Suomen Akatemia

Mari, metaani ja puut – Akatemiapalkinto 2018

Suomen Akatemia palkitsee vuosittain ansioituneita tutkijoita akatemiapalkinnoin. Tänä vuonna palkinnon tieteellisestä rohkeudesta sai akatemiatutkija Arri Priimägi Tampereen yliopistosta ja yhteiskunnallisesta vaikuttavuudesta palkittiin akatemiatutkija Mari Pihlatie Helsingin yliopistosta. Priimägin tutkimuskohteena on valo ja sen vuorovaikutus eri materiaalien kanssa. Pihlatie tutkii maaperän, kasvien ja ilmakehän välistä vuorovaikutusta. Palkinnot luovutettiin tutkijoille viime keskiviikkona 6.2.2019.

 

Mari Pihlatien tärkein ja näkyvin tutkimuskohde on puiden rooli metaanin tuottajina. Kyseessä on monitieteinen kokonaisuus, jossa yhdistyvät maaperän biokemia, kemia, fysiikka ja mikrobiologia, kasvien biokemia ja fysiologia sekä ilmakehän fysiikka ja kemia.

”Meitä kiinnostaa, mikä on boreaaliseen eli pohjoiseen havumetsävyöhykkeeseen kuuluvien metsien rooli kasvihuonekaasujen nieluna ja lähteenä. Puut metaanin lähteinä ovat uusi tutkimusala. Aiemmin luultiin, että metaania syntyy ainoastaan hapettomissa oloissa, kuten boreaalisilla soilla. Tutkimusryhmäni kuitenkin havaitsi, että kaikki boreaalisen vyöhykkeen puut tuottavat metaania”, Pihlatie kertoo.

Pihlatien tutkimuksessa ovat vahvasti esillä erilaiset takaisinkytkennät. Kasvi vaikuttaa maaperän prosesseihin, maaperä vaikuttaa kasvien toimintaan, ja ilmakehä vaikuttaa maaperän ja kasvien vuorovaikutukseen. Havainnoimalla ilmakehän koostumusta ja esimerkiksi kasvihuonekaasujen pitoisuuksien muutosta, saadaan selville maaperän ja kasvien toimintaa kuten hiilen sidontaa, kasvihuonekaasujen sidontaa tai -päästöjä.

Pihlatie on kehittänyt luotettavia ja aiempaa vertailukelpoisempia mittauksia kasvihuonekaasujen arviointiin. Työ on ollut kansainvälisesti merkittävää. Pihlatie on osallistunut aktiivisesti ICOS-tutkimusinfrastruktuurin (Integrated Carbon Observation System) mittausprotokollien työstämiseen. ICOS on luomassa kansainvälistä standardia kasvihuonekaasujen havainnointiin.

Pihlatie on onnistunut erinomaisesti tuloksista tiedottamisessa: hän on kirjoittanut useita yleistajuisia artikkeleita ja antanut haastatteluja ilmastonmuutoksen vaikutuksista soihin ja turvemaihin sekä metsiin. Parhaillaan Pihlatie on akatemiatutkija (2015–2020). Hänelle on myös myönnetty Euroopan tutkimusneuvoston ERC Starting Grant kaudelle 2018–2023.

Juttu ja video ovat Suomen Akatemian tuottamia.

Arri vaikuttaa valon avulla – Akatemiapalkinto 2018

Suomen Akatemia palkitsee vuosittain ansioituneita tutkijoita akatemiapalkinnoin. Tänä vuonna palkinnon tieteellisestä rohkeudesta sai akatemiatutkija Arri Priimägi Tampereen yliopistosta ja yhteiskunnallisesta vaikuttavuudesta palkittiin akatemiatutkija Mari Pihlatie Helsingin yliopistosta. Priimägin tutkimuskohteena on valo ja sen vuorovaikutus eri materiaalien kanssa. Pihlatie tutkii maaperän, kasvien ja ilmakehän välistä vuorovaikutusta. Palkinnot luovutettiin tutkijoille viime keskiviikkona 6.2.2019.

 

Arri Priimägi hyödyntää fysiikkaa ja kemiaa nanomateriaalien tutkimuksessa. Hän johtaa Tampereen yliopistossa Smart Photonic Materials -tutkimusryhmää. Ryhmä tutkii materiaaleja, joiden järjestykseen ja ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa valon avulla.

”Meitä kiinnostaa, miten materiaalien ominaisuuksia, kuten väriä, kovuutta ja muotoa, voidaan muokata ja kontrolloida valolla. Näiden ominaisuuksien valo-ohjaus tarjoaa monia mahdollisuuksia”, sanoo Priimägi. ”Pystymme tekemään esimerkiksi pieniä valorobotteja, jotka liikkuvat itse tai pystyvät liikuttamaan esineitä valon voimalla ja valo-ohjattavia pintoja, joiden avulla voi etäohjata solujen kasvua.”

Priimägin mielestä valo on erityisen kiehtova tutkittava juuri siksi, että se mahdollistaa materiaalien etäohjauksen ilman fyysistä kontaktia. Hänen tuloksiaan voidaan soveltaa esimerkiksi fotoniikassa ja robotiikassa. Viimeaikaiset tulokset, keinotekoinen iiris (Adv. Mater. 2017) ja optinen kärpäsloukku (Nature Comm. 2017) ovat herättäneet huomiota myös tiedepiirien ulkopuolella.

Priimägi liikkuu tutkimuksessaan rohkeasti perustutkimuksen ja sovellusten välissä. Hänen koko uralleen on ominaista ennakkoluulottomuus vaihtaa alaa, oppia uusia asioita ja yhdistellä rohkeasti poikkitieteellistä osaamista siten, että kokonaisuus on paljon merkittävämpi kuin osiensa summa.

Juttu ja video ovat Suomen Akatemian tuottamia.

Samuel Kaski opettaa koneita oppimaan (video)

Otaniemessä, Aalto-yliopiston Tietotekniikan laitoksen ala-aulassa on akateemikko Teuvo Kohosen muotokuva. Eikä syyttä: hän on kouluttanut useammankin sukupolven tekoälytutkijoita aikana, jolloin Suomessa ei vielä paljoa puhuttu tekoälystä tai koneoppimisesta. Hän oli edellä aikaansa itseorganisoituvine karttoineen.

 

Eräs Kohosen oppilaista on akatemiaprofessori Samuel Kaski, joka vetää Suomen tekoälykeskus -nimistä aloitetta.

"Olin opiskellut tietotekniikkaa pari vuotta ja lukenut myös neurotieteitä, kun pääsin kesätyöhön Teuvo Kohosen tutkimusryhmään", selittää Kaski.

"En ollut tiennyt, että Suomessa oli mitään niin kiinnostavaa asiaa. Vaikka opinnoissa olin pärjännyt erittäin hyvin, olin hämmästynyt, että pääsin mukaan. Näin jälkikäteen katsottuna oli todella tärkeää päästä mukaan korkeatasoiseen tutkimukseen noin aikaisin. Moni asia kiinnosti, mutta kun ymmärsin, että tällaista voi tehdä tosissaan ja se voi olla oikeasti työ, niin tutkimus vei minut mukanaan.”

Kaski toteaa, että hänkin ottaa lupaavimpia opiskelijoita projekteihinsa mahdollisimman varhain. "Se on huippututkimuksen erittäin hyvä kansainvälinen käytäntö. Vaikka pian väittelyn jälkeen suuntauduin ihan toisiin asioihin, kerron tätä tarinaa silloin tällöin siltä varalta, että nuoria fiksuja opiskelijoita olisi kuuntelemassa. Ehkä joku heistä tulee ajatelleeksi, että tutkimusta voisi kokeilla.”

Tekoälyllä syövän kimppuun

Kaski on kiinnostunut siitä, miten malleja maailmasta voi oppia automaattisesti ja miten näin voidaan ymmärtää tapahtumia sekä soveltaa malleja teknisesti muihin tarkoituksiin."Malli voi olla hyvin datalähtöinen tai sellainen, missä on jo tietoa siitä, miten asiat toimivat. Yleensä se on joku yhdistelmä näistä. Ja sitten tarvitaan aineistoa, joista voidaan oppia ne asiat, joita ei tiedetä valmiiksi. Sitten tarvitaan algoritmi, joka pystyy sovittamaan mallin saatavilla olevaan dataan."

Konkretiaa tälle saadaan esimerkiksi siitä, mitä Kaski on tehnyt viime aikoina: hän on käyttänyt koneoppimista lääketieteellisiin sovelluksiin.

"Genomiikassa iso kysymys on se, miten löydetään geenidatasta ne tärkeät tiedot, jotka voisivat auttaa sairauksien mallinnuksessa ja ennustamaan nykyistä paremmin, mikä hoito tehoaa. Aineistossa on tietoja geenien toiminnoista, metaboliikasta ja muita mittauksia soluista. Esimerkiksi syöpänäytteiden tapauksessa pystyimme määrittelemään, mikä aineistossa on relevanttia ja millaisia ovat riippuvuudet eri tietojen välillä. Tämä on auttanut parantamaan ennusteita siitä, millainen hoito tehoaa tietynlaisen kudosnäytteen perusteella kullekin potilaalle."

Vaikeaa on erityisesti harvinaisten tautien tutkimus. Kun uudesta potilaasta ei ole tarpeeksi tietoja eikä muistakaan potilaista, joilla on sama sairaus, ole paljoa tietoja, on Kasken kehittämin menetelmin saatu ongittua esiin olennaisia kohtia.

"Vaikein ongelma tässä on se, että vaikka olennaisia tietoja on vähän, niin mittaustietoja on aivan tolkuton määrä. Kun puhutaan genomiikasta, niin potentiaalisesti hyödyllisiä muuttujia on miljoonittain. Niistä pitää pystyä valitsemaan aineiston perusteella ne, jotka tulisi ottaa huomioon. Olemme siksi yhdistelleet aineistoja ja keskittyneet eri muuttujien välisiin suhteisiin yksittäisten tietojen sijaan."

Samankaltainen ongelma on lääkkeiden kehittämisessä. Lääkkeet toimivat periaatteessa siten, että niiden vaikuttavat aineet kohdistuvat tiettyihin proteiineihin soluissa. Samalla aineet vaikuttavat myös toisiin proteiineihin ja joskus niistä voi olla myös haittaa.

"Meillä on siis valtava matriisi, jossa on proteiinit vastaan lääkkeet. Tekoälyn avulla voimme ennustaa paremmin, mitä tästä matriisista puuttuu – erityisesti niistä kohdista, joista voisi olla hyötyä erityisesti silloin, kun lääkekehitystä viedään eteenpäin."

Jo nyt suuri osa lääketiedettä on muuttunut hyvin datalähtöiseksi. Kun tietoa on ja sitä voidaan saada yhä helpommin, voidaan asioita kysyä aivan uusilla tavoilla."Lääkkeiden kehittäminen perinteisillä menetelmillä on kovin kallista ja kestää kauan. Samalla esimerkiksi antibioottiresistanssi yleistyy ja monet lääkkeet menettävät tehoaan, joten uusien lääkkeiden kehittämisen pitäisi olla entistä tehokkaampaa, jotta ihminen voisi voittaa kilpajuoksun patogeenejä vastaan."

