Syynä kuuluisuuteen oli Albert Einstein, jonka tuore, ympäri maailman huomiota herättänyt suhteellisuusteoria laitettiin pimennyksen aikaan ensimmäiseen, kunnolliseen testiinsä. 

Testi oli yksinkertainen: mikäli suhteellisuusteorian painovoimaselitys toimisi, pitäisi hyvin läheltä Aurinkoa kulkevan, Maasta katsottuna Auringon suunnassa olevan tähden valon taipua hieman silloin, kun se ohittaa suuripainovoimaisen Auringon. Kun tähti näkyy hyvin lähellä Aurinkoa, sen sijainnin pitäisi siis muuttua taivaalla. Hyvin vähän, mutta kuitenkin.

Ongelmana tuonaikaisessa havaintotekniikassa oli kuitenkin se, että hyvin lähellä Aurinkoa olevia tähtiä ei voitu havaita, joten niiden näkemiseen ja valokuvaamiseen tarvittiin täydellinen auringonpimennys, jolloin kuu peittää kirkkaan Auringon. Silloin lähellä olevat tähdet pystyttäisiin näkemään.

Einstein ennusti tämän ilmiön vuonna 1915 ilmestyneessä yleisessä suhteellisuusteoriassaan.

Ensimmäinen sopiva auringonpimennys yleisen suhteellisuusteorian esittämisen jälkeen oli toukokuun 29. päivänä vuonna 1919. Sopiva tarkoittaa tässä sellaista, mitä havaitsemaan päästiin suhteellisen helposti Euroopasta, missä riehui Ensimmäinen maailmansota kesästä 1914 marraskuuhun 1918 saakka. Sota ymmärrettävästi haittasi hieman tieteellisten tutkimusretkikuntien tekemistä, etenkin kun kohteena oli saksalaisen fyysikon esittämä teoria.

Useat tutkimusryhmät lähtivätkin havaitsemaan pimennystä, ja kiinnostavimmat näistä olivat Brasiliassa ja Afrikan rannikolla olevalla Principen saarella. Näiden kahden ryhmän organisaattori oli Iso-Britannian kuninkaallisen tähtitieteellisen yhdistyksen Arthur Eddington, joka oli hyvin innostunut suhteellisuusteoriasta ja opetti sitä mm. Cambridgen yliopistossa (missä hän oli työssä).

Pimennyksen aikaan Aurinko oli kätevästi lähellä Hyadien tähtijoukkoa, Härän tähtikuvion "päätä", ja näin kuviin saatiin juuri sopivasti tähtiä.

Kuuluisin kuvista on tänään päivän kuvana, oikealla luonnollisena ja vasemmalla negatiivina, missä viirujen osoittamat tähdet näkyvät paremmin.

Tulokset osoittivat selvästi, että Aurinko taivuttaa tähden valoa lähellään, ja että Einstein oli oikeassa.

Tietoa levitettiin nopeasti ympäri maailman ja Einstein sai uutisen ystävänsä Konrad Lorenzin lähettämällä teleksillä (alla).

Lopullisesti uutinen vahvistettiin marraskuun 8. päivänä 1919 Lontoossa pidetyssä tilaisuudessa, missä havainnot virallisesti esiteltiin ja Newtonin painovoimateoria "korvattiin" 40-vuotiaan saksalaisneron suhteellisuusteorialla.

Planeetan osaset, aina alkuaineista lähtien, ovat eri-ikäisiä. Molekyylejä ja mineraaleja hajoaa jo muodostuu koko ajan. Maan ydinkin on rakentunut yllättävän vastikään, kuten taannoin kirjoitimme. Mutta nuo kaikki ovat vain sivuseikkoja.

Tässä jutussa on kysymys jostain rakennuspalikkojakin perustavammasta: Painovoimasta ja aika-avaruuden vääristymistä.

Kuuluisan fyysikon, Richard Feynmanin, kerrotaan sanoneen luennollaan joskus 1960-luvulla jotakuinkin seuraavaa: "Gravitaatiopotentiaalin vuoksi Maan ytimen pitäisi olla päivän tai pari pintaa nuorempi".

Feynman tarkoitti sitä, että yleisen suhteellisuusteorian mukaan kellot käyvät sitä hitaammin, mitä suuremmassa gravitaatiokuopassa (eli painovoimapotentiaalissa) ne kulloinkin ovat. Tai siis näyttävät käyvän hitaammin muualta tiirailevan havaitsijan silmin. Omasta mielestään kukin kello käy toimii aivan normaalisti.

Maan ytimessä ollaan keskellä planeetan aiheuttamaa painovoimakuoppaa. Me pinnalla elelijät taas kekkaloimme kuopan rinteellä, mutta planeetta estää meitä tippumasta syvemmälle kuoppaan.

Päivän tai pari. Yksi tai kaksi päivää.

Suunnan voi todeta oikeaksi, jos tuntee jonkin verran suhteellisuusteoriaa. Lukuarvon suuruutta ei kuitenkaan tiettävästi ole aiemmin tarkistettu (tai ainakaan tarkistuslaskuja ei ole julkistettu). Lainausta on käytetty populaaritieteessä, luennoissa ja muuallakin. Luultavasti näin on käynyt Feynmanin tutkijan maineen vuoksi – anekdoottia käyttäneet ovat luottaneet siihen, että kuuluisuus teki laskunsa oikein.

