Physics Days 2018 and where do we go from here?

Text and interviews: Emilia Kilpua

Physics Days have long traditions gathering together physicists working in Finland. The days have been organised since 1948 when the first meeting was held in Helsinki. Back then Physics Days occurred less frequently but since 1972 they have been an annual event.

Physics Days 2018

The 52nd meeting of the Finnish Physical Society was organised on March 21-23, 2018, in Turku. On Wednesday morning participants started to gather to Logomo, a modern conference centre with industrial atmosphere, just a few hundred meters from the Turku railway station.

The chair of the board of the Finnish Physical Society Rami Vainio opened the meeting. After Rami’s welcoming words Risto Ojajärvi from the University of Jyväskylä was awarded the Young Physicist Prize 2017, which is the Finnish Physical Society’s award for the best master’s thesis of the year. In his talk Risto focused on the key question of his thesis whether flat band materials can be room temperature superconductors. The opening plenary talk was given by Selma de Mink from the University of Amsterdam. She took us on an exciting journey through turbulent lives of massive stars.

Selma de Mink at the Logomo Teatteri stage. She gave a really enticing opening plenary talk.

As during the previous years, Physics Days 2018 continued with parallel and plenary sessions, poster sessions and exhibition. The other standard events during the days included the Annual Meeting of the Finnish Physical Society, division meetings and the Studia Generalia. And of course, the reception and conference dinner.

Rami Vainio (right) and fellow member Paul Hoyer (left) celebrating at the reception Organized at City Hall of Turku

Engaging school kids

This year a special school student session was organized on Thursday afternoon at the Logomo’s Teatteri auditorium. The event was a big success. Over 150 high high-school students from Turku and nearby communities participated. The students asked actively

questions from the speakers and both students and teachers were really enthusiastic about this opportunity. Minnamari Saloaro was one of the main organizers of the event. The board of the Finnish Physical Society asked the program committee to consider arranging some activity for the high school students. ”In the program committee we considered this as a great opportunity to enhance the good collaboration between the schools and the university” Minnamari explains ”The school student session also gave the high-school students a chance to participate in a real physics conference and see yet another part of researchers’ work.

The session included three ten-minute talks, which were given by master and PhD students at the University of Turku. The talks were related to the research these students have carried out and they covered topics like simulations in the product development, materials research for spintronics and medical physics. The session ended with an impressive and explosive science show given by the University of Turku Tiedepaukku-team. Minnamari mentions that the team gave a really good take-home message for the high school students “Behind all the fancy things and magic tricks you have seen on this that stage, there is science, explanations and a lot of hard work from physicist and other scientists”.

Explosive science show by Tiedepaukku-team

Minnamari strongly recommends that a school student session should be taken as a standard event at Physics Days: ”We should always seize the opportunities to show young people what physics is really about and what physicists and other scientists really do. This way we can motivate kids and affect their attitudes towards science and get them interested in physics”. As suggestions for possible future improvements she mentions having speakers at different stages of their studies and research career and having a slightly longer session allowing to show more experimental and practical things. She also thinks that the event would obtain even more interest if advertised more widely.

Seeing the Invisible

Physics Days carry traditionally a theme that aims at bridging across the fields. Examples of the past themes include “Dimensions of the Universe” (Turku, 2008), ”Physics on the crest of a wave” (Espoo, 2009), ” Sharing methods, exchanging ideas” (Helsinki, 2011), ”Light” (Joensuu, 2012), “Exploration and Discoveries“ (Helsinki, 2015), and  Physics in Society” (Aalto, 2017). This year the theme was “Seeing the Invisible”.

The theme was highlighted both in Studia Generalia talk given by professor emeritus Mauri Valtonen from the University of Turku and in Conference Dinner speech by Laura Juvonen, executive director from Technology Industries of Finland. What could be a better example of seeing the invisible than the recent discovery of gravitational waves opening a new window on the studies of the Universe. Laura Juvonen emphasized in her dinner speech how important it is for scientists to advertise their research and communicate their results more actively to the wider public.

Some of the presentations had also paid special attention to directly capture the theme, such as analysing works of art by scientific methods to be authenticated or to unveil additional information, using EISCAT 3D measurements to reveal basic properties of the ionosphere and highlighting often the hidden work of coding in astrophysics studies. It would be actually great to see the selected theme to be captured more widely in the abstracts. Something to think for the upcoming years.

Future directions

 An important question is how to keep Physics Days as an efficient channel connecting physicists in Finland and how to increase the number of participants? Today everyone is busy and have their calendars full of meetings and other duties. International collaborations are emphasized but we should also keep national ties strong. At Physics Days you will meet physicists working in the same and neighbouring fields all over Finland and also learn what physicists in the other fields do. The social aspect is important part of the days. More established physicists meet the people they studied with but who then continued to different fields and places. Young physicists will get a chance to present their work for a larger audience and integrate within the community.  Besides, at Physics Days you learn about the cutting-edge research internationally. Each year there are many participants from abroad and in particular many plenary talks are given by renowned international speakers.

New things are actively tried. Participating to a conference in Finland can be surprisingly pricy and for these reasons the participation fee has been kept modest. This year the fee for undergraduates was lowered and the fraction of young researchers increased considerably. In 2017 when Physics Days were organised in Helsinki by the Aalto University each parallel session had also a few invited international speakers. The scientific organising committee aimed at finding the speakers that covered as broadly as possible the interest of the participants.  It is, however, not an easy task to find the right balance with the educated audience having diverse expertise, in particular in parallel sessions where most talks are shorter.

I also asked for visions and ideas from Rami Vainio on how should we improve Physics Days in the future: “Besides an event where you hear the latest results in your own field from your close colleagues, Physics Days is also one of the few, if not the only broad conference on physical sciences one annually attends. Therefore, an important function of the days is to get an annual update on physics at large, which emphasizes the role of the plenary talks as well as scene-setting invited talks in the parallel sessions. However, we should also think about ways to better involve our physicists who are working in the industry and students aspiring to work there. The days could also bring together employers and graduates and soon-to-be graduates in a more systematic manner. I also agree with Minnamari that involving the high-schools or even secondary schools should be annually on the agenda.”

 

Jukka Maalampi – Vahva kirjoittaja heikkojen vuorovaikutusten parista

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.

Professori Jukka Maalampi on hiukkasfysiikan tutkija, yksi Suomen suosituimmista tieteen popularisoijista ja innokas opetuksen uudistaja  (kuvalähde: Yle)

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.

Kuva: Jukan uralle on osunut useita kokouksien järjestelytehtäviä, kuten esimerkiksi tieteellisen sihteerin tehtävä Hangossa vuonna 1981 järjestetyssä CERNin ja JINRin (CERNiä vastaava Itä-Euroopan maiden tutkimusorganisaatio) yhteinen hiukkasfysiikan kesäkoulussa. Kuvassa keskustelua JINRin Aleksei Sissakianin ja Ivan Zlatevin kanssa Hangon kaupungin järjestämässä illanvietossa

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.

Antti Kupiainen — matematiikan huipulla ja fysiikan peruskysymysten äärellä

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 on matematiikan professori. Useat hänen tutkimuskohteistaan käsittelevät merkittäviä fysiikan avoimia ongelmia (kuva: Jani Lukkarinen)

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.

Paula Eerola – Tutkimusjohtamista hiukkasfysiikan aallonharjalla

Teksti: Jaana Heikkilä ja Joona Havukainen 

Tutkijana Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksessa CERNissä, professorina Lundin yliopistossa ja myöhemmin Helsingin yliopistossa, Fysiikan tutkimuslaitoksen (Helsinki Institute of Physics) johtajana sekä viimeisimpänä matemaattis-luonnontieteellisen tiedekunnan dekaanina Helsingin yliopistossa. Tässä vain muutama esimerkki Paula Eerolan vaikuttavasta työurasta.

Paula Eerola on hiukkasfysiikan professori ja  matemaattis-luonnontieteellisen tiedekunnan dekaani Helsingin yliopistossa (kuva: Linda Tammisto/HY).

Paula Eerola, miten päädyit hiukkasfyysikoksi?

Paula: Päädyin valitsemaan fysiikan opinnot Helsingin yliopistossa vähän laiskuuttani, koska tiesin pääseväni papereilla sisään. Toinen kiinnostuksen kohteeni, poliittinen historia, olisi vaatinut pitkää pääsykoevalmistautumista. Fysiikassa minua kiehtoi alusta asti hiukkasfysiikka siksi, että siinä mennään kaikkeuden ytimeen sananmukaisesti.