Ihminen ja kone yhdessä

Kaski painottaa usein, että koneoppiminen, tekoäly ja tekoälyn eri sovellukset ovat parhaimmillaan silloin, kun niitä käytetään ihmisen tukena. Tässäkin konkreettinen esimerkki tulee lääketieteestä: lääkärin vastaanotto.

"Kun lääkäri päättää siitä, millaisia mittauksia potilaalle tehdään, ja kun hän tekee mittausten perusteella diagnoosin ja määrää hoitoa, niin koneesta voi olla paljon apua. Lääkärillä on hyvä koulutus, mutta tekoälyn avulla voidaan saada paljon lisätietoa niistä miljoonista mittauksista, joita genomitieto tuottaa."

Näin päästään täsmälääketieteeseen. Siinä kaikkea saatavissa olevaa solutasonkin tietoa käytetään, kun tehdään kullekin potilaalle yksilöllisesti toimiva hoitosuunnitelma.

"Mutta siis edelleen tarvitaan lääkäri ja ennen kaikkea potilas itse sanomaan, mikä hoito valitaan. Kaikissa hoidoissa kun on sekä sivuvaikutuksia että hyötyjä."

Terminaattoriskenaario

Tekoäly ja sitä käyttävät sovellukset ovat työkaluja, joita voidaan käyttää niin hyvään kuin pahaankin. Kaski painottaa, että suurin riski niiden suhteen onkin sama kuin muun tekniikan kanssa, eli ihmiset käyttävät tekoälyä samalla tavalla toisiaan vastaan kuin kaikkea muutakin nykyistä tekniikkaa.

"Tekoälystä voi olla todella paljon hyötyä ja haittaa, ja siksi eettisiä kysymyksiä pitää pohtia yhdessä demokraattisen yhteiskunnan kehittymisen mukana. Pitää olla tutkijoita, jotka pohtivat kauhukuvia, jotta niiden riski saadaan minimoitua. Mutta silti mielestäni keskitymme liikaa näihin terminaattoriskenaarioihin, joissa tekoälyrobotit ottavat vallan. Se riski on periaatteessa olemassa, mutta mielestäni paljon pienempi kuin moni muu yhteiskunnallinen riski. Siksi voisimme keskustella enemmän siitä, miten tekoälyn avulla voitaisiin tehdä töitä ja ratkoa polttavia ongelmia tehokkaammin ja paremmin."

Tämä on myös yhteiskunnallinen asia, sillä edessä on joka tapauksessa suuria muutoksia, kun monet perinteiset työtehtävät eivät ole enää tarpeellisia. Kasken mukaan varsin harvat ammatit ovat vaarassa kadota kokonaan, mutta suurimmassa osassa ammateista työtehtävät muuttuvat.

"Näin on käynyt aikaisemminkin! Kun kirjoitustaito keksittiin, niin käytännössä kaikki silloiset työtehtävät joutuivat ottamaan huomioon sen, että nyt asioita voidaan kirjoittaa muistiin ja tietoja voidaan jakaa muille. Tekoälyn vaikutukset ovat vain nopeampia. Niiden myötä yhteiskunnasta voi tulla tasa-arvoisempi tai epätasa-arvoisempi. Näistä pitää sitten poliittisesti valita."

Ideoita ei saa vain suihkussa

Kaski on ollut – ja varmasti edelleenkin on – kiinnostunut monista hyvinkin eri asioista, mutta hän kehottaa kaikkia keskittymään olennaiseen.

"Minun alani on menetelmien kehitys, ja sen siunaus ja kirous on se, että hyvä menetelmä on sovellettavissa moneen eri tehtävään. Se tarkoittaa sitä, että pitää kehittää sekä teoriaa että tehdä käytännön sovelluksia, joille on tarvetta erittäin monilla aloilla."

Hän kertoo valinneensa sovellusalueita sen mukaan, missä on ollut kiinnostavia yhteistyökuvioita. Viime aikoina näitä on ollut varsin paljon lääketieteessä, missä esimerkiksi genomiikka tarjoaa nyt paljon uutta tietoa tekoälyn purtavaksi ja tuottaa uusia, jänniä sovelluksia.

"On todella tärkeää, että meillä on tiedeyhteisö, missä on mahdollista törmätä kollegoihin, joilla on ihan uudenlaisia ajatuksia, jotka ovat yhteensopivia oman tutkimuksesi kanssa. Näistä syntyvät uudet innovaatiot. Uudet ideat saattavat tulla noin vain suihkussa ollessa, mutta yleensä sitä on edeltänyt se, että on puhunut oikeista asioista sopivaan aikaan juuri sopivien ihmisten kanssa."

*

Juttu ja video on julkaistu myös Suomen akatemian sivuilla. Ne on tehnyt Tiedetuubin Jari Mäkinen.

Video: Saisiko olla superkylmää kvanttifysiikkaa nanojääkaapissa?

Kvanttitietokoneeseen tarvitaan nanojääkaappi. Sellaisen tekemiseen ja paljon muuta nanotekniikkaan ja kvanttifysiikkaan liittyvää tutkimusta tehdään Aalto-yliopistossa akatemiaprofessori Jukka Pekolan tutkimusryhmässä.


Akatemiaprofessori Jukka Pekola Aalto-yliopistosta on puuhannut koko ikänsä lähellä absoluuttista nollapistettä, koska siellä tapahtuu kaikenlaista kiinnostavaa. Luonnonlait eivät heitä kärrynpyörää, mutta lait ovat erilaisia kuin arkisessa maailmassamme.

Siellä toimivat suprajohteet, eli materiaalit, joissa sähkövirta kulkee ilman olennaista vastusta. Ja siellä tapahtuu kvanttimekaanisia ilmiöitä: esimerkiksi systeemit voi olla samaan aikaan kahdessa eri tilassa, tai että toisistaan erilliset kvanttisysteemit voivat kytkeytyä toisiinsa. Siis vähän sama kuin nanokokoinen auto voisi olla samaan aikaan punainen ja sininen, ja yhden auton ratin kääntäminen saisi toisen auton kääntymään samanaikaisesti sadan kilometrin päässä.

"Kun aikaisemmin vain tutkimme näitä ilmiöitä, niin nyt olemme jo toisessa vaiheessa, missä käytämme hyväksi aitoja kvanttimekaanisia ilmiöitä", iloitsee Pekola ja ennustaa, että tällä alalla on tulossa paljon läpimurtoja lähivuosina – myös Suomessa, mutta tästä lisää myöhemmin.

Suomi on kylmä maa

Suomessa on pitkät perinteet hyvin kylmän ja siellä tapahtuvien ilmiöiden tutkimuksessa. Professori Olli Lounasmaa, suomalaisen fysiikan eräs suuruuksista, nosti silloisen TKK:n Kylmälaboratorion maailman huipulle ja onnistui tekemään useita kylmyysennätyksiä, eli jäähdyttämään laitteitaan erittäin lähelle absoluuttista nollapistettä.

Absoluuttinen nollapiste −273,15°C on kylmin mahdollinen lämpötila, koska silloin atomienkin liike jähmettyy paikalleen. Fyysikot alkavat lämpötilojen laskun tuosta pisteestä, eli nollasta Kelvinistä (0 K). Kylmyysennätys on edelleen Espoossa. Vuonna 2000 siellä saavutettiin lämpötila, joka oli vain 0,000 000 000 1° nollan yläpuolella.

Samaan aikaan kuitenkin Suomessa oli toinen kylmäfysiikan tutkimusryhmä, Jyväskylässä, ja Pekola oli siellä.

"Olen opiskellut ja aloittanut työni täällä Otaniemessä Olli Lounasmaan ryhmässä", kertoo Pekola. "Olin ensin 1980-luvun alussa diplomityöntekijänä ja sitten väitöskirjatutkijana. Aiheenani olivat ultramatalat lämpötilat, eli käytimme Helium-3 -nestettä ja tutkimme suprajohtavuutta siellä. Tämä oli tuolloin tärkeä tutkimusala ja tästä myönnettiin myös Nobelin fysiikan palkinto vuonna 1996."

1990-luvun alkupuolella kiinnostus suuntautui laajemmin matalien lämpötilojen tutkimukseen. Siellä esimerkiksi lämpöliike pienenee ja siksi siellä tapahtuu paljon jänniä kvantti-ilmiöitä, joiden ymmärrettiin tarjoavan paljon mahdollisuuksia uudenlaisille mikro- ja nanovalmistustekniikoille.

"Suomalainen Mikko Paalanen oli ollut tuolloin tutkimassa näitä asioita Yhdysvalloissa kuuluisassa Bell-laboratoriossa, ja hän oli tulossa Suomeen. Hän sai professuurin Jyväskylän yliopistosta, missä haluttiin panostaa kylmä- ja nanotutkimukseen. Hän rekrytoi minut ryhmäänsä, joten lähdin Jyväskylään."

Pekola kertoo, miten he saivat tutkia Jyväskylässä muun muassa ensimmäisinä Suomessa yhden elektronin ilmiöitä, jäähdyttimiä, lämpömittareita. Ryhmästä tuli nanoelektroniikan ja nanofysiikan pioneereja Suomessa.

"Lämpömittarin kehittäminen oli ensimmäinen suuri innostukseni. Meillä oli kova halu tehdä yhden elektronin transistoreita, eli sellaisia mitä nyt tehdään täällä meidänkin laboratoriossa nyt ihan vasemmalla kädellä. Emme kuitenkaan onnistuneet siinä Jyväskylän yksinkertaisessa laboratoriossamme, mutta saimme tehtyä lämpömittarin. Se on vähän kuin köyhän miehen transistori, jossa on vain yksi elektroni. Nyt sellaisia käytetään nyt monissa paikoissa, koska se ei vaadi minkäänlaista kalibrointia."

Vuonna 2002 jo professoriksi edenneelle Pekolalle tarjottiin mahdollisuutta perustaa Aaltoon oma tutkimusryhmä, joten hän päätti palata Otaniemeen. Nyt hän johtaa Pico-nimistä ryhmää, joka jatkaa elektronien ja hyvin matalien lämpötilojen kanssa. Nykyisin tosin perustutkimuksen ohella superpakkasesta ja sen ilmiöistä koetetaan tehdä tylsää arkitekniikkaa.

Yksi hankkeista on nanojääkaappi. Se ei ole vielä lähelläkään arkikäyttöä, mutta sillä tai sen avulla kehitettävällä tekniikalla voisi olla paljon sovelluksia. Esimerkiksi kiihkeän kehityksen kohteena oleva kvanttilaskenta vaatii superkylmää ympäristöä, ja jos siitä joskus tulee tavallista, se vaatii sitä, että lähellä absoluuttista nollaa olevia lämpötiloja on joka puolella – ei vain tutkimuslaitoksissa.

