Poliitikko: varo mitä haluat yliopistoilta, sillä saatat saada sen

Yliopistokoulutuksesta ja -tutkimuksesta on tullut niin tärkeä osa yhteiskuntaa, että päättäjät haluaisivat yhä enemmän vaikuttaa paitsi toiminnan reunaehtoihin, myös itse tutkimuksen sisältöön. Ongelmallisinta tässä on, että päättäjien vaatimukset ihan oikeasti vaikuttavat tutkijan arkipäivään. Vaikutukset eivät kuitenkaan aina ole sitä, mitä niillä oikeasti haetaan. Kun alettiin kiinnittää huomiota tutkimusartikkeleiden sitaatioindekseihin, eri alojen sitaatiomäärät rupesivat nousemaan. Esimerkiksi fysiikan alan arvostetuin lehti Physical Review Letters poisti artikkeliviitteet sivumäärärajoituksestaan, mikä on johtanut viitelistojen pitenemiseen. Lisääntyneet sitaatiomäärät eivät siis välttämättä kerro parantuneesta tutkimuksesta. Toisaalta huippujulkaisujen kuten Naturen ja Sciencen näkyvyys yliopistorankingeissa ja muussa arvioinnissa on tuonut niihin yhä enemmän sensaatiolehdistön piirteitä: lehti määrittelee itse, mitä muotialoja se haluaa painottaa, ja pyrkii jopa luomaan tieteen julkkiksia. Näin varmistetaan julkaisujen näkyvyys, jota mitataan vaikuttavuuskertoimella. Korkea vaikuttavuuskerroin betonoi julkaisujen aseman, minkä vuoksi ne voivat pyytää yliopistokirjastoilta korkeaa tilausmaksua. Monen lehden tapauksessa tämä tarkoittaa suoraa tukea veronmaksajilta lehtien yksityisille omistajille.

Runsaiden sitaatioiden ja huippujulkaisujen lisäksi ainakin suomalaisilta tutkijoilta halutaan paljon patentteja, näkyvyyttä kansallisessa mediassa, ja läheistä yhteistyötä elinkeinoelämän kanssa. Tutkijoiden pitäisi myös vaikuttaa naisten ja vähemmistöjen aseman paranemiseen. Vielä jokin aika sitten luulin, että nämä sinänsä järkevät yhteiskunnan toiveet pitäisi toteuttaa yliopistotasolla, eli riittää, kun yliopistossa on joitain elinkeinoelämää lähellä olevia yksiköitä, joitain mediaseksikkäitä tutkijoita, ja joitain, jotka patentoivat. Muut voisivat keskittyä tutkimukseen ja opetukseen. Ylätasolta tulevat vaateet tuppaavat vain valumaan jokaiseen virantäyttöön ja rahoitushakuun. Yliopistoille annetut sinänsä järkevät vaatimukset näkyvätkin jokaisen tutkijan arjessa – ja lopulta vievät aikaa perustehtäviltä.

Viime viikolla elinkeinoministeri Olli Rehn väläytti, että perustutkimuksen laatukriteereihin tullaan mahdollisesti liittämään kaupallinen hyöty ja käytännön sovellukset. Sinänsä tässä voisi olla järkeä, jos tämän ulostulon perusteella perustutkijoita – jotka määritelmän mukaan nimenomaan eivät tähtää sovelluksiin, vaan ymmärrykseen maailmasta – haastettaisiin kertomaan missä mielessä heidän tutkimuksensa täyttää perustutkimuksen kriteerit. Pelkäänpä vain, että käy päinvastoin: perustutkijoidenkin pitää yhä enemmän ryhtyä valikoimaan tutkimusaiheitaan välittömän käytännön hyödyn eikä tutkimuskohteen yleisen kiinnostavuuden kriteereillä. Samalla on vaarana, että tällainen ”perustutkimus” lakkaa olemasta tiedettä. Paitsi että se tällöin menettäisi yleisen kiinnostavuutensa, keskipitkällä aikavälillä sillä olisi todennäköisesti hyvin negatiivinen vaikutus myös niihin sovelluksiin ja ylipäänsä yhteiskuntaan.

Yksi viime aikoina yhteiskunnan tukemista hankkeista on avoimen saatavuuden julkaiseminen. Taaskin idea on erinomainen: pyritään saamaan tieteelliset tulokset kaikkien avoimesti luettavaksi. Viime vuosina tähän on satsattu paljon. Esimerkiksi EU:n Horizon 2020 –hankkeissa velvoitetaan julkaisemaan tulokset avoimen saatavuuden julkaisuissa, ja tätä tuetaan erillisellä julkaisurahalla. Avoin saatavuus nimittäin maksaa, mutta lukijan sijaan tutkijoille. Monessa julkaisussa kun avoin saatavuus tarkoittaa sitä, että tutkimusryhmä maksaa yleensä joitain tuhansia euroja julkaisijalle saadakseen artikkelinsa avoimeksi.  Tuo raha tulee pääosin verorahoitteisista tutkimusprojekteista. Julkaisemiskulut ovat toki edelleen melko pieni prosentti tutkimuksen kokonaiskuluista. Huippujulkaisuvaatimuksen ja avoimen saatavuuden tuen yhdistelmä on vaarallinen: ei ole selvää onko julkaisijoilla riittävää insentiiviä pitää avoimen saatavuuden kuluja alhaalla. Tästä on toki keskusteltukin esimerkiksi Nature-lehdessä.

Jos yhteiskunta rahoittaa tutkimusta yliopistoissa, sitä edustavilla päättäjillä on ehdottomasti oikeus sanoa, mitä tutkimukselta haluaisivat. Mutta kannattaa pitää mielessä, että usein saa juuri sen, mitä halusi – mutta ei välttämättä sitä mitä tavoitteli.

Teksti on julkaistu Suomen Akatemian verkkolehdessä 23.11.2015.

Monesta on moneksi

Ruislinnun laulu korvissani,tähkäpäiden päällä täysikuu.

Kiihkoreduktionistisen idean mukaan runon voi ymmärtää vain pilkkomalla sen pienimpiin mahdollisiin osiin. Ruislintu (Crex crex) on rantakanalaji, joka muodostuu yhdistelmästä atomeita, ja nekin voi pilkkoa pienempiin osiin, tämänhetkisen tietämyksen mukaan pääosin kvarkkeihin, gluoneihin ja elektroneihin. Laulu on ilmamolekyylien akustista värähtelyä, joka siirtyy korvan simpukassa olevan basaarikalvon värähtelyjen myötä aivojen kuuloalueelle ja siitä eteenpäin aistimukseksi. Täysikuukin on atomijoukko, vaikka joidenkin varhaisten kvanttimekaniikan tulkitsijoiden mukaan se ei ehkä ole taivaalla, kun sitä ei katsota.Toisaalta yllä olevan runon voisi jakaa sanoiksi ja edelleen kirjaimiksi tosiolevaa etsiessään. Kirjaimista tulee runo kun miellämme sen osaksi ”efektiivistä kuvailua, olemassaolon portteja joiden läpi kuljemme matkatessamme aineen perustasolta, tosiolevaisen ytimestä, meille tuttuun arkitodellisuuteen”, kuten Kari Enquist kuvailee emergenssiä mainiossa – ja jopa runollisessa – kirjassaan Olemisen porteilla.

Näyttää siltä, että vuosituhannen vaihteessa Suomessa vallinnut kiihkeä keskustelu reduktionismin ja emergenssin suhteesta tieteessä on vaiennut. Ovatko osapuolet kaivautuneet liian syvälle poteroihinsa, vai ajattelevatko kaikki kyseisen keskustelun olevan vanhanaikaista? Omalla alallani fysiikassa keskusteluun on tullut maailmalla uusia avauksia. Fyysikot eivät kyseenalaista reduktionistisen lähestymistavan saavutuksia, jossa vaikkapa suuri osa aineen fysikaalisista ominaisuuksista on saatu palautettua sen atomirakenteesta lähteviksi. Harva myöskään väittää, että monen atomin systeemeiden kuvauksessa tarvittaisiin joitain emergenttejä lisäkenttiä, joita ei yhden tai kahden atomin systeemissä ole. Kuten nobelisti Philip Anderson tekstissään ”more is different” jo 1972 kertoi, fyysikoiden kuvaamien systeemien emergentti kuvaus lähtee reduktion tuottamasta lähtökohdasta. Jostain syystä populaarikirjallisuudessa ja vaikkapa koulujen fysiikan opetuksessa vallalla näyttäisi olevan tätä paljon voimakkaampi oletus, jonka mukaan ”perusluonnonlakien” perusteella voidaan periaatteessa johtaa kaikkien siitä seuraavien systeemien ominaisuudet.

Paino on sanalla ”periaatteessa”. Käytännössä johdettavuus on vaikeaa jo melko pienen hiukkasmäärän osalta. Massachusetts Institute of Technologyn professori Xiao-Gang Wen selittää tätä kirjansa Quantum Field Theory of Many-Body Systemsensimmäisessä luvussa. Hän kertoo kuinka kirjan kirjoittamisen aikoihin 2000-luvun alussa suurin supertietokoneella täsmällisesti simuloitavissa oleva vuorovaikuttava elektronisysteemi oli peräti 13 elektronin kokoinen, kaksi enemmän kuin 20 vuotta aiemmin. Tietääkseni nykyään luku on noussut huimaan kuuteentoista. Vertailukohtana nanoelektroniikassa mitattavassa kymmenen nanometriä (millimetrin sadastuhannesosa) kertaa kymmenen nanometriä kokoisessa palasessa grafeenia on noin kymmenen tuhatta elektronia. Ja vaikka ottaisimme elämäntehtäväksemme laskea koko tuon mitättömän pienen kappaleen eksaktin elektronirakenteen, ja lopulta eläkeiän kynnyksellä onnistuisimme (kvanttitietokonetta käyttämällä, edes koko havaitun maailmankaikkeuden suuruinen klassinen tietokone ei voisi tallentaa vaadittavaa tilavektoria), emme pystyisi vertaamaan tulostamme riittävän tarkkoihin kokeisiin. Jos jokin meille tuntematon superolio olisi mitannut tuon grafeenilappusen energiatasoja koko maailmankaikkeuden iän, kvanttimekaniikan perustuloksiin kuuluvan Heisenbergin epämääräisyysperiaatteen mukaan hän (vai se, onko superolioilla henkilöllisyys?) ei olisi saavuttanut vielä lähellekään tarkkaan vertaamiseen vaadittavaa mittaustarkkuutta. Johdettavuus peruslaeista on siis uskon eikä käytännön asia.

Monen kappaleen systeemien ominaisuuksia on siis joskus vaikeaa ja usein mahdotonta selvittää suoraan yksittäisiä hiukkasia kuvaavasta ”fundamentaalista” teoriasta. Niille myös tulee ominaisuuksia, joita yksittäisillä hiukkasilla ei ole. Philip Andersonin teksti kuvaa spontaania symmetriarikkoa. Siinä monen kappaleen systeemi valitsee tilan, joka olemassaolollaan rikkoo yksittäisten hiukkasten ominaisuuksia kuvaavan teorian perustavaa laatua olevan symmetrian. Vaikkapa veden jäätyminen tai raudan magnetoituminen ovat tuollaisia symmetrian spontaanisti rikkovia tapahtumia. Periaatteessa, jos odotamme riittävän kauan (ilman että lämmitämme vettä yli nolla-asteiseksi), kvanttimekaniikka mahdollistaa tuon systeemin tunneloitumisen vastaavaan jotenkin toisin symmetrian rikkovaan tilaan, ja siten pitkällä aikavälillä rikkoutunut symmetria ei ole hiukkasjoukon ”todellinen” ominaisuus. Ison systeemin tapauksessa tunneloitumiseen vain saattaa kestää paljon pidempään kuin maailmankaikkeuden ikä. Siten itse rikkoutuneen symmetrian kuvaus on monen hiukkasen systeemin ominaisuuksia kuvatessa usein olennaisempi (fundamentaalimpi) osa kuin systeemin yksittäisten hiukkasten ominaisuudet.

