisevat askeleet kohti aivosairauksien hoitoa Bostonissa
Ultraäänellä tehtyjen verettömien hoitojen edut olisivat etenkin aivojen alueella kiistattomat verrattuna esimerkiksi avokirurgiaan. Jo vuonna 1955 William ja Francis Fry suorittivat ensimmäisen aivojen alueen hoitotoimenpiteen kohdennetulla ultraäänellä, mutta hoitoon liittyi kallon kirurginen avaaminen, jotta ultraääni saatiin vietyä aivoihin asti. Luu vaimentaa merkittävästi ääntä ja kalloluu on rakenteeltaan epäsäännöllinen, mitä ominaisuuksia pidettiin pitkään esteenä kohdentaa ultraääntä tehokkaasti kallon läpi. Vuonna 1998 Hynynen, joka oli siirtynyt vuonna 1993 Bostoniin (Brigham & Women’s Hospital and Harvard University) osoitti, että käyttäen useista pienistä ultraäänilähteistä muodostettua ison kokonaislähdepinta-alan omaavaa ”ultraäänikypärää” voidaan ultraääni kohdistaa kalloluun läpi aivoihin ja muodostaa hyvin kontrolloitu tilavuus, jonne ultraäänienergia keskittyy. Tämä on kolmas Hynysen uraauurtavista keksinnöistä.
Neljäs keskeinen läpimurto ultraäänikirurgia alalla on Hynysen vuonna 2001 raportoima tutkimus, jonka mukaan veri-aivoeste on paikallisesti, hetkellisesti ja palautuvasti avattavissa käyttäen kohdennettua ultraääntä ja pieniä mikrokuplia. Veri-aivoeste suojaa tehokkaasti aivojamme muun muassa suurimolekyylisiltä myrkyiltä, mutta samalla se myös ehkäisee monien aivosairauksien hoidon, sillä myöskään tarvittavat lääkeaineet eivät pääse veri-aivoesteen läpi.
Torontoon perustamaan ja johtamaan kuvantamisohjattujen terapiamenetelmien keskusta
Tällä hetkellä Hynysen päätyö on Torontossa, Kanadassa. Hän siirtyi sinne vuonna 2006 johtamaan sairaalan (Sunnybrook Health Science Centre) yhteydessä toimivan tutkimuslaitoksen (Sunnybrook Research Institute) fysikaalisten tieteiden osastoa sekä kuvantamisohjattujen terapiamenetelmien tutkimuskeskusta (Centre for Research in Image-Guided Therapeutics). Tutkimuskeskuksessa on yli 50 tutkijasta koostuvan monitieteisen tutkimusryhmän käytettävissä muun muassa kolme Teslan magneettikuvauslaitetta (yksi 1.5T), CT-laitteita, useita MRgFUS-laitteita, tarvittavat biologian, kemian, mekaniikan ja elektroniikan työpajat, sekä state-of-the-art pre-kliiniset ja kliiniset tutkimusympäristöt. Hynysen johdolla Torontoon on kehittynyt top-of-the-class tutkimusympäristö, jossa voidaan kehittää modernia diagnostiikkaa ja uusia hoitomuotoja ensimmäisistä soveltuvuustesteistä pre-kliinisten kokeiden kautta aina kliiniseen testaus- ja hoitovaiheeseen saakka.
