Category: Yleinen

Teksti: Emilia Kilpua

“Aurinkotuulen protonit marssivat kuin preussilainen armeija” Kalevi Mursula kuvailee ja heiluttaa kädellään tahtia. Kalevi on professori Oulun yliopistolla ja hän tutkii avaruusilmastoa. Ala kattaa koko ketjun aina Auringon sisuksista Maan lähiavaruuteen ja ilmakehään asti. Painopiste on pitkän ajan vaihteluilla, vuosista vuosisatoihin. Aurinkotuuli on agentti, joka välittää muutokset Auringon magneettikentän rakenteessa ja aktiivisuudessa planeettainväliseen avaruuteen. Tämä varatuista hiukkasista koostuva jatkuva plasmavirta pakenee Auringosta ja pyyhkäisee planeettojen ohitse aina heliosfäärin reunamille asti.

Mies joka yhdisti avaruusilmastotutkijat

Avaruusilmastoon liittyvää tutkimusta on tehty jo vuosikymmeniä, mutta porukka oli pitkään hajallaan. “Vielä kaksikymmentä vuotta sitten ei ollut alaan liittyviä kokouksia tai edes omia sessioita isommissa kokouksia” Kalevi kertoo, “Yksi syy tähän on varmasti se, että ala on niin monitieteellinen”. Nyt avaruusilmastotutkijat kokoontuvat säännöllisesti Kalevin koordinoimaan kansainväliseen Space Climate kokoukseen. Ensimmäinen kokous järjestettiin vuonna 2004 Oulussa ja siihen osallistui yli sata tutkijaa. Seuraava kokous on vuonna 2019 Kanadan Quebecissä.  “On ollut mahtavaa nähdä miten ala on laajentunut tieteellisestä marginaalista valtavirraksi reilussa kymmenessä vuodessa” Kalevi summaa tyytyväisenä. Kalevi peräänkuuluttaa myös rohkeutta rahoittajille ja nuorille tutkijoille. Valtavirran ulkopuolella olevista ideoista ja pienen porukan jutuista voi syntyä tulevaisuuden suuria uusia aloja.

Mikä dynamoa hölskyttää?

Kalevi johtaa Suomen Akatemian huippuyksikköä nimeltä ReSoLVE  (Research on Solar Long-term Variability and Effects), joka koostuu viidestä tutkijatiimistä Oulun yliopistossa ja Aalto-yliopistossa. ReSoLVE tarkastelee pääasiassa muutaman sadan vuoden vaihteluita ja Auringon hiljaisille ajanjaksoille tyypillistä poloidaalista magneettikenttää. Kalevi muistuttaa, että Auringon vaikutukset Maan lähiavaruuteen ovat merkittäviä silloinkin, kun  isoja purkauksia ei tapahdu. Auringonpilkkuminimin aikaan Auringon rakennetta dominoi valtavat koronan aukot, joista nopea aurinkotuuli syöksyy heliosfääriin. ReSoLVE selvittää nopean aurinkotuulen aiheuttamia häiriöitä Maan magneettikentässä ja hiukkasympäristössä, sekä niiden vaikutuksia Maan ilmakehään ja ilmastoon. Mielenkiintoinen tulos on se, että aurinkotuulella on osoitettu olevan uusia, Auringon säteilyaktiivisuudesta riippumattomia ilmastovaikutuksia erityisesti pohjoisilla leveysasteilla.

Yhdeksi huippuyksikön pääkysymykseksi Kalevi mainitsee Auringon poikkeuksellisen suuren aktiivisuuden 1900-luvulla. Nyt tämä aktiivisuus on ohitse ja olemme palanneet sata vuotta sitten vallinneeseen rauhallisemman Auringon tilanteeseen.  ”Mikä Auringon dynamoa hölskyttää niin, että saadaan aikaan näin suuria vaihteluita?” kysyy Kalevi. Aktiivisuus Auringon eteläisellä ja pohjoisella puoliskolla ei kehity aina ihan samaan tahtiin. Erossa on kuitenkin löydetty systemaattista käytöstä, jota kuvaamaan Kalevi on lanseerannut termin ”bashful ballerina”. Ujon ballerinan hameen laskostuminen kuvaa Auringon ja heliosfäärin magneettikentän pohjois-eteläsuuntaista epäsymmetriaa. Auringon magneettikentän rakenteen pitkän ajan vaihtelut sekä niiden syiden ja vaikutusten ymmärtäminen on ReSoLVEn päätavoitteita.

Pitkien aikasarjojen haasteet

Avaruusilmaston tutkimuksessa käytettävät pitkät aikasarjat luovat merkittäviä haasteita.  Kalevi mainitsee erityisesti datan homogeenisuuden olevan tärkeää ja teettävän valtavasti työtä. Mittausmenetelmät muuttuvat usein vuosien saatossa, mutta dokumentointi on puutteellista. Yhtenä paraatiesimerkkinä pitkistä aikasarjoista on auringonpilkkuluku. Auringonpilkut kertovat Auringon yleisen aktiivisuuden tasosta ja tutkijat käyttävät niitä ahkerasti, koska teleskooppimittauksiin perustuvaa tietoa on saatavilla 1600-luvulta asti.  Pilkkuluvut päivitettiin muutama vuosi sitten, mutta Kalevi mukaan ennenaikaisesti, sillä muutoksia on vielä tulossa.