Tunneloitumistemppu, ja miten se tehdään

"Tämä nanojääkaappi lähti liikkeelle ihan perustutkimuksesta. Olimme kiinnostuneita energian kuljetuksesta pienissä nanorakenteissa. Lämmönkuljetus on erittäin tärkeä asia jopa ihan tavallisissa mikropiireissä, joissa lämpö täytyy saada siirtymään ulos. Erityisen tärkeää tämä on kvanttilaitteissa, missä lämpö pitää saada siirtymään paikasta toiseen, jolloin voidaan tehdä täsmäjäähdytystä."

Yksinkertaistettuna nanojääkaappi toimii siten, että "siirrämme kappaleesta pois kaikkein kuumimpia elektroneja, jolloin se jäähtyy." Periaate on sama kuin kahvin jäähdyttäminen puhaltamalla: puhallus siirtää höyryä sivuun kahvikupista, jolloin kuumimmat kaasumolekyylit kahvin päällä lentävät pois ja viileämpiä atomeja jää jäljelle.

Tarkennusta kysyessä Pekola antaa suorat ohjeet nanojääkaapin tekemiseen; ihan kotioloissa sen nikkarointi ei kuitenkaan onnistu. "Teemme puhdastilassa monikerroksisia metallirakenteita nanomittakaavassa litografisesti. Ikään kuin piirrämme elektronimikroskoopilla kuvioita muovipintaan ja sitä voidaan käyttää maskina, kun pinnalle höyrystetään metallia. Tuloksena on noin kymmenen nanometrin, metrin miljardisosan kokoisia rakenteita. Kun tätä toistetaan monta kertaa päällekkäin eri metalleilla ja maskeina toiminut muovi lopulta poistetaan, saadaan haluttu kolmiulotteinen nanorakenne."

Metallien väliin voidaan myös laittaa eristekerroksia, joiden läpi sähkö kulkee ainoastaan tunneloitumalla. Tunneloituminen tarkoittaa sitä, että hiukkanen voi läpäistä potentiaalivallin, jonka ylittämiseen sillä ei klassisen fysiikan mukaan olisi riittävästi energiaa. Sähköstaattinen potentiaalivalli syntyy siitä, että materiaali tai sen ominaisuus vaihtuu.

"Jos käytetään hyvin tavallisia, tunnettuja materiaaleja kuten vaikkapa alumiinia tai kuparia, niin osa niistä muuttuu suprajohteiksi hyvin matalissa lämpötiloissa, toiset pysyvät tavallisina. Alumiini on suprajohde noin yhden kelvinin lämpötilassa ja kylmemmässä."

Suprajohtavassa materiaalissa sähkövirta kulkee käytännössä ilman vastusta, mutta lisäksi materiaaliin muodostuu niin sanottuja energia-aukkoja. Sen sisällä on elektronien kannalta kiellettyjä tiloja samalla tavalla kuin puolijohteissa on energia-aukkoja.

"Hiukkaset, jotka sattuvat osumaan energia-aukon kohdalle, eivät pääse tunneloitumaan, mutta ne, jotka ovat yläpuolella, pääsevät tunneloitumaan. Tämä saa aikaan sen, että energiaa siirtyy normaalimetallista suprajohteen puolelle."

Jääkaappien tekeminen on nykyisin varsin perustekniikkaa, ja siksi kiinnostavampaa onkin niiden variaatioiden ja sovellusten kehittäminen. Yksi näistä on kvanttitietokoneiden lämmönsiirtoon liittyvät ongelmat, jotka pitää ratkaista ennen kuin laitteet saadaan kunnolla käyttöön.

"Tämän suhteen meillä on varsin hullu ajatus käyttää tietokoneen perustana olevia laskentayksiköitä, kubitteja sinällään lämpövoimakoneina. Voisimme kontrolloida kubittien tilaa ulkoisesti ja tehdä siten niiden avulla perinteisistä jäähdyttimistä tuttuja monivaiheisia jäähdyttimiä. Mutta näidenkin kanssa ollaan vielä kaukana tuotteistamisesta – jäähdytys on kuitenkin tärkeä osa tutkimustamme."

Tuloksena myös jo arkitekniikkaa

"Yleensä ajatellaan, että kylmäfysiikka ja matalien lämpötilojen parissa puuhaaminen on jotain eksoottista puuhaa, mutta tästä on tullut jo ihan teollisuuttakin Suomessa", jatkaa Pekola. Hän mainitsee, että suomalaisyritys BlueFors Cryogenics Oy valmistaa muun muassa erittäin yksinkertaisesti käytettäviä jäähdyttimiä millikelvin-alueelle.

Kun perinteisesti kylmäfysiikan laboratorioissa on paljon nesteheliumpulloja, koska matala lämpötila saadaan aikaan nestemäisellä heliumilla, ei niitä enää tarvita. BlueForsin laitteissa on kompressori, joka kierrättää heliumia, jonka avulla saadaan aikaan perustoimintalämpötila.

 

"Se on iso muutos paitsi tutkimuksen, niin myös sovellusten kannalta, koska helium on kallista, pullojen käsittely on hankalaa ja nesteheliumin kanssa lotraaminen vaatii aina erikoisjärjestelyjä. Kun superkylmää saa aikaan töpselin seinään laittamalla, niin se on ollut pieni vallankumous. Nyt näitä laitteita käytetään joka puolella - ja tässä Suomi sekä Kylmälaboratorio ovat olleet tässä tiennäyttäjänä.

Seuraavaksi samaa tekniikkaa pitäisi soveltaa vielä erittäin haastaviin ja pieniin kohteisiin. Esimerkiksi avaruussovelluksissa tarvittaisiin jäähdytyslaitteita, jotka toimisivat sähköisesti, eikä niissä tarvittaisi suuria nesteheliumsäiliöitä. Niiden tulisi olla lisäksi avaruuden ja avaruuteen laukaisun olosuhteet kestäviä, helppokäyttöisiä ja kevyitä. Samoin muuallakin kuin kvanttilaskennassa tarvitaan hyvin pieniä jäähdyttimiä, jotka toimisivat yksinkertaisesti siten, että niihin liitetään jännite.

Eräs lupaava sovellusala on kvanttimekaaniset sensorit. Suomessa tehdään jo nyt paljon erilaisia sensoreita, ja kun tähän teollisen skaalan toimintaan yhdistetään osaaminen suprajohtavuudessa, kylmätekniikan tietotaito ja hyvä infrastruktuuri hankalien rakenteiden tekemiseen, voi Suomesta tulla kvanttimekaanisten sensorien tekemisessä varsin suuri tekijä.

Veri vetää laboratorion puolelle

Pekolan Pico-ryhmä ei ole mikään suuri, sillä siinä on hieman yli tusinan verran jäseniä. Ryhmä on ollut aikanaan isompikin, mutta Pekolan mukaan se oli hankalasti hallittava. Nyt ryhmään kuuluu kaksi senioritutkijaa, muutama tohtoritutkija ja puolen tusinaa jatko-opiskelijoita.

"Tällaisessa työssä on paljon erilaisia osaamisalueita. Tarvitaan teoreetikoita, ja niitä, jotka ovat näppäriä rakentamisessa. Ryhmänjohtamisen rikkaus on se, kun näkee erilaisia ihmisiä joilla on erilaisia taitoja, ja voi sitten tukea heidän urakehitystään myös jatkoa ajatellen."

"Haluan olla itse mukana oikeassa työssä ja oletan, että myös opiskelijoiden kannalta tilanne on parempi, koska joskus näkevät myös minua labrassa." Pekola tosin mainitsee monessa yhteydessä, että käytännön kokeiden tekeminen ja teorian yhdistäminen on hänelle tärkeää. "Siinä ei ole mitään mieltä, että vain räplää kokeiden kanssa, jos ei ymmärrä tarkalleen, mitä tapahtuu. Asioiden teoreettinen selittäminen on myös tärkeää, ja se on aina innostanut minua."

Eräs tällainen – jo pitkään Pekolan päässä pyörinyt – teoriaa ja käytännön tekemistä yhdistävä asia on sähkövirran standardin kehittäminen. Ideana on pyrkiä liikuttamaan elektroneja yksi kerrallaan samanlaisten rakenteiden läpi siten, että elektronien liikkeet kontrolloidaan ulkoisella jännitteellä.

"Minulla oli jo kymmenkunta vuotta sitten idea siitä, miten tämä voitaisiin saada hyvinkin tarkaksi, mutta se ei ole vielä edennyt sille tasolle, että se saataisiin metrologiassa hyväksytyksi virtastandardiksi. Olemme kuitenkin jo hyvin lähellä, ja tästä myös poikii koko ajan uutta tutkimusta."

Kvanttimaailmassa olisi paljon muutakin tekemistä, kuten esimerkiksi täysimittaisen kvanttitietokoneen rakentaminen. Siihen Pekolan mukaan Suomessa ei ole yksinkertaisesti rahkeita, joskin proof-of-concept –tyyppisen tutkimuksen kautta tässäkin työssä saadaan aikaan tärkeitä tuloksia.

"Lounasmaalta opin sen, ettei kannata tehdä työtä sellaisella alalla, minkä parissa maailmalla on jättimäisiä tutkimusryhmiä. On parempi löytää oma erikoisala, mihin pienikin ryhmä voi jättää jälkensä. Luulen, että olemme onnistuneet tässä aika hyvin."

Pekola kiittelee myös akatemiaprofessuuriaan siitä, että hän voi keskittyä varsin hyvin tutkimusryhmänsä johtamiseen ja myös tutkimukseen. "Tämä on tärkeää, sillä olen edelleen hyvin innostunut fysiikasta. Siinä riittää loputtomasti jännittävää tutkittavaa!"

*

Juttu on julkaistu ensin Suomen Akatemian nettisivuilla. Kirjoittaja on Tiedetuubin päätoimittaja ja tehnyt jutun Suomen Akatemian tilauksesta.

Akatemiapalkinnot Matti Jalasvuorelle ja Ville Kivimäelle

Ma, 02/19/2018 - 10:19 Toimitus
Matti Jalasvuori ja Ville Kivimäki. Kuvat: Suomen Akatemia

Viime vuoden akatemiapalkinnot jaettiin tällä kertaa normaalia myöhemmin, vuoden 2018 puolella. Viime torstaina pidetyssä tilaisuudessa akatemiatutkija Matti Jalasvuori Jyväskylän yliopistosta ja tutkijatohtori Ville Kivimäki Tampereen yliopistosta pokkasivat paitsi palkintoina olevat suupuhalletut, lasiset taideteokset, niin myös saivat ansaittua kunniaa.

Palkintoja on siis kaksi, yksi tieteelisestä rohkeudesta ja toinen yhteiskunnallisesta vaikuttavuudesta. 

Määritelmän mukaan Akatemiapalkinto tieteellisestä rohkeudesta myönnetään tieteellisestä rohkeudesta tutkijalle, joka on työssään osoittanut palkinnon nimen mukaisesti poikkeuksellista tieteellistä rohkeutta, luovuutta tai ennakkoluulottomuutta. Palkinnon voi saada esimerkiksi rohkeasta tai omaperäisestä uudesta tutkimusideasta, ennakkoluulottomasta tieteellisten rajojen ylittämisestä tai valmiudesta tutkimuksellisen riskin ottamiseen.

