Markku Kulmala: Fyysikko ja tieteen moniottelija 

teksti: Mai Allo

Markku Kulmalasta on vaikea puhua tai kirjoittaa käyttämättä superlatiiveja. Yhtä hankalaa on yrittää kuvailla hänen työtään, ellei yhdistele toisiinsa näennäisesti vastakkaisia ilmiöitä ja asioita.

Siis näin: Kulmala johtaa tutkijajoukkoa, joka on aerosolitutkimuksessa maailman paras, ja kuuluu ilmakehätieteissäkin kansainväliseen eliittiin.

Kulmala puolustaa näkyvästi akateemisen perustutkimuksen asemaa. Hänen johdollaan on kuitenkin syntynyt kaksi menestyvää , aerosoliteknologian teollisia sovelluksia tuottavaa spin off- yritystä.

Ja vielä: persoonaltaan hän on niitä ihmisiä, jotka viihtyvät parhaiten omassa rauhassaan. Hän istuu mielellään yksin luontoa kuvaavia yhtälöitä pohtien tai kirjoja lukien. Toisaalta hänet nähdään jatkuvasti kiertämässä ympäri maailmaa tapaamassa poliitikkoja, yritysjohtajia ja rahoittajia, virkamiehiä, mediaväkeä ja taiteentekijöitä. Ulkopuolisesta näyttääkin siltä, että hänet toivotetaan tervetulleeksi kaikkialle – myös valtaapitävien kabinetteihin.

Edelleen, Kulmalan hankkeet kummastuttavat joskus hänen lähimpiä kollegoitaankin. Ne tuntuvat suureellisilta, alaisen sanoin ”joskus ihan absurdeilta.” Niillä on kyllä yleensä taipumus toteutua, jos ei ihan heti, niin jossain vaiheessa kuitenkin. Osasyy lienee se, että Kulmala osaa sekä ideoida että käynnistää projekteja, mutta myös viedä ne loppuun asti. Sitä paitsi Kulmala on optimisti: ”Elefantti syödään pala kerrallaan,” ja edetään ”hitaasti kiiruhtaen.”

Suomen Akatemian ilmakehätieteen huippuyksikkö on pitkälti juuri Kulmalan käsialaa. Jopa huippuyksikkö täydentää näennäisten vastakohtaisuuksien luetteloa: Kulmalan johtamista tutkijaryhmistä osa porautuu syvälle yksittäisten, nanosekunneissa tapahtuvien molekyylireaktioiden tasolle. Osa taas osa tutkii maapallonlaajuisia ilmiöitä, joiden aikaskaala kattaa vuosisatoja.

Kaiken tämän jälkeen kenenkään ei pitäisi yllättyä, kun Kulmala sanoo pitävänsä fysiikkaa kaiken tieteellisen ajattelun selkärankana. Ja lisää samaan hengenvetoon, että hänen omat saavutuksensa perustuvat holistiseen näkemykseen, miltei saumattomaan yhteistyöhön tieteenalojen välillä.

Akateemikko Markku Kulmala on fyysikko, joka on selvittänyt luonnossa syntyvien aerosolihiukkasten alkuperää. Kuva Juho Aalto.

 Havaintoasemia maailman ympäri 

Tutkijaksi Kulmala on esiintynyt paljon suomalaisessa mediassa ja julkisuudessa. Tieteen akateemikoksi hänet on kuitenkin nimitetty pitkän elämäntyön ja konkreettisten aikaansaannosten perusteella. Hän on johtanut 250 hengen huippuyksikköä sen perustamisesta lähtien, ja tehnyt kollegoineen monia tieteellisiä läpimurtoja.

Useimmat Kulmalan ja huippuyksikön löydöksistä liittyvät luonnossa syntyvien aerosolihiukkasten muodostumistapaan. Samalla on vähitellen selvinnyt, miten aerosolihiukkaset vaikuttavat maanpinnan ja ilmakehän välisiin ilmiöihin.

Aerosolihiukkasten suuri rooli ekosysteemissä olisi jäänyt ymmärtämättä ja Kulmalan poikkeuksellinen ura luomatta ilman teknisesti erityislaatuisia havaintoasemia, SMEAR-asemia.

SMEAR-havaintoasemilla mitataan maaperän ja ilmakehän välisiä energia- ja ainevirtoja. Havaintoasema on eräänlainen maastoon sijoitettu laboratoriokokonaisuus, johon kuuluu tutkimuslaitteita, useita huoltorakennuksia, mittaustorneja, asuntoloita jne. Oheisen kuvan mökki on lattiasta kattoon täynnä herkkiä instrumentteja ja huippuelektroniikkaa. Kuva Juho Aalto

SMEAR-asemien nimi tulee lyhenteestä ”Station for Measuring Earth Surface Atmosphere Relations”, eli niillä mitataan maanpinnan ja ilmakehän välisiä aine- ja energiavirtoja. Asema muistuttaa eräänlaista maastoon sijoitettua laboratoriota rakennuksineen ja instrumentteineen, mittaustorneineen ja henkilökuntineen.