Paulan tutkimusaiheena on jo pitkään ollut b-kvarkit ja niiden muodostamien hiukkasten fysiikka, niin kutsuttu B-fysiikka. B-kvarkit ovat alkeishiukkasia, joita ei kohtaa arkiolosuhteissa, mutta korkeaenergisissä hiukkastörmäyksissä ne ovat kuitenkin arkipäivää. Kvarkit muodostavat lyhytikäisiä hiukkasia, joiden ominaisuuksia, esimerkiksi elinikää ja hajoamissuhteita, voidaan mitata hiukkasilmaisimien keräämästä datasta. Näitä kokeellisesti mitattuja suureita voidaan sitten vertailla teoriaennusteisiin. B-fysiikassa ollaan erityisen kiinnostuneita syvällisistä luonnontieteen kysymyksistä, kuten materian ja antimaterian välisistä eroista. B-kvarkeista koostuvien hiukkasten hajoamiset ovat usein myös epäsuora keino uusien hiukkasten etsimiseen, sillä erilaisten hajoamistuotteiden yleisyys riippuu mahdollisista uusista hiukkasista.

Mikä B-fysiikassa kiehtoo kiehtoo sinua eniten? Jos et olisi suuntautunut B-fysiikkaan, mikä olisi voinut olla tutkimusaiheesi?

Paula: Innostuin aiheesta siksi, että b-kvarkkien avulla päästään tutkimaan fysiikan perusteita eli symmetrioita ja niiden rikkoutumista. Tein väitöskirjani uusien hiukkasten etsimisestä, ja vähän turhauduin ei-oo:n mittaamiseen, eli sellaisiin mittauksiin, joissa signaalia ei näy, ja tuloksena on joku ylä- tai alaraja. B-fysiikassa on yleensä selkeä mitattava signaali, mutta toisaalta ala on niin laaja, että mielenkiintoisia tuloksia riittää etsittäväksi ja mitattavaksi. Tutkimusaihetta voi hiukkasfysiikan sisällä vaihtaa helposti, ja ehkä vielä joskus palaan uusien hiukkasten etsinnän kimppuun.

Eerola on ollut mukana eturivissä ohjaamassa kokeellisen hiukkasfysiikan kehitystä 80-luvulta eteenpäin niin tutkijana kuin tutkimusjohtajana. Hän on työskennellyt muun muassa CMS- ja ATLAS-kollaboraatioissa, jotka vastaavat Large Hadron Collider -hiukkaskiihdyttimen kahdesta suurimmasta hiukkasilmaisimesta CERNissä, ja jotka yhdessä julkaisivat tuloksensa Higgsin bosonin kaltaisen hiukkasen löytymisestä heinäkuussa 2012.

CMS-koejärjestely Large Hadron Collider -hiukkastörmäyttimellä CERNissä. CMS-PHO-GEN-2008-028-1, Hoch, Michael; Brice, Maximilien

Kuinka hiukkasfysiikan tutkimus on muuttunut urasi aikana?

Paula: Hiukkasilmaisimet ovat muuttuneet paljon tarkemmiksi. Tarkemmilla laitteilla pystymme nyt käyttämään hyväksemme dataa tehokkaammin. Tarkemmat laitteet asettavat myös huomattavasti aikaisempaa suurempia vaatimuksia systemaattisten epävarmuuksien oikeanlaiseen käsittelyyn. Data-analyysimenetelmät ovatkin kehittyneet huimasti erityisesti LHC-aikakautena viimeisen kymmenen vuoden aikana.

Viimeisen 30 vuoden aikana on saavutettu monia hiukkasfysiikan läpimurtoja (Higgs-löytö, top-löytö, jotkin b-fysiikan tarkkuusmittaukset). Millaisena näet hiukkasfysiikan seuraavat 20 – 30 vuotta?

Paula: Läpimurto, joka on odotuttanut itseään, on pimeän materian löytäminen. Pimeä aine voi löytyä LHC:llä, joka tulee toimimaan vielä toistakymmentä vuotta, tai dedikoiduissa pimeän materian kokeissa, jotka tutkivat kosmista säteilyä. Epäsuorasti tiedämme jo, että maailmankaikkeuden massasta huomattava osa on tuntematonta materiaa. Toinen suuri perustavanlaatuinen ongelma on kysymys siitä, mikä on aiheuttanut maailmankaikkeuden materian ja antimaterian symmetriarikon. Hiukkasfysiikan kokeissa mitattu symmetriarikko ei riitä selittämään kosmisen skaalan epäsymmetriaa. Voi myös olla, että nämä kaksi ongelmaa ovat jotenkin tekemisissä keskenään.  

Paula on uransa aikana toiminut lähes kaikissa rooleissa joihin tutkija voi akateemisen uransa aikana haaveilla pääsevänsä. Vuodenvaihteessa Eerola aloitti kautensa matemaattis-luonnontieteellisen tiedekunnan dekaanina Helsingin yliopistossa, toimittuaan sitä ennen Fysiikan tutkimuslaitoksen johtajana.

Mikä on parasta tutkimusinstituutin tai tiedekunnan johtamisessa? Mikä ikävintä?

Paula: Tiedekunnan tai tutkimusinstituutin johtamisessa on hienoa päästä edistämään mielenkiintoisia uusia tutkimusaiheita ja edesauttaa tieteen näkyvyyttä ja merkitystä yhteiskunnassa. On myös mahtavaa auttaa ihmisiä menestymään: rekrytoida lahjakkaita tutkijoita ja tukea opiskelijoita uran alkuun. Tylsintä on, kun aika tuhrautuu rutiiniasioiden kanssa tappelemiseen.

Lappeenrannan teknillinen yliopisto on nimennyt Paula Eerolan kunniatohtoriksi. Kunniatohtori on yliopiston korkein huomionosoitus Kuvassa Paula on Lappeenrannan kunniatohtoripromootiossa (kuva: LUT)

Tutkimustyön ja hallinnoinnin lisäksi Paula ohjannut lukuisia tohtorikoulutettavia sekä graduntekijöitä sekä Suomessa että Ruotsissa. Ohjattavat ovat oppineet tuntemaan Paulan luotettavana johtajana, joka huolehtii alaistensa hyvinvoinnista ja puolustaa heidän etuaan. Paulalla onkin tarvittaessa sekä aikaa että kärsivällisyyttä opiskelijan murheiden selvittelyyn, esimerkiksi kun valmistuminen uhkaa viivästyä yliopistobyrokratian hammasrattaiden väliin jumiutuneiden papereiden takia. Opiskelijat kääntyvät Paulan puoleen myös kun apurahahakemusta tarvitsee hioa ja suositella.

Onko tieteentekemisessä merkittäviä eroja Suomen ja Ruotsin välillä? Entäpä Euroopan sisällä?

Tieteentekeminen sinänsä on samanlaista, mutta työympäristöissä on eroja. Ruotsissa keskustellaan ja puidaan asioita enemmän, ja siellä jaetaan vastuuta meitä rohkeammin. Sekä Suomelle että Ruotsille on tyypillistä, että jo opiskelijat työskentelevät suhteellisen itsenäisesti, kun taas muualla ryhmien johtajat linjaavat melko tarkkaan tutkimusaiheet ja ryhmän jäsenten roolit.

Minkälaisia neuvoja antaisit nuorelle tutkijalle?

Tutkija tarvitsee mielikuvitusta, uteliaisuutta, monipuolista kiinnostusta tieteeseen, ja vankan tietotaitopohjan. Tee sitä mikä itseäsi kiinnostaa, ole ahkera, kysy neuvoja, äläkä pelkää sanoa kyllä uusille haasteille.

On ilmeisen selvää, että Eerola on vaikuttanut suomalaisten osallistumiseen kansainväliseen tieteellliseen toimintaan merkittävästi. Hänellä on laaja näkökulma akateemisen maailman toimintatapoihin, oli sitten kyse tutkimuksesta tai hallinnollisista asioista. Paula onkin monelle nuorelle tutkijalle esikuva.

Vielä lopuksi, mikä on ollut urasi merkittävin saavutus?

Paula: Se on vielä toivottavasti edessäpäin! Olen ylpeä siitä, että toin aikoinaan liian vaikeana pidetyn B-fysiikan tutkimuksen LHC:n yleiskokeisiin. Tällä oli myös vaikutusta laitteistojen kehittämiseen: tarkat jälki- ja verteksidetektorit ymmärrettiin tärkeiksi, ja näillä on ollutkin aivan keskeinen rooli monissa muissakin tutkimusaiheissa Higgsin hiukkasta myöten.