Palkinnon yhteiskunnallisesta vaikuttavuudesta saa tutkija, joka on merkittävällä tavalla tehnyt tunnetuksi tieteellistä tutkimusta tai tutkijan työtä, lisännyt toiminnallaan kiinnostusta tiedettä kohtaan, osallistunut tutkijana yhteiskunnalliseen keskusteluun tai edistänyt muuten tutkimuksen merkitystä, hyödyntämistä ja vaikuttavuutta yhteiskunnassa.

Antibioottiresistenssistä innostunut virustutkija

Tieteellisen rohkeuden palkinnon saanut akatemiatutkija Matti Jalasvuori on virustutkija (otsikkokuvassa vasemmalla), joka on eriskoistunut erityisesti virusten hyötykäytöstä antibiooteille vastustuskykyisten bakteeri-infektioiden hoidossa.

Jalasvuoren tutkimusaiheet ovat kuitenkin olleet vuosien varrella moninaisia. Hän on tutkinut muun muassa virusten ja elämän synnyn yhteyttä, ;virusten alkuperää, virusten ja seksuaalisen lisääntymisen evoluutiota sekä virusten käyttämistä syöpähoitona. 

"Opintojeni loppupuolella tajusin, että geneettisen tiedon siirtyminen organismista toiseen on hyvin merkittävä osa elämää ja viruksilla on siinä iso rooli", Matti Jalasvuori kertoo.

"Ymmärryksemme tästä kokonaisuudesta on kuitenkin vielä kovin vajavainen. Se on sittemmin toiminut yhdistävänä tekijänä hyvinkin erilaisissa tutkimuksissa, joiden pariin olen usein päätynyt vain, koska olen unohtunut pohtimaan tieteellisiä ongelmia illasta toiseen. Tällä niin sanotulla horisontaalisella geeninsiirrolla on myös paljon käytännön sovelluksia, ja se on pitkälti syypää antibioottivastustuskyvyn nopeaan leviämiseen."

Antibioottivastustuskyky on yksi merkittävimmistä ja kiireellisimmistä lääketieteen ongelmista.

Jalasvuori tutkii antibioottivastustuskyvyn leviämistä bakteereissa ja kehittää uudenlaisia virus- ja plasmidipohjaisia keinoja tämän vastustuskyvyn leviämisen estämiseksi.

Tutkimuksessaan hän yhdistää virustutkimuksen osaamistaan rohkean monitieteisellä tavalla, ja luo näin mahdollisuuksia uudenlaisten ratkaisujen löytymiseen antibioottivastustuskyvyn käytännön haasteisiin.

Jyväskylän yliopistossa työskentelevä Jalasvuori on julkaissut yleistajuisen Virus – elämän   synnyttäjä, kuoleman kylväjä, ajatusten tartuttaja -teoksen.

Hulluuden historiaa

Yhteiskunnallisesen vaikuttavuuden palkinnon sai tutkijatohtori Ville Kivimäki.

Otsikkokuvassa oikealla oleva Kivimäki on historioitsija, joka on tutkimuksissaan käsitellyt erityisesti sota-ajan sosiaali- ja kulttuurihistoriaa sekä mielenterveyden ja psykiatrian historiaa.

Palkintoperustelujen mukaan hän kykenee tutkimusotteensa kautta avaamaan keskustelua Suomen historiassa pitkään vaietuista, monia koskettaneista, kivuliaistakin aiheista.

Hänen tutkimuksensa ovat esimerkiksi nostaneet näkyville sodan piileviä vaikutuksia ja lähentäneet näin eri sukupolvien kokemuksia. Ymmärrys siitä, kuinka monin tavoin sota vaikuttaa yksilöihin ja yhteiskuntaan, voi auttaa hahmottamaan paremmin myös oman aikamme väkivaltaisten konfliktien seurauksia.

Tampereen yliopistossa dosenttina toimiva Kivimäki tuo tutkimustaan ja historian aineistoja laajasti yleisön ulottuville ja julkaisee paljon suomeksi. Muun muassa hänen väitöskirjaansa pohjautunut teos Murtuneet mielet sai Vuoden historiateos- ja Tieto-Finlandia -palkinnot vuonna 2013.  

”Erityisesti juuri historioitsijoilla on toinen yleisö akateemisen tutkijayhteisön ulkopuolella. Suomessa on erittäin sivistynyt suuri lukijakunta, joka harrastaa laajasti historiantutkimusta ja täyttää penkit historiaa käsittelevissä yleisötilaisuuksissa”, Kivimäki toteaa.

”Tämän yleisön kanssa historiantutkijat keskustelevat menneisyyden ja nykyisyyden suhteesta – ja siis myös nykyhetkestä ja tulevaisuudesta. Tälle yleisölle kirjoittaminen on tutkijoiden tehtävä siinä missä kansainväliselle tiedeyhteisöllekin kirjoittaminen.”

Kivimäen mielestä on mahdotonta mitata tämän keskustelun arvoa tai merkitystä, mutta monien aiheiden kannalta historiantutkimuksen yhteiskunnallinen vaikutus syntyy juuri keskustelussa suuren yleisön kanssa.

Juttu on Suomen Akatemian tiedote lähes suoraan kopioituna.

Video: Akatemiaprofessori Matti Lassas on salapoliisi ja pohtii näkymättömyysviittaa

Heti juttutuokiomme aluksi akatemiaprofessori Matti Lassas haluaa repiä rahaa, mutta tyytyy tavalliseen sanomalehtipaperiin.

Syynä repimisintoon on hänen tämänhetkinen tutkimushankkeensa, missä tutkitaan matematiikan avulla paperia ja pystytään paljastamaan väärät setelit juuri paperin avulla.

"Tutkimme valkoista kohinaa, tai tarkemmin sanottuna satunnaiskentän parametrien estimointia datan avulla", selittää Lassas ja jatkaa selitystä näyttämällä konkreettisesti, mistä on kyse. Hän valaisee paperia edessään laserosoittimella, jolloin valopisteen ympärillä oleva paperi hohtaa sumumaisena pilvenä.

"Tämä sumuuntunut piste on paperin sormenjälki, koska kun jokainen kohinan pikseli muutetaan matemaattiseksi funktioksi ja ne mallinnetaan, on tuloksena jokaiselle paperilaadulle ominainen malli. Paperia voi tutkia myös kohtalaisen tarkasti yksinkertaisesti sitä repimällä, sillä se, miten paperi repeää, kertoo siitä, sen koostumuksesta ja tekotavasta paljon.”

Tämän osoittamiseen Lassas ottaa sanomalehden, ja repii sen sivun hitaasti kahtia.

"Sanomalehtipaperin syyt ovat vain yhteen suuntaan, eli se on hyvin suunnistunutta siksi, että paperi on mennyt paperikoneen läpi ja paperi on varsin erilaista paperikoneen suunnassa ja poikkisuunnassa."

Setelipaperi on hienompaa, eikä siinä ole sanomalehtipaperiin verrattavia syitä. Sen sijaan laservalon avulla valaistaessa siitäkin paljastuu sen oma rakenne. "Siinä näkyy pieniä laikkuja ja myös pienet syyt. Kun niitä analysoidaan matemaattisesti, voidaan päätellä, mistä paperi on peräisin. Paperi, mille setelit painetaan, on erilaista eri maissa ja jopa eri paperikoneissa."

Kyseessä on yksinkertainen ainetta tuhoamaton tutkimus, eli tässä tapauksessa paperia voidaan tutkia hyvinkin tarkasti ilman, että paperia täytyy rikkoa.

"Kiinnostavaa kyllä, muun muassa pörssikurssit noudattavat samanlaisia lakeja kuin paperin kuitujen vaihtelut vaaka- ja pystysuunnassa. Voimme laskea pörssikurssien volatiliteettia samaan tapaan kuin päätellä paperin alkuperää. Tämä matematiikan universaalisuus on kiehtovaa!"

Tieteiskirjallisuudesta salapoliisimatematiikan pariin

Lassas kertoo aloittaneensa matematiikan opintonsa puhtaan, teoreettisen matematiikan parissa, sillä häntä kiinnostivat ennen kaikkea lukujen ominaisuudet.

"Ajattelin, että mitä vähemmän tekemistä sovellusten kanssa, sitä parempi. Mutta kun törmäsin matematiikan erilaisiin sovelluksiin ja huomasin, että kaikkialla ympärilläni oli hyvin samankaltaista matematiikkaa, niin siirryin askel askeleelta lähemmäksi sovelluksia."

Aivan alussa oli kuitenkin tieteiskirjallisuus, mikä houkutti epäsuorasti Lassaksen matematiikan pariin. Koska scifi-kirjoissa oli paljon fysiikkaa, hän halusi opiskella sitä tarkemmin. Fysiikassa ei kuitenkaan päässyt eteenpäin ilman matematiikkaa, joten tuleva akatemiaprofessori meni kesämökkipaikkakuntansa kunnankirjastoon ja luki sen matematiikan osaston läpi.

"Päätin, että haluan opiskella tätä yliopistossa. Vaikka innostukseni heräsi fysiikan soveltavan matematiikan kautta, imaisi puhdas matematiikka minut siinä määrin mukaansa, että halusin opiskella juuri sitä."

Varsin pian painopiste alkoi kuitenkin siirtyä jälleen sovellusten pariin. Erityisesti Lassas on kiinnostunut niin sanotuista inversio-ongelmista, käänteisongelmista, jotka ovat takana lähes kaikissa hänen tutkimissaan ongelmissa.

"Käänteinen ongelma on sitten nimensä mukaisesti päinvastainen. Se tarkoittaa sitä, että meillä on lopputulos, ja koetamme ymmärtää, miten se on saatu aikaan."

Hyvä esimerkki on maapallon painovoimakenttä. Jos tuntisimme täsmälleen planeettamme rakenteen, olisi mahdollista laskea painovoimalakien avulla, kuinka voimakkaasti Maa vetää meitä puoleensa kussakin paikassa pinnalla. Vetovoimassa on pieniä paikallisia vaihteluita sen mukaan, millainen on maapallon rakenne alapuolella, pinnan alla – erot ovat hyvin pieniä, mutta selvästi mitattavissa.

"Emme kuitenkaan tiedä täsmälleen maapallon rakennetta, mutta voimme mitata ja kartoittaa hyvinkin tarkasti, mikä on vetovoima missäkin kohdassa maapallon pinnalla. Ja näiden havaintojen perustella voimme laskea, millainen maapallon rakenne tuottaisi meille havaitut arvot. Tähän liittyy viime aikoina tehty maanjäristysaaltojen kulkuaikojen analyysi. Tämän avulla voitu päätellä huiman tarkasti Maan ja erityisesti Maan pintakerroksen kolmiulotteinen rakenne."

Nykyaikainen lääketieteellinen kuvantaminen on pitkälti samanlaista. Tietokonetomografiassa otetaan ihmisestä eri puolilta röntgenkuvia ja niiden avulla lasketaan, millainen on ihmisen kolmiulotteinen sisärakenne.