Havaintoaseman mittausmasto kohoaa 128 metrin korkeuteen. Kuva Juho Aalto

Kulmala kuuluu pieneen tutkijoiden ydinryhmään, joka yli kolme vuosikymmentä sitten päätti perustaa ensimmäisen SMEAR-aseman tiettömien taipaleitten päähän, keskelle metsää.

Nuoret tutkijat, joista osa vielä oli tuolloin opiskelijoita, tekivät kaiken tieteellisestä suunnittelusta rakennustyöhön asti itse. Samaan aikaan piti ratkoa yhtälöitä ja mallintaa, raivata ja lapioida, kantaa ja asentaa painavia instrumentteja. Siinä sivussa tulevan huippuyksikön tutkijat opettelivat lobbaamaan. Raha oli tiukalla: ensimmäistä asemaa pystytettiin 90-luvun alussa, jolloin Suomen valtio huojui konkurssin partaalla

Värriön SMEAR I-asema on tähän mennessä tuottanut katkeamatonta mittaussarjaa yli neljännesvuosisadan. Ajan mittaan Kulmalan luotsaamat ilmakehätutkijat ovat rakentaneet neljä asemaa Suomeen, yhden Viroon ja yhden Kiinaan, Nanjingiin. Mittausdatan avulla tutkijat ovat pystyneet parantamaan ja testaamaan ilmakehän fysiikkaa ja kemiaa kuvaavia teorioita, ja jatkossa niillä paikataan myös nykyisten ilmastomallien puutteita.

Luonnontieteilijä käyttää työssään sekä aivojaan että käsiään. Lihasvoimakaan ei ole pahitteeksi: laitteet rakennetaan usein itse, ja mittauksia tehdään hankalissa olosuhteissa. Viereisessä kuvassa fyysikko ja metsätieteilijä pystyttävät ensimmäistä SMEAR-havaintoasemaa Lapin Värriöön vuonna 1991. Vas. Markku Kulmala, oik. Pertti Hari. Kuva Erkki Siivola.

Kuusi vakiintunutta asemaa on kuitenkin vasta alkua. Kulmala tähtää tutkijoineen maailmanlaajuisen havaintoasemaverkoston luomiseen. ”Yksi asema tuhannen kilometrin välein, urbaaneille alueille, jäätiköille, rannikoille”, suunnittelee Kulmala. Työ on jo käynnistynyt: tuoreimmat sopimukset uusista asemista Kulmala on allekirjoittanut Pekingissä, Siperian Nadymissa ja lisäksi Kyproksella.

Avointa dataa ja teknisiä sovelluksia 

Skandinaviasta Siperian yli Kiinaan ylettyvän hankkeen kokonaiskustannukset nousevat 4 miljardiin euroon. Lisäksi tarvitaan Euroopan, Venäjän ja Kiinan hallitusten yhteistyötä ja myötämieltä. Jonain päivänä investointi maksaa itsensä takaisin, tuumaa Kulmala: hän tietää kokemuksesta, että akateemisen tutkimuksen sivutuotteena syntyy markkinakelpoisia sovelluksia ja tuotteita.

Huippuyksikön suojissa on tähän mennessä syntynyt kaksi menestyvää spin off-yritystä. Airmodus Ltd valmistaa hiukkaslaskureita ja Karsa Ltd räjähdesensoreita. Räjähdesensoreita käytetään esimerkiksi lentokenttien turvatarkastuksissa vaarallisten kemikaalien etsimiseen.

Kumpikin tuote on lähtöisin aerosolitutkimuksen tarpeista: sellaista kauppaa ei ole, josta tutkijat voisivat ostaa instrumenttinsa suoraan hyllyltä. Kojeet ja laitteet pitää siten keksiä ja rakentaa itse. Joskus se johtaa oivalluksiin, joista on hyötyä muillekin.

”Todennäköisesti me emme näillä rikastu, mutta laskureita kyllä on viety jo hyvän aikaa Kiinaan”, sanoo Kulmala. ”SMEAR-teknologiasta nousee jatkossa lisää aihioita kaupallisille sovelluksille. ”

Kulmala muistuttaa myös, että kaikki SMEAR-asemilla tuotettu data on julkista. Huippuyksikössä työskentelee parhaillaan useampikin tutkija ja data-analyytikko, joiden tehtävänä on dokumentoida ja järjestää dataa niin, että sitä on kenen tahansa helppo käyttää.

”Fysiikka on tieteellisen ajattelun selkäranka”

Markku Kulmala on saanut miltei kaikki mahdolliset koti- ja ulkomaiset palkinnot ja kunnianosoitukset. Tuorein niistä on Wihurin säätiön kansainvälinen, 150 000 euron  palkinto, joka ojennettiin hänelle eilen  9.10.2017 Finlandia-talolla järjestetyssä juhlassa.