Polku avaruusilmastotutkijaksi

Miten Kalevista sitten tuli fyysikko ja avaruusilmastotutkija? Lapsuuden harrastusten perusteella uravalinnaksi olisi voinut veikata vaikkapa muusikkoa. Pikku-Kalevi lauloi, soitti pianoa ja klarinettia ja perusti kavereidensa kanssa menestyksekkään tiernapoikabändin. Teini-iässä musiikkihommat tyssäsivät kuitenkin äänenmurrokseen. Samoihin aikoihin syttyi Kalevin ensimmäinen tieteellinen rakkaus. Hän innostui biologiasta ja tutustui luonnontutkija Carl von Linnen järjestelmään. Nuorta poikaa kiehtoi, miten kasvit ja eläimet voitiin luokitella systemaattisesti ja tieteellisesti.

Yliopistossa Kalevi luki aluksi pääaineena matematiikkaa ennen kuin vaihtoi teoreettiseen fysiikkaan. Tieteellinen ura alkoi hiukkasfyysikkona ja Kalevi tohtoroitui Matts Roosin johtamassa heikkojen vuorovaikutusten tutkimusryhmässä. Väitöstyön kruunasi usean tiedelehden huomio Kalevin ja Francis Halzenin julkaisusta, jossa johdettiin aiempaa paljon alempi yläraja hiukkasukupolvien lukumäärälle vastikään löydetyn Z-bosonin avulla.  Kun Suomi päätti liittyä vuonna 1987 Euroopan avaruusjärjestön liitännäisjäseneksi, avautui monille mahdollisuus siirtyä avaruusfysiikan pariin. Ollessaan ulkomailla nuoren perheensä kanssa Kalevi päätti palata Suomeen ja vaihtaa alaa. Eikä Kalevi ole katunut valintaansa. “Avaruusfysiikka on osoittanut äärimmäisen mielenkiintoiseksi, joustavaksi ja erittäin monipuoliseksi ja tärkeäksi alaksi” hän kehuu. “Erilaisia tutkittavia asioita on hirveästi ja kokeellista tietoa runsaasti ja vapaasti saatavilla. Open data on ollut avaruusfysiikassa käytäntö jo vuosikymmeniä. Kiitokset erityisesti jenkkilään ja alan kansainvälisille yhteistyöorganisaatioille ”.

Avaruusilmastotutkimus alkoi varsin pienestä ilmiöstä. Sodankylän observatorion mittauksista tehtiin jo 1930-luvulla merkittävä löytö. Observatorion silloinen johtaja Eyvind Sucksdorff havaitsi ensimmäisenä nopeita pulsaatioita magnetometridatoissa. Nämä ”helmiäiset” ovat seurausta sähkömagneettisista EMIC-aalloista, jotka liittyvät epästabiilin plasman palautumiseen. Kalevi matkusti vuonna 1990 prof. Jorma Kankaan ja Tapani Pikkaraisen kanssa Sodankylään tutkimaan vanhoja mittauskääröjä. Vierailun tuloksena syntyi Kalevin ensimmäinen avaruusilmastopaperi. Artikkelissa tutkittiin ”helmiäisten” esiintymistä yli 50 vuoden ajan ja havaittiin niiden voimakas vaihtelu auringonpilkkusyklin suhteen vastakkaisessa vaiheessa. Nyt Kalevilla on noin 250 vertaisarvioitua artikkelia, joihin on viitattu n.  8000 kertaa. H-indeksi on pienelle alalle komeat 45.

Tulevaisuuden näkymiä

 Avaruusilmastotutkimuksessa on Kalevin mukaan vielä runsaasti tehtävää. Analyysimenetelmät ja mallit tarkentuvat ja vanhoja mittauksia ja tuloksia voidaan myös tulkita uudelleen uusien mittauksien avulla. Auringon aktiivisuuden vaihteluiden tilastollista ennustamista tullaan parantamaan ja pidentämään ainakin muutamaan vuoteen. Tämä edistäisi merkittävästi avaruussään ennustamista yhdistettynä havaintoihin perustuvaan lähes reaaliaikaiseen ennustamiseen. Kalevi uskoo myös, että Auringon magneettikentän ja dynamon toiminnan ymmärtämisessä tehdään tulevaisuudessa merkittäviä harppauksia. Hän muistuttaa kuitenkin, ettei tämä tarkoita sitä, että aktiivisuutta voitaisiin ennustaa useiden syklien yli. On mahdollista, ettei systeemillä ole kovin pitkää muistia. Auringon aktiivisuuden ilmastovaikutuksien tutkimisessa on paljon avoimia kysymyksiä. Mikään helppo tehtävä tämä ei ole. Ilmasto on monimutkainen ja kytketty järjestelmä, ja Auringon säteilyn ja aurinkotuulen vaikutukset vaihtelevat todennäköisesti olosuhteista ja alueesta riippuen. IPCC-raportit eivät ole vielä ottaneet huomioon vastikään havaittuja aurinkotuulen vaikutuksia, esimerkiksi Maata ympäröivistä säteilyvöistä ionosfääriin satavia energeettisiä hiukkasia, joiden tiedetään vaikuttavan yläilmakehän kemiallisiin reaktioihin ja pohjoisten alueiden talvi-ilmastoon. Uusimmissa ilmastomalleissa tämä vaikutus jo otetaan huomioon ja seuraava IPCC-raportti sisältänee ensimmäisen arvion tästä mekanismista.