Nobelisti Robert Laughlin menee pidemmälle. Hän kuvaa kuinka useimmat ”fundamentaalit” maailmankaikkeuden peruselementit kuten vaikkapa aika-avaruuden tyhjiö ovat ymmärrettävissä emergentteinä monen kappaleen systeemeinä. Jos tekee mittauksia, joissa monta hiukkasta esiintyy yhtenä kokonaisuutena, ei noiden mittausten perusteella pysty sanomaan onko kokonaisuutta kuvaava teoria ”totuus” vai ”vain” emergentti efektiivinen teoria. Jos mittauksissa ei päästä tuon pidemmälle, totuutta ei voi erottaa efektiivisestä teoriasta. Reduktion rinnalle maailmankaikkeuden ja kaiken selityksessä kannattaakin ottaa ajatus kaikkien (myös niiden fundamentaaleimpien) luonnonlakien emergentistä luonteesta ja miettiä mitkä ominaisuudet parhaiten kuvaavat monen hiukkasen systeemin ominaisuuksia silloin, kun yksittäisten hiukkasten (mitä ne ovatkaan) ominaisuudet eivät näy. Aalto-yliopistossa työskentelevän fyysikon Grigori Volovikinmukaan monen kappaleen systeemien luonnehtimiseen perinteisten luonnon neljän perusvuorovaikutuksen rinnalle jollei ohi olisi otettava toinen neljän lista: kvanttimekaniikka, termodynamiikka, symmetria, ja topologia. Kahta ensimmäistä opetetaan jo lukiossa, kolmas luonnehtii systeemin muuttumattomia ominaisuuksia tietyissä muunnoksissa (neliö säilyy samana jos sitä pyörittää 90 astetta kerrallaan, suorakulmio vain jos pyöritys on 180 astetta, ja ympyrä on symmetrinen mielivaltaisille pyörityksille), mutta neljäs listan jäsen on hankalammin selitettävissä. Topologiaa on alettu käyttää aineen ominaisuuksien kuvauksessa vasta viimeisen muutaman vuosikymmenen aikana. Sitä voi kuvata vaikkapa kumilenkin avulla. Tietyllä tavalla muotoiltuna kumilenkillä voi olla jokin tietty symmetria – se voi olla esimerkiksi pyöreä. Lenkkiä venyttämällä symmetrian saa kuitenkin helposti rikottua. Yksi kuitenkin säilyy: niin kauan kuin venytys pysyy tietyissä rajoissa, kumilenkki muodostaa lenkin, eli kumi rajaa avaruudesta alueen, ”reiän”. Lenkin topologia kuvaa siis lenkin sulkemien reikien lukumäärää (yksi). Aineen topologisen luokittelun saavutuksiin kuuluu perinteisten eristeiden ja johteiden luokkien laajentaminen topologisiin eristeisiin ja topologisiin puolimetalleihin.

Puhtaan reduktion sijaan voisimme puhua eri parametrialueilla pätevistä teorioista ja niiden hierarkiasta, jossa efektiivinen teoria emergoituu aina ylemmän energian ”mikroskooppisesta teoriasta”. Fyysikko jaottelee pätevyysalueet kvantitatiivisesti niille ominaisen energia-alueen mukaan. Jos jalkapalloa potkaisee normaalilla voimalla, se reagoi potkuun yhtenä kappaleena. Riittävän energinen potku kuitenkin paljastaa pallon ”todellisen” luonteen, kun se hajoaa yksittäisiksi nahkapalasiksi. Taitava pakistanilainen lapsityöläinen saa koottua palasista jalkapallon, mutta luonnontieteissä yhden tason efektiivistä teoriaa ei välttämättä pysty suoraan johtamaan ylemmän (korkeamman energian) tason mikroskooppisesta teoriasta. Samalla tavoin kuin nahkasta voi pallon sijaan tehdä vaikkapa takin, yhden mikroskooppisen teorian alla voi olla useita systeemeitä, joita kuvaa erilainen matalan energian efektiivinen teoria. Toisaalta on jopa niin, että samankaltaisia efektiivisiä teorioita voi saada useammastakin mikroskooppisesta teoriasta. Yleensä relevantit matalaenergiateoriat riippuvatkin pikemminkin rajoitusehdoista – jotka siis muodostavat Volovikin neljän listan – kuin taustalla olevasta korkeaenergiateoriasta. Ajatuksena on, toisin kuin jotkut reduktionistit ehkä väittävät, että eri energia-alueiden teorioiden ero on pikemminkin kvantitatiivinen kuin kvalitatiivinen.

 Anderson päättää oman tekstinsä viitaten Pariisissa vuonna 1920 käytyyn Scott Fitzgeraldin ja Ernest Hemingwayn oivaltavaan keskusteluun kvalitatiivisen ja kvantitatiivisen eroista:

Fitzgerald: Rikkaat ovat erilaisia kuin me.
Hemingway: Kyllä, heillä on enemmän rahaa.

Hyvää kesää! Toivottavasti se emergoituu lukijalle riittävän aurinkoisena ja rentona.

Teksti on julkaistu Suomen Akatemian verkkolehdessä 15.6.2015.

Ristiriitaisia ankkoja lammikossa

Kuuluisin tieteen kansantajuistamisprojekti taisi olla Galileo Galileilla, jonka taistelu katolista kirkkoa vastaan päätyi lopulta Galilein voitoksi: useimpien nykyihmisten mielestä maa taitaa sittenkin pyöriä auringon ympäri. On oikeastaan ihmeellistä miten hyvin asia on iskostunut myös kadunmiehen tietoisuuteen. Tämä saattoi johtua siitä, että tieto maapallon liikkeestä avaruudessa yhdistyi katolisen kirkon ja uuden luonnontieteen väliseksi ristiriidaksi. Auktoriteetti vastaan uudet menetelmät. Paavin inkvisitio vastaan nöyrä tiedemies. Maapallo kaiken keskuksena vastaan aurinko ja linnunrata.

Tätä blogia miettiessäni olen pyöritellyt mielessäni kahta aihetta: luonnontieteen popularisoinnin vaikeuksia ja yliopistojen virkanimityksiä. Keksin hauraan punaisen langan yhdistämään nämä: ristiriita ja sen puute. Alkuperäinen ajatukseni oli, että suomalainen voi saada professuurin Suomessa vain, jos edustaa tiettyä oppisuuntaa, tai on tiettyjen vaikutusvaltaisten ihmisten ”tieteellinen jälkeläinen”. Kun tutkin tarkemmin tätä väitettä, piti heti laimentaa omaa kantaa. Ei se nyt ihan niin ollutkaan – kyllä professoriksi voi päästä ilman suhteitakin, mutta paljon vaikeampaa se on. Tiettyä tieteellistä sukulinjaa todennäköisesti suositaan, koska nämä valinnat ovat virantäyttöryhmille turvallisia. Yhteistyö onnistuu, kun kaikki ratkovat ongelmia samalla tavoin. Myös valitsijan oma asema vahvistuu, kun ympärille tulee enemmän omanlaisia ihmisiä. Suomen pienessä tieteen ankkalammikossa pärjää parhaiten uimalla samoin kuin muut. Alkuperäinen väitteeni ei kuitenkaan osoittautunut täysin totuudenmukaiseksi: kyllä siellä lammessa muitakin ankkoja uiskentelee.

Luonnontieteilijän ongelma tieteen popularisoinnissa on samankaltainen: on vaikea esittää mitään väitettä ennen kuin on sen tarkoin tutkinut, ja tutkimisen jälkeen siitä usein poistuvat ristiriidat. Kun ristiriidat poistuvat, asian kiinnostavuus häviää. Suurta yleisöä kiinnostavat kiistanalaiset asiat, väitteet, joihin voi ottaa kumman kannan vain. Puolesta tai vastaan.

No, on niitä luonnontieteissäkin ristiriitoja. Omalla alallani runsas kymmenen vuotta sitten riideltiin siitä, ovatko itäisen naapurimaan suurimman teoreetikon mukaan nimetyt Landaun kvasihiukkaset hyvin määriteltyjä nollalämpötilassa. Kysymys on ihmisen arjen kannalta vähintään yhtä tärkeä kuin se kiertääkö maapallo aurinkoa vai toisin päin. Lähes koko kiinteiden aineiden sähköisiin ominaisuuksiin liittyvä ymmärryksemme pohjautuu Landaun kvasihiukkasiin. Itse asiassa kvasihiukkasten määriteltävyyttä ei ole aukottomasti todistettu, mutta konsensus taitaa pitää Landaun teorian puolta.

Paras ristiriita saadaan aikaiseksi, kun kannattaa jotain asiaa huomioimatta liikaa vastapuolen argumentteja. Pitää provosoida, jotta lukija voi olla samaa tai eri mieltä. Pitää olla joko voimakkaasti hapan tai emäksinen, eikä saa sekoittaa näitä liikaa. Toisin on yllä mainitsemassani ankkalammikossa. Siellä pitää mennä joukon mukana. Riitaäänet halutaan hiljentää, ja valinnoissa suositaan niitä, joiden lähestymistapa tutkimukseen on sama kuin vanhempien tieteenharjoittajien. Voiko se olla Suomen etu? Johtaako se moniääniseen yliopistoon?

Kirjoitin ensimmäisen version tästä blogitekstistä vuosi sitten kolmea virantäyttöä seuratessani. Näin konkreettisesti, miten lammikon ankat valitaan. Itse olen nyt onnellisesti professorina Jyväskylän yliopistossa, joten täällä sitä vaakutaan.

Teksti on julkaistu Suomen Akatemian verkkolehdessä 22.4.2014. 

Kuka päättää mistä sinä olet kiinnostunut?

Olin hiljattain Aalto-yliopiston järjestämässä mediakoulutuksessa. Kouluttaja kertoi kuinka tutkijoiden pitää kilpailla suuren yleisön mielenkiinnosta mitä erilaisimpia aiheita vastaan. Esimerkkeinä hän kertoi viime aikojen suurista keskustelunaiheista – vaalirahaskandaalista, kouluammunnoista ja ex-presidentin kissasta. On mahdotonta arvata, mistä viiden vuoden päästä puhutaan. Minä toiveikkaana ehdotin tiiviin aineen fysiikkaa.

On kiinnostavaa miettiä mikä määrää ihmisten kiinnostusten kohteen. Yksi selkeä syy on aiheen läheisyys. On helpompaa olla kiinnostunut vaikkapa lasten koulukaverien perheen lemmikkihankinnasta kuin siitä saavatko lapset tarpeeksi ravintoa Sahelin alueella Afrikassa. Toisaalta presidentin kissakuulumisten kiinnostavuus johtuu siitä, että meidät on mediassa opetettu olemaan kiinnostuneita poliitikkojen arjesta. Myös iltapäivälehtien Nykäs-uutisten myynti perustuu pitkälle lukijoiden huolelliseen kouluttamiseen.

Joissain tiedejulkaisuissa käytetään samanlaisia tapoja lisätä yleisön kiinnostusta kyseisiin lehtiin. Muotiaiheet saavat paljon palstatilaa. Näille lehdille on myös edullista luoda tieteen tähtiä, joiden nimiä käyttämällä vaikeakin juttu saadaan myytyä. Kollegani kutsui kyseisiä lehtiä englannin sanalla ”glossy”, kiiltävä – kunnes sitten tietenkin sai itse kutsun kirjoittaa yhteen niistä.

Vapaassa maassa kukin saa olla kiinnostunut aivan mistä haluaa. Ongelmana on vain se, että osa kiinnostuksemme aiheista tulee median luomasta tuttuuden tunteesta. Näitä aiheita en olekaan valinnut minä vaan toimittajat siinä välissä. Luonnontieteistä kiinnostuneen kannalta ongelmallista on, että useimmat toimittajista ovat humanisteja. He eivät usein lähtökohtaisesti ole kiinnostuneita luonnontieteistä. Vaikka voisi hyvin olla, että median kuluttajista suuri osa periaatteessa voisi kiinnostua tiiviin aineen fysiikasta ja sen avoimista ongelmista, he eivät niistä tiedä, koska tutkijan ja lukijan välissä on toimittaja. Ja toimittaja usein valitsee mikä on mielenkiintoista ja mitkä asiat kannattaa liittää osiksi lukijan/kuulijan/katsojan arkipäivää.

Kyse ei ole pelkästään viihdehömpästä. Vertailkaapa Helsingin Sanomien kulttuuri- ja tiedeosioita. Kulttuuriuutisia on joka päivä useita sivuja, tiedettä on pari sivua viikossa. Okei, ehkäpä useampi ihminen luonnostaan on kiinnostunut vaikkapa populaarimusiikista kuin siitä laajeneeko avaruus, mutta onko niin, että klassinen musiikki on kymmenen kertaa kiinnostavampaa kuin tiede?