Osaamista takaisin Kuopioon
Hynynen on säilyttänyt tiiviit suhteet Suomeen ja erityisesti Kuopioon, ja halunnut jakaa osaamisestaan myös takaisin omalle alma mater –yliopistolleen. Hän on hoitanut osa-aikaista (10%) professuuria Itä-Suomen yliopiston (Kuopion yliopisto) sovelletun fysiikan laitoksella vuodesta 1999 saakka. Tänä aikana hänen ohjauksessa on valmistunut viisi lääketieteellisen fysiikan väitöskirjaa (ja kaksi toisena ohjaajana laskennalliseen fysiikan linjalle), ja hän on opettanut lääketieteellisen ultraäänitekniikan kursseja vuodesta 2000 lähtien. Samalla hän on tarjonnut erinomaisen mahdollisuuden nuorten tutkijoiden kansainvälistymiseen. Hynysen Bostonin ja Toronton laboratorioissa on vuosien saatossa käynyt tutkijavaihdossa ainakin kahdeksan Kuopiosta valmistunutta maisteria/tohtoria. Lisäksi Hynysen kokemus ja näkemykset kansainväliseltä tieteenteon huipulta ovat olleet arvokkaita laitoksen kehitystyössä.
Fysiikasta sairauksien hoitoon
Hynysen uraauurtava monitieteinen perustutkimus yhdistettynä teollisuusyhteistyöhön on jo johtanut moniin kliinisiin sovelluksiin. Hynynen on itse ollut mukana osoittamassa kliinisten ultraäänihoitojen olevan soveltuvia ja turvallisia kohdun leiomyoomien hoidossa (2003), ensimmäisenä avaamassa ultraäänellä veri-aivoestettä aivosyöpäpotilaan lääkehoidossa (2014) ja tänä vuonna käynnistänyt ensimmäiset kliiniset kokeet Alzheimer-potilaiden hoitamiseksi kohdennetulla lääkehoidolla hyödyntäen kalloluun läpi tapahtuvaa kohdennettua ultraääntä ja veri-aivoesteen permeabiliteetin lisäämistä mikrokuplien ja ultraäänen vuorovaikutuksen kautta. Vuoden 2016 lopussa maailmalla oli jo lähes 500 hoitopaikkaa, jotka tarjosivat kohdennettuun ultraääneen perustuvia hoitoja, ja yksittäisiä hoitokertoja oli kertynyt jo yli 116 000.
Suurista ja vaativista johtamistehtävistä huolimatta Hynynen on edelleen myös aktiivinen tutkija. Hän kävelee matkat kodin ja Sunnybrookin välillä ja on usein se, joka aamulla ensimmäisenä tutkimuslaitoksen ulko-oven avaa. Hän osallistuu aktiivisesti tutkimusryhmänsä ryhmäpalavereihin ja esittää juuri ne oikeat kysymykset, jotta tutkimustyö etenee oikeaan suuntaan. Hänen tutkimusryhmänsä nuoret tutkijat saavat edelleen olla valmiina vastaamaan ytimekkääseen kysymykseen ”any results” hänen järjestäessään viikoittain aikaa olla läsnä myös laboratoriossa.
Faktalaatikko
- Syntynyt 1954, Pyhäntä
- Aloitti yliopisto-opiskelut 1973 (Kuopion korkeakoulu, lääketieteellinen fysiikka)
- Valmistui filosofian maisteriksi 1977 (”Radioaalloilla tapahtuva verenlämmitys”)
- Doctor of Philosophy (PhD) 1982, University of Aberdeen, UK (“Focused ultrasound system for the treatment of tumors”)
- 1984-1993 University of Arizona, USA
- 1993-2006 Brigham & Women’s Hospital ja Harvard University
- 1999- Kuopion yliopisto (Itä-Suomen yliopisto), sovelletun fysiikan laitos
- 2006- Sunnybrook Research Institute ja University of Toronto
——
- Yli 400 tieteellistä vertaisarvioitua julkaisua, yli 200 kirjoittajan kanssa (16 eri maasta ja yli 50 eri tutkimuslaitoksesta)
- 19 patenttia (joista monet lisensoituna teollisuudelle) ja 5 perustettua yritystä
- Fellow: American Institute of Ultrasound in Medicine ja the Acoustical Society of America (2009)
- Eugene Robinson Awardee: the Society of Thermal Medicine (2004)
- The William and Francis Fry Honorary Fellow: the International Society for Therapeutic Ultrasound (2011)
- The Silver Medal: the Acoustical Society of America (2013)
- IEEE Rayleigh Award: IEEE UFFC Society in the field of Ultrasonics (2014)
- Visionary Award: Focused Ultrasound Foundation (2016)
—–
- Puoliso hammaslääketieteen tohtori Maritta Itkonen (1955-1996), vihitty 1976; 7 lasta, 4 tytärtä ja 3 poikaa
- Puoliso Michele Stone (1966-), vihitty 1998; yksi tytär edellisestä avioliitosta
- 10 lastenlasta
Kosmista Kohinaa Hertsikan ala-asteella
Hertsikan ala-asteella kuului kosmista kohinaa viime marraskuusta maaliskuuhun. Oppitunneilla käsiteltiin avaruusaiheita ja niihin liittyvää fysiikkaa Aurinkokuntamme planeetoista aina mustiin aukkoihin.
