Tarina

Tähän alkuun minun piti kirjoittaa havainnollistava tarina fyysikosta, joka kehitti mullistavan teorian tai teki tärkeän kokeellisen löydön. Sen piti olla kertomus sattumasta, muiden hyljeksinnästä tai jotain sellaista, joka saisi lukijan muistamaan, paitsi tarinan, myös itse fysiikan ilmiön. Olisin voinut kertoa vaikkapa kvasihilojen teorian kehittelijästä Dan Shechtmanista, joka sai viime vuonna Nobelin kemian palkinnon. Hän sai 1980-luvulla potkut työpaikastaan niin "typerää" asiaa ehdotettuaan. Tai murtoluku-kvantti-Hall -teoriasta Nobelin palkinnon saaneesta Robert Laughlinista, joka taannoin eräässä konferenssissa väitti puhujan esittelevän vain arvailuja, mihin kollegani Yuli Nazarov tokaisi: "Bob, sinä sait Nobelin palkinnon arvauksesta!" Hyvien tarinoiden keksiminen on tieteessä tärkeää, mutta ei kovin yksinkertaista. Parhaimmillaan luonnontieteidenkin tiedeartikkeli on hyvä tarina, huonoimmillaan faktojen luettelua.

Joidenkin sosiologien mielestä luonnontiede on sosiaalinen konstruktio, eli kertoo enemmän ihmisestä kuin luonnosta. Minä olen eri mieltä. Kokeellista tulosta selittäessäni voin yrittää tarinoida mitä vain, mutta jos konstruoimani teoria ei ole yhtäpitävä fysiikan lainalaisuuksien kanssa, se tuskin selittää mitään. Kokeelliset käyrät eivät sovi väärään teoriaan – tosin kuten kaikki Taylorin polynomin tuntevat tietävät, yhteensopivatkaan käyrät eivät todista teoriaa. Silti toki kieli, jolla luonnon ilmiöitä selitämme, on ihmisen luomaa, eikä edes sellaisena yksikäsitteistä. Joitakin ilmiöitä voi hyvinkin kuvata onnistuneesti useammanlaisella tarinalla, kunhan ne ovat keskenään yhtäpitäviä. Tarinoiden (lue: teorioiden) kieli voi poiketa toisistaan paljonkin, ja monesti yhtäpitävyyden voi todeta vain niistä saaduista ennusteista. Otan esimerkin omasta tutkimusaiheestani. Olen tutkinut viime aikoina elektronien lämpötilan vaihtelua, fluktuaatiota, pienissä sähköisissä metallisaarekkeissa. Lämpötila fluktuoi, kun saareke kytketään ulkomaailmaan. Kytkentään liittyvät energiahäviöt saavat aikaiseksi energiavuon vaihtelua, mikä sitten johtaa saarekkeen kokonaisenergian vaihteluun. Kunhan tietyt ehdot toteutuvat, tätä voidaan kuvata lämpötilan fluktuaationa. 1980-luvun lopulla tunnettu fyysikko Charles Kittel kertoi, että sana lämpötilafluktuaatio on oksymoron, eli ilmaisu, joka sisältää sisäisen ristiriidan. Muita esimerkkejä oksymoronista olivat makea suru (sweet sadness) ja military intelligence, jonka käännös sotilastiedustelu ei taida ihan tavoittaa Kittelin alkuperäistä vitsiä. No, tässä tapauksessa me kuitenkin onnistuimme määrittämään käsitteen ristiriidattomasti. Joissain virtapiireissä lämpötilan vaihtelu voidaan mitata virran kohinasta. Tuon kohinan tarkastelu voitaisiin periaatteessa tehdä myös ilman lämpötilafluktuaation kuvausta, mutta sillä tavoin teoria olisi paljon vaikeampi ymmärtää.

Ilmiöiden nimeäminen fysiikassa ja varmasti muissakin tieteissä on tärkeää. Niihin liitetään se tarina, jota mietimme nimen kuullessamme. Erityisesti korkean energian fysiikassa näyttäisi siltä, että kun havaitaan uusi ilmiö, jota ei kunnolla ymmärretä, tärkeintä on antaa sille kuvaava nimi. Nykypäivänä tällaisia ilmiöitä ovat esimerkiksi pimeä aine ja pimeä energia. 1930-luvulla Wolfgang Pauli halusi ymmärtää liikemäärän säilymislain beetahajoamisessa, ja tehdäkseen tämän nimesi uusia hiukkasia, neutriinoja. Moni ei-fyysikkokin on viime syksyn jälkeen kuullut neutriinoista, joiden väitettiin mittauksen mukaan kulkevan yli valon nopeudella. Nyt koejärjestelystä on löydetty ongelmia, mikä saattaa muuttaa johtopäätöstä. Uutinen lienee kuitenkin opettanut neutriino-nimen monen luonnontieteistä vähemmänkin kiinnostuneiden mieleen.

Parhaimmillaan hyvä tarina toimii kokonaisen tutkimusalan motiivina. Kymmenisen vuotta sitten Roger Penrose kollegoineen ehdotti, että gravitaatio voisi heikentää suurten kvanttimekaanisesti käyttäytyvien värähtelijöiden superpositiotilaa, eli aiheuttaa dekoherenssia. Ilmiön avulla voisi siis yrittää yhdistää kvanttimekaniikan ja suhteellisuusteorian. Kukaan ei tiedä tarkkaan kuinka tehokas efekti olisi, tai onko sitä edes olemassa. Silti nanomekaniikan tutkijat viittaavat Penrosen tutkimuksiin jatkuvasti yhtenä syynä tutkia nanomekaanisten värähtelijöiden kvanttiominaisuuksia. Toki alalla on muitakin maanläheisempiä tavoitteita kuin kvanttigravitaation tutkimus, mutta niistä ei saa kerrottua yhtä hyvää tarinaa.

Tiede ei tosiaankaan ole mitään tylsien faktojen luettelointia, vaan tutkimuksen tekeminen ja siitä kertominen vaativat paljon mielikuvitusta. Parhaimmat tutkimusartikkelit kertovat mielenkiintoisen tarinan sekä tutkitusta ilmiöstä, että ilmiön löytämiseen johtaneesta työstä. Eikä se tarina ole satua. 

Teksti on julkaistu Suomen Akatemian verkkolehdessä 15.3.2012