 

Eugenie Lisitzin – kansainvälinen tiedenainen ja merentutkija

Teksti: Emilia Kilpua 

Etsin alkuvuodesta Fyysikkoseuran blogiin historiallisesti merkittäviä suomalaisia naisfyysikoita ja Eva Isaksson vinkkasi minulle Eugenie Lisitzinin. Eugenie taitaa olla fyysikkopiireissä vähemmän tunnettu henkilö ja hänestä löytyy verrattain vähän tietoa. Hän oli kuitenkin loistava tutkija, älykäs persoona ja monessa suhteessa aikansa edelläkävijä. Eugenien tarina ansaitsee siis tulla paremmin julkisuuteen ja on hienoa, että saan nyt esitellä hänet blogissa.

Fyysikko ja merentutkija

Eugenie Lisitzin (1908-1989) elämässä kietoutui kiehtovalla tavalla yhteen poikkeuksellinen lahjakkuus tutkijana, kansainvälisyys, sekä rakkaus kulttuuriin, historiaan ja taiteeseen.  Hän oli todellinen kosmopoliitti ja puhui sujuvasti yhdeksää kieltä. Varsinaisen tieteellisen uransa Eugenie teki merentutkimuksen parissa. Koulutukseltaan hän oli kuitenkin fyysikko ja fysiikka oli vahvasti mukana hänen tutkimuksessaan ja työssään.

Lisitzin alkujaan puolalainen suku oli asunut jo pitkään Suomessa, mutta isänsä opintomatkan vuoksi Eugenie syntyi Dresdenissä Saksassa.  Ylioppilaaksi Eugenie valmistui Viipurin ruotsinkielisestä tyttökoulusta. Hän opiskeli Helsingin yliopistossa fysiikkaa pääaineenaan ja suoritti laudaturtason opintoja myös useilta muilta aloilta. Vuonna 1938 Eugenie väitteli fysiikan tohtoriksi ensimmäisenä naisena Suomessa.

Merentutkimuslaitoksen palveluksessa Eugenie työskenteli lähes 40 vuotta, ensin assistenttina ja myöhemmin talassologina ja vedenkorkeusosaston osastopäällikkönä. Professoriksi hänet nimettiin vuonna 1965. Merentutkimuslaitoksen monivaiheisesta historiasta aina sen perustamisesta ensimmäisen maailmansodan jälkeen kuusikymmentäluvun loppuun voi lukea Eugenien kirjoittamasta kattavasta historiikista.

Työtoverit muistavat Eugenien hyvin energisenä ja innostuneena tutkijana, joka oli äärimmäisen tarkka.  Eugenien  työ keskittyi  vedenkorkeuden vaihteluihin ja vuorovesien liikkeisiin Itämeressä ja myös muissa merissä ja valtamerissä. Hän oli alallaan kansainvälisesti erittäin arvostettu ja tunnettu tutkija. Uransa aikana Eugenie tuotti yli sata tieteellistä julkaisua, joiden tuloksia siteerataan edelleen. Hän kirjoitti myös oppikirjan Sea Level Changes (1974). Teosta on käytetty, ja käytetään edelleen, lukuisissa yliopistoissa ympäri maailmaa merentutkimuksen opinnoissa.

Maailmankansalainen

Matkustelu oli Eugenielle elämäntapa ja hänen aktiivinen osallistuminen geofysiikan ja oseanografian kokouksiin vei suomalaista merentutkimusta maailmankartalle.  Hän osallistui myös lukuisiin retkikuntiin tutkimusalus Arandalla, jonka ensimmäinen retki Suomen merentutkimuksen palveluksessa tehtiin kesällä 1954.  Eugenie keräsi uransa aikana erittäin kattavan mittausaineiston ja hän johti myös myöhemmin useita Arandalla tehtyjä tieteellisiä tutkimuksia.

Eugenie Lisitzin merentutkimusalus Arandan kannella (keskellä pelastusrenkaan kohdalla) heinäkuussa 1960.

Eugenie tutustui aina syvällisesti vierailemiensa maiden kulttuuriin ja taiteeseen, jotka tieteen lisäksi pysyivät hänen intohimonaan läpi elämän. Hän myös luki paljon, aina kun vain löysi siihen aikaa.  Toistuvien matkojen myötä hänen lähipiirinsä pääsi nauttimaan suuren maailman tuulahduksista. Ylen radiokuunnelmassa ja dokumentissa hänen sisarentyttärensä Maria de Lisitzin muistelee kuinka ”Eugenie-täti” kirjoitti reissuiltaan kirjeitä ja toi jännittäviä tuliaisia. Myöhemmin Eugenie otti nuoren tytön mukaan matkoilleen mm. Italiaan ja Kreikkaan ja esiteli hänelle katedraalit, museot ja maalaukset. ”Hän tiesi kaiken niistä”, Maria kertoo, ”Olen kiitollinen kaikesta, minkä hän opetti minulle.”

Naistutkijoiden oikeuksien edistäjä

Näin naistenpäivänä haluan korostaa Eugenien roolia tasa-arvon edistäjänä. Hän työskenteli aikana, jolloin naisten oikeudet olivat alkaneet parantumaan, mutta tiedepiireissä omaa tutkimusta tekevä nainen oli vielä harvinainen ilmiö. Naisia ei myöskään saanut 1960-luvulle saakka nimittää Merentutkimuslaitoksen virkoihin, kemiallista osastoa lukuun ottamatta.  Eugenie joutuikin anomaan erikoisluvan saadakseen sekä assistentin että talassologin virat.  Ensimmäisenä suomalaisena väitelleen naisfyysikon rajapyykin lisäksi Eugenie hyväksyttiin myös ensimmäisenä naisena Suomen Tiedeseuran matemaattis-fysikaaliseen osastoon.  Läpi uransa Eugenie puolusti aktiivisesti naistutkijoiden asemaa ja ennen kaikkea osoitti esimerkillään, että merkittävää ei ole sukupuoli vaan ammattitaito ja antaumus tehdä tiedettä.

Lähteet

Eva Isaksson: Tiedenaiset

Eugenie Lisitzin, Meri, Helsinki 1978

Yle Magnitudi dokumentti, Osa 3, Ohjaus: Henrietta Clayhills. Tuotanto: Långfilm Productions, 2012.

Yle Radio Suomi  kuunnelma, 24.5.2011

 

Anders Johan Lexell – ensimmäinen suomalainen maailmankuulu matemaatikko ja astronomi

Teksti: Johan Stén

Turusta maailmalle

Matematiikkaa, fysiikkaa ja astronomiaa oli Turun Kuninkaallisessa Akatemiassa opetettu sen perustamisesta 1640 lähtien. Valistuksen ja hyödyn aikakaudella 1700-luvulla uudet tuulet alkoivat puhaltaa myös Auran rannoilla: matemaattinen fysiikka ja kokeellinen luonnontiede teki tuloaan. Anders Johan Lexell oli ensimmäinen Turun Akatemiasta lähtenyt kansainvälisesti tunnettu matemaatikko ja astronomi.

Lexell syntyi kultasepän perheeseen jouluaattona 1740 vanhan kalenterin mukaan, eli 4 tammikuuta 1741 nykykalenterin mukaan. Perheen koti sijaitsi aivan tuomiokirkon ja Akatemian tuntumassa. Anders Johanin koulunkäynti sujui mallikkaasti: korkeatasoinen harjoitteluväitöskirja optiikasta ilmestyi 1759 ja pro gradu vuotta myöhemmin, hänen ollessaan vasta yhdeksäntoistavuotias. Hänen opettajiaan olivat matematiikan professori Martin Johan Wallenius ja fysiikan professori Jakob Gadolin, molemmat ansiokkaita tutkijoita. Wallenius toi differentiaali- ja integraalilaskun opetukseen Turussa, ja Gadolin harrasti erityisesti astronomiaa ja geodesiaa. Lexellin lähipiiriin kuuluivat Gadolinin seuraajaksi valittu Anders Planman, joka tunnettiin taitavana astronomina ja fyysikkona, kuten myös luokkatoveri H. G. Porthan.