Suomen parhaat luonnontiedeohjelmat tulevat Ylen Ykköseltä. Sielläkin tehtiin viime aikoina muutoksia, joissa tiedeaiheita vähennettiin ja pyrittiin niiden ”viihteellisempään” käsittelyyn. Oliko syynä kuulijoilta saatu palaute? Tuskin, veikkaan että valinta johtui päättävässä portaassa olevista humanisteista. Kuulemma muuten kuulijamääräkin on näillä ohjelmilla sittemmin pudonnut.

En yleensä lue iltapäivälehtiä. Lupaan kuitenkin heti ostaa lehden, jonka lööpissä on kirkuvin kirjaimin: ”Fyysikot löysivät Majorana-fermionin!”.

Teksti on julkaistu Suomen Akatemian verkkolehdessä 8.4.2013. Sen jälkeen ilahduttavasti Helsingin Sanomat on ruvennut julkaisemaan päivittäin tiedeuutisia, ja niiden tasokin on selvästi parantunut. Suomen tiedejournalismi on ehkäpä vielä melko ohutta, mutta suunta on kohti parempaa.

Tuote nimeltä tutkija

Moni tutkija toimii nykyään yksityisyrittäjän tavoin: rahoitus omaan ja tutkimusryhmän palkkaan on haettava ”markkinoilta” eli rahoittajilta, mutta toisaalta voi ja pitää itse määrätä mihin suuntaan työtä suuntaa. Yliopisto toimii yrityshotellina, josta voi rahoitusten overheadeilla (mitä tuo on suomeksi?) ostaa tila-, taloushallinto- ja muita palveluja.

Tutkijan on myös myytävä oma tuotteensa vaativille markkinoille, pääosin omille kollegoilleen. Myyntityöhön ei riitä hyvä tuote eli tutkimustulos, vaan sitä on myös ahkerasti markkinoitava alan messuilla eli konferensseissa. Myös kahdenkeskiset yhteydenotot ovat suotavia. Hiukan ehkä normaalista yritysmaailmasta poikkeaa se, että tutkimustuloksen julkistuksen jälkeen tutkija toivoo, että mahdollisimman moni rupeaisi sitä kopioimaan, tietenkin sillä ehdolla että viittaukset alkuperäistyöhön ovat kunnossa.

Tällaisessa maailmassa tutkijan on brändättävä paitsi ideansa, myös itsensä. Omat www-sivut ovat must, kutsutut puheet isoissa kokouksissa nostavat brändiarvoa ja helpottavat viestin läpimenoa. Tutkijan mukaan nimetty teoria, yhtälö, menetelmä tai muu tuote nostavat tutkijan nimen kuolemattomaksi. Ainakin pariksi seuraavaksi vuodeksi.

Mutta onko tuo kaikki hyvä asia? Tieteen kehityksen kannalta on tärkeää, että mahdollisimman suuri osa tutkijoista nimenomaan pyrkisi tuottamaan alkuperäisiä ideoita. Periaatteessa se, että joudumme myymään tuotteemme voi johtaa tähän. Samalla kuitenkin markkinoiden ehdoilla toimiva tiedemaailma on muotien vietävissä: Epämuodikasta mutta alkuperäistä tutkimusta tekevä tutkija ei saa virkoja tai lisärahoitusta. Kaikki munat pyritään keräämään samaan koriin. Tällaisessa maailmassa matemaatikko Andrew Wilesin tarina on mielestäni rohkaiseva: Vuonna 1986 hän päätti keskittyä pelkästään yhteen ongelmaan ja työskenteli sen parissa seuraavan vuosikymmenen. Vuonna 1993 hän esitti julkisuuteen ensimmäisen ratkaisun, ja kun siitä löytyi vielä aukkoja, hän käytti vielä kaksi vuotta ne tukkiakseen. Tuloksena oli 1600-luvulla eläneen matemaatikko Pierre de Fermat’n kuuluisan viimeisen teoreeman todistus.

Sitä ei tarvinnut erikseen brändätä.

Teksti on julkaistu Suomen Akatemian verkkolehdessä 9.10.2012.

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

Vastustan auktoriteetteja, mutta haluaisin olla sellainen

Kävin Espoon modernin taiteen museossa EMMAssa katsomassa Joan Miron näyttelyä. Kuten usein käy, näyttely herätti ajatuksia. ”Miksi juuri nämä työt koetaan huipputaiteeksi eivätkä jotkin toiset?” ”Kuka päättää sen kuka on huipputaiteilija?” Miron veistosten taidokkuuden näkee jo minun kaltaiseni maallikkokin, tosin niiden sisällön tulkinta on sitten hankalampaa. Maalauksista tulee mieleen ensimmäiseksi ajatus, että omat lapseni olisivat voineet maalata samanlaisia. Miksi siis he eivät ole taiteessa samassa asemassa kuin Miro?

Kuten taiteessa, myös tieteessä meidän kuolevaisten tutkijoiden yli nostetaan usein tähtiasemaan valikoituja tieteilijöitä. Enkä nyt tarkoita pelkästään Einsteinia ja Feynmania, vaan vaikkapa ihan oman alani trendsettereitä, jotka ovat ehkäpä vieraita yleisölle, mutta tunnettuja alan piirissä. Tämä korostuu erityisesti teoreettisessa fysiikassa kokeellisiin tieteisiin nähden, tosin uskoisin humanistisissa tieteissä tapahtuvan samoin. Toisten ajatuksia kuunnellaan enemmän kuin toisten. Suuri osa tutkijoista haluaisi päästä jopa auktoriteettiasemaan, eli määräämään mikä tieteessä on juuri nyt mielenkiintoista. Ja tunnustan itsekin siitä välillä unelmoivani. Joillekin se näyttää olevan jopa elämän tarkoitus, ja asemaan pyritään kaikin keinoin. Auktoriteeteilla on kuitenkin tieteessä vähän horjuva asema. Ihmiselle on luontaista, ja monesti edullistakin, seurata noita auktoriteetteja. Toisaalta nimenomaan auktoriteetteja kyseenalaistamalla tiede kehittyy.

Auktoriteetit ovat toki hyödyllisiä. Jos joku on saanut jonkinlaisen kollektiivisen arvostuksen omalla alallaan, moni on todennut hänen ideansa hyviksi. Tällaiseen tutkijaan on helpompi luottaa kuin johonkuhun toiseen, vaikka itse ei olisikaan päässyt suoraan arvioimaan hänen kykyjään. Jos nobelisti epäilee tekemäni oletuksen pitävyyttä, suhtaudun asiaan paljon vakavammin kuin jos epäilijänä on kurssini perusopiskelija. Tässä piilee kuitenkin myös auktoriteettien vaara. Nobelisti voi olla väärässä siinä missä perusopiskelija on oikeassa.

Museoesittelijän kanssa juteltuani ymmärsin, ettei ajatukseni Miron maalausten samankaltaisuudessa tyttärieni taiteeseen ollut aivan kerettiläinen. Miro oli nimenomaan tavoitellut lapsenomaisuutta, joskin jossain mielessä työt olivat tähän liiankin huoliteltuja.

Modernit taiteilijat – nekin jotka nyt nähdään auktoriteetteina – taisivat olla lopulta saman kysymyksen edessä. Toisaalta oli hyvä saada ideoita aikaisemmilta suuruuksilta, toisaalta oli tärkeää luoda oma näkemys. Taide ei ole hyvää siksi, että joku (ylhäältä päin) sanoo sen olevan, vaan olennaista on yleisön kokemus. Ja uudet ajatukset joita taide herättää. Kiitos Mirolle ja EMMAlle niistä.

Blogiteksti on julkaistu Suomen Akatemian verkkolehdessä 13.6.2011

Ymmärtämättömyydellänikö

Monen ulkopuolisen mielestä tieteessä on tärkeää tietää. Me tutkijat tiedämme, että vielä tärkeämpää on tietää mitä ei tiedä, koska juuri tietämättömyydessä on uuden tiedon siemen. Lause ”en ymmärrä” kuulostaa toivottoman opiskelijan lausahdukselta tenttipäivän aamuna. Parhaimmillaan kuitenkin juuri tuossa lauseessa piilee toivo paremmasta. Ehkäpä jonain päivänä ymmärrän. Ainakin jotain.

Parhaimmat tutkimusprojektini ovat lähteneet juuri tuosta ymmärtämättömyyden tilasta. On ollut tunnettu koeasetelma, johon on pitänyt lisätä jokin uusi elementti. Aluksi ei ole selvää, miten tuo uusi elementti vaikuttaa oikein mihinkään, ja ongelma näyttää hahmottumattomalta mössöltä. Hiljalleen alan – tai yleensä kollegoideni kanssa alamme – ymmärtää mitä emme asiassa ymmärrä. Keksimme kysymyksiä, joihin on mielekästä hakea vastauksia. Tässä vaiheessa projekti on jo edennyt sen yhden prosentin inspiraatiovaiheen yli. Jäljellä on enää yhdeksänkymmentäyhdeksän prosenttia perspiraatiota. Mutta ilman tuota tietoista ymmärtämättömyyttä hiki valuu hukkaan eikä käteen (tai päähän) jää mitään.

Ai niin, tässä vaiheessa on syytä todeta, että olen teoreettinen fyysikko. Olen töissä kokeellisen fysiikan laboratoriossa, joten pyrin yleensä luomaan malleja erilaisista koetilanteista. Uskon kuitenkin, että yllä kuvaamani asetelma on melko yleinen, ja se pätee niin luonnontieteilijöiden kuin humanistienkin projekteihin. Tai ainakin osaan niistä. Koen, että omassa työssäni yksi tärkeimmistä tehtävistäni on identifioida tutkimusprojekteissa asiat, jotka olisi hyvä ymmärtää, mutta joita emme syystä tai toisesta ymmärrä. Tietenkin sitten se hikoilukin on oleellista, eli vastausten hakeminen.

Teoreettinen fysiikka edistyy usein hyvien kysymysten löytymisen kautta. Suprajohtavuuden teorian Nobelin palkinto meni ryhmälle, jossa kerran ihmeteltiin mitä tapahtuisi, jos elektronit eivät hylkisi toisiaan, vaan vetäisivät luokseen. Yksi nykytutkimuksen muotialoista on topologiset eristeet. Ala syntyi, kun muutama teoreetikko mietti miten voisi luonnehtia jotenkin yksinkertaisesti erityyppisten kiinteiden aineiden elektronirakenteita. Tätä oli tehty kymmeniä vuosia, mutta yleensä tulos oli monimutkaisia käyriä, jotka useimmille näyttivät hahmottomalta mössöltä. Nämä teoreetikot keksivät, että elektronirakennetta voi luonnehtia erilaisilla topologisilla invarianteilla, jotka yhtenäistävät elektronirakenteesta saatua tietoa. Tässäkin tapauksessa kysymys oli yhtä tärkeä kuin vastaus.

On tietenkin kaksi tapaa suhtautua lauseeseen ”en ymmärrä”. Alistuva, ”enkä tule koskaan ymmärtämäänkään”, ja mahdollistava ”ehkä joskus ymmärrän”.  Jälkimmäinen on hyvän tieteen ydin.

Blogiteksti on julkaistu Suomen Akatemian verkkolehdessä 23.11.2010. 

Ajattelin taas aktivoitua bloginkirjoittajana. Olen kirjoitellut viimeisten muutaman vuoden aikana blogeja Suomen Akatemian verkkosivuille. Siirrän ne seuraavaksi myös tänne, joten vanhojakin tekstejä voi kommentoida. Sen jälkeen ajattelin hiljakseen kirjoittaa tekstejä aiheesta "fysiikan suuria ajatuksia". Tarkoituksenani on popularisoida ajatuksia, jotka ovat innoittaneet minua ne kohdatessani. Nyt heti mieleeni tulee seuraavia:
- Skaalainvarianssi
- Symmetrian ja säilymislakien yhteys
- Topologinen suojaus, eli miksi kokonaisluvut ovat jämäkämpiä kuin reaaliluvut.

Näistä varmaan nyt sitten kirjoitan lähiviikkojen aikana, kun inspiraatio iskee. Samalla tullee mieleen sitten muutakin.

Onko Kaiken Teoria nollatutkimusta?

Onko Kaiken Teoria nollatutkimusta?