Kalevi haluaa painottaa vielä lopuksi, että kokee olevansa erittäin kiitollinen saatuaan tehdä uransa tieteen parissa. Huippuyksikkö on mahdollistanut enstistä useamman tutkimusidean toteuttamisen ja testaamisen. “Tutkimusideoiden ja -kohteiden määrä ei lopu tutkimalla, vaan kasvaa entisestään. Niinpä tekemättömänkin työn määrä sen kuin kasvaa, kun ideoita tulee lisää ja lisää” Kalevi toteaa. ”Tutkimalla pystymme näkemään laajemmin kuin aiemmin, mutta emme koskaan näe rantaa. Emme koskaan pääse perille”.

 

 

 

Teksti: Tapio Rasa

Mitä opettaja voi tarjota opiskelijoilleen? Tämän kysymyksen äärelle tuntuu Huittisissa sijaitsevan Lauttakylän lukion fysiikanopettaja Kalle Vähä-Heikkilä palaavan.

Kysyessään entisiltä oppilailtaan, mitä fysiikan tunneilta lopulta jäi käteen, vastaavat Kallen opiskelijat yleensä, että opettaja on auttanut “löytämään fysiikan”. Kun opetus on kohdallaan, fysiikka muuttuu kouluaineesta aidoksi tieteenalaksi ja syvällinen kiinnostus pääsee heräämään. Innostusta ei kuitenkaan saa aikaan, ellei itse ole innostunut. “Sun täytyy uskoa siihen mitä opetat, olla koko ajan kiinnostunut niin uusista löydöistä kuin tutustakin kurssisisällöstä,” Kalle toteaa, ja jatkaa: “Sata lasissa joka päivä.”

Lauttakylän lukio onkin erityisen ansioitunut opinahjo: opiskelijoiden ylioppilasarvosanoja vertaillessa Huittisten pieni ihme erottuu selvästi edukseen. Monet tulevat Huittisten lukioon kauempaakin. Pienessä lukiossa on ihanteelliset olosuhteet opettamiselle ja oppimiselle: opiskelijaryhmä pysyy pitkälti samana, ja jos tärkeää asiaa ei ehditä kurssilla käsitellä, voidaan seuraava kurssi aloittaa siitä, mihin jäätiin. ”Käsitteet täytyy oppia, se ei muutu”, Kalle korostaa.

Opettajan omakin suhde fysiikkaan elää ajassa. Jatko-opintojen aikana Kalle alkoi hahmottaa fysiikan selkeämmin käsitteiden kautta. “Silloin aukeni, että millaista fysiikan opetuksen pitäisi olla”, Kalle kertoo. Maaillma oli näyttäytynyt Kallelle jo pienestä pitäen fysikaalisena, ja kun luonnon ja arjen ilmiöitä pääsi tutkimaan kokeellisesti, oli kutsumus löytynyt. Nyt Kalle Vähä-Heikkilän erikoisosaamisaluetta onkin kokeellisuuteen ja demonstraatioihin perustuva opetus. Miltei jokaiselle oppitunnille löytyy oikea demo, ja jos sellaista ei heti ole, se keksitään.

Kalle ihmettelee, miten jotkut luulevat opettajan työn olevan saman toistoa. Päin vastoin: parhaita puolia opettajan työssä on nimenomaan vaihtelevuus ja mahdollisuus auttaa nuoria kehittämään taitojaan. ”En ole katunut. Kyllä tämä on maailman paras ammatti. Huonot päivät kahdentoista vuoden ajalta voi laskea yhden käden sormilla, ja nekin on enemmän johtuneet itsestä.”

Uran edetessä Kalle on alkanut saada kiitosta myös opettajakollegoilta. Tänä vuonna matemaattisten aineiden opettajien liitto MAOL valitsi Vähä-Heikkilän vuoden matemaattisten aineiden opettajaksi. Palkinto myönnettiin “kentällä tehdystä työstä” viitaten eritoten Kallen suuren suosion saavuttaneisiin täydennyskoulutuksiin. “Kokeilin vetää MAOLin paikalliskerhoille koulutuksia kokeista ja demonstraatioista. Pidin huolta, että mukana oli ainakin yksi demo, jota kukaan opettaja ei ollut nähnyt.” Palaute oli erittäin positiivista, joten Kalle jatkoi osaamisensa jakamista. “Ei se niin mene, että jos minä pidän ideani itselläni niin olisin jotenkin parempi opettaja”, Kalle ajattelee. “Jos minä tiedän jotain, niin siitä on tärkeää jakaa muille. Siinä saa samalla palautetta ja oma ammattitaito kehittyy edelleen.”

Lisätietoja Kallen opetusmenetelmistä saat seuraamalla MAOLin Dimensio-lehteä, johon Kalle kirjoittaa mm. fysiikan demonstraatioista ja fysiikanopetuksesta yleisesti.