Akateemikoksi hän on nuori, 58-vuotias. Hänen elämäntyönsä ei ole kuitenkaan vielä tehty. Kulmalan johtama huippuyksikkö on ylittänyt Sciencen ja Naturen kaltaisten tiedefoorumien korkean julkaisukynnyksen kymmeniä kertoja, eikä tahti näytä hidastumisen merkkejä – päinvastoin. Fysiikan, metsätieteen, meteorologian ja eksaktien tieteitten rajapinnassa syntyy edelleen isojen läpimurtojen alkuja. Uusin aluevaltaus liittyy 5 G-verkon sovelluksiin. Jatkossa Kulmalaa aikoo syventää yhteistyötä myös ekonomistien kanssa.

Silti fysiikka on Kulmalalle ja hänen lähimmille työtovereilleen kaiken tieteellisen ajattelun selkäranka. Se on myös ollut menestysresepti: ”Maailmalla on paljon ilmakehään keskittyviä tutkijaryhmiä, mutta me olemme ainoa, jonka painopiste on fysiikassa ja enemmistö tutkijoista nimenomaan fyysikoita.”

”Toisaalta, jos en olisi aikoinani liittoutunut metsätieteilijöiden kanssa, mitään huippuyksikköä ei olisi koskaan syntynyt. Tutkisin varmaan edelleen aerosolin muodostumisen yksityiskohtia näkemättä sen yhteyttä koko ekosysteemiin. Ilman kemistejä taas moni ilmakehän reaktio olisi jäänyt selitystä vaille. Ja niin edelleen.”

Mitä ilmeisimmin Kulmala osaa yhdistää syvän ja kapean asiantuntemuksen optimaalisella tavalla laveaan monialaisuuteen. Tarkan optimipisteen tietänee vain hän itse, eikä se löydy pelkästään laskemalla, vaan jonkinlaisen vaiston avulla. Se näkyy esimerkiksi rekrytointipäätöksissä: Kulmala on usein täydentänyt joukkojaan akateemisten piirien ulkopuolelta. Esimerkiksi laitteitten rakentamisessa tarvitaan käsityöläisten ja seppien taitoja.

Kulmalan oma opintoura alkoi teoreettisella fysiikalla. Hän ei kuitenkaan ollut niin valopää kuin olisi toivonut, ja siirtyi kandidaatintutkinnon suoritettuaan kokeellisen fysiikan puolelle. Monet kollegat kuitenkin pitävät häntä erinomaisena mallintajana ja teoreetikkona.

”Markku on pitkin uraansa muodostanut työparin jonkun taitavan empiirisen kemistin tai fyysikon kanssa. kanssa. Työparilla on ollut uutta dataa tai toimiva koeasetelma, ja Markku on sitten mallittanut tuloksia,” kuvailee ydinfyysikko Hans-Christen Hansson Tukholman yliopistosta.

Erityisen hedelmälliseksi osoittautui myös työskentely yhdysvaltalaisen kemistin, Douglas Worsnopin kanssa: Kulmala pohdiskeli ja laski, Worsnop rakensi mittalaitteita. Tuloksena syntyi aivan uuden tyyppinen massaspektrometri, jonka avulla alle kolmen nanometrin kokoiset aerosolihiukkasten esiasteet pystyttiin havaitsemaan.

Kulmala vähättelee: ”En minä ainakaan opiskelijana fysiikassa loistanut. Jatko-opinnoissa esimerkiksi monen kappaleen ilmiöiden kurssi tuotti suuria vaikeuksia. Ehkä sitten tutkijana olen onnistunut keskimääräistä paremmin. Ainakaan en pelkää lähestyä asioita, joita ei ole aiemmin edes osattu kysyä. Sitä varten se maailmanlaajuinen havaintoasemaverkostokin pitää rakentaa.”

”Fysiikka on tieteellisen ajattelun selkäranka”, sanoo Markku Kulmala. Kuva Linda Tammisto

CV Markku Kulmala

Akateemikko, aerosolifysiikan professori ja ilmakehätieteen osaston johtaja Helsingin yliopistossa, Suomen Akatemian Ilmakehätieteen huippuyksikön  johtaja, maailman viitatuin geotieteilijä vuodesta 2011 – kirjoittajana yli 900 tieteellisessä artikkelissa, joista Naturessa tai Sciencessä yli 30, akatemiaprofessori kaudet 2004-2009, 2011-2015 ja 2017-2021

  • syntynyt 1958 Forssassa
  • Pro gradu –työ 1982: Uusien ja uusiutuvien energiavaihtoehtojen vertailu
  • Lisensiaatintyö 1985: Aerosolifysikaalinen kaasu-hiukkas-muuntuma
  • Väitöskirja 1988: Nucleation as an aerosol physical problem
  • kuuluu SMEAR-(Station for Measuring Earth Surface-Aerosol Relations)-asemien perustajiin
  • tunnetuin tieteellinen läpimurto: Direct Observations of Atmospheric Aerosol Nucleation, Science 339/943/2013
  • kunniatohtori 9 yliopistossa, muun muassa Tukholmassa, Tartossa ja Nanjingissa
  • kymmeniä palkintoja, mm. Suomen tiedepalkinto 2003, Kansainvälisen Systeemintutkimuskeskuksen IIASA:n palkinto monialaisen ilmakehätieteen kehittämisestä 2014 (Distinguished Visiting Fellow), Fedor P. Litke Gold Medal, Russian Geographical Society, 19.8. 2015
  • Kiinan tiedeakatemian ulkomainen jäsen 2015
  • International Eurasian Academy of Science Euroopan osaston presidentti 2015 – Johtaa perustamaansa PEEX (Pan Eurasian Experiment) -ohjelmaa