Kari Enqvistin mukaan hiukkasjoukkojen ominaisuuksia kuvaavat teoriat eivät lisää mitään yksittäisiä hiukkasia ja niiden vuorovaikutuksia kuvaavaan teoriaan. Pikemminkin ne vähentävät huomattavan määrän informaatiota kaikkia yksittäisiä hiukkasia erikseen kuvaavasta teoriasta. (Tarkka sitaatti: "Emergenssi on nimenomaan ymmärrettävissä reduktionismin puitteissa ja johtuu informaation katoamisesta".) Matemaattisen realismin mukaan yksittäisten ja monien hiukkasten välinen siirtymä on pelkkä siirtymä matemaattisessa kuvauksessa. Voin tehdä siis analogian Enquistin emergenssikäsityksestä lukuteoriaan. Lukuteorian mukaan kaikki luonnolliset luvut voidaan "konstruoida" nolla-alkiota monistamalla (Peanon aksioomat) ja kokonaisluvut saadaan mukaan hyväksymällä negatiiviset luvut. Toisaalta murtoluvut voidaan konstruoida kokonaisluvuista, ja reaaliluvut saadaan mukaan täydentämällä murtoluvut äärettömien lukujonojen raja-arvoilla. Reaaliluvuista voidaan siirtyä moniulotteisiin vektoreihin ja ääretönulotteisiin funktioavaruuksiin samanlaisilla konstruktioilla. Funktioavaruuksien teoria on jo lähellä fyysikoiden kaiken teoriaa. Enquistin käsityksen mukaan tässä kaikessa ei lisätty mitään relevanttia informaatiota, eli "kokonaisuus on vähemmän kuin osiensa summa". Toisin sanoen, Enquistin mukaan Kaiken Teoria on sama tai vähemmän kuin nolla-alkio. Nollatutkimusta?

Reikämäisyyden laskemista ja sen sellaista

Viime blogitekstistäni on nyt lähes kolme vuotta. Kirjoittaminen ei ole koskaan ollut vahvin puoleni, useimmiten tekstiä joutuu puristamaan ulos. Joskus tosin se vain tulee jostain automaattisesti. Itse asiassa alkuperäinen blogini idea oli harjoitella vapaata kirjoittamista - vastakohtana tieteellisten artikkelien hitaalle työstämiselle. Ehkäpä siitä olisi apua toisaalta tieteen popularisoinnissa, toisaalta myös parempien tieteellisten "papereiden" kirjoittamisessa.

Olen huomenna lähdössä Espanjaan konferenssiin, jossa minulla on kutsuttu puhe. Aiheeni on itselleni uusi, se liittyy viimeaikojen fysiikan muoti-ilmiöön eli topologisiin aineisiin. En ole aiheen huippuasiantuntija, joten puheessa pitää sanat asetella tarkkaan. Kuulijoissa nimittäin noita huippuasiantuntijoita riittää.

Topologisten aineiden idean kansantajuistaminen on haasteellista. Siispä yritän sitä tässä. Fysiikassa on kaksi tapaa luokitella aineita: niiden symmetrian ja topologian mukaan. Lisäksi sitten molempia voi ilmetä niin helpommin käsitettävässä reaaliavaruudessa kuin hieman haasteellisemmassa liikemääräavaruudessa. Viimeaikainen huomio on keskittynyt erityisesti aineiden topologiseen luokitteluun liikemääräavaruudessa.

Topologinen luokittelu on kuitenkin helpointa havainnollistaa reaaliavaruudessa. Tyypillisin esimerkki on vertailla donitsia ja korvatonta tai korvallista kahvikuppia. Matemaattinen topologi laskee näiden esineiden reikien määrän. Esineiden yksityiskohtainen muoto ei ole tärkeää, koska erilaisin koordinaattimuunnoksin niitä voidaan muotoilla mielin määrin. Mutta reikiä ei saa hävitettyä koordinaattimuunnoksilla. Siten donitsi on samassa topologialuokassa korvallisen kahvikupin kanssa (yksi reikä), mutta eri luokassa kuin korvaton kahvikuppi (reikiä nolla).

Liikemäärän topologisessa luokittelussa käytetään hyväksi hiukkasten (yleensä elektronien) dispersiorelaatiota eli energian ja liikemäärän välistä yhteyttä. Vapaassa avaruudessa elektroneilla on massa, ja niiden suhteellisuusteoreettinen energia voidaan lausua muodossa

E^2 = m^2 c^4+ p^2 c^2, missä ensimmäinen termi on Einsteinin löytämä massaan liittyvä energia ja toinen on liikemäärään p liittyvä energia (c on valon nopeus). Tällaisella energialla ei ole nollakohtia liikemääräavaruudessa, eli "reikiä". Valokvantit eli fotonit ovat massattomia, joten energia on lineaarinen liikemäärän funktio: E=cp. Tällaisella relaatiolla on nollakohta (kun p=0), joka vastaa tuota topologisen luokittelun reikää. Koordinaattimuunnoksilla ei reikien määrää pysty muuttamaan, eli tuo määrä on hiukkasia luokitteleva ominaisuus. Itse asiassa hiukkasfysiikassa hiukkaset voidaan luokitella niiden topologisten varausten mukaan.

Väliaineissa elektronien dispersiorelaatio on vapaata avaruutta monimutkaisempi. Eristeissä energialla ei ole nollakohtia, vaan suhteellisuusteoreettista massatermiä vastaa niiden energia-aukko johtavuus- ja valenssivyön välillä (tai itse asiassa tuo aukko on kaksi kertaa tuon energian massatermin kokoinen). Johteilla on nk. Fermi-pinta, jossa energia on nolla. Fermi-pinnalle voidaan määritellä nk. topologinen invariantti, joka kuvaa tuota dispersiorelaation reikäisyyttä. Viimeisen vuoden aikana on kiinnostuttu semimetalleista (en tiedä onko puolimetalli oikea käännös, koska on olemassa myös "half-metal" -niminen aine). Kun metalleissa Fermipinnan dimensio on yleensä yhden avaruuden dimensiota pienempi (esim. kolmiulotteisten rakenteiden Fermipinta on kaksiulotteinen), puolimetalleissa se on tätä pienempi, eli kolmiulotteisissa materiaaleissa joko nollaulotteinen piste tai yksiulotteinen viiva. Tunnetuin esimerkki on kaksiulotteinen grafeeni (ks. aikaisemmat blogini), jonka elektronien dispersiota kuvaa kartiomainen Diracin dispersio - eli sama kuin fotonilla paitsi että valonnopeus on muutettu Ferminopeudeksi. Liikemääräavaruudessa on siis piste jossa energia menee nollaan. Nyt topologinen invariantti ei kuitenkaan mittaa pelkästään nollien määrää, vaan myös niiden laatua. Lineaariselle dispersiolle E=vp invariantti saa arvon yksi. Kaksitasografeenissa dispersio onkin kvadraattinen, muotoa E=a p^2, missä a liittyy tasojen väliseen kytkentään. Tässä tapauksessa topologinen invariantti on sitten kakkonen.

Viimeaikojen muodikkain materiaali ei ole metalli tai puolimetalli vaan topologinen eriste. Tällaisessa eristeessä johtavuustaso ja valenssivyö ovat vaihtaneet roolia, ja tästä aiheutuen materiaalille on voitu määritellä oma topologinen invarianttinsa. Topologisesti mielenkiintoiset ja triviaalit eristeet siis poikkeavat toisistaan.

Mielenkiintoiseksi topologiset aineet tekevät niiden reunatilat. Kun reikäistä materiaalia ei matematiikassa voi jatkuvilla muunnoksilla muuntaa reiättömiksi, fysiikassa topologisesti mielenkiintoista (eli jossa topologinen varaus on vaikkapa yksi) ainetta ei saa topologisesti triviaaliksi millään adiabaattisella muunnoksella eli sellaisella joka säilyttää systeemin perustilassaan. Tästä syystä topologisesti mielenkiintoisen (esim. topologisen eristeen tai puolimetallin) ja topologisesti triviaalin (esim. vakuumin) välille muodostuu nollaenergiatila, joka kuvaa siirtymää kahden eri topologisen varauksen omaavien systeemien välillä. Nuo reunatilat määrittävät useita topologisten materiaalien ominaisuuksista, mikä siis kiinnostaa fyysikoita. Yksi esimerkki tästä on vastikään ehdottamamme idea topologisesti suojatusta korkean lämpötilan pintasuprajohtavuudesta. Mutta siitä lisää ehkäpä joskus myöhemmin.

Reduktio vastaan emergenssi

Olen menossa keskustelemaan Luonnonfilosofian seuran tilaisuuteen Karin Enqvistin kanssa reduktiosta ja emergenssistä. Julkaisen tämän tekstin vasta tilaisuuden jälkeen, jottei Kari vahingossa eksy tänne etukäteen ja saa mahdollisuutta valmistaa vasta-argumentteja. Esiintymis- ja filosofointikokemuksen suhteenhan olen täysi altavastaaja.

Vedettynä äärimmilleen reduktionistien argumentti on se, että ymmärrämme luonnon jos ymmärrämme sen mikroskooppisimmat peruslait. Emme siis ymmärrä jotain luonnosta, vaan luonnon. Tämän vuoksi hiukkasfyysikoiden etsimää gravitaation ja standardimallin yhdistävää teoriaa sanotaan yleisesti Kaiken teoriaksi. On esitetty paljon argumentteja, joiden perusteella Kaiken teorian kehittäminen olisi "fysiikan loppu". Toisaalta, jos viime viikolla käynnistetty LHC ei anna vinkkejä siitä mistä suunnasta kaiken teoriaa pitäisi kehittää, "fyysikot ovat kriisissä".

Ja paskat. Jaa - tuota sanaa ei varmaan ylihuomisen keskustelussa pitäisi käyttää. Väitän, että "kaiken teoriasta" ei ole mihinkään ilman efektiivisiä teorioita. Kari Enqvistin mukaan nuo efektiiviset teoriat ovat "vähemmän kuin osiensa summa", koska ne perustuvat karkeistukseen (coarse graining) ja keskiarvostukseen. Mutta juuri nuo keskiarvot ovat niitä emergenttejä ominaisuuksia. Ei siis niinkään se kuinka suuri tuo keskiarvo on, vaan se mikä suure keskiarvostuu.

Lähtökohta on vähän niinkuin minä koulun käsityötunnilla. Opettaja antoi osat, ja minä periaatteessa pystyin rakentamaan niistä toimivan sähkömoottorin. Mutta vain periaatteessa - annetun ajan puitteissa.

Otetaanpa esimerkki nanoelektroniikasta, kubittienkin osina käytetyistä suprajohtavista yksielektronitransistoreista. Noita rakenteita kuvaa olennaisesti kaksi rakenneparametria - varautumisenergia ja suprajohtavaa kytkentää kuvaava Josephson-energia - ja kaksi tilasuuretta, yksielektronitransistorin efektiivinen varaus ja sen suprajohtavan järjestysparametrin vaihe. Nuo kaksi suuretta ovat Kari Enqvistin mainitsemia makroskooppisia keskiarvosuureita. Mutta nepä eivät ole toisistaan riippumattomia. Näitä rakenteita kuvaavasta efektiivisestä teoriasta tiedämme, että varaus on "hyvä kvanttiluku" eli hyvin määritelty kun varautumisenergia on paljon suurempi kuin Josephson-energia, ja vastaavasti vastakkaisella rajalla vaihe on hyvin määritelty. Hyvin määritelty suure tarkoittaa sitä, että kyseinen suure ei olennaisesti vaihtele, fluktuoi, ajassa. Kvanttimekaniikka nimittäin aikaansaa suureisiin epämääräisyyttä, jota voidaan kuvailla noilla fluktuaatioilla. Varauksen ja vaiheen fluktuaatioiden suuruudet riippuvat siis rakennetta kuvaavista parametreista. Ja kyllä: varauksen ja vaiheen määrittäminen on olennaista rakenteen ymmärtämiselle.

Joku voisi sanoa, että tuo suprajohtavan saarekkeen kuvailu voitaisiin periaatteessa johtaa standardimallista. Ei voitaisi. Minä määrittelen mielelläni tuon johdettavuuden sen perusteella voidaanko tämä johtaminen tehdä ihmisen kannalta mielekkäässä ajassa - tai edes maailmankaikkeuden kannalta äärellisessä ajassa. Ja juuri tuota ei käytännössä voida tehdä - ellei sitten itse suprajohtavaa saareketta kutsuta kyseisen laskun tekeväksi tietokoneeksi. Mutta jos sanomme, että luonto laskee itse suuresta yhtenäisteoriasta saatavat tulokset, voimme heittää koko tieteen romukoppaan.