Uudessa opetussuunnitelmassa painottuu ilmiöpohjainen oppiminen. Hertsikan ala-asteella tällaisesta työskentelystä on pitkät perinteet. Oppiminen lähtee isoista kokonaisuuksista, joista pikku hiljaa syvennytään erilaisiin aiheisiin. Tarkemmat teemat lähtevät oppilaiden omista kiinnostuksen kohteista.
Jo 1-3 luokkalaiset ovat käsitelleet hyvinkin haastavia fysiikkaan liittyviä aiheita. Esimerkiksi Krista Leinosen oppilaat ovat tutustuneet ajan käsitteeseen, magnetismiin ja painovoimaan. Oppilaat ovat kirjoittaneet tietotekstiä ja tehneet erilaisia kokeita. Lisäksi on tutkittu räjähdyksiä ja kasveja avaruudessa. Koulun juhlasalissa vieraili myös URSA:n planetaario.
Sekä koulun opettajat, että oppilaat ovat olleet Kosmista Kohinaa teemasta hyvin innostuneita. “Avaruutta opettaessa oppii joka kerta itse lisää” 1-3 luokkalaisia opettava Jani Mononen sanoo. Katso lisää videolta Janin ja hänen oppilaidensa mietteitä Kosmista Kohinaa teemasta ja fysiikan opiskelusta.
Teksti: Emilia Kilpua
Fysiikka inspiroi tiedekeskuksen syntyyn
Teksti: Merli Juustila
Pääkaupunkiseudulta ei taida löytyä lasta, joka ei olisi käynyt Heurekassa tai menossa sinne tulevina vuosina koulunsa kanssa. Tämä tiedekeskus on ollut tärkeä osa inspiroimaan lapsia, nuoria ja aikuisia tieteiden pariin kohta jo 30 vuotta. Mutta tiesitkö, että tiedekeskuksen tarina alkoi fysiikan kautta?
Fysiikka 82-näyttely
Elettiin 80-luvun alkua. Hiukkasfyysikko Hannu Miettinen oli nähnyt konferenssissa näyttelyn, jonka Cern oli tehnyt itsestään. Näyttely teki vaikutuksen Hannuun ja hän keksi, että näyttely pitää saada myös Suomeen. Syntyi idea näyttelystä, jossa samalla esiteltäisiin suomalaista tutkimusta. Näyttelyyn päätyivät lähinnä fysikaaliset tieteet kuten meteorologia ja geofysiikka klassisen fysiikan lisäksi.
Näin syntyi Heurekan esikuva eli fysiikka82-näyttely, joka järjestettiin Säätytalossa. Näyttely oli kahden viikon mittainen ja sinne oli vapaa pääsy. Tänä aikana näyttelyssä kävi 40 000 vierasta. Tuona aikana Säätytalon pihalla odotti jatkuva jono väkeä. Yksi järjestäjien tehtävistä olikin pitää tunnelma korkealla myös jonottajien parissa.