"Olemme tehneet yhteistyötä muun muassa hammaslääkärien kanssa ja onnistuneet kehittämään laskentamalleja, joiden ansiosta suun ja suun alueen hermojen rakenteen yksityiskohdat näkyvät aiempaa paremmin. Näin kuvannus voidaan tehdä vähemmillä röntgenkuvilla ja siten potilaan saama säteilyannos pienenee olennaisesti."

Toinen konkreettinen esimerkki inversio-ongelmamatematiikasta arkikäytössä on ilmakehätutkimus. Eri menetelmin voidaan havaita esimerkiksi ilmassa olevan hiilidioksidin määrä ja jakautuma, ja matematiikan avulla pystytään paljastamaan hiilidioksidin lähteet ja nielut: missä hiilidioksidia syntyy ja missä sitä absorboituu pois.

Lisää esimerkkejä tutkimusaloista, joissa saadaan tietoa epäsuorasti tai havainnot ovat epätäydellisiä, on vaikka kuinka. Lassaksen tutkimusryhmä on muun muassa auttanut malminetsijöitä, vesivarojen kartoittajia ja kosmologeja työssään.

"Taustasäteilyn tutkimus on todella kiinnostavaa ja minulle se on vähän paluuta tieteiskirjallisuuden pariin. Voimme nimittäin saada taivaan taustasäteilyssä olevista pienistä vaihteluista tietoa siitä, millaisia rakenteita oli varhaisessa maailmankaikkeudessa. Vielä jokin aika sitten kosmologien mukaan syntymässä olleessa maailmankaikkeudessa olisi ollut valtavia kosmisia säikeitä, mutta niitä ei vain ole löytynyt. Matematiikan avulla voidaan siis laskea, mikä näkyy – ja mikä tärkeämpää, sitä mikä ei näy."

Nyt Lassas on siirtynyt taustasäteilystä gravitaatioaaltoihin. Ne ovat kuin kosmisen mittakaavan maanjäristysaaltoja ja niissä on paljon mahdollisuuksia inversio-ongelmien käyttöön.

Sattuma johdattaa

Lassas on mukana Suomen Akatemian huippuyksikkö-statuksen saaneessa inversio-ongelmien tutkimusryhmässä, jonka jäsenet ovat jakautuneet kuuteen yliopistoon ympäri Suomen. Ryhmässä on nykyisin noin 80 jäsentä.

“Tämä verkosto on rakentunut vähitellen”, Lassas kertoo. “Lähtökohtana ovat olleet eri tutkijoiden väliset ystävyyssuhteet, ja kun yksi on saanut professuurin jossain yliopistossa, niin siitä paikasta on tullut kumppani.”

Lassaksen mukaan ryhmän vahvuus on siinä, että mukana on tutkijoita erittäin laajalla rintamalla puhtaasta matematiikan tutkimuksesta sovellusten siirtämiseen start-up-yrityksiin. Yleensä teoreettisen tiedon siirtyminen sovelluksiin kestää vuosikymmeniä, mutta nyt tutkimus saadaan arkikäyttöön hyvin nopeasti.

“Hyvä esimerkki tästä on yhtiö, jonka jatko-opiskelijamme pistivät pystyyn. Se mittaa putkistoissa kulkevia nesteitä kehittämämme matemaattisen kuvantamisalgoritmin avulla. Kuvantamismenetelmien avulla voidaan havaita maakaasuputken sisälle muodostuvia kiteitä. Pahimmassa tapauksessa ne saattavat tukkia putken, jolloin tuloksena on paitsi katko maakaasun toimituksessa, niin myös kallis remontti. Nyt ongelmat voidaan havaita ennalta ja edullisesti putkea avaamatta ja putki voidaan huoltaa ajoissa.”

Kenties kuuluisin – ja myös huikein – tutkimusryhmän hanke on näkymättömyysviitan tekeminen. Tällä viivataan Harry Potterin taikaviittaan, jolla hän pystyy muuttumaan näkymättömäksi. Yllättäen sellainen ei ole enää pelkkää satua.

“Kyse oli aluksi ihan pelkistä pintojen geometrioista. Sen jälkeen asia vain johti toiseen ja lopulta huomasimme tutkivamme näkymättömyyttä.”

Lassas selittää, että kyseessä oli abstrakti ongelma, missä tutkittiin valonsäteen kulkua matemaattisen pinnan, esimerkiksi hyperboloidin reunalta toiselle. Tavoitteena oli ymmärtää, miten yhdeltä reunalta voitaisiin tehdä pintaa pitkin sähkömagneettisen aaltojen avulla mittauksia siitä, miltä toinen puoli näyttää. Tai kuten Lassas sanoo, “Halusimme tietää, onko pinnan topologiassa reikää.”

Lassas oli menossa esitelmöimään lääketieteellisestä kuvantamisesta Yhdysvalloissa pidettyyn konferenssiin, jolloin hän keksi selittää kuvantamismenetelmiään näkymättömyysesimerkin avulla. Siinä oli kaksi kappaletta, yksi tasa-aineinen ja toinen sellainen, jonka sisälle oli kätketty esine ja joka oli vuorattu teoreettisella pinnoituksella, joka hämäsi näkymistä.

“Teimme erilaisia laskelmia, mutta emme valitettavasti puhuneet tekemisistämme materiaalitutkijoiden kanssa. Emme olleet tulleet ajatelleeksikaan, että he olivat jo tutkineet metamateriaaleja, jolla asia voidaan toteuttaa käytännössä. Muutamien vuosien jälkeen huomasimme, että uusien materiaalien, niin kutsuttujen metamateriaalien, tutkijat eri puolilla maailmaa ehdottivat näkymättömyysviitan tekemistä valolle käyttämällä täsmälleen samoja kaavoja, joita olimme itse hahmotelleet!”

Metamateriaaleissa niiden geometria on tärkeämpää kuin niiden materiaali. On siis sama, onko ne tehty puusta tai pellistä, raudasta tai hiilikuidusta, kunhan vain materiaali käyttäytyy eksoottisesti. Materiaalit voivat olla mekaanisia tai sähköisiä, ja ne voivat saada aikaan valolla (ja muulla sähkömagneettisella säteilyllä) varsin omituisia ilmiöitä: esimerkiksi valo voi taittua ihan toiseen suuntaan kuin odotettaisiin. Veden ja ilman rajapinnassa valo heijastuu ja taittuu, mutta metamateriaalia ja jotain tiettyä valon aallonpituutta käyttämällä voi saada aikaan sen, että valo seuraa kappaleen pintaa samaan tapaan, kuin vesi virtaa joessa olevan kiven ympäri. Valo siis palaa kappaleen ohitettuaan alkuperäiselle reitilleen.

“Jos tämän saisi toimimaan suuressa mittakaavassa ja laajalla taajuuskaistalla, niin se toimisi kuin Harry Potterin näkymättömyysviitta. Toistaiseksi on tosin onnistuttu kätkemään vain noin mikrometrin kokoisia kappaleita, eli viitat ovat vielä aika pieniä ja toimivat vain yhdellä aallonpituudella.”

Ensimmäisenä näkymättömyyttä voitaisiin käyttää esimerkiksi skannausmikroskoopeissa, joissa mikroskoopin äärimmäisen pientä kärkeä kannattavat tuet voitaisiin päällystää käytetyn aallonpituuden alueella “näkymättömäksi” muuttavalla aineella. Samoin tutka-antenneissa, jotka nekin toimivat vain tarkasti määrätyillä aallonpituuksilla, voitaisiin antennin kuvakentässä olevat tuet muuttaa näkymättömiksi. Kummassakin tapauksessa havainnot parantuisivat olennaisesti.

Sovellusten lista vain jatkuu…

Haastattelun kuluessa Lassas pudottelee tutkimuksensa sovelluksia niin innokkaasti, että niitä on vaikea kirjata ylös.

Lassas kertoo niistä innostuneesti, ja toteaakin sen, mikä näkyy päälle: “Tämä on hirveän jännittävää! Yksi asia johtaa toiseen ja tämä saattaa näyttää etenkin näin jälkikäteen katsottuna vain ajautumiselta. Etukäteen ei voi tietää, missä kaikessa kehittämäämme matematiikkaa voi käyttää.”

“Olennaista on se, että meidän pitää olla yhteistyössä muiden alojen tutkijoiden kanssa. Emme saa istua vain kammioissamme, vaan meidän matemaatikkojen pitää mennä tapaamaan muita ihmisiä, kuunnella heitä ja soveltaa tutkimustamme heidän tarpeisiinsa.”

Näkymättömyys on tästä hyvä esimerkki. Lisäksi se on erinomainen esimerkki siitä, miten näennäisesti täysin hyödytön tutkimus tuottaa mullistavia sovelluksia.

Kun Lassas katsoo kymmenen vuoden päähän, niin hän näkee siellä kaikkein kiinnostavimpana uutena alana niin sanotun hybridikuvantamisen. Siinä yhdistetään kaksi erilaista kuvantamistapaa, esimerkiksi sähköinen kuvantaminen ja magneettikuvaus, jolloin saadaan enemmän ja parempaa tietoa.

“Ja sitten on fotoakustinen kuvantaminen! Ihmisen sisälle voidaan lähettää voimakas valopulssi, joka lämmittää hieman ihmisen kehoa, ja tämä pieni, nopea lämpeneminen laajentaa ainetta ja laajentuminen synnyttää ääntä. Koska valo ei mene kovin syvälle ihmiseen, käytetään tätä nyt lähellä ihoa olevassa tutkimuksessa, muun muassa ihosyövän kuvantamisessa.”

“Kun valo korvataan ultraäänellä, saadaan elastografinen kuvantamismenetelmä. Ihmisten sisustaa on vaikea puristaa kasaan siten, että tilavuutemme muuttuu, mutta olemme vastavuoroisesti hyvin vääntyviä ja joustavia. Tämän takia kudoksissamme etenee kaksi eri nopeudella kulkevaa elastista aaltoa, joita voidaan yhdessä käyttää kuvantamisessa: toinen aalto) suunnataan sisällemme kiinnostavaan paikkaan ja ne synnyttävät toisenlaisia aaltoja, joita havaitaan.”

Aaltojen käyttäytymistä voidaan laskea suhteellisuusteorian kaavoilla, joilla esimerkiksi hahmotetaan sähkömagneettisten aaltojen ja gravitaatioaaltojen vuorovaikutusta.

Ei ole mikään ihme, että Lassaksen mielessä asia on myös saanut toisen, aivan erilaiselta tuntuvan, mutta matemaattisesti samankaltainen ajatuksen. Hän miettii, miten havaitsija, joka putoaa avaruudessa vapaasti ja joka lähettää aaltoja ympäriinsä, voi muodostaa kuvan ympärillään olevasta avaruusajasta ja sen rakenteista – vai pystytäänkö siihen lainkaan?