 

Teksti: Emilia Kilpua

Oulun yliopiston käytävät ovat toivottoman sokkeloisia. Pienen etsimisen jälkeen löydän kuitenkin kyltin, joka ohjaa NMR spektroskopian yksikköön. Täällä tehdään huippututkimusta alan kansainvälisessä kärjessä. Otin muutama viikko sitten yhteyttä Ville Telkkiin. Hän on akatemiantutkija ja johtaa kokeellista NMR-tiimiä. Haastattelu ajoittui oikein sopivasti, sillä Ville oli juuri kuullut saaneensa Euroopan tutkimusneuvoston kahden ja puolen miljoonan euron apurahan.

NMR tulee sanoista Nuclear Magnetic Resonance ja tarkoittaa siis ydinmagneettista resonanssia. NMR spektroskopian kehittivät toisistaan riippumatta 1940-luvun lopulla Edward Purcelin ryhmä Harvardin yliopistolla ja Felix Blochin ryhmä Stanfordin yliopistolla. Sekä Purcel ja Bloch saivat keksinnöstään vuonna 1952 fysiikan Nobelin palkinnon ja NMR tekniikan sovellutukset ovat poikineet myös kemian ja lääketieteen Nobeleita. Kyseessä on erityinen mittausmenetelmä, jolla on sovellutuksia aina lääketieteen saralta auton katalysaattoreiden filttereihin.

Magneettisia hyrriä 

Pyysin aluksi Villeä kuvailemaan, mitä NRM-spektroskopiassa oikein tapahtuu. Menetelmä pohjautuu atomiytimen spinien muutoksiin ulkoisessa magneettikentässä. Atomiytimellä, joka koostuu parittomasta määrästä protoneja ja neutroneja, on nollasta poikkeava ”ydinspin” ja siihen liittyvät sisäinen impulssimomentti ja magneettinen dipolimomentti.  Klassisena analogiana atomiytimet voidaan ajatella pieninä magneettisina hyrrinä. Spin-impulssimomentti  ei voi saada mitä arvoja tahansa vaan se on kvantittunut.

Jos ulkoista magneettikenttää ei ole ydinspinit osoittavat satunnaisiin suuntiin. Voimakas ulkoinen kenttä taasen järjestää spinit ja kiertää ytimien pyörimisakselia. Pikkuhyrrien energia riippuu siitä miten ne ovat suuntautuneet  magneettikentässä ja se on myös kvanttittunut suure.  Lämpöliikkeestä johtuen läheskään kaikki spinit eivät kuitenkaan järjestäydy magneettikentän määrämällä tavalla. NMR-tekniikka vaatii siis hyvin voimakkaita magneetteja.

Järjestäytyneitä ytimiä häiritään radiopulssilla. Jos pulssin taajuus on sopiva ydin absorboi fotonin, kääntyy ja siirtyy korkeammalle energiatilalle.   Häirityt magneettiset pikkuhyrrät indusoivat virran näytettä ympäröivään kelaan, josta signaali lopulta mitataan.

Aivotutkimusta ja arkeologiaa

Mikä tekee NMR-spektroskopiasta niin loistavan menetelmän? Ville kertoo, että tekniikalla saadaan erittäin tarkkaa tietoa aineen avaruudellisesta rakenteesta, miten molekyylit virtaavat ja käyttäytyvät. ”Tärkeää on, ettei NMR-mittauksissa rikota näytettä. Lisäksi tutkimukset tehdään yleensä nesteessä, mikä on monissa sovellutuksissa se aineen luonnollinen olotila.”

NMR-spektroskopian käytännön sovellukset ovat valtaisat. Se on keskeinen materiaalifysiikan tutkimusmenetelmä ja sitä hyödynnetään myös biologian ja arkeologian tutkimuksessa.  Tekniikalla voidaan esimerkiksi havainnoida miten kaasut absorboituvat huokoisissa materiaaleissa. Lääketieteen sovellutuksista Ville mainitsee magneettikuvauksen ja syöpäsolujen aineenvaihdunnan. ”Voidaan sanoa, että NMR menetelmä on mullistanut neurologian ja aivotutkimuksen.”

Kemian ja fysiikan välimaastossa

Ala on kiehtova sekoitus fysiikkaa ja kemiaa. Ville kertoo, että hän julkaisee tuloksensa aina fysikaalisen kemian tai kemian lehdissä. Tiimissä lähes kaikilla on kuitenkin fyysikon koulutus. Tietoa tarvitaan molemmilta aloilta, mutta analyysimenetelmien kehitys perustuu fysikaaliseen ymmärtämiseen. ”Pohjimmaltaan NMR perustuu kvanttimekaniikkaan”, Ville muistuttaa. “Lisäksi ala vaatii vahvaa matemaattista osaamista.”

Menestyksen salaisuus perinteissä

Oululaisryhmän menestys kumpuaa Villen mukaan pitkistä perinteistä. Pääroolia tässä on näytellyt viitisen vuotta sitten eläkkeelle jäänyt professori Jukka Jokisaari. Jukka oli myös Villen ohjaaja ja hänen työnsä tuloksena ryhmän käyttöön on saatu kattava laboratorio. ”Mutta toisaalta on tärkeää myös uudistua” Ville muistuttaa. ”Uusi sukupolvi on hyödyntänyt tradition ja kehittänyt sen pohjalle omia juttujaan”.