“Näyttelyssä oli erilaisia uusia vehkeitä, kuten tietokoneita. Niitä sai kokeilla ja näyttelyä ohjanneet opettivat ihmisiä käyttämään koneita. Eräskin kävijä tuli oppaalta kysymään, että “Ovatkos nämä nyt niitä tietokoneita?”. Astrofysiikasta oli molekyylejä käsittelevä koe, jossa saattoi ottaa itse yhteyttä metsähovin havaintoasemalle ja mitata CH-molekyylin yli 80 GHZn taajuudella. Kävijä sai laittaa mittauksen päälle ja nähdä siitä tulevan spektrin.”
Koska näyttely oli todella suosittu, alkoi pohdinta pysyvämmästä tiedekeskuksesta, jota Hannu ehdotti kolleegalleen Tapio Markkaselle. Idea oli nyt saatu ja oli syytä tarttua toimeen.
Idea lähtee lentoon
Nyt idea tarvitsi tukea. Hannu ja Tapio hankkivat mukaan vielä kolmannenkin osapuolen, tähtitieteilijä Heikki Ojan, joka lähti innolla mukaan. Kolmistaan he laativat vetoomuksen pysyvästä tiedekeskuksesta. Vetoomus lähti kaikille mahdollisille tiedeorganisaatioille, kuten tieteellisille seuroille, yliopistoille ja tieteen akatemioille. Mukana olivat myös pääkaupunkiseudun kunnat, opetusministeriö, valtiovarainministeriö, julkisen sanan neuvosto sekä useat eri mediat. Hanke esiteltiin tärkeänä sivistyshankkeena.
Jos katsoo 80-luvun Suomea, niin kyseessä oli varmaan merkittävin uusi idea ja sivistyshanke, jota Suomeen oli tehty pitkiin aikoihin.
Tiedekeskus saa johtoryhmän ja ensimmäiset työntekijät
Hanke eteni vauhdilla ja sai heti laajalti tukea. Joulukuussa 82 järjestettiin virallinen lähtölaukaus. Ensimmäiset tilat projektia varten saatiin Helsingin yliopiston keskuskampuksen tiloista Fabianinkadulta. Hankkeen johtoryhmä kokousti tuolloin ahkeraan, ja sai ylivahtimestarilta erityisluvan tulla toimistolle jo seitsemältä aamulla kokoukseen. Kaikki illat menivät erilaisten tieteellisten seurojen kevätkokouksissa esittelemässä hanketta, joten kokoukset oli pidettävä aamulla.
Etenkin Vuorineuvoksille oli tärkeää, että heidän kanssa oli jo sovittuna tapaaminen, jos mentiin tapaamaan muita neuvoksia. Puskaradiossa jutut levisivät nopeasti ja joku saattoi närkästyä jos hanke oli käynyt vierailulla naapurissa, mutta itsensä kanssa ei oltu vielä sovittu palaveria.
Elinkeinoelämä mukaan
Suomen kulttuurirahasto ja opetusministeriö lähtivät heti tukemaan hanketta ja myönsivät avustusta jo hankkeen alkuvaiheessa. Elinkeinoelämä oli tärkeä osa hanketta ja se piti saada vahvasti mukaan. Hankkeen taustalle luotiin sopimus, että sen rahoituksesta ⅓ tulee valtiolta, ⅓ elinkeinoelämältä ja ⅓ siltä kunnalta, joka tiedekeskuksen saa. Onneksi elinkeinoelämällä meni tuolloin 80-luvun alussa vielä hyvin. Työllisyystilanne oli hyvä ja usko koulutukseen korkealla. Kukaan ei väittänyt, etteikö hanke olisi tärkeä. Näin alkoi pitkä neuvottelu yritysten kanssa, jolla kerättiin tuo elinkeinoelämän osuus.