Jotkut ymmärtävät emergenssin niin, että hiukkasjoukon käyttäytymiseen pitää lisätä jotain ulkoapäin, jotta se käyttäytyy niinkuin käyttäytyy. Tämä muuten pätee ihmisen biologiassa (ainakin osittain), jossa fundamentaaliksi teoriaksi voidaan kutsua genomia, ja efektiivisiksi teorioiksi solujen erilaistumista. Erilaistumiseen ainakin jonkin verran taitaa vaikuttaa solujen ympäristö - ei vain rinnakkaiset solut, vaan koko ihmisen ympäristö. Mutta fysiikassahan näin ei ole. Periaatteessa joukon ominaisuudet voidaan johtaa yksilöistä - ainakin jollemme ota mukaan johdettavuuden määritelmään yllämainitsemaani laskettavuutta järkevässä ajassa.

Olennaisempi kysymys reduktion ja emergenssin suhteesta on se kummassa syntyy enemmän ymmärrystä eli kumpi on olennaisempaa luonnon ja sen ilmiöiden ymmärtämisessä. Äärireduktionistit ajattelevat, että olennaista on vain kaiken teorian etsiminen. Lee Smolinin kirjan "Trouble with Physics" mukaan, muu on "inkrementaalista tiedettä", se lisää tietoamme maailmasta, mutta ei muuta tietämyksen perusperiaatteita. En ole samaa mieltä. Yksi olennaisimmista kontribuutioista mitä teoreettinen fyysikko voi tehdä tieteelle on nimetä jokin uusi ilmiö tai jokin uusi suure - tehdä uusi efektiivinen teoria, joka kuvaa joitain tiettyjä kokeita - tai pikemminkin antaa ennusteen siitä mitä annetussa koejärjestelyssä voisi odottaa mittaustuloksena. Usein tällaiset efektiiviset teoriat ovat konstruktioita, eli ne vastaavat kysymykseen jonka niiden esittäjä on itse keksinyt. Mutta olennaista on myös löytää järkevä kysymys.

Vielä yksi esimerkki reduktio-ohjelman ongelmista. Suprajohtavuus löydettiin vuonna 1911, sille kehitettiin monenlaisia efektiivisiä teorioita jotka osittain kuvasivat sen eri puolia, kunnes Bardeen, Cooper ja Schieffer vuonna 1957 julkaisivat sille kyllin mikroskooppisen efektiivisen teorian, joka olennaisesti selitti kaikki siihen mennessä saadut konsistentit havainnot. Mutta tuossakin teoriassa oli joitain efektiivisiä elementtejä - kuten esimerkiksi elektroniparien välille tuleva, virtuaalisesta fononivaihdosta johtuva attraktiivinen vuorovaikutus. Jo yli vuosikymmenen tuota efektiivistä vuorovaikutusta on yritetty johtaa hieman enemmän "pohjalta" käyttäen nk. tiheysfunktionaaliteoriaa. Vaikka "oikea vastaus" on ollut tiedossa, ja siten teoriaa on osattu suunnata oikeaan suuntaan, ei tuolla enemmän reduktionistisella lähestymistavalla ole kovinkaan paljoa ennustevoimaa. Käsittääkseni jotain jo ymmärrettyjä tuloksia on voitu johtaa, mutta mitään uutta ei ole pystytty ennustamaan.

Summa summarum: vaikka periaatteessa voi olla, että kaikki luontoilmiöt voidaan johtaa jostain yksittäisestä fundamentaalista teoriasta, tuohon johtamiseen ilman lisäymmärrystä tarvitaan enemmän kuin maailmankaikkeuden ikä. Fundamentaalisen teorian löytyminen ei siis tarkoita efektiivisen fysiikan loppua!

Loppukommentti keskustelun jälkeen: En usko Enkvistin olevan kovin paljoa eri mieltä ylläolevasta, mutta hän edelleen painottaa tuota periaatteellista johdettavuutta. Mutta fysiikassa ainoastaan sellaisilla periaatteilla on merkitystä, joista on voi vetää jotain johtopäätöksiä. Pystytäänkö siis biologiaa selittää standardimallilla? Ehkä periaatteessa, käytännössä ei varmasti. Ai niin, yleisön käsiennostoäänestyksen jälkeen voitin väittelyn - tosin tämä taisi johtua siitä että yleisössä oli useita "antireduktionistejä", jotka ovat voimakkaasti reduktionistista ohjelmaa vastaan.

Ovatko fundamentaalitkin teoriat efektiivisiä?

Olen jutellut Delftissä vierailulla olevan brasilialaisen teoreettisen fyysikon kanssa. Hänellä on Delftissä todella kiehtova projekti: tarkoitus on tutkia sähköisten piirien teoriaa polkuintegraaliformalismissa, erityisesti luoda metriikka piirejä kuvaaville efektiivisille kentille. Tämä on haastavaa, koska yleisesti ottaen fyysikot osaavat laskea vain kvadraattisia polkuintegraaleja, joiden metriikka on melko triviaali. Pienissä sähköisissä piireissä vuorovaikutukset tekevät ongelmasta ei-kvadraattisen, ja siten metriikka muuttuu.

Yritän nyt selittää projektin takana olevan filosofian. Jos selitys menee yli hilseen, se saattaa johtua siitä että en sitä täysin itsekään ymmärrä. Juuri siksi kirjoitan tätä selitystä. Yllämainitsemani keskustelun lisäksi innoituksenani on ollut MIT:n professorin (?) Xiao-Gang Wenin kirjan "Quantum Field Theory of Many-Body Systems" ensimmäinen luku, joka löytyy myös webistä.

Koulussa opimme, että perustavimmalla tasollaan modernin fysiikan käsityksen mukaan maailmankaikkeus koostuu joistain perushiukkasista ja niiden välisistä vuorovaikutuksista. Näitä hiukkasia ja vuorovaikutuksia kuvaava teoria on kvanttimekaniikka, joka on eräänlainen sääntökokoelma jonka avulla hiukkasista ja vuorovaikutuksista päästään havaittuihin suureisiin, observaabeleihin. Gravitaatiota eli painovoimaa lukuunottamatta ei ole löydetty ilmiötä jonka olisi voitu näyttää rikkovan tätä hiukkasten, vuorovaikutusten ja kvanttimekaniikan kolmiyhteyttä eli niinkutsuttua standardimallia. Mutta voimmeko kuvitella että vaikkapa metson soidinpuuhat voidaan selittää yksinomaan näillä aineksilla? Metso koostuu arviolta 10^(24) "alkeishiukkasesta". Kuten Wen toteaa kirjassaan, jo 200 vuorovaikuttavan elektronin systeemin dynamiikan laskemiseen täsmällisesti nykylaskutekniikoilla tarvittaisiin koko tunnetun maailmankaikkeuden kokoinen tietokone. Selvitäpä siinä sitten toimiiko standardimalli. Voi olla että toimii, mutta eipä siitä tuolla tasolla enää ole paljoa hyötyä.

Pelastukseksi tulevat efektiiviset teoriat. Niiden mukaan meidän ei tarvitsekaan tietää kaikkien 10^(24) hiukkasen dynamiikkaa kuvaillaksemme täsmällisesti haluamaamme ilmiötä. En nyt uskottele että metson soidinpuuhia tällä tavoin selitetään, mutta sen soluissa tapahtuvia ilmiöitä kylläkin. Yksi tällainen ilmiö on sähkönjohtavuus. Tehdäksemme teoriaa sähkönjohtavuudesta emme tarkalleen ottaen aloita yksittäisistä vuorovaikuttavista atomeista ja elektroneista. Osa teorian osista kuten kiteiden vyörakenne perustuu kyllä mikroskooppiseen malliin, mutta sähkönjohtavuuden selitykseen emme tarvitse juuri sitäkään (paitsi silloin kun haluamme erotella toisistaan eristeet ja metallit). Osoittautuu, että voimme olettaa metallien johtavuuselektronit lähes vapaiksi hiukkasiksi, jotka liikkuvat metalliatomien muodostamassa efektiivisessä vakuumissa (tyhjiössä). Tuo vakuumi on efektiivinen, koska suurilla energioilla se rikkoutuu. Jos siis esimerkiksi ajamme metallin läpi oikein suurta virtaa, kiteen lämpöliike kasvaa ja se saattaa sulaa. Tällöin vakuumi hajoaa. Okei, elektronit ovat siis vapaita, mutta äärellinen johtavuus johtuu kiteen epämuodostumista ja värähtelyistä. Tällainen teoria kuvaa erittäin hyvin johtumista.

Se että teoria on efektiivinen ei tarkoita ettei sen tarvitsisi olla tarkka. Puolijohdetekniikassa (ja nykyään grafeenissa) osataan rajoittaa elektronien kulku tasoon eli kahteen ulottuvuuteen. Tällöin meillä on vapaita elektroneja tasossa, ja efektiivinen teoria toimii jälleen. Nyt jos asetamme tällaisen elektronisysteemin suureen magneettikenttään, johteeseen muodostuu nk. Landau-tasoja. Tämä on kvantti-Hall -ilmiö. Osoittautuu että tuloksena Landau-tasoista johteen vastus kvantittuu Planckin vakion ja elektronin varauksen määräämään arvoon (n. 25.6 kOhmia). Vaikka tämä arvo saatiin "vain" efektiivisestä teoriasta, se on niin tarkka että kvantti-Hall -mittauksen avulla on määritelty resistanssin standardi, ja sen avulla on pystytty mittaamaan Planckin vakio tarkemmin kuin millään muulla keinoin. Selvitetty tarkkuus on muistaakseni noin yhdeksän merkitsevää numeroa, mutta tässäkin vastaan on tullut käytettyjen mittalaitteiden tarkkuus, ei niinkään itse efektin.

Nyt pääsenkin sitten viimein otsikkoni asiaan. Tiiviin aineen fysiikka on täynnä ilmiöitä, joissa efektiivinen teoria kuvaa tutkittua ilmiötä erittäin tarkkaan. Läheskään aina kyseistä teoriaa ei ole pystytty täysin allaolevasta "fundamentaalimmasta" teoriasta johtamaan. Moni tällainen efektiivinen teoria on yksinkertainen ja - Wenin sanoin - kaunis. Itse asiassa paljon yksinkertaisempi kuin se allaoleva teoria, joka johtavuuden tapauksessa vaatii kiderakenteen, elektronien vyörakenteen, Landaun kvasihiukkasteorian ja monen muun osasen ymmärtämisen. Mistä siis tiedämme että standardimallin kuvaama teoria on "fundamentaalinen", eli ettei sen alla ole enää mitään? Se voi olla ihan yhtä hyvin efektiivinen teoria, jossa elektronit, kvarkit, fotonit ja muut syntyvät allaolevan teorian matalaenergiarajana.

Wen lainaa myöskin 2500 vuotta sitten elänyttä kiinalaista filosofia Lao Zitä. Tämän ajatus modernin fysiikan kielelle sovellettuna on: kaikki maailmankaikkeutta kuvaavat teoriat jotka voidaan formuloida ovat epätäydellisiä ja jonkin suuremman teorian yksinkertaistuksia. Silti ne ovat hyödyllisiä, koska ne auttavat ymmärtämään maailmankaikkeuden rakennetta paremmin.

Voisin muuten vetää aasinsillan Suomen fyysikkopiireissä melko yleiseen innostukseen laskea suurten systeemien ominaisuuksia ab initio eli joistain elementaareista lähtökohdista käsin. Tämänkaltaisessa "teoriassa" se jolla on suurin tietokone on paras "teoreetikko", koska hän voi simuloida suurinta systeemiä. Minusta kuitenkin fysiikan ymmärtämisen kannalta paljon hyödyllisempää on etsiä efektiivinen teoria joka kuvaa systeemiä mahdollisimman hyvin. Brasilialaisen ystäväni mukaan tällainen teoria koostuu vain ja ainoastaan niistä osasista joita halutaan kuvata - vain niistä observaabeleista tai kentistä joita havaitaan tai manipuloidaan. Tällaisia on tyypillisesti paljon vähemmän kuin 10^(24).

Muoti-ilmiöitä: molekyylielektroniikka

Vierailin kesäkuun alussa Leidenin yliopistossa. Siellä toimii yksi ainakin Euroopan parhaista molekyylielektroniikan kokeellisista tutkimusryhmistä. Minäkin tein alalla tutkimusta jonkin aikaa muutama vuosi sitten, joten oli mukava saada päivitys alan tilanteeseen.