Ilmakehätieteen huippuyksikkö

  • perustettu 2001
  • 250 tutkijaa: fyysikoita, metsätieteilijöitä, meteorologeja, kemistejä, matemaatikoita jne, joista valtaosa työskentelee Kumpulan tiedekampuksella Helsingissä
  • harjoittaa akateemista perustutkimusta, jonka tuloksista teollisia sovelluksia. Kolme spin off -yritystä: Airmodus Ltd (hiukkaslaskureita), Karsa Ltd (räjähdesensoreita), SMEAR Ltd (havaintoasemien teknologian ja ympäristöteknologian vienti ja konsultointi)

Markku Kulmalasta, huippuyksiköstä ja ilmakehätutkimuksesta kerrotaan tarkemmin mm. Yhdessä ilmakehässä –  tieteen huipulle ydinturman jäljiltä –kirjassa, jonka joitakin osia on käytetty ylläolevassa tekstissä. Kirja on Mai Allon kirjoittama, ja sille myönnettiin tiedonjulkistamisen valtionpalkinto 2017.

Väisälän professoriveljekset

Teksti: Tiera Laitinen

Koti Pohjois-Karjalassa

Kesän koittaessa vuonna 1911 leskirouva Emma Weisellillä oli aihetta juhlaan. Hän oli nyt kasvattanut kaikki seitsemän lastaan ylioppilaiksi, kun nuorimmainen Kallekin oli saanut lakkinsa Joensuun klassillisessa lyseossa. Huikea elämäntyö vähävaraisen suurperheen äidiltä aikana, jolloin vain reilu prosentti ikäluokasta suoritti ylioppilastutkinnon.

Lapsuutensa sisarussarja oli viettänyt Joensuun lähellä Utrassa, jossa perheen isä Johannes Weisell työskenteli sahan konttoristina. Johannes tunnettiin matemaattisesti lahjakkaana, hän luki paljon matemaattis-luonnontieteellistä kirjallisuutta ja kirjoittelipa itsekin maapalloa ja maailmankaikkeutta kuvailevia artikkeleita paikalliseen sanomalehteen. Humanistiset kulttuuriharrastukset kiinnostivat häntä vähemmässä määrin, politiikka ei lainkaan. Weisellien koti oli siis sivistyskoti luonnontieteellisellä painotuksella.

Kun Johannes Weisell kuoli vuonna 1904, lapsista kaksi vanhinta oli jo lähtenyt kotoa ja kaksi seuraavaa juuri lähdössä. Perheen esikoinen, Väinö, eteni pankinjohtajaksi ja varakkaana miehenä auttoi perhettä rahallisesti. Hannasta tuli filosofian kandidaatti ja kieltenopettaja. Hannes opiskeli lakia ja toimi ensin asianajajana, sitten Iisalmen pormestarina ja lopuksi Valtiokonttorin johtajana. Minna päätyi kartanon emännäksi Kiukaisiin naituaan nuorena Kaarle Collanin, josta tuli sittemmin ministeri ja Turun ja Porin läänin maaherra. Vaikuttavat elämänpolut siis heilläkin, syrjäisen sahan konttoristin lapsiksi. Elettiin aikaa, jolloin luokkarajat murtuivat Suomessa rymisten ja sosiaalinen nousu onnistui yhä useammalta.

J. V. Snellmanin 100-vuotispäivänä 12.5.1906, yhdessä kymmenientuhansien muiden suomalaisten kanssa, perheen lapset palauttivat yksissä tuumin sukunsa nimen suomenkieliseksi. Eivät kuitenkaan aivan alkuperäiseksi Väisäseksi, jonka nimen heidän isoisänsä isä Josua oli menettänyt Oulun triviaalikoulussa, vaan Väisäläksi, suvun Kiuruvedellä sijainneen kantatilan mukaan.

Kolmen veljeksen koulutie

Johanneksen kuoltua Emma muutti Joensuuhun mukanaan perheen kolme nuorinta poikaa, Vilho, Yrjö ja Kalle, jotka olivat tuolloin 14-, 12- ja 10-vuotiaita. Muutto helpotti lasten koulunkäyntiä, kun koulumatka lyheni. Vilho ja Yrjö saivat koulussa erinomaisia arvosanoja useimmista aineista; sen sijaan Kalle, joka sittemmin yliopisto-opinnoissa edistyi veljeksistä parhaiten, sai koulussa heikonpuoleisia arvosanoja. Ehkäpä lyseon kielipainotteinen opetusohjelma ja liian helpot matematiikan kurssit eivät motivoineet häntä tunnolliseen opiskeluun.