Elinkeinoelämää rajoittivat tietyt säädökset ja yksi oli lahjoitusten suuruus. Yritys sai antaa vuodessa maksimissaan 150 000 markan verran lahjoituksia. Joten sovittiin, että mukaan lähtevät yritykset antaisivat kolmen vuoden aikana tuon 150 000 markkaa, joka ei ihan valtavasti yritysten pussissa vielä ollut. Pienemmilläkin määrillä sai lähteä mukaan. Jälkikäteen on ajatellut, että jos hanketta olisi muutamallakaan vuodella lykätty niin olisi voinut jäädä perustamatta.
Yliopistovaikuttajat mukaan
Rahankeruukäynneillä oli mukana myös neljä yliopistovaikuttajaa, joiden rooli oli äärimmäisen tärkeitä. Rehtori, myöhemmin kansleri Ernst Palmen. Lääketieteen puolelta Lauri Saxen. TKK:n sovelletun matematiikan professori Olli Lokki. Teknillisen fysiikan professori Toivo Katila.
“Heidän [yliopistovaikuttajien] kanssaan käytiin rahankeruureissuilla elinkeinoelämän parissa. Yksi näistä neljästä herrasta oli aina mukana. Sumplittiin tarkkaan kuka lähtee ja kenen luo. Teollisuuden palveluksessa oli paljon vanhoja oppilaita etenkin Olli Lokilta ja Toivo Katilalta, joten mietittiin aina tarkkaan kuka lähtee ja mihin.”
Suurin osa yrityksistä oli selkeästi hankkeen puolella ja näin kassaa alkoi kertyä. Ei mennyt kauaakaan kun tavoite alkoi jo täyttyä ja mukana oli joukko elinkeinoelämän vaikuttajia.
Ei vain luonnontieteitä ja tekniikkaa
Yksi Heurekan suurimmista teemoista ihan alusta alkaen, oli monitieteellisyys. Siitä haluttiin tehdä tiedekeskus, joka kattaisi kaikki tieteen alat. Tekniikka ja luonnontieteet olivat saaneet aina paljon huomiota, mutta nyt tiedekeskuksesta tulisi sellainen paikka, jossa tiedettä esiteltäisiin ihan kaikilta aloilta. Tämä on pysynyt Heurekan linjana koko sen matkan ajan.
Mihin keskus rakennetaan?
Pääkaupunkiseudun kunnista kaikki olivat toki ottamassa tiedekeskusta omaan kuntaansa. Kuitenkin päättäjien suhtautuminen asiaan vaihteli hyvin paljon. Helsingissä lastenpäivänsäätiö oli kovin kiinnostunut rakentamaan tiedekeskuksen osaksi Linnanmäkeä. Ongelmaksi kuitenkin muodostui tila eli sopivaa tilaa ei vain Alppilan alueelta löytynyt. Espoo oletti, että koska siellä on teknillinen korkeakoulu niin tiedekeskus sopisi samaan imagoon. Espoon kaupunginvaltuusto ei kuitenkaan kovin pitkää siivua antanut asialle omaa aikaansa vaan asiaa sai esitellä erään kokouksen kokoustauolla edustajille.
Vantaa otti asian vakavasti harkintaan heti alusta alkaen. Vantaan kaupunginjohtaja Lauri Lairala oli kovasti hankkeen puolella. Oli kova paikka kun Vantaata ei mielletty mitenkään kulttuurin lähteeksi, pitkänmatkanjunat eivät pysähtyneet Tikkurilassa ja lentokenttäkin oli nimetty Helsingin mukaan. Vantaa tarvitsi jotain omaa. Vantaa kutsui koolle oman kaupunginvaltuuston, kokoukseen saapuivat kaikki ja kokousasialistalla oli vain yksi asia: Tiedekeskus. Esitelmä kokouksessa kesti noin puoli tuntia ja sen jälkeen oli varattu tunti kysymyksille. Tämän jälkeen keskus sai vihreää valoa.