Molekyylielektroniikassa ideana on tutkia sähkönkuljetusta yksittäisten tyypillisesti melko pienten molekyylien läpi. Hiilen nanoputketkin voidaan periaatteessa ajatella molekyyleiksi, ja joissain tapauksissa niidenkin tutkimus luokitellaan molekyylielektroniikkaan. Minä jätän kuitenkin ne omaksi alakseen ja kirjoitan kokeista joissa molekyylit ovat korkeintaan muutaman nanometrin kokoisia - esimerkiksi fullereeneja (hiilen pallomaisia rakenteita), bentseenirenkaita tai vaikkapa vetymolekyylejä.Tekniikoita on useita ja alalla on tätä kautta useita suuntauksia. Yksi olennainen kysymys on se miten molekyyliin saadaan kytkettyä sellaiset suuret johtimet joiden kautta sähkö saadaan ajettua molekyylien läpi. Tässä tapauksessa kaksi tekniikkaa on ylitse muiden: murtoliitokset ja sähkömigraatio (en tiedä mitä electromigration on suomeksi). Murtoliitoksen tapauksessa tehdään joillain keinoin melko ohut johdelanka, jota sitten työnnetään ylöspäin terävällä kappaleella. Ensin lanka hieman joustaa, mutta pian se alkaa murtua yleensä siis heikoimmasta kohdastaan. Kun samaan aikaan mitataan langan vastusta, tiedetään koska lanka on murtunut siten että sähkö virtaa vain yksittäisten johdinatomien läpi. Nyt sitten johtimen päälle tuodaan molekyylit, joko höyrystämällä tai sitten liuoksessa, riippuen mm. siitä aiotaanko johtavuutta mitata huoneen lämpötilassa vai muutamassa Kelvinissä. Neljässä kelvinissä kun mikään liuos ei enää ole liuos - paitsi tietenkin helium, joka tällöin nesteytyy. Siihen ei kuitenkaan liukene mitään.

Elektromigraatiossa aloitetaan myös ohuesta langasta, mutta tällöin sen yli asetetaan suuri vaihtojännite. Tämä kuumentaa lankaa ja tuloksena se taasen katkeaa yleensä ohuimmasta kohdastaan. Elektromigraation etuna on se ettei langan työntämiseen tarvittavaa laitetta tarvita ja siten esim. mittaukset kylmässä ovat helpompia. Haittapuolia ovat sitten esim. se ettei johtimen muotoa voi enää muuttaa, ja - vielä vakavampana - usein luultujen molekyylien sijaan kokeilija tuleekin mitanneeksi sähkönkuljetusta elektromigraatiossa irronneiden johdeatomien läpi. 1990/2000-luvun vaihteessa julkaistiin useita sellaisia Nature- ja Science-artikkeleita, joissa tulkittiin mittaustulokset väärin. Molekyylin sijaan mitattiin siis itse johdetta.

No, ylläkuvaillut tekniikat kuitenkin myös toimivat. Johtavuus rajoittuu yksittäisen molekyylin johtavuudesta. Alun perin ideana alalla oli se että johtavuuden - tai tarkemmin ottaen virta-jännitekäyrän - perusteella voitaisiin sitten tunnistaa kyseinen molekyyli. Tällaista nopeaa molekyylitunnistusta voisi sitten käyttää vaikka mihin - esimerkiksi lääketieteessä. Tässä suhteessa molekyylielektroniikassa on kuitenkin jouduttu pettymään. Kun pieni molekyyli kiinnittyy johdinatomeihin, sen ominaisuudet muuttuvat voimakkaasti kytkennän ansiosta. Johtavuus saattaa myös riippua molekyyliin kiinnitetyn johdemateriaalin mikroskooppisista ominaisuuksista. Toistettavia tuloksia on siis hankala saada, ja yleensä saatavat tulokset eivät ole kovin molekyylispesifisiä. Pitkien molekyylien tapauksessa saattaa olla että jos johtavuus on äärellistä, se joko rajoittuu taasen molekyyli-johdinkytkennästä joka on hieman tapausriippuvainen, tai sitten kuljetusta dominoi Coulombin saartoilmiö, jonka luonnetta ei voida suoraan kytkeä eristetyn molekyylin ominaisuuksiin.

Joitain mielenkiintoisia ja molekyylispesifistä on kuitenkin havaittu jo muutama vuosi sitten. Juuri Leidenin tutkijat osoittivat, että virta-jännitekäyrään tulee piikki molekyylin ominaisvärähtelyjen taajuutta vastaavan energian kohdalle. Nuo ominaisvärähtelyt riippuvat molekyylin muodosta ja massasta, eli ne periaatteessa paljastavat molekyylistä aika paljon enemmän kuin puhdas johtavuus. Vetymolekyylistä on mm. mitattu isotooppiefekti, eli ominaisvärähtelytaajuus oli deuteriumin (jolla vetyatomin ytimessä on yksi protoni ja yksi neutroni tavallisen yksiprotonivedyn sijaan) tapauksessa erilainen kuin tavallisen yksiprotonivedyn. Ero johtui yksinomaan deuteriumin suuremmasta massasta. Värähtelytaajuuksia analysoimalla molekyyliä voidaan siis osittain tunnistaa. Homma kuitenkin epäonnistuu isojen molekyylien tapauksessa - värähtelytaajuuksia kun tulee liikaa eivätkä ne enää erotu toisistaan.

2000-luvun alun alkuinnostuksen jälkeen molekyylielektroniikka on ehkäpä hieman hiipunut, mutta kyllä siellä paljon hienoja tuloksia on saatu. Minulle teoreetikkona ala on kuitenkin hieman tylsä: kvalitatiivisesti kuljetusilmiöt vaikuttavat hyvin samanlaisilta kuin puolijohdekvanttipisteissä joiden kuljetusominaisuuksia on tutkittu intensiivisesti 1980-luvulta lähtien. Suuria kvalitatiivisia läpimurtoja on siis erittäin hankala tehdä. Olennaisimmat avoimet kysymykset ovat vahvan kytkennän rajan ja Coulombin saartoalueen yhdistäminen sekä tiheysfunktionaaliteorian tai vastaavan ainetta "alusta lähtien" kuvaavan teorian kytkeminen kunnolla elektronikuljetusteoriaan. Ongelmana jälkimmäisessä on se, että vaikka teoria yleisesti ottaen mielletään "ab initio"-tyyppiseksi, kuljetusongelmaa ratkaistaessa tehdään monta ad hoc. oletusta, joille ei ole kovin paljoa perusteita.

Leidenin tutkijoiden mukaan muuten yksi mielenkiintoisimmista tulevaisuuden tutkimusaiheista on yksi lempiaiheeni, lämpötroniikka liittyen molekyylikuljetukseen. Toisin sanoen mielenkiintoista on tietää minkälaisia ominaisuuksia epätasapainotilanteessa johtavuuselektroneilla on - esimerkiksi missä tilanteissa voidaan puhua niiden lämpötilasta. Itse asiassa epätasapainosysteemeissä on yleensä useita olennaisia lämpötiloja - elektronien, fononien, kohinan jne. Mutta tästä joskus myöhemmin.

Onko tyhjä tyhjää täynnä?

Luin juuri uusimmasta Tiede-lehdestä Jukka Maalammen kirjoituksen hiukkasfysiikan ja kosmologian ratkaisemattomista ongelmista. Teksti jatkui kirjoituksella atomiteorian luomasta tyhjyyden tunteesta: tyypillisesti noin yhden Ångströmin (millimetrin kymmenesmiljoonasosa) kokoisen atomin "täyttävät" sen ydin, jonka läpimitta on luokkaa yksi femtometri - eli Ångströmistä vielä viisi kertaluokkaa alaspäin, sekä elektronit joita ajatellaan pistemäisiksi. Suurin osa atomista ja sitä kautta aineesta on siis tyhjää.

Mutta mitä on tyhjyys? Ajatellaan että olet valtavan suuressa liikuntasalissa, jossa ei ole itsesi lisäksi ketään muuta. Ympärilläsi on siis suunnaton määrä tyhjyyttä - voit juosta eteenpäin niin pitkään kuin haluat törmäämättä mihinkään. Mutta jonkin aikaa juostuasi huomaat, että väsyt. Jouduit tekemään työtä ylläpitääksesi vauhtisi, koska ilma aikaansai sinuun ilmanvastusta ja salin lattia kitkaa. Suurin piirtein tällaista on fyysikkojen kuvaama atomin "tyhjyys": se saattaa edelleen koostua jostain, mutta se jokin ei vain vuorovaikuta kovin vahvasti esimerkiksi elektronien ja ytimen kanssa. Voi olla että tarkkaan asiaa selvittämällä (fyysikon kielellä "tarkka" tarkoittaa usein korkeita energioita) tyhjyydestä löytyykin jotain. Olennaista on siis vuorovaikutuksen voimakkuus, ei jonkin aineen "koko".

Aika samantyyppinen tilanne kuin atomissa löytyy myös yhdestä mesoskooppisen elektroniikan perustutkimuskohteesta, kvanttipisteestä. Kvanttipisteen määrittävät "makroskooppiset" porttielektrodit, joiden aikaansaama sähköstaattinen voimaprofiili voidaan muotoilla halutunlaisesti. Kvanttipisteessä tämä tapahtuu siten, että rajatun alueen keskelle muodostuu potentiaalikuoppa - alue, jossa elektroni voi liikkua vapaasti. Potentiaalikuopan ympärillä on potentiaalivalli - alue joka on kielletty elektroneilta. Kvanttimekaniikka antaa elektroneille luvan silloin tällöin tunkeutua potentiaalivallin läpi, tunneloitua, ja sitä kautta potentiaalikuopan elektronimäärä voi muuttua. Tyypillisessä rakenteessa tämä tapahtuu suurella todennäköisyydellä yksi kerrallaan. Kun kontakti ulkomaailmaan on tarpeeksi pieni, potentiaalikuopan elektronimäärän muuttaminen yhdellä muuttaa kuopan sähköstaattista energiaa suuresti. Tällaista energiaa kutsutaan yhden elektronin varautumisenergiaksi, ja se voidaan lausua liitoksen kapasitanssin C avulla muodossa e^2/(2C). Itse asiassa tuota relaatiota voidaan käyttää kyseisen liitoksen kapasitanssin määrittelemiseen, mutta ei siitä sen enempää. Esimerkiksi noin sadan nanometrin levyisen ja viidenkymmenen nanometrin syvyisen sekä parin nanometrin paksuisen liitoksen yhden femtofaradin kapasitanssia vastaa noin sadan mikrovoltin energia. Sata mikrovolttia vastaa runsasta yhtä kelviniä lämpötilassa. Siis jos liitos on alle kelvinin lämpötilassa, yhden elektronin siirtäminen kvanttipisteeseen estää enempien elektronien siirtymisen. Tätä ilmiötä kutsutaan Coulombin saarroksi.

Tarinan opetus on seuraava. Tyypillisten kvanttipisteiden kokoluokka on satoja nanometrejä, ja liitostenkin se 50x100 nm. Tuohon kokoluokkaan mahtuu miljoonia atomeja. Silti yksi elektroni ja sen vuorovaikutus ympäristön kanssa määrää systeemin pääasialliset ominaisuudet. Okei, tässä tapauksessa kyse oli yhden elektronin lisäämisestä muiden elektronien lisäksi. Mutta hieman yllämainittua pienemmissä puolijohderakenteissa tai hiilinanoputkissa alue voidaan kokonaan tyhjätä elektroneista. Silloin meillä on vain yksi (tai nolla) johtavuuselektroni koko potentiaalikuopassa, mutta sen vuorovaikutus ympäristön kanssa on niin vahva että se määrää koko alueen ominaisuudet - esimerkiksi estäen muiden elektronien pääsyn potentiaalikuoppaan. Elektronimäärää laskien potentiaalikuoppa on siis lähes "tyhjä", mutta muiden elektronien kannalta se on täynnä. Kyse on siis näkökulmasta.

Kvanttipisteet ovat "emergenttejä", joko luonnon tai suoraan ihmisen rakentamia olioita. Niitä sanotaankin usein keinotekoisiksi atomeiksi. Täysin sama fysiikka näkyy kvanttipisteissä kuin atomeissakin, edellisissä sitä pystyy vain ohjaamaan paremmin koska energiaskaalat ovat paljon pienempiä. Kvanttipisteen voi periaatteessa hajottaa atomeiksi, mutta ovatko atomit loppujen lopuksi niin kauhean paljon fundamentaalisempia kuin kvanttipisteet?