Nuori Lexell jatkoi matemaattista harrastustaan kotiopettajana Turussa ja laati samalla tutkielman tasokäyrien differentiaaligeometriasta. Talvella 1763 hän matkusti Upsalan yliopistoon ja esitteli tutkielmansa väitöskirjana, mikä herätti ansaittua huomiota. Lexell oli väitöstilaisuuden preeses. Vaikkei hän onnistunutkaan saamaan havittelemaansa työpaikkaa Upsalasta, hän käytti lyhyen oleskelunsa Ruotsissa hyväkseen solmimalla tärkeitä ystävyyssuhteita sikäläisiin tutkijoihin. Pian Turkuun palattuaan hänet nimitettiin matematiikan dosentiksi ja kaksi vuotta myöhemmin lehtoriksi, mikä oli tuolloin palkaton virka. Lisäksi hän haki, muttei saanut, matematiikan professorin virkaa Karlskronan laivastotukikohdan kadettikoulusta.

Vuoden 1766 suureksi uutiseksi tiedemaailmassa nousi kuuluisan Leonhard Eulerin muutto Berliinistä Pietariin. Uutinen herätti myös nuoren Lexellin uteliaisuuden. Hän päätti koettaa omia siipiään lähettämällä välikäsien kautta Pietarin Keisarilliseen Tiedeakatemiaan kirjeen, jossa hän ilmaisi työhalukkuutensa. Ranskankieliseen hakemuskirjeeseensä hän liitti latinankielisen tutkielman keksimästään menetelmästä ratkaista moniasteisia differentiaaliyhtälöitä. Käsikirjoitus teki halutun vaikutuksen itseensä Euleriin, jonka vaatimuksesta Lexell sai kutsun Pietariin. Lexellin hakemus tuli sopivaan aikaan, sillä kuten nähdään, Pietarissa hänen palveluksiaan tarvittiin kipeästi. Lexellin saatua Kuninkaallisen Majesteetin matkustusluvan sekä vakuutuksen siitä, että hänet huomioitaisiin ansioidensa mukaisesti mahdollisissa tulevissa virkanimityksissä kotimaassaan, hän siirtyi loppuvuodesta 1768 Venäjälle.

Sofia Saaren veistämä Lexell-reliefi Turun yliopistossa paljastettiin tammikuussa 2016 (sijainti Quantum-rakennuksessa). Silhuetin taustalla oleva diagrammi kuvaa Lexellin teoreemaa.
(valokuva: Johan Stén)

Pietarin tiedeakatemiassa

Vuonna 1725 perustettu Pietarin Keisarillinen Tiedeakatemia oli kansainvälisessä vertailussa aikansa tärkeimpiä tiedekeskuksia. Lupaavasta alustaan huolimatta Tiedeakatemia oli välillä taantunut, mutta tieteen ja valistuksen ystävänä tunnettu keisarinna Katariina II antoi sille uuden sysäyksen. Pietarin akateemikot olivat pääosin keskieurooppalaisista perua ja heidän työkielenä oli latinan lisäksi saksa ja ranska. Tiedeakatemian apulaiset eli adjunktit olivat kuitenkin suurelta osin venäläisiä. Myös Lexell nimitettiin aluksi Tiedeakatemian astronomian apulaiseksi 1769. Hän asettui asumaan aivan Tiedeakatemian tuntumaan, Vasilinsaaren neulankärjessä (Strelka) sijanneeseen asuinrakennukseen, jota ei enää ole.

Lukuisat Leonhard Eulerin organisoimat projektit nostivat Pietarin Tiedeakatemian 1770-luvulla tieteen valokeilaan. Tästä valosta sai myös Lexell nauttia, vaikka hän toisinaan jäi mestarinsa varjoon. Aluksi Lexell osallistui Venuksen ylikulun havaitsemiseen 1769 ja siitä tehtyjen havaintojen käsittelyyn. Luotettavana laskijana Lexell sai vastuun auringon parallaksin määrittämisestä Eulerin suunnittelemalla geometris-tilastollisella menetelmällä, vertaamalla eri puolilla maapalloa tehtyjä havaintoja toisiinsa. Tulos auringon keskiparallaksille oli hämmästyttävän tarkka: 8,80 kaarisekuntia. Samana vuonna 1769 näkynyt komeetta kiinnitti myös astronomien huomion, ja kolmesta havainnosta Euler ja Lexell laskivat komeetan radan ja periodin. Tämän lisäksi Lexell osallistui Eulerin kuun liikettä koskevan teorian numeeristen laskujen suorittamiseen ja valmisteli omia pääasiassa matemaattisia tutkielmiaan. Monet Lexellin tehtävistä liittyivät epäsuorasti paikanmäärityksen, erityisesti pituuspiirin määrittämisen ongelmaan. Vuonna 1771 hänet kiinnitettiin Akatemian varsinaiseksi jäseneksi ja astronomian professoriksi.

Vuonna 1770 taivaalla loistanut komeetta työllisti Lexelliä melkein koko seuraavan vuosikymmenen. Komeetta tunnettaan Lexellin komeettana, ei siksi että hän olisi sen löytänyt, vaan siksi että hän selitti sen merkillisen liikkeen. Komeetan periodiksi todettiin 5,6 vuotta, ja se ilmestyi taivaalle vain kaksi kertaa. Lexell selitti mistä tämä johtui. Aluksi komeetta oli vuorovaikutuksessa Jupiterin kanssa muuttanut rataansa ja joutunut lyhyelle radalleen. Kaksi kertaa auringon ympäri kierrettyään, komeetta päätyisi jälleen Jupiterin välittömään läheisyyteen ja muuttaisi rataansa. Lexellin ennustus piti paikkansa, eikä komeettaa ole varmuudella enää tavattu. Lexell ymmärsi ongelman alkuarvoherkkyyden ja havaintotarkkuuden riittämättömyyden. Häntä tuskin voi pitää kaaosteorian perustajana, mutta ilmiön varhaisena oivaltajana kylläkin.

Differentiaali ja integraalilaskun sekä taivaanmekaniikan ohessa Lexell tutki pallogeometriaa ja polygonometriaa, joissa hän oli edelläkävijä. Lexellin teoreema (1778) liittyy pallon pinnalle piirretyn isoympyröiden segmenteistä rakentuvan kolmion pinta-alaan. Eulerin sokeuduttua täydellisesti 1771 Lexell sai myös hoitaakseen osan mestarinsa kirjeenvaihtoa kuuluisten matemaatikoiden kanssa. Hänen maineensa kasvoi ja hänet kutsuttiin useiden tiedeseurojen jäseneksi.

Myös kotimaassa Ruotsissa oltiin herätty Lexellin nousevaan maineeseen. Itse arkkiatri Carl von Linné oli järjestämässä Lexelliä professoriksi Upsalaan. Lopulta Kustaa III nimitti hänet 1775 Turun Akatemian matematiikan professoriksi. Lexell oli kuitenkin kaiken työn keskellä haluton ottamaan virkaa vastaan ja sai luvan jäädä virkavapaalle Pietariin viemään keskeneräiset työnsä loppuun. Virkavapautta jatkettiin aina vuoteen 1780, jolloin Lexell teki dramaattisen päätöksen ja erosi professuuristaan, olematta Turussa päivääkään virkaansa hoitamassa. Päätöstä ehkä hämmästeltiin, mutta kollegat Turussa olivat pääosin ymmärtäväisiä. Lexellin tiedot ja taidot olivat kansainvälisesti korkeaa tasoa eikä hän enää olisi viihtynyt Suomen pienessä ja varsin vaatimattomassa yliopistossa opettamassa matematiikan alkeita.

Suuri Euroopan kiertomatka

Vuonna 1780 Lexell toteutti haaveensa matkustaa Eurooppaan. Aluksi hän suunnitteli vain lomailevansa Span terveyskylpylässä ja irtisanoutui kokonaan Pietarin virastaan. Hän oli uupunut kaikesta työstä ja valitteli kirjeissään heikentynyttä terveyttään. Tiedeakatemian johtaja taivutteli hänet kuitenkin muuttamaan mielensä. Hän tarjosi rahoittavansa Lexellin matkan, mikäli se suuntautuisi aikansa merkittävimpiin tiedekeskuksiin. Matkansa aikana Lexellin oli määrä raportoida havaintojaan observatorioista, kasvitieteellisistä puutarhoista ja laboratorioista vastikkeeksi lupauksesta jäädä Pietarin Tiedeakatemian palvelukseen. Tähän Lexell ilomielin suostui. Puolitoista vuotta kestänyt matka vei Lexellin Berliiniin, Göttingeniin, Pariisiin, Lontooseen, Oxfordiin, Brysseliin, Hampuriin, Kööpenhaminaan, Tukholmaan, ja Turun kautta Pietariin, jonne hän palasi syksyllä 1781. Matka oli Lexellin elämän kohokohta, mistä hänen vilkas kirjeenvaihtonsa Pietarin ja Tukholman tiedeakatemioiden kanssa todistaa. Hän tapasi mm. Joseph Louis Lagrangen ja Johann III Bernoullin Berliinissä ja Jean d’Alembert’n ja Pierre Simon Laplacen Pariisissa. Häntä arvostettiin ei vain Eulerin läheisenä apulaisena vaan itsenäisenä tiedemiehenä.