Eräs kysymys jäi hyvin mieleen kun yksi edustaja kysyi, että käyttekö te vain tässä huutokauppaa kuntien välillä ja katsotte kuka tarjoaa eniten. Tapio vastasi, että mikä se sellainen huutakauppa on, jossa on vain meklari paikalla. Me ollaan kerrottu mitä halutaan ja se joka huutaa ensin niin saa. Tilaisuuden jälkeen edustaja tuli vielä sanomaan, että “Olet sä kyllä aika meklari.”
Arkkitehtikilpa
Tiedekeskuksella oli nyt rahoitus ja paikka, tarvittiin vielä arkkitehti. Tiedekeskusta varten järjestettiin arkkitehtikilpa ja ehdottomasti paras voitti. Voittajiksi valikoitui kolmen hengen tiimi, jonka arkkitehdit olivat käyneet kuvaamassa koko jokilaakson ja teettivät kuvista lakanan kokoiset suurennokset. Nämä he ripustivat seinille ja suunnittelivat keskuksen istuessaan lakanoiden ympäröiminä. Kilpailun voittaja suunnitelma oli myös nimetty hyvin “Heureka”.
Lopulta rakentaminen päästiin aloittamaan ja peruskivi muurattiin lokakuussa 1987 ja vuotta myöhemmin rakennus oli valmis. Heureka pääsi aloittamaan toimintansa seuraavan vuoden huhtikuussa ensimmäisellä näyttelyllään. Tänä vuonna tulee kuluneeksi 30 vuotta tuosta peruskiven muurauksesta ja Heureka on edelleen tärkeä innoittaja kävijöilleen tieteen pariin.
Onnea kohta 30-vuotias Heureka, fysiikka kiittää upeasta työstä!
Juttua varten on haastateltu Heurekan perustajaa Tapio Markkasta, jolta suurin osa sitaateista on peräisin.
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.
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.
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.
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
Johan Jakob Nervander, fyysikko ja runoilija
Teksi: Tiera Laitinen
Kolme runoilijaa
Heinäkuussa 1827 Turun akatemiassa promovoitiin maisteriksi kolme suurta runoilijaa. Kahta heistä muistamme edelleen vuosittain liputuspäivällä. Kolmas, promootion priimus, teki tärkeimmän elämäntyönsä fysiikan parissa ja jäi verraten tuntemattomaksi, mutta hänenkin perintönsä vaikuttaa edelleen maassamme.
Syyskuussa Turku paloi, ja yliopisto päätettiin siirtää Helsinkiin. Sinne siirtyivät myös tuoreet maisterimme jatko-opintoja suorittamaan.
Elias Lönnrot teki ensimmäisen kansanrunojen keruumatkansa ja erikoistui sitten opinnoissaan lääketieteeseen. Keräämiään runoja hän julkaisi Kantele-vihkoina vuosina 1829–1832; Kalevalan syntyyn oli vielä vuosikymmen aikaa.
Johan Ludvig Runeberg sai yliopistosta kaunopuheisuuden dosentin viran, jonka sisältönä oli klassillisten ja uusien kielten opetus. Hän julkaisi esikoisteoksensa Runoja (Dikter) vuonna 1830 sekä ensimmäisen pitkän runoeepoksensa Hirvenhiihtäjät (Elgskyttarne) vuonna 1832.
Tarinamme päähenkilö, Johan Jakob Nervander, sai myös valmiiksi suuren runoelman samoihin aikoihin. Jeftan kirja (Jephtas bok. En Minnes-Sång i Israël) yhdistää vanhatestamentillista heprealaista tarustoa ja kulttuuriperinnettä klassisen länsieurooppalaisen runouden muotoihin. Runoelma sai Ruotsin Akatemian pienen kultamitalin joulukuussa 1832, mutta Nervander ei julkaissut sitä ennen kuin vuonna 1840 pienenä painoksena yliopiston 200-vuotisjuhliin.