Matematiikassa kaikki kolme opiskelivat jo kouluaikana koulukurssin yli meneviä tietoja. Varsinkin Yrjö, joka kertoi muun opiskelunsa jääneen aivan hunningolle, kun hän seitsemäsluokkalaisena sai käsiinsä 1500-sivuisen oppikirjan Differential- und Integralrechnung. Yrjö kiinnostui jo kouluaikana myös tähtitieteestä ja määritti tarkan kellonajan kotipihallaan tekemiensä mittausten perusteella – radion aikamerkkejähän ei tuohon aikaan vielä ollut, kun ei ollut radiotakaan.

Vilho muutti Joensuusta Helsinkiin opiskelemaan syksyllä 1908, Yrjö vuotta myöhemmin ja Kalle syksyllä 1911. Kaikki kolme ottivat pääaineekseen matematiikan, laajoiksi sivuaineiksi fysiikan ja tähtitieteen.

Keisarillinen Aleksanterin-yliopisto oli tuohon aikaan pohjoismaiden suurin: opiskelijoita oli parituhatta. Määrä oli jyrkässä kasvussa, ja Suomessa yliopistossa opiskeli suurempi osuus ikäluokasta kuin useimmissa muissa Euroopan maissa.

Vilho ja Yrjö valmistuivat filosofian kandidaatiksi 1912 ja menivät pian sen jälkeen naimisiin. Perheen elättämiseksi välttämättömät ansiotyöt viivyttivät heillä sitten väitöskirjan valmistumista ja veivät (väliaikaisesti) pois akateemisesta maailmasta. Se harmitti matematiikan professori Ernst Lindelöfiä, joka oli toivonut lahjakkaista veljeksistä matematiikan tutkijoita.

Mutta olihan vielä kolmas Väisälä. Lindelöf kutsui Kallen puhutteluun, vaati tätä jatkamaan opintoja täydellä teholla kandidaatin tutkinnon jälkeen ja kielsi menemästä naimisiin liian aikaisin. Vanhapoika-Lindelöfin naimiskielto nauratti Kallea, vaan tekipä tämä kuitenkin väitöskirjan pikaiseen tahtiin kuten professori toivoi, ja astui avioonkin vasta saatuaan itse professorin viran.

Kallesta matemaatikko ja oppikirjojen tekijä

Aprillipäivänä 1916 Kalle Väisälä väitteli tohtoriksi. Väitöskirja käsitteli viidennen asteen yhtälöiden ratkaisemista. Huomionarvoista on, että useimmat muut oppilaansa Lindelöf ohjasi omalle alalleen funktioteoriaan, mutta ei Kallea. Ilmeisesti hän piti Kallea niin lahjakkaana, että katsoi tämän sopivaksi tienraivaajaksi laajentamaan Suomessa tehtävän matematiikan tutkimuksen alaa algebran suuntaan.

Seuraavina vuosina Kalle julkaisi useita merkittävää kansainvälistä huomiota herättäneitä tutkimuksia. Hän loikki ketterästi matematiikan alalta toiselle etsiessään kiinnostavimpia aiheita. Elantonsa hän ansaitsi opettamalla matematiikkaa yliopistossa ja Teknillisessä korkeakoulussa, sekä Lindelöfin järjestämillä matka-apurahoilla.

Vuonna 1918 Suomen sisällissota katkaisi hetkeksi akateemisen pohdiskelun. Vilho ja Yrjö pysyttelivät erossa taisteluista, mutta Kalle liittyi punaisten miehittämässä Helsingissä maanalaiseen suojeluskuntaan. Kun Hangossa maihin nousseet saksalaiset lähestyivät Helsinkiä pohjoisesta, Kalle osallistui joukkonsa mukana tulitaisteluihin eteläisimmän Helsingin vapauttamiseksi suomalaisvoimin.

Syksyllä 1919 Kalle kutsuttiin matematiikan professoriksi Tarton yliopistoon, ja hetken epäröityään hän otti työn vastaan. Väisälän veljeksistä nuorin oli näin edennyt professoriksi ensimmäisenä, 26-vuotiaana.

Kielitaistelu kuumensi tuohon aikaan tunteita Helsingissä, sillä opiskelijoiden enemmistö oli suomenkielisiä, mutta opettajista valtaosa käytti ruotsia. Vankasti suomalaismielinen Kalle ei ollut aktiivisesti politikoinut asialla opiskeluaikanaan, mutta nyt hänellä oli mahdollisuus toimia itse paremmin. Muutamassa kuukaudessa hän opetteli viron kielen ja antoi Tartossa kaiken opetuksensa alusta lähtien viroksi. Tämä kasvatti hänen suosiotaan opiskelijoiden parissa ja herätti tyytyväistä ihmettelyä laajemminkin.

Jo parin vuoden kuluttua isänmaa ja äidinkieli kuitenkin kutsuivat Kallea palvelukseensa. Kielitaistelun velloessa kaksikielisessä Helsingin yliopistossa kummankin kielen kiivaimmat puolustajat perustivat Turkuun erikseen ruotsinkielisen ja suomenkielisen yliopiston. Kun Turun Suomalainen Yliopisto aloitti toimintansa kesällä 1922, Kalle Väisälä aloitti sen matematiikan professorina.