Ollessaan kuninkaallisen astronomin Nevil Maskelynen vieraana Greenwichin observatoriossa Englannissa kesällä 1781 Lexell sai tiedon William Herschelin löytämästä uudesta taivaankappaleesta, jota vielä tuolloin arveltiin komeetaksi. Lexell poimi esiin laskentavälineensä ja määritti kolmesta havainnosta, että taivaankappale liikkuu jokseenkin ympyrärataa pitkin. Sen taivaalla piirtämä kaari oli vielä niin lyhyt, ettei laskelmaan kannattanut luottaa, mutta jo vuoden kuluttua Lexell alkoi olla varma siitä, että taivaankappale oli kaukana avaruudessa oleva jättiläisplaneetta. Kun vanhoista tähtikartoista vielä saatiin viitteitä planeetan aiemmista sijainneista, vahvistui uuden planeetan, Uranuksen löytyminen.

Viimeiset vuodet Pietarissa

Pietariin palattuaan sopimuksen mukaisesti loppusyksyllä 1781, Lexell jatkoi työtään vielä kolme vuotta, joihin sisältyi paljon dramatiikkaa. Tiedeakatemia oli välillä lamaannuksissa itsevaltaisen johtajan ajauduttua törmäyskurssille akateemikoiden kanssa. Lopulta 1783 akatemian johtaja vaihtui keisarinnan ukaasilla. Tiedeakatemian johtajaksi nimitettiin ensimmäistä kertaa nainen, prinsessa Dashkova. Syksyllä 1783 Euler kuoli halvauskohtaukseen Lexellin läsnä ollessa, jonka jälkeen Lexell nimitettiin yksimielisesti Eulerin seuraajaksi korkeamman matematiikan professoriksi. Myös Lexellin kollega ja kirjeenvaihtaja Tukholmassa, Pehr Wargentin, kuoli muutamaa kuukautta myöhemmin. Lexellin ääni vaikenee, hän osallistuu vielä Tiedeakatemian toimintaan vajaan vuoden ajan ennen sairastumistaan. Häneltä leikattiin kasvain, mutta leikkauksen jälkiseurauksena hänelle nousi kuume ja hän menehtyi 11. joulukuuta 1784. Kuolinsyy oli ilmeisesti infektio. Lexell kuului Pietarin ruotsalaiseen seurakuntaan, jonka jäsenet haudattiin Smolenskin luterilaiselle hautausmaalle Vasilinsaarella. Haudan tarkkaa sijaintia ei tiedetä.

Anders Johan Lexell oli harvinainen tähdenlento valistuksen ajan tieteen taivaalla. 43 vuotta kestäneen elämänsä aikana hän tuli kuuluksi yli sadalla merkittävällä julkaisullaan. Hänen runsas kirjeenvaihtonsa sisältää myös paljon julkaisematonta materiaalia astronomiasta, matematiikasta ja fysiikasta. Kirjeenvaihto julkaistaan allekirjoittaneen toimesta lähiaikoina. Luonnonilmiöistä häntä kiinnosti valon dispersion lisäksi erityisesti termodynamiikka, jonka matemaattista teoriaa hän hahmotteli kirjeissään. Merkittävää osaa hänen kirjeenvaihdosta säilytetään tieteellisissä arkistoissa ja kirjastoissa Baselissa, Helsingissä, Lontoossa, Pietarissa ja Tukholmassa.

Kirjallisuus

Johan Stén: A comet of the Enlightenment. Anders Johan Lexell’s life and discoveries. Birkhäuser / Springer, 2014.

Tapio Markkanen: Suomen tähtitieteen historia. URSA, 2015.

 

Emeritusprofessori Juha Äystö, pesulan kellarista kansainvälisiin kiihdytinlaboratorioihin

teksti: Anu Kankainen

Emeritusprofessori Juha Äystön mittavaan, kansainväliseen uraan mahtuu monenlaista tutkimusta. Maailmalla hänet tunnetaan kiihdytinpohjaisen ydinfysiikan asiantuntijana ja erityisesti ioniohjaintekniikan kehittäjänä ja soveltajana ydinfysiikan tutkimukseen, josta hän sai arvostetun Euroopan Fyysikkoseura EPS:n Lise Meitner -palkinnon vuonna 2010. Juha on toiminut myös ISOLDE-laboratorion johtajana CERNissä 1999-2002 ja Fysiikan tutkimuslaitoksen johtajana 2012-2015, sekä ollut CERNin Scientific Policy Committeen jäsen 2008-2013. Hän on myös yksi Fyysikkoseuran fellow-jäsenistä. Juha on merkittävästi vaikuttanut Jyväskylän yliopiston kiihdytinlaboratorion kehittymiseen nykyiseksi kansainvälisen mittaluokan kiihdytinlaboratorioksi. Kiihdytinlaboratorio sai EU-tiederahoitusta jo vuodesta 1993 lähtien, ja lopulta EU:n Large Scale Facility statuksen ensimmäisenä Suomessa vuonna 1997. Akatemian huippuyksiköksi se valittiin ensimmäistä kertaa vuonna 2000.

Uran alku: Nisulankadun pesulan kellarin MC20 syklotroni

Juha aloitti fysiikan perusopinnot kotikaupungissaan Jyväskylässä heti valmistuttuaan ylioppilaaksi Jyväskylän lyseosta vuonna 1967. Opinnot etenivät nopeasti. Vuonna 1970 Juha suoritti LuK-tutkinnon ja liittyi professori Kalevi Vallin uuteen isotooppiseparaattorilla tutkimusta tekevään ryhmään. Vuotta aiemmin Jyväskylän yliopiston fysiikan laitos oli saanut omat tilat Nisulankadulta paikasta, jossa oli aiemmin toiminut leipomo ja pesula. Tänne pesulan kellariin hankittiin Jyväskylän ensimmäinen syklotroni, MC20, jolla oli ratkaiseva merkitys Juhan uralle. Myös fysiikan laitoksen innostava ilmapiiri, jonka luojina 1970 luvulla olivat mm. professorit Juhani Kantele, Pertti Lipas, Kalevi Valli, Kari Eskola, Eero Byckling, Pekka Pyykkö, Vesa Ruuskanen, oli hieno kasvuympäristö nuorelle fyysikon alulle.

MC20 syklotronin käyttöönottoon liittyi aluksi monenlaisia haasteita. Se tilattiin Scanditronixilta Ruotsista, mutta ennen toimitusta tehdyissä testeissä Uppsalassa se ei toiminut ollenkaan odotetulla tavalla. Syklotroni päätettiin kuitenkin ottaa vastaan, ja se saapui Jyväskylään joulukuussa 1973. MC20 piti saada toimintakuntoon omin voimin, ja siinä vetovastuun otti laboratorioinsinööri Esko Liukkonen, mutta silloiset jatko-opiskelijat, nykyiset emeritusprofessorit, Juha Äystö ja Rauno Julin, osallistuivat siihen myös aktiivisesti, samoin monet muut. Kaikilla oli kova hinku saada uusi syklotroni toimimaan. Ja se onnistui! Keväällä 1974 syklotronista saatiin ulos jo ensimmäisiä testisuihkuja.

MC20:n kylkiäisenä saatiin myös magneettinen isotooppiseparaattori. Ajatuksena oli kytkeä se MC20:n syklotroniin ja tuottaa puhtaita radioaktiivisia ionisuihkuja ydinfysiikan tutkimusta varten. Lähtö- ja vertailukohtana pidettiin vuonna 1967 perustettua CERNin ISOLDE-laboratoriota. Väitöstyönään Juhan tehtävänä oli kehittää tämä menetelmä, ja mielellään tehdä siitä vielä parempi kuin ISOLDElla. Valittuun heliumhuuhtelumenetelmään Juha oli tutustunut jo ensimmäisellä ulkomaan tutkimusvierailullaan 1972 Berkeleyssä, jossa Ghiorson tutkimusryhmä oli ensimmäisenä käyttänyt tätä ”He-jet” –menetelmää. Ensimmäiset MC20-syklotronilla tuotetut neutronirikkaat isotoopit massaseparoitiin ”online” 1975 ja Juhan väitöskirja valmistuikin pian tämän jälkeen 1977. Vaikka menetelmä oli onnistunut, se ei ollut vielä parempi kuin ISOLDElla. Tarvittiin vielä jotain uutta, jotta siihen päästäisiin.