Nervander ymmärsi, ettei menestyisi runoilijana kilpailussa Runebergin kanssa. Hänen teknisesti taidokkaan runoelmansa aihevalintakaan ei ollut omiaan laajaa suosiota keräämään. Runeberg ja Lönnrot sen sijaan ratsastivat eurooppalaisten muotivirtausten aallonharjoilla poimiessaan runoihinsa tuoretta ja alkuvoimaista sisältöä kotimaansa kansankulttuurista ja historiasta.
Opiskelukaverin parempi menestys runoilijana taisi jäädä kaivelemaan Nervanderia, sillä vielä vuonna 1840 J. V. Snellmanille kirjoittamassaan kirjeessä hän kutsui Runebergia ”navettaidyllien” kirjoittajaksi.
Ørstedin ja Gaussin jalanjäljissä
Oman erikoisalan valinnassa Nervanderilla oli yleisneron ongelma: kaikki tuntui yhtä helpolta. Kandidaatintutkintonsa hän oli suorittanut yliopiston koko historian parhain arvosanoin, saaden 30 puoltoääntä 33 mahdollisesta.
Tiettävästi Nervanderia kiinnostivat ainakin orientalistiikka, teologia, fysiikka, kemia ja kielitiede. Voimme vain arvailla, mikä johdatti hänet lopulta nimenomaan fyysikoksi. Matti Klingen mukaan valinnassa voidaan nähdä ”kunnianhimoinen tavoite pääsemisestä kaikkein vaikeimpien ’maailmanarvoitusten’ äärelle ja niitä ratkaisemaan.” Yksi salaperäisimpiä ja samalla lupaavimpia maailmanarvoituksia tuohon aikaan oli magnetismi, merkillinen voima, jonka tutkiminen tarjosi tien newtonilais-mekanistisen maailmankuvan tuolle puolen.
Toisin kuin runoudessa, fysiikassa Nervander oli aihevalintoineen ajan hermolla. Dosentinväitöskirjassaan (1829) hän mittasi Hans Christian Ørstedin yhdeksän vuotta aiemmin havaitsemaa ilmiötä, sähkövirran vaikutusta johtimen lähellä oleviin magneetteihin. Samana vuonna hän alkoi toimia fysiikan professori Gustaf Gabriel Hällströmin viransijaisena, kun tämä oli valittu yliopiston rehtoriksi.
Vuonna 1832 Nervander sai yliopiston matka-apurahan ja lähti pitkälle opintoretkelle Euroopan tieteellisiin keskuksiin. Hän matkusti Tukholman, Upsalan ja Kööpenhaminan kautta Göttingeniin, missä hän tutustui geomagneettisiin mittauksiin Carl Friedrich Gaussin johdolla. Magneettisia observatorioita alettiin juuri noina vuosina perustaa ympäri länsimaista kulttuuripiiriä, ja Göttingen toimi niiden esikuvana.
Göttingenistä Nervander jatkoi Pariisiin, missä hän julkaisi keksimänsä uudenlaisen herkän galvanometrin eli sähkövirran mittalaitteen, joka sai nimen tangenttibussoli. Hän vieraili vielä Milanon magneettisessa observatoriossa ja Wienissä ennen kuin lähti kotimatkalle vuonna 1836. Talven jäätilanne esti laivaliikenteen Tukholmasta Suomeen, joten Nervander joutui kiertämään Helsinkiin Pietarin kautta. Tämä osoittautui siunaukselliseksi hänen urakehitykselleen.
Magneettinen observatorio keisarin käskystä
Pietarin Tiedeakatemian johtaja Adolf Kupffer oli ehdottanut jo vuonna 1830, että Helsinkiin perustettaisiin magneettinen observatorio Venäjän observatorioketjun läntisimmäksi mittauspaikaksi. Helsingin yliopisto kuitenkin vastusti hanketta suuria kustannuksia peläten. Pelko ei ollut aiheetonta, sillä kun observatorio perustettiin, siitä tuli yliopiston kallein laitos.