Toiseksi merkittäväksi tekijäksi Ville mainitsee teoreettisen ja kokeellisen tutkimuksen vuorovaikutuksen. Villen ryhmän vierestä löytyy professori Juha Vaaran vetämä NMR-tutkimuksen teoriaryhmä. ”Naapurihuoneesta löytyy kovia alan asiantuntijoita. Aina voi mennä juttelemaan ja kysymään neuvoa.”

Alalle sattumalta

 Alalle Ville ajautui sattumalta. Hän opiskeli Oulun yliopistolla fysiikkaa ja matematiikka, mutta selkeää suunnitelmaa tulevaisuudelle ei ollut. Ville pärjäsi hyvin opinnoissaan, mutta motivaatio oli hieman kateissa. Kevättalvella 1999 hän törmäsi yliopiston käytävällä pariin opiskelukaveriin, jotka olivat matkalla keskustelemaan kesätöistä Jukka Jokisaaren kanssa ja lyöttäytyi mukaan. Ville oli porukasta ainoa, joka lopulta sai töitä. Tutkimustyö imaisi nopeasti mukaansa ja opinnotkin alkoivat taas innostaa.

NMR tutkimus on pitänyt Villen otteessaan kesätöistä lähtien. Hän väitteli vuonna 2006 ja vietti sen jälkeen puolitoista vuotta tutkijatohtorina Berkeleyn yliopistolla. Siellä tutkimus keskittyi kaasujen virtausten kuvaamiseen NMR:n etähavaisemismenetelmällä.

Uraauurtavia menetelmiä

Uudella miljoonarahoituksellaan Ville aikoo tehdä läpimurtoja NMR tutkimuksen saralla. Tavoitteena on luoda kokonaan uusi NMR menetelmien luokka. Tämä on hyvin harvinaista jo pitkään vakiintuneella alalla.

Perinteisessä moniulotteisessa NMR kokeessa mittauksia toistetaan jopa satoja kertoja ja havaintoajat ovat pitkiä. Vuonna 2010 Israelissa Weizmannin tiedeinstituutissa kehitettiin Lucio Frydmannin johdolla ultranopea NMR menetelmä. Tällä menetelmällä mittaus voidaan suorittaa vain yhdellä skannauksella.

Villen ERC-projektin ydinajatuksena on kasvattaa yhtä aikaa sekä havaintojen nopeutta että herkkyyttä moninkertaisiksi. Näin voidaan tutkia hyvin matalapitoisia näytteitä ja nopeita prosesseja. Tekniikan nimi on ultrafast Laplace NMR. Laplace NMR tarjoaa yksityiskohtaista tietoa molekyylien liikkeestä relaksaatio- ja diffuusiomittausten kautta. ”Sovellan avaruudellista koodaamista moniulotteisten Laplace NMR mittausten tekemiseen yhdellä skannauksella.”

Tulevaisuuden nousevaksi trendiksi Ville mainitsee kompaktit NMR laitteet. Niillä ei pysty tekemään yhtä tarkkoja mittauksia kuin isoilla laitteilla, mutta ne ovat huomattavasti edullisempia.  Herkkyys on sitä parempi mitä voimakkaampi ulkoinen magneettikenttä on kyseessä. Voimakkaat magneetit ovat vain hirmuisen kalliita, jopa kymmeniä miljoonia euroa. Maailmalla on Villen mukaan useita yrityksiä jotka satsaavat nimenomaan ”pöytä-NMR” laitteiden kehittämiseen. Teollisuussovellutuksina näissä on valtavasti kasvun varaa.  ”Yksi ERC-tutkimukseni sovelluskohteista ovatkin juuri nämä pienet NMR laitteet”.

Oululaiselle NMR-spektroskopian tutkimuksen menestykselle on siis tulossa jatkoa. Onnittelut vielä Villelle ERC-rahoituksesta!

Oulun yliopiston NMR ryhmän sivut

Oulun yliopiston tiedote Villen ERC rahoituksesta

Teksti: Aleksi Vuorinen

Lähes 200 tieteellistä artikkelia teoreettisen hiukkasfysiikan alalta kuuden eri vuosikymmenen aikana. Reilusti toistakymmentä tuhatta sitaattia ja h-indeksi huimat 56. Lukuisia kansainvälisesti merkittäviä virstanpylvästuloksia, jotka ovat edistäneet niin vahvan ydinvoiman kuin sähköisheikon vuorovaikutuksen ymmärrystä valtavasti. Parikymmentä väitellyttä opiskelijaa, joista seitsemän professoreina eri yliopistoissa Suomessa ja maailmalla, ja useat muut johtavissa asemissa merkittävissä suomalaisyrityksissä aina Nokiasta Supercelliin. Teoreettisen fysiikan emeritusprofessori Keijo Kajantien ansioluettelo on täysin ainutlaatuinen suomalaisten hiukkasfyysikkojen keskuudessa, eikä koko fysiikan alaltakaan taida montaa kilpailijaa löytyä.