“Artikkelimme tästä on tällä hetkellä viimeisteltävänä ja sen vastaus on, että pystyy. Tämä on sellainen nimenomaan matematiikkaan perustuva kysymys, joka oli henkilökohtaisesti kauhean tärkeä. Ja kuten niin monasti ennenkin, tälle siis löytyi heti käytännön sovelluksia!”

Juttu ja video on julkaistu Suomen akatemian nettisivuilla ja ne uudelleenjulkaistaan Tiedetuubissa luvalla. Tekijänä on Tiedetuubin Jari Mäkinen.

Uudet tieteen huippuyksiköt valittu

To, 06/01/2017 - 15:45 Toimitus
Helsingin yliopiston Kumpulan kampuksen tiedekirjasto (kuva: flickr / Taneli Mielikäinen)

Suomen Akatemia on valinnut uudet tutkimuksen huippuyksiköt vuosille 2018–2025.

Huippuyksikköohjelmaan vuosiksi 2018-2025 valittiin 12 yksikköä, joissa työskentelee tutkimusryhmiä yhteensä 12 yliopistosta tai tutkimuslaitoksesta. Uusissa huippuyksiköissä tutkitaan muun muassa avaruustiedettä ja tekniikkaa, pelikulttuureja, eurooppalaista oikeutta ja identiteettiä, kvanttiteknologiaa, ikääntymistä ja hoivaa sekä kasvainten genetiikkaa.

Suomen Akatemia sai tämänkertaiseen huippuyksikköhakuun yhteensä 179 aiehakemusta. Näistä kutsuttiin varsinaiselle kierrokselle 34 hakijaa. Hakemukset arvioitiin kansainvälisissä arviointipaneeleissa.

Lisäksi kansainväliset asiantuntijat haastattelivat toiselle kierrokselle kutsuttujen tutkimusryhmien edustajat Akatemiassa toteutetuissa tilaisuuksissa.

Huippuyksiköt valittiin uudistettuun huippuyksikköohjelmaan. Huippuyksikön rahoituskausi pitenee kuudesta vuodesta kahdeksaan, ja ensimmäisen nelivuotiskauden jälkeen yksikölle tehdään tieteellinen väliarviointi.

Arvioinnin tulokset ratkaisevat yksikön jatkorahoituksen tason eli rahoitus voi arvioinnin tulosten perusteella joko nousta, laskea tai päättyä kokonaan.

Uudistuksessa vahvistetaan isäntäorganisaatioiden roolia rahoituksessa. Ohjelmakauden pidentämisen ja isäntäorganisaatioiden roolin vahvistamisen uskotaan parantavan uusien huippuyksiköiden mahdollisuuksia tutkimuksellisen riskin ottamiseen.

”Uudistuksella tavoittelimme tutkimusyhteisöltä tieteellisesti rohkeita, uusia ideoita korkeatasoisiksi hankekokonaisuuksiksi, joissa tutkimusryhmät toimivat keskenään kiinteässä yhteistyössä toteuttaen yhteistä tutkimussuunnitelmaa", toteaa Suomen Akatemian hallituksen puheenjohtaja Heikki Ruskoaho.

"Tulosten perusteella näyttää siltä, että tässä onnistuttiin. Tutkijat ovat selvästi haastaneet itsensä ajattelemaan uudella tavalla, ja rahoitettaviksi valitut kokonaisuudet ovat tieteellisesti korkeatasoisia, tutkimusta uudistavia yksiköitä”.

Huippuyksiköt tekevät läpimurtotutkimusta ja edistävät tieteen uudistumista.

Tieteen uudistuminen voi toteutua uusien tutkimusaiheiden, menetelmien, lähestymistapojen tai uudenlaisten tutkimusryhmien yhdistelmien muodossa. Akatemia odottaa, että huippuyksiköiden tutkimuksella on myös tiedeyhteisön ulkopuolelle ulottuvaa vaikuttavuutta.

”Kysyimme jo hakemusvaiheessa tutkijoilta sitä, minkälaista vaikuttavuutta heidän tutkimuksellaan voisi olla perinteisen tieteellisen vaikuttavuuden lisäksi ja pyydämme jatkossa uusilta huippuyksiköiltä myös raportointia vaikuttavuuden toteutumisesta", Suomen Akatemian tutkimuksesta vastaava ylijohtaja Riitta Maijala kertoo. 

"Tavoitteena on näin innostaa valittuja huippututkimusyksiköitä aktiivisesti pohtimaan ja edistämään oman tutkimuksensa laajaa vaikuttavuutta”

Suomen Akatemian Tieteen tila 2016 -raportissa todetaan, että tieteellisen vaikuttavuuden lisäksi tutkimuksella voi olla tiedeyhteisön ulkopuolelle ulottuvaa vaikuttavuutta. Tutkimus voi toimia vaurauden ja hyvinvoinnin lähteenä, tukea käytäntöjen kehittämistä ja osaamisen kasvattamista, tarjota perusteltuja lähtökohtia päätöksenteolle tai rakentaa maailmankuvaa ja sivistystä.

Huippuyksikköohjelmaan valittiin vuoksiksi 2018–2025 seuraavat

Kasvaingenetiikan tutkimuksen huippuyksikkö
Aaltonen Lauri HY, Nykter Matti TAY, Pitkäniemi Janne Syöpärekisteri ja Taipale Jussi HY

Kokemuksen historian huippuyksikkö
Haapala Pertti TAY, Kivimäki Ville TAY, Markkola Pirjo TAY ja Toivo Raisa TAY

Kantasolumetabolian huippuyksikkö
Katajisto Pekka HY, Hietakangas Ville HY, Otonkoski Timo HY ja Tyynismaa Henna HY

Monikudosmallintamisen huippuyksikkö
Kellomäki Minna TTY, Aalto-Setälä Katriina TAY, Hyttinen Jari TTY, Kallio Pasi TTY, Miettinen Susanna TAY ja Narkilahti Susanna TAY

Ikääntymisen ja hoivan tutkimuksen huippuyksikkö
Kröger Teppo JY, Jylhä Marja TAY, Taipale Sakari JY ja Wrede Sirpa HY

Inversiomallinnuksen ja kuvantamisen huippuyksikkö
Lassas Matti HY, Haario Heikki LTY, Hannukainen Antti AALTO, Hyvönen Nuutti AALTO, Kaasalainen Mikko TTY, Kaipio Jari UEF, Kolehmainen Ville UEF, Pursiainen Sampsa TTY, Salo Mikko JY, Seppänen Aku UEF, Serov Valery OY, Siltanen Samuli HY, Tamminen Johanna IL, Tarvainen Tanja UEF ja Vauhkonen Marko UEF

Pelikulttuurien tutkimuksen huippuyksikkö
Mäyrä Frans TAY, Koskimaa Raine JY, Sotamaa Olli TAY ja Suominen Jaakko TY

Kestävän avaruustieteen ja -tekniikan huippuyksikkö
Palmroth Minna HY, Janhunen Pekka IL, Kilpua Emilia HY, Praks Jaan AALTO ja Vainio Rami TY

Kvanttiteknologian huippuyksikkö
Pekola Jukka AALTO, Ala-Nissilä Tapio AALTO, Flindt Christian AALTO, Hakonen Pertti AALTO, Hassel Juha VTT, Maniscalco Sabrina TY, Möttönen Mikko AALTO, Paraoanu Gheorghe-Sorin AALTO, Prunnila Mika VTT ja Sun Zhipei AALTO

Kompleksitautien genetiikan huippuyksikkö-Geneettisistä löydöksistä henkilökohtaiseen lääketieteeseen
Ripatti Samuli HY, Daly Mark HY, Groop Leif HY, Kaprio Jaakko HY, Palotie Aarno HY, Pirinen Matti HY ja Tuomi Tiinamaija HY

Muinaisen Lähi-idän imperiumit-huippuyksikkö
Svärd Saana HY, Lahelma Antti HY, Silverman Jason HY

Eurooppalaisen oikeuden, identiteetin ja historian tutkimuksen huippuyksikkö
Tuori Kaius HY, Slotte Pamela HY ja Toivanen Reetta HY 

HY = Helsingin yliopisto, TAY = Tampereen yliopisto, TTY = Tampereen teknillinen yliopisto, JY = Jyväskylän yliopisto, AALTO = Aalto-yliopisto, UEF = Itä-Suomen yliopisto, OY = Oulun yliopisto, LTY = Lappeenrannan teknillinen yliopisto, IL = Ilmatieteen laitos ja TY = Turun yliopisto

 

Juttu perustuu käytännössä suoraan Suomen akatemian tiedotteeseen. Otsikkokuvassa Helsingin yliopiston Kumpulan kampuksen tiedekirjasto (kuva: flickr / Taneli Mielikäinen)

Uudet Akateemikot nimetty: kasvifysiologi, aerosoliguru ja filosofi

Pe, 03/10/2017 - 14:19 Toimitus

Akatemiaprofessori Eva-Mari Aro, akatemiaprofessori Markku Kulmala ja emeritusprofessori Ilkka Niiniluoto ovat uusia tieteen akateemikoita.

Tasavallan presidentti Sauli Niinistö myönsi heille akateemikon arvonimen presidentin esittelyssä tänään.

Uudet akateemikot vastaanottavat arvonimensä torstaina 16.3. Helsingissä pidettävässä juhlatilaisuudessa. Tieteen akateemikon arvonimi voi olla samanaikaisesti kuudellatoista erittäin ansioituneella suomalaisella tieteentekijällä.

Kasvimolekyylibiologisen tutkimuksen pioneeri

Akatemiaprofessori Eva-Mari Aro (s.1950) on toiminut Turun yliopiston kasvifysiologian professorina vuodesta 1998 alkaen.

Hänen erityisalanaan on kasvimolekyylibiologinen tutkimus. Aro on luonut uuden fotosynteesitutkimuksen vahvuusalueen Suomen tieteeseen. Samalla hänen johtamastaan laboratoriosta on kehittynyt yksi kansainvälisesti arvostetuimmista fotosynteesitutkimuksen keskuksista.

Viime vuosina Aron ryhmä on selvittänyt, miten fotosynteesikoneisto saadaan valjastettua tuottamaan ihmisille hyödyllisiä yhdisteitä kestävän kehityksen periaatteella. Tutkimuksessa synteettistä biologiaa sovelletaan kemikaalien ja energian tehokkaaseen tuottamiseen yhteyttävien organismien, lähinnä syanobakteerien, avulla.

Tutkimuksessa syanobakteereja ei valjasteta biomassan tuottamiseen kuten yleensä levien bioenergiatutkimuksissa, vaan niistä muokataan ”eläviä” tehtaita, joissa solut toimivat katalyytteinä ja erittävät soluistaan energiarikkaita kemikaaleja kuten esimerkiksi aurinkopolttoaineita. Alan tutkimuksen toivotaan johtavan käytännön läpimurtoon, joka mahdollistaisi luopumisen fossiilisista polttoaineista.

Eva-Mari Aron mielestä tutkimuksen yhteiskunnallinen merkitys kasvaa kovalla vauhdilla.