Kalle oli pidetty ja kehuttu opettaja, mutta hänen tutkimusaktiivisuutensa hiipui Turussa. Opetuksen järjestäminen lähes yksin vei paljon aikaa, samoin yhteiskunnallinen vaikuttaminen, sivutyö vakuutusyhtiö Tarmossa sekä perheenisän velvollisuudet. Kalle nimittäin avioitui vuonna 1923 Eeva Kukkolan kanssa, ja pariskunta sai kuusi lasta.

Sotavuosina Kalle kiinnostui matematiikan kouluopetuksesta. Se oli hänen mielestään vanhakantaista, epäkäytännöllistä ja lasten kehitystasoon nähden liian teoreettista. Saadakseen omakohtaista kokemusta aiheesta hän tarjoutui sijaisopettajaksi Munkkiniemen yhteiskouluun, jota hänen lapsensakin kävivät – perhe oli juuri talvisodan alla muuttanut Helsinkiin Kallen saatua professuurin Teknillisestä korkeakoulusta.

Vuosina 1945–1950 Kalle julkaisi keskikouluun ja lukioon tarkoitetut oppikirjat algebrasta, trigonometriasta ja geometriasta. Ne nykyaikaistivat voimakkaasti matematiikan opetusta Suomessa ja saavuttivat suuren suosion; yhteensä kirjoja painettiin noin 800 000 kappaletta, joten niitä voi hyvin sanoa Kalle Väisälän elämäntyön laajimmin vaikuttaneeksi osaksi. Lisäksi hän osallistui voimakkaasti yhteiskunnalliseen keskusteluun matematiikan tuntimäärien lisäämiseksi ja teknisissä opinnoissa tarvittavien aiheiden, kuten differentiaali- ja integraalilaskennan, lisäämiseksi lukion oppimäärään.

Yrjöstä geodeetti ja tähtitieteilijä

Yrjö Väisälä rakasti tähtiä, ja toisesta opiskeluvuodestaan alkaen hän työskenteli havainnontekijänä yliopiston observatoriossa tähtitieteen professori Anders Donnerin apulaisena. Hänen tehtäviinsä kuului Suomen virallisen ajan määrittäminen. Myöhemmin Yrjö kertoi työn opettaneen häntä tekemään mahdollisimman tarkkoja havaintoja, ja suureen tarkkuuteen pyrkiminen leimasikin hänen koko myöhempää uraansa.

Kihlauduttuaan Martta Levannon kanssa Yrjö tarvitsi lisää tuloja perheen perustamiseen. Hän pestautui veljensä Vilhon tavoin magneetikoksi Meteorologiseen keskuslaitokseen (nykyinen Ilmatieteen laitos). Tehtävänä oli kartoittaa magneettikentän maantieteellistä vaihtelua maassamme. Talvisin työtä oli niukasti, mutta kesäkaudet Yrjö matkusti ympäri Suomea mittauksia tekemässä. Niinpä kesähäiden järjestäminen jäi morsiamen vastuulle. Martta lähetti kutsukortin myös Yrjölle ja kirjoitti sen taakse kysymyksen, ehtisikö sulhanen poiketa omissa häissään. No ehtihän Yrjö sentään: pari vihittiin asiaankuuluvin menoin Kuhmoisissa elokuussa 1913.

Yrjö työskenteli kolme vuotta hyväpalkkaisena vakuutusmatemaatikkona, mutta kyllästyi ”markkojen ja pennien laskemiseen”. Kun Suomeen sitten perustettiin Geodeettinen laitos (nykyään osa Maanmittauslaitosta), hän pääsi sinne geodeetiksi. Ja taas Yrjö reissasi kesät ympäri Suomea, nyt kolmiomittauksia tekemässä.

Työn ohessa Yrjö rakenteli kaukoputkia. Putkeen tarvittavien peilien muotoa mitattiin valmistusvaiheessa valonsäteiden heijastusten avulla, mutta valon interferenssi häiritsi mittauksia. Yrjö keksi kääntää ongelman apukeinoksi: hän kehitti ”kahden raon keinoksi” kutsumansa menetelmän, joka perustui kahden valonsäteen muodostaman kirkkaan keskimmäisen interferenssiviivan paikan määrittämiseen. Keinon avulla peilien muoto saatiin määritettyä kymmenisen kertaa aiempaa tarkemmin. Idean paperille kirjaamisesta syntyi myös niin mainio väitöskirja, että Yrjö vihittiin primustohtoriksi vuoden 1923 promootiossa.

Seuraavana vuonna Yrjö Väisälä nimitettiin Turun Suomalaisen Yliopiston fysiikan professoriksi. Hänen aloitteestaan yliopistoon perustettiin pian tähtitieteenkin oppituoli, jonka Yrjö otti myös hoitaakseen. Hän rakenteli Turkuun kaukoputkia ja tähtitorneja sekä yliopistolle että Turun Ursalle, ja käytti niitä erityisesti pikkuplaneettojen etsimiseen. Vuonna 1938 Turun tähtitorni löysi yli sata uutta pikkuplaneettaa jättäen kakkoseksi siihenastisen maailmanmestarin Heidelbergin. Ennätysten tehtailu toi Yrjölle mainetta, jota hän käytti hyväkseen hakiessaan rahoitusta uusiin havaintolaitteisiin ja niiden tarvitsemiin rakennuksiin. Kun rahahanat usein olivat tiukalla, Yrjö rahoitti tieteellisiä hankkeitaan omista varoistaankin.