Kuva: Juha Äystö (vas.), Rauno Julin ja Esko Liukkonen asentamassa suihkuputkilinjaa vuonna 1974. (Kuva: Juha Äystön kokoelmat)

Syklotronin syntysijoilla Kaliforniassa 1978-79 ja 1984-85

Heti väitöksen jälkeen Juha lähti post doc –tutkijaksi Lawrence Berkeley laboratorioon Kaliforniaan vuosiksi 1978-79. Berkeley oli siihen aikaan ydinfysiikan ”mekka”, maailman ensimmäisen syklotronin kotipaikka, jossa työskenteli nobelisteja ja huippututkijoita eri puolilta maailmaa. Professori Joseph Cernyn tutkimusryhmässä käytettiin heliumhuuhtelumenetelmää ilman separaattoria lähinnä keveiden protonirikkaiden ytimien tutkimukseen. Juha oli mm. mukana mittauksissa, joissa pystyttiin tuottamaan ja tutkimaan eksoottisia 20Mg, 24Si ja 35Ca isotooppeja ensimmäistä kertaa maailmassa. Kalifornian vuodet olivat erityisen merkityksellisiä Juhalle. Ulkomailla olo avasi silmät uudella tavalla ja synnytti verkostoja, jotka ovat kestäneet näihin päiviin asti. Juha vieraili Berkeleyssä vielä toisen kerran, ”staff scientist” –tutkijana vuosina 1984-85, jolloin tutkimus keskittyi mm. uuteen radioaktiivisen hajoamisen muotoon, beetaviivästettyyn kahden protonin emissioon.

Paluu Jyväskylään ja IGISOL-menetelmän synty

Nisulan kellarin laboratoriossa tutkimus- ja kehitystyö oli intensiivistä 1970- ja 80-luvuilla. Ymmärrettiin, että oli keksittävä jotain uutta, jolla voitaisiin haastaa esimerkiksi ISOLDE, joka pystyi tuottamaan radioaktiivisia ionisuihkuja lähinnä jalokaasuista ja alkalimetalleista. Tarvittiin siis menetelmä, joka olisi riippumaton ionien kemiallisista ominaisuuksista ja joka olisi tehokkaampi kuin aiemmin testattu heliumhuuhtelumenetelmä. Tämä antaisi etulyöntiaseman maailman muihin kiihdytinlaboratorioihin nähden. Kehitys- ja testaustyössä auttoi se, että syklotronin käyttö oli melko joustavaa siihen aikaan. Käytöstä sovittiin keskenään eikä syklotronilla ollut erillisiä operaattoreita. Tämä oli joustavaa, mutta vaati myös paljon työtä. Tutkijat olivat vastuussa omien mittaustensa aikana myös ionilähteen ja syklotronin ajamisesta sekä niissä ilmenneistä ongelmista.

Ensimmäisen Berkeleyn visiitin jälkeen 1980-luvun alussa Juha kehitti Kalevi Vallin ja Juha Ärjeen kanssa määrätietoisesti ionien on-line separointia uudenlaisella ioniohjainmenetelmällä. Alkuvaiheessa panostettiin hillittömästi kehitystyöhön, sillä ei ollut oikeastaan mitään hävittävää. Tämä tuottikin tulosta. Ensimmäiset uudenlaiseen ioni-ohjaimeen liittyvät paperit julkaistiin 1980-luvun alussa. Konferensseissa ihmeteltiin, voivatko jyväskyläläisten tulokset olla totta, niin ihmeelliseltä tämä uusi menetelmä vaikutti. Vuonna 1984 Physics Letters B:ssä julkaistiin ensimmäinen fysiikkapaperi, jossa tätä uutta IGISOL (Ion Guide Isotope Separator On-Line) – menetelmää käytettiin 51Fe ja 55Ni –isotooppien tuottamiseen. Nämä isotoopit ovat lyhytikäisiä ja vaikeita ionisoida perinteisillä ISOL-laitteistoilla käytettävillä ionilähteillä. Työ osoitti IGISOL-menetelmän vahvuuden.

Ensimmäisten mittausten jälkeen ioniohjainta kehitettiin soveltuvaksi fissiossa tuotettujen neutronirikkaiden ytimien tutkimukseen. IGISOL-laitteisto osoittautui erittäin kilpailukykyiseksi – sillä pystyttiin tuottamaan ja tutkimaan ensimmäistä kertaa maailmassa lähes 20 uutta ydinfissiossa syntynyttä isotooppia. Tulokset aiheuttivat kiinnostusta maailmalla ja Jyväskylä kansainvälistyi. Yhteistyöprojekteja syntyi paljon mm. japanilaisten, puolalaisten, ranskalaisten ja saksalaisten kollegoiden kanssa. IGISOL-menetelmä alkoi kiinnostaa laajemminkin. Tänä päivänä vastavanlaiseen periaatteeseen perustuvia ioniohjaimia tai sieppareita on käytössä kiihdytinlaboratorioissa eri puolilla maailmaa. Juha sai työstään arvostetun Euroopan Fyysikkoseuran Lise Meitner –palkinnon vuonna 2010.

Uusi raskasionisyklotroni ja kiihdytinlaboratorio Ylistönrinteelle 1992

Juha toteaa, että ”Tutkimuslaitteilla on kokeellisessa tutkimuksessa iso merkitys. Täytyy pystyä innovoimaan ja kehittämään uusia menetelmiä.” Tämä on ollut perusta myös Jyväskylän yliopiston kiihdytinlaboratorion kehittymiselle kansainväliseksi kiihdytinlaboratorioksi. 1980-luvun alussa laitoksella suunniteltiin jopa 800 MeV:n suprajohtavaa syklotronia, mutta esitys torpattiin Valtion tiedeneuvostossa. Kuitenkin hankkeen saaman positiivisen tieteellisen arvion kannustamina tehtiin uusi, halvempi esitys normaalista MC106 syklotronin hankkimisesta vuonna 1986. Tähän hankkeeseen saatiin myös valtion tuki Jyväskylän yliopiston silloisen rehtorin Martti Takalan suurella myötävaikutuksella. Kilpailutuksen kautta syklotroniksi tuli lopulta K130 Scanditronixilta.

Uuden syklotronin ajoitus oli erinomainen, sillä 1980-luvulla oli kehitetty uusi ECR-ionilähdetekniikka. Juha oli tutustunut ECR-ionilähteisiin jo Berkeleyn vuosinaan, ja ymmärsi, että yhdistämällä ECR-tekniikan ja uuden syklotronin, Jyväskylä saisi hyvän sauman tehdä kansainvälisesti uraauurtavaa ydinfysiikan tutkimusta. Ensimmäinen ECR-ionilähde rakennettiin yhteistyössä Uppsalan kanssa.

K130-syklotronilla tuotettiin ensimmäiset suihkut Jyväskylässä tammikuussa 1992. Fysiikan laitos oli vielä tuohon aikaan Nisulankadulla, mutta kohtiohallia jo rakennettiin Ylistönrinteelle. Uusi IGISOL-laitteisto oli ensimmäinen koeasema, koska se oli lähimpänä syklotronia. Siellä IGISOL olikin vuoteen 2010 asti. Tuona aikana tutkimus laajentui ja kehittyi monella tavalla koko tutkimusryhmän sekä monien uusien, nuorten tutkijoiden voimin. Alettiin tuottaa ytimiä raskasionifuusioreaktioilla fission ja kevytionireaktioiden lisäksi. Laserspektroskopiaa isotooppien hienorakenteen ja ytimien varaussäteiden tutkimiseksi alettiin tehdä yhteistyössä Manchesterin ja Birminghamin yliopistojen kanssa. Menetelmä otti merkittävän askeleen Jyväskylässä, jossa käyttöönotetun RFQ-laitteen avulla ionit voitiin kimputtaa ja viilentää, mikä paransi laserspektroskopian herkkyyttä noin kymmentuhatkertaisesti. Sama menetelmä otettiin ISOLDE-laitteistolla käyttöön lähes 10 vuotta myöhemmin.