Kunnianhimoisen tutkijan ja opettajan lisäksi Keijosta löytyy monta hieman yllättävämpääkin puolta. Kuten vaikkapa ylpeä vanha Norssi, jonka lempiharrastus koulussa oli piilottaa kuolleita rottia luokkatovereiden pulpetteihin. Tai innokas vuorikiipeilijä, joka CERN:ssä viettämiensä vuosien aikana ehti koluta läpi kaikki lähitienoon vuoret – mukaan lukien erityisesti Jura-vuoristoon kuuluvan Le Reculetin, jonka Keijo on dokumentoidusti valloittanut yli 100 kertaa. Opiskelijoille sekä kollegoille on lisäksi tullut varsin selväksi se, että on tasan kaksi urheilulajia, joita itseään kunnioittava teoreetikko voi hyvällä omallatunnolla seurata: sumopaini sekä kilpapyöräily.

Keijosta ja hänen urastaan riittäisi kerrottavaa vaikka kokonaisen juttusarjan verran – ja varsin herkullisia anekdootteja löytyykin, esimerkiksi Keijon 60-vuotisjuhlan kunniaksi vuonna 2000 julkaistusta festschrift-kirjasta. Seuraavassa annamme kuitenkin puheenvuoron Keijolle itselleen pyytäen häneltä vastauksia muutamaan hänen uraansa ja tieteenalaansa koskettavaan kysymykseen:

Kuinka päädyit fyysikoksi – ja miksi nimenomaan teoreettiseen hiukkasfysiikkaan?

Keijo: Isäni oli ensimmäisen ja äitini toisen polven koulutettu, isä pikkukauppiaan poika Laatokan Karjalasta ja äiti kansakoulunopettajan tytär Koivistolta Viipurin läheltä. Isä valmistui matematiikan maisteriksi 30-luvun alussa ja työskenteli Suomen Pankissa. Olin koulussa nykykielellä “kympin tyttö” ja oli aina päivänselvää, että lähtisin opiskelemaan matematiikkaa, olihan Porthaniaankin vain kilometrin matka. Menin sotaväkeen 17-vuotiaana ja lueskelin vapaa-aikoinani Myrbergin Differentiaalilaskennan oppikirjaa ja Heiskasen tähtitiedettä. Polku oli siis valmiiksi viitoitettu enkä koskaan joutunut valitsemaan Teknillistä fysiikkaa “kun sinne on niin vaikea päästä”.

Tähtitieteen professori Gustaf Järnefelt palkkasi minut sitten 1960 Observatorion amanuenssiksi, hänellä oli hieman erikoinen usko siitä, että jos on hyvä matematiikassa, sopii myös tähtitieteilijäksi. Tässä vaiheessa en kyllä tiennyt yhtään siitä mitä ryhtyisin tekemään isona. Sitten tuli sattuma peliin.

Helsingin Yliopistoon perustettiin ydinfysiikan professuuri ja siihen nimitettiin Turusta K. V. Laurikainen. Kun nykyään Fysiikan tutkimuslaitoksen kahvijono etenee hiljakseen, sopisi jonossa seisovien katsoa kunnioittaen seinällä riippuvaa Laurikaisen valokuvaa ja tiedostaa, että tuota tyyppiä saamme kiittää tästä laitoksesta – ja monesta muustakin tieteen rakenteesta. Laurikainen osti minut laitokseensa järjestämällä rahoituksen ja passittamalla minut Lundiin tekemään väitöskirjaa kvanttielektrodynamiikasta Gunnar Källènin johdolla.

Alan valintaan ei kyllä suoranaisesti vaikuttanut raha tai Laurikainen vaan ongelma: mitä ihmettä olivat ne lukuisat hituset, joita havaittiin hiukkaskokeissa? Elettiin standardimallin genesiksen aikaa: oli suuri määrä yksityiskohtaista dataa eikä mitään ymmärrystä siitä. Harharetkiä tehtiin, erehdyin mukaan Chew’n bootstrap-mallin opiskeluun. Hämärältä se kyllä tuntui, enkä ymmärtänyt asiasta mitään, ja vielä vähemmän ymmärsivät lisensiaattityöni tarkastajat. Eihän silloin voinut epäillä tai vielä vähemmän julkisesti sanoa, että tyhjästä on paha nyhjäistä. Kymmenessä vuodessa selvisi, että tarvittiin kvarkkien symmetriat ja kenttäteoreettinen dynamiikka. Silloin olin jo täyttä vauhtia mukana tässä teoriassa.

Mitä merkkipaaluja haluaisit nostaa esiin omalta uraltasi – tai yleisemmin niistä fysiikan kehityskuluista, joihin olet ollut vaikuttamassa?

Keijo: Olen kiertänyt läpi koko joukon hitufysiikan nurkkia ja reunoja: vahvojen vuorovaikutusten dynamiikka Reggen navoilla, duaalimallit, QCD jettifysiikassa, kvarkkiaine, hiukkaskosmologia, sähköisheikko aine, säieteoria, AdS/CFT-holografia ja yleinen suhteellisuusteoria.