Kvanttimekaniikka antaa muuten hauskan ratkaisun pseudofilosofiseen kysymykseen onko puoliksi juotu vesilasi puoliksi täynnä vai puoliksi tyhjä. Kvanttipiste voidaan nimittäin asettaa tilanteeseen, jossa on yhtä todennäköistä että siellä on nolla tai yksi elektronia (tai 1000 tai 1001, sillä ei ole niin väliä). Se voi siis olla yhtä todennäköisesti "tyhjä" tai "täynnä". Tällaista tilannetta sanotaan degeneraatioksi, ja tuo tilanne on mielenkiintoinen esimerkiksi kvanttilaskennassa. Sopivassa tilanteessa kvanttipiste voi nimittäin mennä superpositiotilaan tyhjän ja täyden tilan välillä. Se on siis samaan aikaan täysin tyhjä ja täysin täynnä. Siihen onko tuo sitten optimismia, pessimismiä vai realismia saavat sitten filosofit vastata.

Muoti-ilmiöitä II: grafeeni

Tätä nykyä suurin muoti-ilmiö tiiviin aineen fysiikassa taitaa olla grafeenin tutkiminen. Vuonna 2004 Manchesterissä toiminut tutkimusryhmä keksi kuinka esim. lyijykynässä käytettävän tasomaisen hiilirakenteen grafiitin tasoja voidaan eristää yksi kerrallaan. Tekniikka on idealtaan yllättävän yksinkertainen ja kuulostaa kotikutoiselta: grafiitista irrotetaan tasoja teipillä! Sen päälle siis asetetaan teippi, vedetään se pois, ja asetetaan teippi sopivan substraatin päälle. Sitten teippi liuotetaan jotenkin pois (tätä vaihetta en itse asiassa tiedä kovin tarkkaan). Tämän jälkeen tarkastellaan substraatin päälle syntynyttä rakennetta mikroskoopilla. Osoittautuu, että jos substraatti on sopivan paksuinen, sen päällä olevan grafiitin optinen vaste riippuu voimakkaasti hiilitasojen määrästä. Irronneita hiilitasoja on luonnollisesti vaihteleva määrä: joissain kohdissa hiilitasoja on kymmenen päällekkäin, joissain viisi, joissain kaksi ja joissain vain yksi. Näistä kaksi viimeistä ovat erityisen kiinnostavia. Yhden hiilitason kohdalla puhutaan grafeenista, kahden tason kohdalla "kaksitasografeenista".

No mikä tekee grafeenin mielenkiintoiseksi muuten kuin tietenkin se, että se on puhtaasti kaksiuloitteinen rakenne? Grafeenissa hiiliatomit asettuvat kuusikulmiohilaan vähän kuten hunajakennoissa. Näin yksikkökopissa (joita toistelemalla saadaan koko grafeenihila) on kaksi atomia. Osoittautuu, että näistä kahdesta atomista tulevat johtavuuselektronit saavat oman emergentin vapausasteen, "pseudospinin". Normaalin spinin lisäksi elektroneilla on siis tällainen ylimääräinen säilyvä kvanttiluku. Tämän lisäksi tapahtuu muutakin erikoista: Normaaleissa johtimissa elektronien dispersiorelaatio (energian ja liikemäärän välinen suhde) on neliöllinen - tämä on lukiosta tuttu kaava E=p^2/(2m) tai E=1/2 mv^2. Tällainen laki on sopusoinnussa pyörähdyssymmetrian kanssa: mikään erityinen suunta ei ole muihin nähden mitenkään erityinen. Grafeenissa dispersiorelaatio on kuitenkin lineaarinen, eli E=v_F p, missä vakionopeutta v_F kutsutaan Ferminopeudeksi. Pyörähdyssymmetrian on rikkonut grafeenihila, mutta inversiosymmetria on olemassa: grafeenissa on tuosta pseudospinistä johtuen kaksi suuntaa, johon menevillä elektroneilla on vastakkainen suunta, mutta eri energia. Koska ylläolevista neliöllisistä kaavoista massa saadaan derivoimalla energiaa kahdesti liikemäärän tai nopeuden suhteen, toinen tapa kuvata grafeenin dispersiorelaatiota on sanoa, että elektronit ovat massattomia.

Analogia grafeenin dispersiorelaatioon löytyy suhteellisuusteoriasta. Dirac kehitti vuonna 1928 erityisen suhteellisuusteorian kanssa yhtäpitävän (ts. Lorentz-kovariantin) kvanttimekaanisen teorian. Osoittautuu, että grafeenin elektronien liikeyhtälö on täsmälleen sama kuin Diracin yhtälö massattomille hiukkasille - esimerkiksi neutriinoille! Tämän lisäksi rajoituksena on tietenkin grafeenin kaksiulotteisuus. Toisin sanoen, grafeenin elektronit ovat kuin tasossa lentäviä neutriinoita! Tosin valon nopeus pitää korvata yllä mainitsemallani Ferminopeudella, joka on sata kertaa valon nopeutta pienempi.

Jos yhtälöt ovat samanlaisia, myös niistä johdetut ilmiöt ovat samankaltaisia. Yksi tällainen oli ruotsalaisen fyysikon Oskar Kleinin (sama mies kuin Klein-Gordon -yhtälössä tai Kaluza-Klein -teoriassa, jonka perusidea on nykyisen säieteorian yksi perusta) ehdottama "paradoksi": Diracin hiukkaset voivat näet sopivissa olosuhteissa läpäistä potentiaalivallin siitä lainkaan siroamatta. Tämä johtuu siitä, että potentiaalivallin sisällä elektroneja vastaavalla energialla on aukkotiloja (suhteellisuusteoriassa antihiukkastiloja), jotka kytkeytyvät täysin elektroneihin. Kleinin paradoksia ei ole koskaan havaittu, mutta grafeenirakenteissa sen uskotaan olevan merkittävä ilmiö.

Grafeenissa siis mielenkiinto on kahdenlaista: kaksidimensioisuudesta ja aineen äärimmäisestä puhtaudesta johtuen uskotaan, että sille löytyy monenmoisia sovelluksia elektroniikassa. Toisaalta grafeenia tutkittaessa voidaan löytää kokonaan uudenlaista fysiikkaa. Yksi tällainen ilmiö on jo havaittu: grafeenissa nk. kvantti-Hall -ilmiö on hyvin toisenlainen kuin puolijohderakenteissa; nk. Landau-tasot saadaan erilaisilla magneettikentän arvoilla. Lisäksi grafeeni on ensimmäinen aine jossa kvantti-Hall -ilmiö on pystytty toteamaan huoneen lämpötilassa. Muita eksoottisia grafeeni-ilmiöitä tutkitaan mm. "laaksotroniikassa" (valleytronics), jossa olennaisesti grafeenin pseudospiniin (tai itse asiassa vastaavaan käänteishilan suureeseen) liittyen pyritään tekemään samanlaista fysiikkaa kuin spintroniikassa. Toinen mielenkiintoinen aihealue on ballistisen (puhtaan) grafeenin käytös lähellä nk. Diracin pistettä (pistettä jossa elektronit ja aukot ovat täysin symmetrisiä). Siellä elektronien tilatiheys häviää, mutta samaan aikaan sirontamekanismit ovat poissa. Tuloksena on hieman kuin grafeenielektronit diffundoituisivat puhtaassa rakenteessa.

No, saa nähdä kuinka pitkään grafeeni-intoa riittää. Se todennäköisesti riippuu siitä minkälaisia muita uusia ilmiöitä lähitulevaisuudessa löydetään.

Muoti-ilmiöt I: korkean lämpötilan suprajohtavuus ja kvanttilaskenta

Korkean lämpötilan suprajohteet havaittiin vuonna 1986. Ensimmäisten kriittinen lämpötila taisi olla niinkin "korkea" kuin 39 K eli -244 Celsius-astetta, mutta pian materiaalikehityksen avulla tätä saatiin nostettua esimerkiksi typen kiehumislämpötilan 77 K yläpuolelle. Jo tällä oli valtava teknologinen merkitys, mutta moni tutkija haaveili (ja haaveilee yhä) huoneen lämpötilassa toimivista suprajohteista. Ongelmana oli kuitenkin se, ettei suprajohtavuuden "syytä" näissä rakenteissa ymmärretty. Asiaan panostettiin runsaasti, ja 1990-luvun alussa suuri osa tiiviin aineen teoreetikoista suuntautui korkean lämpötilan suprajohteiden mekanismin etsimiseen. Löydöstä olisi seurannut varma Nobelin palkinto. Itse asiassa teorioita tulikin useita. Niiden ennustusvoima oli kuitenkin melko heikko eikä yhtä hetkellistä hyppäystä teoriankehityksessä ole tullut. Tuon panostuksen vuoksi ilmiötä ymmärretään kuitenkin jo kohtalaisesti: tiedetään, että korkean lämpötilan suprajohteiden pariutumissymmetria on nk. d-aaltosymmetria perinteisen s-aaltosymmetrian sijaan, faasidiagrammi tunnetaan melko hyvin ja monta uutta hyödyllistä konseptia on löytynyt. Muoti-ilmiönä ala on kuitenkin selkeästi hiipunut 1990-luvun lopun jälkeen kahdesta syystä: suprajohtavuuden mekanismia ei ole vieläkään kunnolla ymmärretty, ja kyseisten materiaalien valmistajat havaitsivat pian, että niiden prosessointi on aika hankalaa. Suuren luokan sovellusta ei korkean lämpötilan suprajohteista ole siis vielä tullut.

Seuraava muotiaihe alkoi samaan aikaan korkean lämpötilan suprajohtavuuden hiipuessa: 1990-luvun lopulla kokeilijat huomasivat, että tiiviin aineen fysiikan menetelmin voidaan tehdä kvanttitietokoneen realisaatioita. Omalla alallani buumi alkoi kun vuonna 1999 japanilainen tutkimusryhmä osoitti, että pienien suprajohtavien saarekkeiden avulla voidaan toteuttaa kvanttimekaanisesti toimiva "bitti", kubitti. Olennaista oli näyttää, että tuo kubitti oli koherentti tarpeeksi pitkään jotta sitä pystyttäisiin manipuloimaan (ts., sille voidaan tehdä laskuoperaatioita). Juuri tässä japanilainen tutkimusryhmä onnistui hyvin. Äkkiä uusia erityyppisiä kubittirealisaatioita ilmaantui alan preprint-arkistoon kuin sieniä sateella. Yksi ehdotti suprajohtavan järjestysparametrin vaiheen käyttämistä kvanttimuuttujana japanilaisten käyttämän varauksen sijaan, toinen taas ehdotti puolijohdekvanttipisteitä, kolmas elektroneja heliumin pinnalla, ja niin edespäin. Myös kokeilijat innostuivat. Tosin kesti kolme vuotta ennen kuin japanilaisten koe pystyttiin toistamaan muualla maailmassa, mutta tämän jälkeen se onnistui useissa tutkimuslaboratoriossa, myös Suomessa Kylmälaboratoriossa.

Pian kuitenkin havaittiin että tiiviin aineen kvanttibiteillä on yksi iso ongelma: niiden ympäristöä on mahdotonta kontrolloida täysin tarkkaan. Tästä syystä ympäristössä tapahtuvat häiriöt rajoittavat kubittien koherenssia, ja parhaimmassakin tapauksessa koherenssi kuolee noin mikrosekunnissa. Tästä ei ole muutamaan vuoteen juuri päästy eteenpäin. Näin lyhyt koherenssiaika ei luultavasti kuitenkaan ole suurin ongelma: operaatioita mikrosekunnissakin ehtii tehdä ainakin useita tuhansia, niitä kun tehdään pulsseilla joiden kesto voi olla sadan pikosekunnin luokkaa. Toinen ongelma on skaalautuvuus, joka aluksi koettiin tiiviin aineen realisaatioiden suurimmaksi eduksi: tähän mennessä suprajohtavissa kubiteissa on päästy kolmen kubitin "tietokoneeseen" - ja näissä tapauksessa kaikkia kubitteja ohjaa useita ulkoa ohjattavia jännitteitä tai virtoja. Ja jokaista ohjattavaa suuretta varten tarvitaan oma ohjauspiiri, mikä tekee jo kolmen bitin kontrolloimisen erittäin vaikeaksi. Todennäköisesti tosin pian tuotekehitys siirtyy pois fyysikoilta enemmän insinöörien tehtäväksi. Näin kävi esim. spintroniikassa (josta enemmän alla), jossa 1989-luvulla löydetty GMR-ilmiö siirtyi IBM:n kovalevyihin vajaassa kymmenessä vuodessa.