”Tutkimus on perusedellytys niin erilaisten sovellusten keksimiseksi ja tuottamiseksi kuin poliittisen päätöksenteonkin tueksi. Tutkittuun tietoon perustuva neuvonanto käy entistä tärkeämmäksi hauraaksi ja pieneksi osoittautuneella planeetallamme. Oma vastuuntuntoni tässä asiassa heräsi kymmenisen vuotta sitten, mutta toivon, että nuoremmat ikäpolvet ovat valveutuneempia.”

Akatemiaprofessorina Eva-Mari Aro on toiminut nykyisen, vuoteen 2018 jatkuvan kautensa lisäksi vuosina 1998-2008. Aro johti vuosina 2008-2013 Suomen Akatemian Integroidun fotosynteesi- ja metaboliittitutkimuksen huippuyksikköä, ja parhaillaan hän johtaa Primaarituottajien molekyylibiologian huippuyksikköä (2014-2019). 

Eva-Mari Aro on saanut useita kansainvälisiä kunnianosoituksia ja palkintoja ja hänellä on lukuisia kansallisia ja kansainvälisiä luottamustehtäviä.

Hän toimii monissa EU:n tutkimusverkostoissa, niin tieteellisissä kuin tiedepoliittisissakin ja kuuluu useiden isojen tiedepalkintojen kansainvälisiin valintapaneeleihin. Parhaillaan hän on varapresidentti Euroopan Akatemioiden yhteiselimessä (EASAC), joka tuottaa tutkittuun tietoon perustuvia raportteja EU:n komission ja parlamentin päätöksentekoa varten aihepiireinä ympäristö, energia ja biotieteet yleisesti. Vuoden professoriksi Eva-Mari Aro valittiin vuonna 2013.

Markku Kulmala

Ekosysteemien ja ilmakehän vuorovaikutuksia tutkivan tieteenalan uranuurtaja

Akatemiaprofessori Markku Kulmala (s. 1958) on maailman johtava ilmakehän aerosolien fysiikan ja kemian tutkija.

Kulmalan alan kansainvälisessä eturivissä tekemä tutkimus on lisännyt merkittävästi ymmärrystä ilmastonmuutokseen vaikuttavista mekanismeista, mikä luo mahdollisuuksia ilmastonmuutoksen hillitsemiseen ja muutoksen vaikutusten vähentämiseen. Kulmala on yksi ekosysteemien ja ilmakehän vuorovaikutuksia tutkivan uuden tieteenalan perustajista. Varsinkin hänen integroiva lähestymistapansa on muuttanut tutkimusympäristöä ja -asetelmia merkittävästi.

Kulmalan tutkimusryhmä selvittää ihmistoiminnan ja luonnollisten prosessien vaikutusta ilmastoon ja ilman laatuun. Ilmanlaadun ja ilmaston väliset vuorovaikutukset ovat moninaisia ja monimutkaisia. Saasteinen ilma voi muuttaa paikallista ja jopa globaalia ilmastoa ja ilmasto vaikuttaa monella tavalla ilmanlaatuun. Tutkimuksella on merkittävät ympäristölliset, sosiaaliset ja taloudelliset vaikutukset.

”Ilmaston ja ympäristönmuutoksen monimutkaisten keskinäisten riippuvuuksien ja vuorovaikutusten ratkaisemiseen tarvitaan monipuolista kokeellista ja teoreettista työtä sekä jatkuvia mittauksia. Vain näin saadaan riittävästi faktoja, joita voidaan käyttää päätöksenteon tueksi esimerkiksi sellaisissa haasteissa kuin Kiinan ilmanlaadun ratkaisemisessa.”

Markku Kulmala on työskennellyt Helsingin yliopiston fysiikan professorina vuodesta 1996 lähtien. Parhaillaan hän on akatemiaprofessori. Hän oli akatemiaprofessorina myös vuosina 2004-2009 ja 2011-2015. Kulmala on julkaissut yli 900 tieteellistä alkuperäisartikkelia.

Hänen ohjauksessaan on valmistunut 67 tohtoria. Kulmalan julkaisuihin on viitattu ainakin 35 000 kertaa, ja hän on maailman viitatuin geotieteiden tutkija. Vuoden professoriksi Kulmala valittiin vuonna 2012.

”Minua kiehtoo tutkimustyössä uuden löytäminen ja rajojen ylittäminen. On mielenkiintoista pohtia uusia asioita, yhtälöitä ja syy-yhteyksiä ja lopulta ymmärtää niitä”, Kulmala kuvailee.

Kulmala on johtanut Suomen Akatemian huippuyksikköä Ilmakehän koostumuksen ja ilmaston muutoksen fysiikka, kemia ja biologia vuosina 2002-2007 ja Ilmakehän koostumuksen ja ilmaston muutoksen fysiikka, kemia, biologia ja meteorologia vuosina 2008-2013.

Parhaillaan hän johtaa Ilmakehäntutkimuksen huippuyksikköä - molekyyleistä ja biologisista prosesseista globaaliin ilmastotutkimukseen (2014-2019). Arvostetun Euroopan tutkimusneuvoston ERC:n viisivuotisen Advanced Grant -rahoituksen Kulmala sai vuonna 2008.

Markku Kulmala on ollut keskeisessä roolissa myös kansainvälisten tutkimusinfrastruktuurien kehittäjänä ja merkittävän havaintoverkoston perustajana. Useita vuosia kestäneet jatkuvat mittaukset Suomen SMEAR-kenttäasemilla ovat lisänneet Kulmalan johtamien tutkimusyksiköiden kansainvälistä painoarvoa.

Tämä näkyy esimerkiksi kasvihuonekaasujen havaintojärjestelmän (ICOS) -tutkimusinfrastruktuurin päämajan ja koordinaatiovastuun saamisessa Suomeen sekä aerosolin, pilvien ja hivenkaasujen eurooppalaisen infrastruktuurin (ACTRIS) koordinaatiovastuun saamisena Suomeen.

Kulmalan uudet aloitteet Global SMEAR, Pan Eurasian Experiment sekä osallistuminen Kiinan ilmanlaadun ratkaisemiseen ja Silk Road -hankkeisiin lisäävät oleellisesti suomalaisen tutkimuksen näkyvyyttä ja kansainvälistä vaikuttavuutta.

”Odotan, että meillä on merkittävä panos Kiinan ilmanlaadun kohentamisessa. Uskon, että kansainväliset mittausverkot monipuolistuvat ja antavat laadullista tietoa erilaisista ilmastoon vaikuttavista takaisinkytkennöistä”, Markku Kulmala sanoo.

Tieteenfilosofi ja merkittävä tiedevaikuttaja 

Emeritusprofessori Ilkka Niiniluoto (s. 1946) on tehnyt erittäin merkittävän uran tiedeyhteisössä ja yliopistomaailmassa. Filosofina hän on kirjoittanut laajasti tieteen luonteesta ja tieteellisestä ajattelusta. Samalla hän on koko uransa ajan ollut aktiivinen ja monipuolinen yhteiskunnallinen vaikuttaja ja keskustelija.

Hän on aktiivisesti osallistunut yliopistojen uudistamiseen ja yliopistoista käytävään keskusteluun. Erinomaisena esimerkkinä tästä on Niiniluodon kokoomateos Dynaaminen sivistysyliopisto: sata puhetta ja kirjoitusta vuosilta 1987-2010. Niiniluodon vankkumattoman analyyttinen ote hankaliinkin asioihin on tehnyt hänestä erittäin arvostetun tiedevaikuttajan.

Tieteenfilosofina Niiniluodon kiinnostuksen kohteena on ollut muun muassa tieteellisen tiedon edistyminen: kun kaksi teoriaa kuvaa samaa ilmiötä eri tavoin, niin millä perusteilla voidaan sanoa, että toinen on oikeampi kuin toinen?

Tämä teoksessa Truthlikeness (1987) kehitelty totuudenkaltaisuuden käsite on tieteen kannalta erittäin merkittävä. Tieteellisen realismin merkitystä hän on puolestaan nostanut esiin laajasti siteeratussa kirjassaan Critical Scientific Realism (1999). Hän on julkaissut 200 tieteellistä alkuperäisartikkelia ja kirjoittanut tai toimittanut lukuisia kirjoja.

Niiniluoto pitää tieteentekijöiden roolia keskeisenä, kun yhteiskunnassa haetaan ratkaisuja ajankohtaisiin kansainvälisiin haasteisiin kuten globaaliin monikulttuurisuuteen, digitalisaatioon ja ilmaston lämpenemiseen.

”Kriittistä tieteellistä ajattelua tarvitaan jatkuvasti uudistamaan sivistyksen tietopohjaa ja siihen perustuvaa osaamista. Emme saa alistua demokratiaa rapauttavaan totuudenjälkeiseen aikaan, vaan tieteen on ylläpidettävä totuuden ja oikeudenmukaisuuden kunnioitusta.”

Suomen nousu ja menestys kansakuntana on Niiniluodon mukaan perustunut juuri tieteeseen ja yliopistojen tarjoamaan tutkimuspohjaiseen koulutukseen.

”Jo 1800-luvulta lähtien Suomesta on koulutuksen ja tutkimuksen avulla rakennettu sivistysvaltiota, jolla on oma kieli, historia ja kulttuuri. Itsenäisestä Suomesta on kehitetty demokraattinen oikeusvaltio, turvallinen hyvinvointiyhteiskunta ja dynaaminen tietoyhteiskunta. Kaikissa näissä vaiheissa avoin kansainvälinen vuorovaikutus on ollut avainasemassa”, Niiniluoto korostaa.

Hänestä Suomen tulevaisuudesta voidaan pitää huolta näiden vahvuuksien varassa, kun samalla varmistetaan keskusteluyhteys politiikan ja talouden päätöksentekijöihin kaikille tieteille, jotka arvioivat kriittisesti maailman monimutkaista tilaa ja toiminnan vaihtoehtoja.

”Päätöksentekijät on myös vakuutettava siitä, että tiede on monin tavoin arvokasta ja hyödyllistä, joten tieteelliseen sivistykseen kannattaa sijoittaa. Suomessa toimivilla tieteenharjoittajilla on erinomaiset kansainväliset yhteydet ja verkostot. Kovassa kilpailussa tieteen tason ylläpitäminen ja läpimurtojen saavuttaminen edellyttävät kuitenkin riittäviä voimavaroja.”

Ilkka Niiniluoto oli Helsingin yliopiston matematiikan apulaisprofessori 1973-77, teoreettisen filosofian professori vuosina 1977-2014, vararehtori 1998–2003, rehtori 2003-2008 ja kansleri 2008-2013. Hän toimi puheenjohtajana Suomen Filosofisessa Yhdistyksessä 1975-2015 ja Tieteellisten Seurain Valtuuskunnassa 2000-2014. Niiniluoto on lukuisien kansallisten ja kansainvälisten tieteellisten seurojen jäsen ja on uransa aikana toiminut monissa merkittävissä kansainvälisissä ja kansallisissa luottamustehtävissä.

Juttu perustuu Suomen akatemian tiedotteeseen.