Jatkosodan jälkeen Yrjö perusti uuden observatorion Tuorlaan, ja tähtitornin lisäksi sinne rakennettiin optinen laboratorio. Nuorena keksimänsä kahden raon keinon pohjalta Yrjö oli nimittäin kehittänyt valon interferenssiin perustuvan huipputarkan menetelmän pituusmittojen vertailuun. Keksinnön tärkein sovellus oli Lohjanharjulle Nummelaan vuonna 1932 mitattu 864 metrin pituinen perusviiva, joka toimi Suomen kartoittamisessa kolmiomittausten kiinnekohtana. Nummelan perusviivaa pidetään edelleen maailman tarkimpana. Tekniikan kehittyminen ei ole asiaa muuttanut, sillä mittaustarkkuutta rajoittaa ensisijaisesti ilmakehän fysiikka, jonka Yrjö otti nerokkaasti huomioon.

Yrjö Väisälä perusti Turkuun Tuorlan observatorion vuonna 1952

Suomessa Yrjö Väisälä tunnetaan tähtitieteilijänä ja optisten instrumenttien rakentajana, mutta maailmalla hän on ehkä kuuluisin geodesian kehittäjänä. Hän nimittäin keksi tähtikolmiomittauksen, jossa kolmion kaksi kulmaa ovat mittauspisteitä maanpinnalla ja kolmantena kulmana on korkealla ilmassa oleva valonlähde tai tekokuu. Menetelmässä maanpintapisteiden välillä ei tarvitse olla suoraa näköyhteyttä kuten perinteisessä kolmiomittauksessa, mikä mahdollisti paljon suurempien etäisyyksien mittaamisen.

Yrjö Väisälän hengästyttävän monipuolinen ja ansiokas tieteellinen ura sai suurimman kunnianosoituksensa, kun hänet vuonna 1950 valittiin Suomen Akatemian jäseneksi. 58 vuotta kestäneen tutkijanuransa aikana hän julkaisi 35 tieteellistä artikkelia. Yrjö Väisälä keskittyi laatuun, ei määrään.

Yrjö Väisälä 1950-luvun alussa

Vilhosta meteorologi ja kasvuyrittäjä

Voidakseen mennä naimisiin kihlattunsa Aino Blomqvistin kanssa Vilho Väisälä tarvitsi vakituisen työn. Sen hän sai Meteorologisesta keskuslaitoksesta. Siellä oltiin aloittamassa Suomen magneettista kartoitusta, ja laitoksen johtaja Gustaf Melander pestasi Vilhon työn johtajaksi. Kyseessä oli vaativa tehtävä nuorelle ja kokemattomalle filosofian kandidaatille. Vilhon mieltymykset ja kyvyt kuitenkin sopivat täydellisesti monipuoliseen työhön, joka käsitti tehtäviä mittalaitteiden suunnittelusta ja valmistuksesta kenttämittauksiin ja tulosten matemaattiseen käsittelyyn.

Ennen ensimmäistä mittauskesää Melander lähetti Vilhon pikakurssille Pavlovskin magneettiseen observatorioon Pietarin lähelle. Pavlovskista tuli hänelle tuttu matkakohde ja tärkeä yhteistyötaho Suomen itsenäistymiseen asti.

Meteorologinen keskuslaitos oli perustanut kaupungin ulkopuolelle Pasilaan aerologisen havaintoaseman, joka sai nimen Ilmala. Aerologialla tarkoitetaan niin kutsutun vapaan ilmakehän eli maanpinnan vaikutusalueen yläpuolella olevan ilmakehän tutkimusta. Ilmalassa vapaata ilmakehää mitattiin pääasiassa leijojen avulla, joten paikalliset alkoivat kutsua sitä leija-asemaksi.

Vilhon työtilat sijaitsivat alusta alkaen Ilmalassa ja 1916 hänet nimitettiin aseman johtajaksi. Sen jälkeen hänen kiinnostuksensa alkoi siirtyä magnetismista meteorologiaan. Hän laajensi alan osaamistaan opettamalla meteorologiaa yliopistossa ja tuli puolivahingossa johtaneeksi keskeisen ilmakehän käyttäytymistä kuvaavan yhtälön, joka nykyään tunnetaan Bruntin–Väisälän taajuutena. Englantilainen meteorologi David Brunt johti saman kaavan pari vuotta myöhemmin, mutta ymmärsi ensimmäisenä sen yleispätevän teoreettisen merkityksen ja teki sen laajasti tunnetuksi.