Yksi keskeisistä kehityssuunnista IGISOL-laitteistolla oli JYFLTRAP Penningin loukun yhdistäminen suihkulinjaan. Penningin loukulla pystytään määrittämään lyhytikäistenkin ytimien sidosenergioita mittaamalla niiden atomimassoja erittäin tarkasti (~10 ppb). Sen tuomiseen Jyväskylään liittyi paljon kansainvälisiä kontakteja. Juha oli ISOLDElla CERNissä vuonna 1996, jolloin siellä rakennettiin ISOLTRAP -Penningin loukkua. Sillä oli tehty joitakin kokeita aktiivisuudella, joka oli kerätty kalvolle, mutta ei suoraan yhdistettynä suihkulinjaan. Merkittävä tuki RFQ:n ja Penningin loukun kehitys- ja innovaatiotyölle tuli Juhan johtamasta EU:n rahoittamasta EXOTRAPS (1998-2001) yhteistyöprojektista, jossa oli Jyväskylän lisäksi mukana mm. ISOLDE, GSI, GANIL ja Mainz. Jyväskylän Penningin loukkua suunniteltiin yhteistyössä saksalaisen GSI-laboratorion kanssa. Laitteen vaatimat 7 Teslan suprajohtavat magneetitkin tilattiin yhdessä. JYFLTRAP osoittautui menestykseksi. Tähän päivään mennessä sillä on mitattu jo yli 300 isotoopin atomimassat. Koko IGISOL-laitteisto siirtyi vuoden 2010 jälkeen kiihdytinlaboratorion laajennettuun osaan. IGISOLin 30-vuotinen taival julkaistiin The IGISOL Portrait –teoksena Springerillä vuonna 2012. Tutkimustyö jatkuu edelleen vilkkaana ja kansainvälisenä. Yksi sen tärkeimmistä tavoitteista on tuottaa uutta tietoa ytimien ominaisuuksista mahdollisimman kaukana stabiilien isotooppien ”laaksosta”. Tutkimukseen liittyy läheisesti myös alkuaineiden syntymekanismien ymmärtäminen maailmakaikkeudessa. Tämä on vielä osittain ratkaisematon kysymys, jota ydinastrofysiikka tutkii ydinfysiikan ja astrofysiikan menetelmin.

CERN, Fysiikan tutkimuslaitos HIP ja FAIR

 Juhalla on ollut useita merkittäviä kansainvälisiä rooleja tiedeyhteisössä. Hän oli puheenjohtajana Euroopan ydinfysiikan ja kiihdytinlaboratorioiden yhteistyöelimessä NuPECCissa 1999- 2002. Vuosina 1999-2002 hän toimi ISOLDE-laboratorion johtajana CERNissä. Siellä työskentely oli toisaalta haastavaa mutta mielenkiintoista, koska se tarjosi linkit sekä ydinfysiikan että alkeishiukkasfysiikan yhteisöihin. Heti Suomeen palaamisen jälkeen Juhaa pyydettiin CERNin INTC:n (ISOLDE and Neutron Time-of-Flight Experiments Committee) puheenjohtajaksi, jonka ominaisuudessa hän pääsi osallistumaan myös CERNin Scientific Policy Committeen (SPC) kokouksiin. SPC:n tehtävänä on arvioida tieteellistä toimintaa ja avustaa CERNin johtoa ja neuvostoa. Myöhemmin Juha kutsuttiin sen varsinaiseksi jäseneksi vuosiksi 2008-2013. Tämä oli merkittävä tehtävä monessakin mielessä. SPC:ssä sai ensikäden tietoa asioista ja pystyi vaikuttamaan oman tutkimusalansa asioihin. Samaan aikaan CERNissä tapahtui LHC:n rakentaminen ja esimerkiksi Higgsin hiukkasen löytäminen kesällä 2012. Noin 12-jäsenisen SPC:n tasosta kertoo jotain se, että Niels Bohr on ollut sen ensimmäinen jäsen, samoin kuin useampi Nobel-palkittu. Juha on tähän mennessä ollut ainoa suomalainen jäsen SPC:ssä.

Juhalla on ollut myös merkittävä rooli Fysiikan tutkimuslaitoksella (Helsinki Institute of Physics, HIP) ja sen johtajana 2012-2015. HIP perustettiin 1996, jolloin Juha oli CERNissa vierailevana tutkijana ISOLDElla. Hänet kutsuttiin HIP:in johtokuntaan edustamaan opetusministeriötä ja muuta Suomea. Samoihin aikoihin Suomi liittyi Juhan myötävaikutuksella ISOLDEn ja LHC:n ALICE raskasionikokeen jäseneksi, minkä yhteydessä HIPin rooli tuli tärkeäksi. Jyväskylän yliopisto liittyikin Helsingin yliopiston ja Teknillisen Korkeakoulun jälkeen kolmantena jäsenyliopistona HIPin toimintaan. Kun Juha palasi CERNistä Jyväskylään 2003, perustettiin HIP:in ydinaineen ohjelma, jonka johdossa hän toimi vuoteen 2012 asti.

HIP koordinoi CERNin lisäksi myös FAIR-laboratorioon suuntautuvia tutkimushankkeita Suomessa. Juha on vaikuttanut merkittävästi Suomen liittymiseen FAIRiin ja sen saamiseksi HIPin sateenvarjon alle. Juhan ollessa NuPECC:in puheenjohtajana valmisteltiin Euroopan ydinfysiikan tiekarttaa nimeltä Long Range Plan 2004. Tuohon liittyen tehtiin myös raportteja radioaktiivisten ionisuihkujen tuottamisesta, jotka johtivat lopulta melko tiukkoihin keskusteluihin GSI:llä vuonna 2000. Mutta asia eteni. Suomessa myös Dan-Olof Riska innostui FAIR-projektista, ja lähti vahvasti ajamaan asiaa. Lopulta Suomi liittyi mukaan FAIR-projektiin yhtenä osakkaana Ruotsin kanssa konsortiona. Juha uskoo, että FAIRistä tullaan vielä hyötymään paljon, sillä se tarjoaa kokonaan uuden lähestymistavan kiihdyttimillä tehtävässä fysiikassa ja sen sovelluksissa.

Näyttääkö kaikki tällä hetkellä hyvältä? Mitä suomalaisessa tiedemaailmassa voitaisiin tehdä paremmin?

70-luvun lähtökohdista lähtien ei voi valittaa, todella paljon parempaan ollaan menty. Suomalaisen yliopistomaailman yhteen hiileen puhaltaminen vaatisi vielä aika paljon lisää työtä. Tarpeetonta kilpailua tai oman imagon nostamista muiden asioiden edelle tulisi vähentää. Maakunnissa tehty laadukas tutkimus pitäisi myös huomioida ja välttää turhaa pääkaupunkikeskeisyyttä. Profilointityö on tässä hyödyllistä. Olennaisinta tutkimuksen kannalta on, että on vahvaa kansainvälistä yhteistyötä tutkimuksen kannalta. Tutkimuksen hyödyntäminen on sitten enemmän kansallisesti sovellettavissa.

Toinen asia, johon Juha toivoisi muutosta, on tieteellisten hankkeiden arviointiprosessit. Suomessa ne ovat usein kuin musta laatikko, vuorovaikutusta ei ole. Esimerkiksi akatemiatutkijakandidaatteja ei haastatella, vaikka käytäntö on hyvin yleinen muualla maailmassa. Avoimuus ja vuorovaikutusperiaate ovat tärkeitä elementtejä rahoituspäätöksissä.

Haastattelun lopuksi Juha kysyy minulta, tiedänkö mikä oli ensimmäinen suomalainen tutkimusinstrumentti avaruudessa. Se oli vuoden 1995 lopussa laukaistun SOHO-satelliitin mukana oleva ERNE-hiukkasilmaisin. ERNE:n kehittämisestä olivat vastuussa turkulaiset fyysikot, mutta ilmaisimen säteilynkestävyyttä ja toimivuutta testattiin ensimmäisenä Jyväskylän vanhalla MC20 syklotronilla. Ja kestihän se, niin maassa kuin avaruudessa toimien aina vuoteen 2016 asti Esimerkiksi tällainen säteilynkeston testaus, jota kiihdytinlaboratoriossa tarjotaan nykyisin useille kansainvälisille firmoille, perustuu vahvasti perustutkimukseen ja sen tarjoamiin laitteisiin. Tämän lisäksi ydinfysiikan perustutkimuksella on myös paljon potentiaalia lääketieteellisissä sovelluksissa ja energia-alalla.