Puijon hyppyrimäen lumetus näkyy avaruuteen

To, 01/12/2017 - 10:56 Toimitus
Puijon hyppyrimäen lumetus NASAn satelliitin näkemänä

Yleisesti ottaen pilvet jäähdyttävät ilmastoa, mutta erityisesti vettä sisältävät arktiset pilvet toimivat päinvastoin ja vaikuttavat merkittävästi arktisten alueiden sulamiseen. Näin kertoi professori Hanna Vehkamäki Helsingin yliopistosta eilen Tieteen päivillä.

Vehkamäki tutkii arktisten pilvien muodostumista ja niin sanottua jäänukleaatiota, eli ilmiötä, jossa kaasuun muodostuu nestemäisiä tai kiinteitä hiukkasia, aerosolihiukkasia, jotka muodostavat jääkidepilviä. 

Esimerkki tästä on otsikkokuvassa: siinä näkyy satelliitin kuvaamana jääkidepilven synty Puijon hyppyrimäen lumetuksen tuottamisen jäätymisytimien seurauksena.

Lumetuspilvi on vain osa kokonaisuutta, sillä tutkimuksen tavoitteena on luoda mahdollisimman tarkka kuvaus arktisten pilvien muodostumisesta ja ominaisuuksista ilmastomalleja varten. Sen puitteissa koetetaan selvittää seikkaperäisesti mitkä hiukkastyypit ovat merkittäviä jään synnylle ja siten arktisten pilvien ominaisuuksille, ja miten hiukkasten pitoisuuden muuttuvat arktisen ilmaston muuttuessa. 

Arktisen ilmakehän hiukkasten pitoisuudet ja hiukkasten tehokkuus jääkiteiden muodostumisessa tunnetaan huonosti.

”Ilmastomallit vaativat tarkkaa kuvausta myös pilvien olomuodosta. Jääkiteet ja vesipisarat tarvitsevat tiivistymisytimen muodostuakseen, joten lämpötilan ohella aerosolihiukkasten ominaisuudet määräävät pilvien olomuodon, pilvipeitteen määrän ja säteilyominaisuudet”, sanoo Vehkamäki. 

Vielä ei tunneta sitä, miten jää molekyylitasolla syntyy hiukkasten pinnoilla.

”On arveltu, että keskeistä on hiukkasen pinnan kiderakenne. Mikäli rakenne on hyvin samanlainen kuin jäällä, pinta järjestää vesimolekyylejä jään muodostumisen kannalta suotuisasti. Tämä on havaittu molekyylisimulaatioissa todeksi yksinkertaisilla malliaineilla ja pilvien keinotekoisessa kylvämisessä, kuten Pekingin olympialaisissa 2008 käytetyillä hopeajodidihiukkasilla.”

Selitys ei kuitenkaan toimi kaikille hyviksi jääytimiksi havaitulle aineille. Kokeiden mukaan erilaiset maasälpää sisältävät mineraalipölyt ovat merkittävin jäätä ilmakehässä muodostava hiukkastyyppi, mutta niiden pintarakenne ei muistuta kovin läheisesti jään rakennetta.

”Simulaatioiden mukaan puhdas maasälpäkide ei toimi käytännössä lainkaan jääytimenä. Tuoreissa kokeissa on havaittu, että jääkiteen synty ei ala tasaisilta pinnoilta vaan salaisuus on pinnan mikroskooppisessa epätäydellisyydessä, pinnan molekyylikokoluokan koloissa ja porrasrakenteissa”, Vehkamäki kertoo.

Lumetuksessa käytettyjen Snomax-jääytimienkin proteiinien tehokkuutta selittää pelkkää jään kaltaista rakennetta monimutkaisempi mekanismi.

Vehkamäen johtamassa nelivuotisessa, Suomen Akatemian rahoittamassa Arktisen akatemiaohjelman hankkeessa etsitään kokeiden ja simulaatioiden yhteistyöllä läpimurtoa jään synnyn ymmärtämiseksi.

”Ongelman ratkaisu vaatii uusien menetelmien kehitystä ja luovaa yhdistelemistä, koska hiukkasen pinnan ja sen päälle syntyvän jään muodostama kokonaisuus on aivan liian suuri mallinnettavaksi tarkimmilla kvanttimekaanisilla menetelmillä, mutta ratkaisu piilee pienissä yksityiskohdissa, joita ei voi kuvata karkeammilla malleilla.”

Kun hyvän jäänmuodostuksen salaisuutta ymmärretään paremmin, saadaan tarkempia sääennusteita ja tiedetään, miten muutokset kasvillisuudessa sekä meren ja maaperän hiukkasten tuotannossa muuttavat pilvien jäätymistodennäköisyyttä.

”Ilmastonmuutos tuottaa lisää hiukkasia arktiseen ilmakehään, mikä lisää jääkiteiden syntyä, mutta toisaalta sitä seuraava lämpötilan nousu heikentää sitä. Se, lisääntyvätkö vai vähenevätkö jääpilvet ilmaston muuttuessa, riippuu pienen pienistä yksityiskohdista.”

Juttu on lähes suoraan lainattu Suomen Akatemian tiedote. 
Otsikkokuva: NASA Worldview/Ilmatieteen laitos/Antti Lipponen. 

Video: Kaisa Matomäki ja omituisten alkulukujen salaisuus

Suomen Akatemia jakaa kerran vuodessa Akatemiapalkinnot, ja tämänvuotiset palkinnosaajat julkistettiin viime torstaina. Palkinto tieteellisestä rohkeudesta annettiin Turun yliopiston dosentille, akatemiatutkija Kaisa Matomäelle.

Hän on matemaatikko, eräs parhaimmista analyyttisen lukuteorian tuntijoita koko maailmassa.

Matomäki on edennyt määrätietoisesti tutkimusalallaan ja saavuttanut paljon nuoreen ikäänsä nähden. Hänen julkaisuprofiilinsa on erittäin korkea määrällisesti ja laadullisesti: hänen kolmisenkymmentä julkaisuaan ovat saaneet erittäin hyvän vastaanoton ja vieneet olennaisesti eteenpäin monien arvostettujen lukuteoreetikkojen aiempia töitä. Hän valitsee aiheensa rohkeasti ja käyttää epätavanomaisia menetelmiä niitä tutkiessaan.

“Innostuin matematiikasta koulussa 6. luokalla, koska minulla oli silloin hyvä matematiikan opettaja”, kertoo Kaisa.

“Hän antoi jännittäviä lisätehtäviä, kun olin saanut normaalit tehtävät tehtyä. Ne olivat haastavampia ja kiinnostavampia, ne herättivät mielenkiinnon matematiikkaan.”

Innostus matematiikkaan vei Kaisan matematiikkapainotteiseen lukioon, Päivölän kansanopiston matematiikkalinjalle. Siellä hän osallistui myös matematiikan kilpailuvalmennukseen, jossa painotettiin muun muassa lukuteoriaa ja kombinatoriikkaa. Niiden edelleen innostamana Kaisa päätti jatkaa opiskelemaan matematiikkaa Turun yliopistoon.

Hän suoritti maisterin tutkinnon vuonna 2005 ja lähti jatko-opiskelijaksi Lontooseen Royal Holloway Collegeen, missä hän väitteli tohtoriksi vuonna 2009.

“Se oli erittäin kiinnostavaa ja auttoi luomaan kansainvälisiä suhteita, mutta päätin palata perhesyiden vuoksi Suomeen.”

Kaisa toimi Suomen Akatemian tutkijatohtorina vuosina 2011-2014 ja nyt hän on akatemiatutkijana kaudella 2015-2020.

“Tämä tarkoittaa sitä, että opetusvelvollisuuteni ovat varsin vähäisiä ja voin keskittyä kunnolla tutkimukseeni. Voin näin myös osallistua vapaasti kansainvälisiin konfrensseihin.”

Nyt hän toimii Turun yliopistossa myös apulaisprofessorina ja lukuteorian dosenttina.

Alkulukuja!

Kaisan erikoisala on lukuteoria ja erityisesti alkuluvut.

Merkkijärjestelmässämme on kymmenen numeroa: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 ja 9. Niitä käyttämällä voidaan ilmaista lukuja, joista kaikki tasaluvut ovat kokonaislukuja. Siis esimerkiksi 5 tai 7932.

Näistä osa on alkulukuja, jotka voidaan jakaa vain itsellään ja ykkösellä. Esimerkiksi 7 on vain 7 kertaa 1, mutta esimerkiksi 12 voidaan esittää myös muodossa 3 kertaa 4. Ja 4 puolestaan voidaan esittää muodossa 2 kertaa 2.

Kaikki muut luvut kuin alkuluvut voidaan esittää  tulona alkuluvuista, ne voidaan jakaa osiin. Alkuluvut ovat lukujen rakennuspalikoita.

Asia yksinkertaisimmillaan kuulostaa lähes naurettavalta; mitä tutkittavaa on luvuissa sinällään?

“Alkulukujen jakautuminen on yksi avoin, vaikea probleema”, selittää Kaisa.

“Esimerkiksi onko äärettömästi sellaisia alkulukupareja, joiden etäisyys toisistaan on kaksi. Esimerkiksi 11 ja 13, sekä 17 ja 19 ovat sellaisia alkulukupareja, joiden etäisyys on kaksi. Kuuluisassa alkulukukaksoiskonjenktuurissa on äärettömästi tällaisia pareja, mutta kukaan ei ole osannut todistaa tätä.”

Eräs Kaisankin tutkima alkulukuongelma on ns. Goldbachin konjunktuuri, joka väittää, että jokainen viittä suurempi kokonaisluku on kahden tai kolmen alkuluvun summa.

“Tämä on puhdasta perustutkimusta. Alkulukuja kyllä käytetään hyväksi esimerkiksi kryptografiassa, mutta minun tutkimukseni ei liity mitenkään suoraan salausmenetelmiin. Sen sijaan joskus tulevaisuudessa tätä voidaan käyttää johonkin sellaiseen.”

Historiasta on tällaisesta monia esimerkkejä, joita paras lienee Godfrey Hardyn vuonna 1940 julkaisema kirja “Matemaatikon anteeksipyyntö”. Siinä hän toteaa tekevänsä täysin turhaa tutkimusta, ja pyytää anteeksi yleisöltä – mutta nyt hänen lukuteoriaansa hyödynnetään kryptografiassa.

Matematiikassa Kaisaa viehättää sen loogisuus: “Se on eksakti tiede, eikä meillä ei ole mitään oppiriitoja. Jos jotain todistaa, niin se on tosi.”

Ja mitä vielä tulee matematiikkaan, niin tuore Akatemiapalkinnon saaja heittää ehdotuksen kouluihin. “Se aine, mitä koulussa opetetaan, pitäisi nimetä laskennoksi. Laskento on yhteenlaskua, jakolaskuja ja niin edelleen, mutta matematiikka on loogista päättelyä ja ajattelua – se on ihan eri asia kuin laskento.”

“Matematiikka on kiinnostavaa, mutta laskento voi olla tylsääkin.”

Matomäen esittelyvideon on tehnyt Tiedetuubin Jari Mäkinen Suomen Akatemialle.