Vaikka kvanttilaskenta saattaa muotialana olla jo hiipumaan päin, sitä tutkitaan edelleen runsaasti ja paljon mielenkiintoista (muutakin kuin kvanttitietokoneen rakentaminen) on odotettavissa. Esimerkiksi kvanttimekaanisia ilmiöitä voi periaatteessa simuloida tehokkaasti pienelläkin määrällä kubitteja. Toinen selkeä hyöty kvanttilaskennasta on usean fysiikan alan yhdistäminen samankaltaisten ilmiöiden piiriin: Rabi-oskillaatiot, spin-kaiut ja muut kun tunnetaan nykyään NMR-fysiikassa, suprajohtavien rakenteiden tutkimuksessa, atomioptiikassa ja monella muulla fysiikan alalla.

Muoti-ilmiöitä ja miksi ne hiipuivat

Tiiviin aineen fysiikan tutkijoita on aika paljon, se on tutkijamäärässä mitaten selkeästi fysiikan suurin tutkimusala. Silti siitä yleisesti ottaen kirjoitetaan paljon vähemmän yleistajuisia tekstejä (ainakin Suomessa) kuin hiukkasfysiikasta tai kosmologiasta. Tosin Risto Nieminen on viime aikoina aktivoitunut Hesarin kolumnikirjoittajana - muutoin suuren yleisön tietämys tutkittavista ilmiöistä näyttää olevan aika pieni. Lukion fysiikan kirjoissa ei aiheesta puhuta juuri mitään. Käsittääkseni tämä johtuu siitä, että hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa pidetään yleisesti fundamentaalimpina kuin tiiviin aineen fysiikkaa. En nyt mene kauhean pitkälle tähän keskusteluun, mutta ainakin hiukkasfysiikan ja tiiviin aineen fysiikan vertailussa on olemassa reduktionistien ja emergentistien koulukunnat. Reduktionistit uskovat, että kaikki on selitetty, kun on selitetty mistä kaikki lähtee - mitkä ovat perushiukkaset ja vuorovaikutukset. Emergentistit taasen ajattelevat että mielenkiintoisia ovat nimenomaan ne ilmiöt joita syntyy kun laitetaan useita hiukkasia vuorovaikuttamaan yhdessä. Käytänpä analogiana vaikkapa säätä: sään kuvailun peruslait on tunnettu jo muutamia vuosikymmeniä, mutta suoraan noista laeista seuraavia kollektiivisia ilmiöitä kuten vaikkapa hirmumyrskyjä tai El Ninoa ei millään voisi suoraan noista yhtälöistä nähdä. Kummat näistä ovat siis olennaisempia sään kuvailussa? Peruslait vai niistä seuraavat ilmiöt?

No, nyt menin jo aika kauas alkuperäisestä ideastani. Tarkoitus oli kuvailla tiiviin aineen fysiikan tutkimusta sen muotiaiheiden avulla. Tutkijoiden suuresta määrästä johtuen alalla ilmenee tiettyjä kollektiivisia suuntauksia, jotka tiettyyn aikaan vievät makroskooppisen ajan tutkijoiden ajasta, rahoituksesta ja muista resursseista. Seuraavissa blogeissa on joitain esimerkkejä: korkean lämpötilan suprajohtavuus, kvanttilaskenta ja grafeeni. Olisin voinut kuvailla myös esimerkiksi spintroniikkaa tai molekyylielektroniikkaa - tai ehkäpä teenkin sen kunhan ehdin.

Apulaisprofessorit takaisin!

Minun iässäni kahden lapsen isänä väkisinkin miettii omaa uraa keskipitkällä tähtäimellä eteenpäin. Vaihtoehdot akateemiselle tutkijalle post-doc -kauden jälkeen Suomessa ovat jokin määräaikainen opetusvirka, viisivuotinen akatemiatutkijuus tai professuuri. Harvoin kukaan kertoo mahdollisista tulevaisuuden skenaarioista. En tiedä mitä tutkija voi tehdä jollei ole saanut professuuria noiden määräaikaisten virkojen jälkeen. Periaatteessa pyrkimys tutkijalla tulee luonnollisesti olla kohti professuuria, mutta Suomen kokoisessa maassa virkoja ei ihan hirveän usein tule tarjolle. Toisaalta jos onnistuu saamaan professuurin, vastaan tulee heti iso määrä byrokratiaa, opetusta ja rahoituksen hakemista. Parhaaseen tutkijaikään päässyt tiedeihminen joutuu siis keskittämään suuren osan ajastaan johonkin muuhun kuin tutkimukseen.

Olen sitä mieltä, että viime vuosikymmenen lopussa poistettu apulaisprofessorin virka pitäisi Suomen yliopistoissa palauttaa. Lisäksi tuon viran tulisi olla sellainen, jossa olisi mukana lupaus professuurista, kunhan työ etenee halutulla tavalla. Näin käsittääkseni toimitaan ainakin Hollannissa: apulaisprofessorit ovat periaatteessa "pysyviä" työntekijöitä, mutta professuurin saa vasta kun osoittaa siihen riittävää kypsyyttä. Tämä sitten arvioidaan aina määräajoin osaston/tiedekunnan toimesta. Tällainen järjestely takaa työn tekemisen turvan, mutta antaa hyvän kannusteen panostaa omaan tutkimustyöhön.

Hyvässä systeemissä apulaisprofessori voi virkansa alussa hieman nojata senioriprofessorien kontakteihin, laitteisiin, sihteereihin ja muuhun järjestelmään eikä hänen tarvitse osallistua yhtä paljon byrokratiaan kuin täydet professorit. Näin tutkimukselle jää hieman enemmän aikaa ja senioriprofessoreilta saa mentoriapua. Toisaalta toki palkka olisi matalampi ja laitoksen poliittisiin päätöksiin olisi vähemmän vaikutusvaltaa kuin täysillä professoreilla.

Kuulemani mukaan apulaisprofessorijärjestelmä lakkautettiin Suomessa siksi, että näissä virassa olevat toimivat käytännössä täysien professorien "apulaisina" - toisin sanoen, he saivat kontolleen kaiken sen mitä täydet professorit eivät halunneet tehdä - eli opetuksen, byrokratian ja rahoituksen hakemisen. Ilmeisesti samasta haukutaan Saksassa toimivaa C3/C4-professuurisysteemiä. C3-professuuri on vähäisempi kuin C4-professuuri, jälkimmäinen on tyypillisesti laitoksen johtaja. Tosin tässä tapauksessa molempia kutsutaan professoreiksi. Ehdottamassani apulaisprofessuurijärjestelmässä viranhaltija saisi kuitenkin täyden vapauden määrätä tutkimussuuntansa (saamansa rahoituksen puitteissa), hänelle kuuluvat byrokratiatehtävät määriteltäisiin tarkkaan, ja hänelle asetettaisiin enimmäisopetusmäärä. Näin viranhaltijaa ei olisi ehkäpä niin helppo pompottaa.

Mistä nuo virat sitten saataisiin? Käytännössä osa nykyisistä professoreista siirrettäisiin tähän "alempaan" luokkaan. Palkkaerot ovat joka tapauksessa jo nykyisin olemassa, jo professuurin saaneilta ei tarvitsisi riistää monelle tärkeää professorin titteliä ja moni voisi ilahtuakin saadessaan hieman lisäaikaa tutkimuksen tekemiseen. Suuri osa uusista viroista perustettaisiin apulaisprofessorin nimellä ja ne suunnattaisiin post-doc -kautensa menestyksekkäästi suorittaneille tutkijoille. Sitten esimerkiksi kolmen vuoden jälkeen voisi hakea täyttä professuuria vaikkapa halutessaan vuosittain. Tästä "ylennyksestä" päätettäisiin sitten laitostasolla aika kovin kriteerein. Sitä ettei heti saa professuuria ei pidettäisi dismeriittinä.

Halutessaan apulaisprofessori voisi sitten suuntautua myös muuten kuin (pääasiallisesti) tutkimukseen. Tämäkin voisi tapahtua jossain vaiheessa erillisestä hakemuksesta. Nyky-yliopistoissa ainakin luonnontieteilijällä ainoa keino saada professuuri tai ylipäänsä mikään pysyvä yliopistovirka (byrokraatit poislukien) on profiloitua hyvänä tutkijana. Opetusansioilla ei tunnu kovin paljoa olevan merkitystä paitsi silloin kun virkaa hakee kaksi muuten yhtä hyviksi luokiteltua tutkijaa. Minä keskityn mielelläni tutkimukseen, mutta tunnen hyviä yliopisto-opettajia jotka joutuivat lähtemään yliopistosta koska heidän tutkimusmeriittinsä eivät olleet riittäviä. Tämä on mielestäni sääli: yliopistojen pitäisi pitää kiinni harvoista hyvistä opettajistaan, ja tarjota heillekin uramahdollisuuksia. En tarkoita, että noiden tutkijoiden pitäisi luopua kokonaan tutkimuksestaan, mutta opetusansioita voisi joissain tapauksissa korostaa vähintään yhtä paljon kuin tutkimusansioita. Ideaalitilanteessa tutkijaopettajat opettaisivat sitten ensimmäisen ja mahdollisesti toisen vuosikurssin opiskelijoita. Osa välttämättä opetettavista aiheista ainakin luonnontieteissä on niin kaukana nykytutkimuksesta, että niihin ei riitä tutkimusorientoituneelle kovin paljoa motivaatiota. Esimerkkinä tästä on vaikkapa perusmekaniikka (toki siinäkin on mielenkiintoisia aiheita, kuten Lagrangen ja Hamiltonin formalismi, mutta näitä ei juuri ensivuosikurssilaisille kannata opettaa). Toisaalta ensimmäisenä vuonna yleensä kurssin opettajan opetustaito korostuu tietämykseen tai erityisesti tutkijantaitoihin verrattuna. Kaikki siis voittaisivat.

No, en tiedä. Mahdollisesti harva nyt professuuria hakeva haluaisikin tyytyä "vain" apulaisprofessuuriin. Mutta uskoisin tutkijoiden havaitsevan järjestelmän edut, erityisesti tuo systeemin antama mahdollisuus urasuunnitteluun, joka mielestäni nykyjärjestelmässä on aika hatara.

Esittely

Myönnän heti alkuun: En ole kovin kokenut kirjoittaja. Tosin olen kirjoittanut useita fysiikan julkaisuja, yhden 200-sivuisen luentotekstin ja läjän hakemuksia. Noissa teksteissä on kuitenkin kaksi suurta eroavaisuutta blogiin verrattuna - olen kirjoittanut ne englanniksi, ja niissä harvoin voi kovin paljoa filosofoida. Minulla ja kuten uskon monilla muillakin blogikirjailijoilla on kuitenkin jo vuosia ollut tarve välittää ajatelmiaan ja erityisesti saattaa ne sellaiseen muotoon, jota voi tarkastella "ulkoapäin", eikä vain pään sisällä. Isoin kynnys on itse asiassa ollut pelko ettei tätä osaisikaan tehdä tai ajatukset haalistuisivat pään sisältä ulkoistamisen jälkeen. Saa nähdä.

Olen ammatiltani teoreettinen fyysikko ja olen tehnyt työtäni nyt vähän yli kymmenen vuotta. Tutkimusalani on tiiviin aineen fysiikka, erityisesti mesoskooppinen elektroniikka, eli tutkin kuinka johteiden sähkön- ja lämmönjohtokyky muuttuu kun niistä tehdään pieniä tai viedään matalaan lämpötilaan. "Mesoskooppinen" fysiikka on mikroskooppisen ja makroskooppisen välissä (sana meso on kreikkaa ja tarkoittaa sanaa "välissä"). Minä määritän aiheen aina siten, että mesoskooppisen erottaa mikroskooppisesta atomien ja elektronien tuhoton määrä, mutta on olemassa jokin tyypillisesti lämpötilasta riippuva olennainen pituusskaala jota pienempi tuo johde on. Esimerkiksi vaihekoherenssipituus kertoo siitä miten pitkään elektronit kulkeutuvat ennen kuin niiden aaltoluonne tuhoutuu. Huoneenlämpötilassa tuo pituus on tyypillisesti muutaman nanometrin luokkaa, alle Kelvinissä se on useita mikrometrejä.

No, ei (vielä) sen enempää itse tutkimusalastani. Ehkä hieman työstäni: Tärkein osa työtäni on tiettyjen ideoiden miettiminen ja niiden saattaminen matemaattiseen muotoon - ilmiöiden ennustaminen tai selittäminen. Työni erottaa selkeästi filosofiasta, säieteoriasta tai "puhtaasta" matematiikasta se, että pyrin oikeasti kuvaamaan kokeilijoiden havaitsemia suureita. Työskentelen tutkimusympäristössä, jossa runsaasta 40:stä fyysikosta (kesätyöntekijöitä lukuunottamatta) seitsemän on teoreetikkoja, loput kokeilijoita.