Kvarkkiaineen osalta olin mukana alusta alkaen, 1970-luvun lopusta, oikeaan aikaan oikeassa paikassa. Ideahan oli aivan ilmeinen kvanttikromodynamiikan synnyttyä: kun pamautetaan yhteen pari isoa ydintä, on satavarmaa, että muodostuu kvarkkigluoniplasmaa, aineen uutta faasia. Erinomainen mahdollisuus kehitellä uusia teoreettisia ideoita sekä ehdottaa uusia kokeita. Ala oli aluksi pieni, mutta mielestäni oli parempi olla 10 parhaan joukossa 100 hengen alalla kuin 100 parhaan joukossa 1000 hengen alalla. Kehitys on ollutkin mahtavaa, kvarkkiplasman tutkimus on nykyään ihan oma fysiikan haaransa. Jopa CERNin LHC:n isot kokeet Atlas ja CMS ovat joutuneet myöntämään, että tässähän on paljon mitattavaa mielenkiintoista fysiikkaa.

Nykyhetkenä en pysty sanomaan yhtään tällaista neitseellistä tutkimatonta aluetta jonne myös on realistiset mahdollisuudet tunkeutua. Planckin skaalalle on pitkä tuntematon matka, mutta eihän sinne oikein kunnolla pääse. Jostain kyllä löytyy uusi mittausmenetelmä, jolla saadaan aukko tuntemattomuuden muuriin, ja taas edistytään.

Miltä (teoreettisen) hiukkasfysiikan nykytila ja tulevaisuus näyttävät 60 vuoden perspektiivistä: mihin olemme menossa ja mihin alalla kannattaisi panostaa?

Keijo: Nyt on hieno aika aloittaa hiukkasfyysikkona. Standardimallihan oli valmis noin 1975 ja viimeiset 40 vuotta on mennyt sen kokeelliseen todentamiseen ja detaljien viilaukseen. Nyt on uusien perimmäisten kysymysten vuoro ja jos on oikein optimisti voi toivoa, että edessä olisi samanlainen edistyskausi kuin 20-luvulla kvanttimekaniikan ja 70-luvulla standardimallin syntyessä. Voisiko toivoa 50 vuoden jaksoa?

Kysymyksiä riittää. Mistä tämä standardimalli, mistä parinkymmenen standardimallin parametrien arvot, mitä neutriinot ovat, mitä on pimeä aine ja energia, mistä T-invarianssin rikko, mistä baryoniluku, miten yhdistää kvanttimekaniikka ja gravitaatio, mitä on musta aukko, mistä on peräisi universumin rakenne.

Säieteoreetikot kyllä uskovat, että nämä ongelmat on jo ratkaistu säieteorialla, emme vaan pysty lokalisoimaan oikeaa ratkaisua säieteorian 10^250000 ratkaisun joukosta. Ja nämä muut ratkaisut elävät muissa universumeissa joissa emme ole niitä katsomassa. Hieno rakenne tämä onkin, mutten voi uskoa, että lopullinen luonnon pienten etäisyyksien dynamiikka saadaan ottamalla säikeitä konsistentisti kvantisoituina 10-dimensionaalisessa superavaruudessa. Uskontojen taistelu. Minä uskon siihen, että kun osataan paikata standardimalli oikeakätisillä neutriinoilla, ollaan tehty tosi pitkä loikka.

Ongelma vaan on, että nämä ovat niin vaikeita kysymyksiä, että on aika riskaabelia keskittyä yhteen niistä – pitää edetä vähän kerrallaan, ja rakentaa sen päälle mitä on ennen tehnyt. Itse asiassa tilanne Helsingissä nyt 2017 on varsin hyvä, useita lupaavia tutkimussuuntia on käynnistetty. Hallinnollinen rakenne on paras mahdollinen: tähtitiede, astrofysiikka, kosmologia, hiukkasfysiikka (teoreettinen ja kokeellinen), muodostavat yhtenäisen kokonaisuuden. Resurssit eivät ole riittäneet kuuman kvarkkiaineen tutkimukseen, mutta sehän kukoistaa Kari J. Eskolan ja Tuomas Lapin huomassa Jyväskylässä. Helsingissä on muutettu suuntaa kohti kylmää kvarkkiainetta.

Resursseja siis on, mutta panostus tähän tutkimukseen hyödyttää kansainvälistä tutkimuksen kenttää eikä Suomea. Sinänsä hyvä näin. Parhaimmistoa ostetaan professoreiksi ulkomaisiin huippuyliopistoihin: Jorma Louko (Nottingham), Mikko Laine (Bern), Arttu Rajantie (Imperial College), Aleksi Kurkela (Stavanger) toisivat huipputason lisän toimintaan myös Suomessa. Aleksi Vuorinenkin olisi päätynyt Bielefeldiin ellei häntä olisi viime hetkellä pelastettu Helsinkiin.

Minulle on sanottu, että Suomi menestyy kansainvälisessä kilpailussa vain, jos palkataan professoreja ulkomailta. Tämä nyt ei ollenkaan päde hiukkasfysiikan ja lähitieteiden alalla. Meillä on useita luokkaa 10 vuotta sitten väitelleitä tieto- ja idearikkaita tutkijoita joilla ei vielä ole pysyvää paikkaa. Sikäli kun resursseja riittää, pitäisi keskittyä näiden tukemiseen. Jossain kohtaa, ja pian koska edellisestä on jo 50 vuotta, tulee seuraava uusi suuri edistysaskel ja Suomessa pitää olla ihmisiä jotka osallistuvat tähän vallankumoukseen.