Pietarissa käydessään Nervander vakuutti observatoriohankkeen järkevyydestä ja omasta pätevyydestään ministerivaltiosihteeri Robert Henrik Rehbinderin, joka vastasi Suomen asioiden esittelystä keisarille. Niinpä 28.3.1938 keisari Nikolai I allekirjoitti armollisen määräyksen, että Helsingin yliopiston yhteyteen oli perustettava magneettinen observatorio ja J. J. Nervander nimitettävä sen johtajaksi. Siihen loppui professorien vastaanhangoittelu.
Observatorio valmistui 1841, mutta mittaukset alkoivat vasta 1844. Nervander ei nimittäin tyytynyt kopioimaan Göttingenissä oppimaansa, vaan suoritti sarjan perusteellisia kokeita kehittääkseen observatorioonsa parhaat mahdolliset mittalaitteet ja menetelmät. Maan magneettikentän vaihteluita mitattiinkin Helsingissä samoin menetelmin aina vuoteen 1912. Erityisesti vuosien 1844–1867 osalta Nervanderin aloittama mittaussarja muodostaa yhden maailman laadukkaimmista geomagneettisista havaintoaineistoista.
Nervanderin perintö
Nervander kuoli yllättäen isorokkoon vuonna 1848 vain 43-vuotiaana. Hänen observatorionsa, jossa alusta pitäen havainnoitiin Maan magneettikentän ohella myös säätä, irrotettiin sittemmin yliopistosta ja kehittyi nykyiseksi Ilmatieteen laitokseksi.
Nervanderin alulle panema geofysikaalinen tutkimusperinne puhkesi uuteen kukoistukseen kansainvälisen polaarivuoden yhteydessä 1882–1883. Suomi osallistui tähän maailmanlaajuiseen napa-alueiden tutkimuskampanjaan perustamalla Sodankylään ja Ivalojoen Kultalaan väliaikaiset asemat, joilla tehtiin samankaltaisia mittauksia kuin Helsingin observatoriossa. Näin Suomi profiloitui kansainvälisessä tiedeyhteisössä Venäjästä erillisenä kansakuntana, vaikka emämaan tiedemiesten kanssa tehtiinkin hyvää yhteistyötä.
Jälkiviisaasti voi todeta olleen Suomen onni, että magneettinen observatorio perustettiin Nervanderin ja venäläisten haluamalla tavalla Helsingin yliopiston alaisuuteen ja Suomen kustannettavaksi, eikä Pietarin keskusobservatorion haarakonttoriksi, kuten yliopiston johto oli ehdottanut. Päätöksen ansiosta Suomi sai jo varhain autonomian aikana geomagnetismin ja meteorologian alalle oman tutkimuslaitoksen. Se kasvatti omalta osaltaan Suomen suuriruhtinaskuntaa toiminnallisesti itsenäiseksi sivistysmaaksi ja siten valmisti maatamme kohti täyttä valtiollista itsenäisyyttä.
Johan Jakob Nervander: elämänkaari pähkinänkuoressa
- Syntyi Uudessakaupungissa 23.2.1805.
- Ylioppilas 1820, filosofian kandidaatti ja maisteri (priimus) 1827.
- Fysiikan dosentti 1829, matematiikan ja fysiikan adjunkti (apulaisprofessori) 1832, tilapäinen fysiikan professori 1832–1839, fysiikan ylimääräinen professori ja magneettisen observatorion esimies 1838, fysiikan professori 1845.
- Societas pro Fauna et Flora Fennican (1821), Lauantaiseuran (1830) ja Suomen Tiedeseuran (1838) perustajajäsen sekä Suomen Tiedeseuran puheenjohtaja 1847–1848.
- Palkittu Venäjän Pyhän Vladimirin ritarikunnan 4. luokan kunniamerkillä 1843 sekä postuumisti Venäjän Tiedeakatemian Demidovin palkinnolla 1848.
- Puoliso Agata Emerentia os. Öhman (1798–1860), vihitty 1827; 8 lasta.
- Kuoli Helsingissä 15.3.1848.