 

Kylmäfysiikan edelläkävijä – akateemikko Olli Lounasmaa

Teksti: Risto Nieminen

Teknillisen fysiikan professori, akateemikko Olli V. Lounasmaa oli suorapuheinen toiminnan mies. Hänen perustamastaan ja 30 vuoden ajan johtamastaan laboratoriosta kehittyi tutkimuksen huippuyksikkö sekä kylmäfysiikassa että aivotutkimuksessa1. Molemmat Lounasmaan aloittamat tutkimussuunnat ovat ennakkoluulottoman uudistumisen avulla pysyneet kansainvälisessä eturintamassa matalien lämpötilojen nanotieteessä, kvanttiteknologiassa ja neurotieteessä.

Olli Lounasmaa syntyi 1930 Turussa ja kirjoitti ylioppilaaksi Helsingin suomalaisesta normaalilyseosta 1949. Lounasmaa suoritti filosofian kandidaatin tutkinnon Helsingin yliopistossa 1953 pääaineenaan fysiikka. Hän teki väitöskirjatyönsä vv. 1955-56 Englannissa, Oxfordin yliopiston Clarendon Laboratoryssa, yhdessä kylmäfysiikan johtavista silloisista keskuksista maailmassa. Myöhempään urakehitykseen vaikutti vahvasti myös tuloksekas tutkijakausi 1960 – 1966 Argonne National Laboratoryssa Chicagon lähellä.

Olli Lounasmaa nimitettiin 1965 Teknillisen korkeakoulun (nykyisen Aalto-yliopiston) teknillisen fysiikan professoriksi. Samana vuonna hän perusti Otaniemeen Kylmälaboratorion, jota hän johti eläkkeelle siirtymiseensä saakka. Suomen Akatemian tutkijaprofessoriksi (nykyisin akatemiaprofessori) Lounasmaa nimitettiin 1970, uudelleen 1975 ja pysyvästi 1980. Hän jäi eläkkeelle vuonna 1995, mutta jatkoi aktiivista työtään vuonna 2002 tapahtuneeseen kuolemaansa asti.

Uransa alkuvaiheessa Olli Lounasmaa mittasi harvinaisten maametallien ja -yhdisteiden ydinmagnetismia ja tutki nestemäisen heliumin käyttäytymistä. Molemmat fysikaaliset systeemit mahdollistavat matalien, alle 1 kelvinin lämpötilojen saavuttamisen. Otaniemen Kylmälaboratoriossa on vuosien varrella rakennettu lukuisia jäähdytinjärjestelmiä, kryostaatteja. Niillä on tutkittu mm. ydinspinsysteemien ominaisuuksia, metallien suprajohtavuutta, 3He/4He-seosten termodynamiikkaa, nestemäisen heliumin suprajuoksevuutta sekä kiinteän ja nestemäisen heliumin rajapintoja. Jäähdytystekniikoiden kehittyessä on voitu siirtyä yhä matalampiin lämpötiloihin, jopa alle miljardisosa-asteen päähän absoluuttisesta nollalämpötilasta, ja siten uusien fysikaalisten ilmiöiden pariin. Otaniemessä on tutkimuksen sivutuotteena syntynyt useita kylmyyden maailmanennätyksiä. Työ on edellyttänyt uusien menetelmien kehittämistä ja määrätietoista tutkimuslaitteiden valmistusta. Otaniemessä rakennettiin mm. maailman ensimmäinen pyörivä kryostaatti vuonna 1981.

Kylmälaboratoriossa saavutettiin Lounasmaan johdolla useita käänteentekeviä tuloksia. Nestemäisen heliumin kevyen isotoopin (3He) uudet suprajuoksevat tilat löydettiin 1973-4, mikä avasi erityisen rikkaan tutkimusalueen topologisille kvantti-ilmiöille. Pian ensimmäisen pyörivän jäähdytinlaitteiston valmistuttua 3He:n suprajuoksevissa faaseissa havaittiin pyörteiden (vorteksien) kvantittuminen ja niiden rakenteiden monimuotoisuus. Kylmälaboratoriosta muodostui 3He-tutkimuksen johtava laboratorio maailmassa. Nesteheliumin topologisilla rakenteilla on mielenkiintoisia teoreettisia yhteyksiä mm. neutronitähtien ja varhaisen maailmankaikkeuden kosmologisten ilmiöiden kanssa.

Toinen menestyksellinen tutkimussuunta on ollut metallien ydinmagnetismi nano- ja pikokelvinalueella. Se käynnistyi atomiydinten järjestymistä hyödyntävien kryostaattien rakentamisella. Niiden avulla havaittiin kuparissa, hopeassa ja rodiumissa spontaanin ydinmagneettisen järjestymisen aiheuttamat suskeptibiliteetin ja ominaislämmön muutokset. Järjestymisilmiöiden tutkimus laajentui myös käsittämään neutronidiffraktiomittauksia Risön (Tanska) ja Berliinin (Saksa) tutkimusreaktoreilla.

Matalien lämpötilojen tutkimus ja monipuolinen laitekehittely on luonut mahdollisuuksia uusiin teknologisiin sovelluksiin, erityisesti suprajohtavuuden osalta. Josephson-ilmiöön perustuva SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) on ultraherkkä ulkoiselle magneettikentälle. Siihen perustuvien mittalaitteistojen avulla voidaan paikantaa ja mitata myös ihmisen aivotoiminnan synnyttämiä hyvin heikkoja magneettisia signaaleja pään ulkopuolella. SQUIDeihin perustuvalla teknologialla on kehitetty magnetoenkefalografia- (MEG-) –menetelmä ja instrumentti, jota käytetään laajalti neurofysiologisten ilmiöiden ja kognitiivisten prosessien tutkimiseen sekä kliiniseen tutkimukseen, kuten epileptisten keskusten paikantamiseen aivokuorella. Kylmälaboratorio oli varhainen aktiivinen toimija startup-yritysten synnyttäjänä.

Olli Lounasmaa oli vahva tiedepoliittinen vaikuttaja ja edelläkävijä, joka ilmaisi aina kiertelemättä mielipiteensä, ”Ollin teesit”. Hän oli ahkera tutkijankouluttaja ja tutkijakoulutuksen kehittäjä. Kylmälaboratoriosta valmistui hänen aikanaan yli 40 tohtoria. Lounasmaan asiantuntemusta, kokemusta ja näkemyksiä tutkijana ja tutkijankouluttajana käytettiin usein tutkimuksen ja koulutuksen järjestämistä koskevissa kysymyksissä, työryhmissä ja toimikunnissa. Hän vaikutti keskeisellä tavalla tieteen ja tutkimuksen uudistumiseen Suomen yliopistomaailmassa. Hänen muistelmansa ja elämäkertansa Täällä ei näperrellä!2 sisältää runsaasti mielenkiintoista anekdotaalista tietoa ja mukaansatempaavan kuvauksen tieteellisen uran vaiheista ja tapahtumista.

Olli Lounasmaa vieraili tutkijana ja opettajana eri puolilla maailmaa. Hän järjesti useita kansainvälisiä tieteellisiä kokouksia sekä toimi monissa tieteenalansa järjestöjen luottamustehtävissä. Akateemikon arvonimellä 1997 palkittu Lounasmaa sai lukuisia kotimaisia sekä ulkomaisia kunnianosoituksia3, joihin kuuluvat mm. National Academy of Sciencen (USA) jäsenyys ja kylmäfysiikan kansainvälinen Fritz London – palkinto. Hänen mukaansa on nimetty Aalto-yliopiston neljän vuoden välein jakama Olli V. Lounasmaa Memorial Award.

1. Korteksista vorteksiin: Olli Lounasmaa 60 vuotta. Arkhimedes 1990.
2. O. V. Lounasmaa: Täällä ei näperrellä!: kylmäfyysikon kuumat paikat. Suomen Tiedeseura (2008).
3. Markkanen, Tapio: Lounasmaa, Olli. Kansallisbiografia – Studia Biographica 4. Suomalaisen Kirjallisuuden Seura. ISSN 1799-4349 (verkkojulkaisu).

Elektronispektroskopian tutkija ja Suomen ensimmäinen fysiikan naisprofessori Helena Aksela

Teksti: Johanna Männistö ja Marko Huttula

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

Helena Aksela (kuva: Oulun yliopisto)

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

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

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

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

Akateemikko Pekka Jauho

Teksti: Risto Nieminen

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

Akateemikko Pekka Jauho

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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