 

The Finnish Physical Society was established in 1947 and is celebrating its 70 years. The period brought big changes to physics and physicists in Finland. The Physical Society has responded well, via its meetings and journal, making use of social media, Pecha Kucha and this blog.

I joined the Society as a graduate student in the late 1960’s, served on the Board as President in the 1990’s and was recently honored as a Fellow. With strong positive feelings for the Society I am contributing some views concerning the present and future challenges. There are surely other opinions and suggestions – this post will be successful insofar as it stimulates comments and discussion here, at coffee tables and elsewhere.

Did you notice that I am writing in English? Those of you for whom Finnish isn’t second nature probably did. We are fortunate to have many physicists in Finland who came from elsewhere for a short or extended time. They are an essential resource for the physics community and for the Society. We should reach out to all physicists, in a language that all understand. I am happy to note that the Society is indeed moving in this direction.

Using English on the home page, in meetings and communications does not subtract from the task mentioned in the statutes: “kehittää suomenkielistä fysiikan sanastoa”. The Finnish physics vocabulary is best maintained through popular lectures and articles which the Society supports, e.g., in its journal Arkhimedes. In personal communications the language is up to the author.

What is special about the Physical Society – compared to other physics organisations (University departments, research institutes, industry, academies…)? The Society covers all subfields, ranges from fundamental to applied research and technical development, and includes education at every level. It relies on the volunteer activities of its members, young and old, with varied interests and expertise. The Society brings cohesiveness to our community, counteracting tendencies toward specialization and insulation. We might not go abroad to learn about topics outside our own expertise, but can enjoy them at the Physics Days, together with old and new friends.

The annual Physics Days is a flagship activity of the Society that we can be justly proud of. The program reflects recent progress in basic and applied research, and the participants represent Finnish physics in a broad sense. This successful concept has gradually evolved, with the talks now mostly given in English. Meetings on specific topics and increased travel give young physicists also other opportunities to present their work. The mission of the Physics Days as an interdisciplinary event for Finnish physicists is correspondingly growing. A format with general review talks in the parallel sessions was recently tried, in order to attract participants to sessions outside their own speciality. Alternatively, the meeting could be focussed more on plenary sessions. The format of the Physics Days should be continuously developed to optimally serve the evolving needs of physicists.

Another flagship is the quarterly member journal Arkhimedes, published jointly with the Physical Society in Finland (sic) and the Finnish Mathematical Society. There were heated debates in the 1980’s concerning the scientifically inclined Arkhimedes vs. Fysiikka Tänään, a new journal stressing topical information. After some years of parallel publication the two were merged into the present-day Arkhimedes, which has an extended news section and articles that everyone (in principle) can follow. I have two suggestions for Arkhimedes:

1. Make past, current and future issues available to members on the web
2. Introduce a section with profiles of Finnish physicists. Base them on brief interviews conducted in a standardized format by young physicists.

What attracts young physicists to the Society? Academic studies and careers are increasingly formalized. Fast progress, funding success, publications and citations are rewarded. The fascination for science which motivates high school students to study physics at university level is precious and needs to be stimulated. As a graduate student I enjoyed the weekly extracts of science news published by CERN. Today brief descriptions of new discoveries with links to the original publications can be found in many places. The Society could organize volunteers to translate news items into Finnish and make them known to students, e.g., via social media. Such an effort might be appreciated by physics teachers at schools as well.

The Finnish Physical Society is networked with sister societies in the Nordic and Baltic region, in Europe and globally. These contacts are valuable for physicists in the beginning of their careers. Awareness of physics activities in our region would be furthered by occasionally sharing articles with Nordic and Baltic society journals similar to Arkhimedes. Links to the sister journals could be posted on the home page – part of their material is open source already now.

I was in Executive Committee of the European Physical Society in the 2000’s, experiencing the rewards and challenges of European collaboration. EPS is an umbrella organisation to which all national society members belong, and which thus coordinates and represents physics in Europe. At the same time, EPS is a physical society in its own right, with individual members and a broad range of activities conducted in divisions and groups. These activities are open to all of us and have expanded greatly since EPS was founded in 1968. The member journal “Europhysics News” has a circulation of 25000 copies, with open access to the pdf version. EPS also publishes a web-based monthly news forum e-EPS, as well as regular scientific journals (EPL and European Journal of Physics).

Physics related activities are organised differently in the various European countries. The physical societies of Germany (DPG) and the UK (IOP) have a vastly larger membership than all the others, which requires special considerations. The Finnish Physical Society is similar in size to those of France and Italy, which testifies to its strong position. EPS allows European physicists to be heard at European institutions, including the European Parliament and the European Commission. Our European society needs and deserves support. How about introducing an “EPS lecture” at the Physics Days, with the speaker invited in collaboration with EPS?

Our society also benefits from bilateral collaboration with other national societies. Recently an “IOP Finland Chapter” was established. Strategies related to the role of physics in society, education and industry are issues of common interest and vigorously pursued by the big societies with large resources. Studies on the impact of physics in various areas society published by EPS and its member societies could be presented and debated also in Finland.

My congratulations to the Finnish Physical Society for 70 successful years in support of physics in Finland, and best wishes for the coming decades!

Paul Hoyer
Emeritus professor
University of Helsinki