Ilmalassa Vilho kehitti leijoja ja niihin ripustettavia havaintolaitteita niin, että 1920-luvulla leijoilla saatiin lämpötila-, ilmanpaine- ja kosteusmittauksia noin viiden kilometrin korkeudesta. Leijojen ohella käyttöön otettiin myös vedyllä täytettäviä palloja, jotka toimivat tyynelläkin säällä eivätkä tarvinneet vaarallista ohjausvaijeria. Pallon huonona puolena oli, että se putosi puhjettuaan kauas lähetyspaikasta, jolloin havaintolaite ja sen mittaukset joutuivat usein hukkaan. Ranskassa, Saksassa ja Neuvostoliitossa virisi ajatus, että mittaustulokset voisi välittää pallosta maanpinnalle radiotekniikan avulla.

Vuonna 1931 Karjalankannakselta löytyi omituinen härpäke, joka oli ilmeisesti lentänyt kaasupallon kyydissä itärajan takaa punaisen hämärän maasta. Kun laite päätyi Vilho Väisälän käsiin, tämä tunnisti sen heti ilmakehän radioluotaimeksi – ja totesi, että osaisi itse tehdä paremman. Useita teknisiä keksintöjä vaatinut kehitystyö valmistui keväällä 1936. Laitteensa markkinoinnin itsevarma Vilho oli aloittanut jo edellisenä vuonna Maailman ilmatieteellisen järjestön WMO:n kokouksessa Varsovassa.

Maailmassa oli tuolloin kehitetty jo noin 15 vastaavantyyppistä radioluotainta. Väisälän RS 11 -luotain kasvatti kuitenkin suosiotaan nopeasti, koska se oli yhtä hyvä kuin parhaat kilpailijat, mutta paljon kevyempi ja halvempi. Laitetta valmistamaan Vilho perusti yrityksen, joka sittemmin pudotti ä-pisteet nimestään pois ja tunnetaan siis nykyisin Vaisala oy:nä.

Toinen maailmansota keskeytti vientikaupan, mutta kun puolustusvoimat oppi käyttämään radioluotausta sääpalvelunsa tukena, se osti niitä tuhatkunta vuodessa. Sodan jälkeen Väisälän yhtiö palasi vientimarkkinoille ja nopeaan kasvuun. 1950-luvulla yritykseen perustettiin tutkimusosasto, minkä jälkeen tuotekehitys ei enää ollut yksin Vilhon harteilla, vaikka tämä sitä edelleen aktiivisesti tukikin. Nykyään Vaisala on noin 1600 työntekijän huipputeknologiayhtiö, joka valmistaa laajaa valikoimaa sää- ja ympäristöalan mittalaitteita.

Yhtiönsä menestyksestä huolimatta Vilho itse ei milloinkaan ryhtynyt päätoimiseksi liikemieheksi. Sen sijaan hän siirtyi 1948 Ilmatieteellisestä keskuslaitoksesta Helsingin yliopistoon meteorologian professoriksi. Ennen eläköitymistään hän ehti toimia professorina kymmenen vuotta ja laajensi sekä kehitti voimakkaasti meteorologian opetusta yliopistossa. Oppiaineen kasvua auttoivat ratkaisevasti Väisälän yhtiön avokätiset lahjoitukset.

Vilho Väisälä vuonna 1958

Lopuksi

Kalle Väisälä kuoli 75-vuotiaana syyskuussa 1968. Vuotta myöhemmin menehtyi hänen veljensä Vilho ja kaksi vuotta sen jälkeen Yrjö.

Väisälät tekivät kukin kansainvälisesti merkittävän tieteellisen uran ja antoivat myös arvokkaan panoksen suomalaisen yhteiskunnan kehittämiseen. Kallen oppikirjatyö palveli kokonaisten sukupolvien matematiikan opiskelua. Yrjön perustama Tuorlan observatorio toimii edelleen Turun yliopiston tähtitieteen osastona, ja hänen ansiostaan asteroidivyöhykkeellä kiertää iso liuta suomalaisia nimiä. Yrjö perusti nuorena miehenä myös tähtiharrastajien yhdistyksen Ursan, jolla on tänä päivänä noin 18 000 jäsentä. Vilhon perustama Vaisala oy maailman markkinajohtaja sääluotaimissa ja merkittävä vientiyritys Suomessa.

Vähän ennen kuolemaansa Vilho lahjoitti osan Vaisalan osakkeista Suomalaiselle tiedeakatemialle. Niistä muodostettiin Vilho, Yrjö ja Kalle Väisälän rahasto, joka jakaa vuosittain apurahoja ja palkintoja veljesten edustamien tieteenalojen eli matematiikan, tähtitieteen, fysiikan, meteorologian ja geofysiikan tutkijoille.

Väisälän veljeksistä lähemmin kiinnostuneille suosittelen akateemikko Olli Lehdon seikkaperäistä ja vetävästi kirjoitettua kirjaa Oman tien kulkijat – Veljekset Vilho, Yrjö ja Kalle Väisälä. Se on toiminut tämänkin kirjoituksen tärkeimpänä lähteenä.

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.

Fysiikka82-näyttely

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.

Tiedekeskusprojektin puheenjohtaja Hannu Miettinen ja projektipäällikkö Tapio Markkanen

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.

 

Näyttelyideoita

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.

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

 

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.

Johan Jakob Nervander
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.

Helsingin yliopiston magneettinen observatorio (Ilmatieteen laitoksen arkisto)
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.