Mutta kun ei tehnyt, ja väite menee päin prinkkalaa. Tämän huomaisi, jos asian tarkistaisi. Tämän todistamiseen liittyvistä laskuista selviäisi lukiofysiikalla tai viimeistään yliopiston fuksikurssien jälkeen.

Kyse on vuosista, ei päivistä.

Tekniikan Akatemia TAF myönsi vuoden 2016 Millennium-teknologiapalkinnon yhdysvaltalaiselle biokemistille Frances Arnoldille.

Arnoldin uraauurtava innovaatio, suunnattu evoluutio (directed evolution), matkii laboratoriossa luonnonvalintaa. Menetelmällä voidaan luoda uusia ja parempia proteiineja, joita voidaan käyttää hyödyksi esimerkiksi uusiutuvan energian sovelluksissa ja lääkkeiden valmistuksessa.

Suunnatun evoluution avulla entsyymeille voidaan jalostaa ihmiskunnan kannalta hyödyllisiä ominaisuuksia, jotka eivät kehittyisi ilman ihmisen ohjausta. Frances Arnoldin menetelmä on vallankumouksellinen, koska halutun geenin DNA-rakenteeseen voidaan tehdä sattumanvaraisesti mutaatioita, kuten luonnossakin spontaanisti tapahtuu. Muokatut geenit tuottavat aivan uudenlaisia proteiineja, joiden joukosta valitaan teollisuusprosessien kannalta hyödylliset.

”Suunnatulla evoluutiolla voidaan kiertää se tosiasia, ettei ihminen pysty ennustamaan laboratoriossa tuotettujen mutaatioiden vaikutusta proteiinien ominaisuuksiin. Evoluutio on saanut aikaan planeettamme kauneimmat, monimutkaisimmat ja toimivimmat ratkaisut. Vain evoluution avulla voimme tuottaa sellaista, mitä emme kykene ennalta suunnittelemaan. Siksi tätä maailman parasta luonnon insinööritaitoa kannattaa käyttää hyödyksi”, palkittu Frances Arnold kertoo.

Arnoldin kehittämät innovaatiot ovat mullistaneet aiemmin hitaan ja kalliin proteiinimuokkauksen, ja hänen menetelmänsä ovat käytössä sadoissa laboratorioissa ja yrityksissä ympäri maailmaa. Muokatuilla proteiineilla korvataan kallista tai fossiilisia raaka-aineita käyttävää tuotantoa muun muassa polttoaineiden, paperituotteiden, lääkkeiden, tekstiilien sekä maataloudessa käytettävien kemikaalien valmistuksessa.

Vihreää kemiaa ja mullistavia lääkkeitä

Suunnatun evoluution keskiössä ovat entsyymit, joiden tehtävä luonnossa on muuttaa yhdisteitä toisiksi.

”Suunnattua evoluutiota voidaan hyödyntää biotekniikkaa käyttävillä teollisuuden aloilla, koska biokemialliset reaktiot perustuvat entsyymeihin”, sanoo kansainvälisen palkintolautakunnan puheenjohtaja, professori Jarl-Thure Eriksson.

Suunnatulla evoluutiolla valmistetaan esimerkiksi entsyymejä, jotka muuttavat kasvien selluloosaa biopolttoaineiksi tai kemikaaleiksi. Uusiutuviin raaka-aineisiin ja biotekniikkaan perustuvan vihreän kemianteollisuuden luominen onkin ollut yksi Arnoldin suurimmista tavoitteista.

”Koko urani ajan olen ollut huolestunut vahingosta, jota ihmiset aiheuttavat maapallolle ja toisilleen. Tieteellä ja teknologialla voimme radikaalisti pienentää kielteisiä vaikutuksiamme ympäristöön. Kaikkein tärkeintä on kuitenkin asenteiden muuttaminen, ja tämä on helpompaa, jos meillä on taloudellisesti varteenotettavia korvaajia haitalliselle toiminnalle”, Arnold sanoo.

”Frances Arnoldin innovaation palkitseminen on juuri nyt hyvin ajankohtaista, koska useat maat, Suomi mukaan lukien, pyrkivät vahvistamaan puhdasta teknologiaa käyttävää teollisuutta ja vihreää kasvua”, sanoo Tekniikan Akatemia TAF:n hallituksen puheenjohtaja, professori Marja Makarow.

Palkitun menetelmän tärkeäksi sovellutusalaksi on vihreän kemian ja uusiutuvan energian ohella noussut myös lääketeollisuus. Arnoldin innovaatiolla voidaan rakentaa entsyymejä entistä tehokkaampaan lääkkeiden valmistukseen. Menetelmällä on luotu useita lääkkeitä, esimerkiksi uudenlainen lääke tyypin 2 diabetekseen.

Vahva roolimalli naisille

Frances Arnold toimii Caltechissa (California Institute of Technology) kemiantekniikan, biotekniikan ja biokemian professorina. Arnold on uransa alusta saakka ollut edelläkävijä aiemmin varsin miehisellä alalla. Hän on muun muassa ensimmäinen nainen, joka on valittu kaikkiin kolmeen USA:n kansalliseen tiedeakatemiaan.

”Toivon, että nuoret naiset voivat nähdä itsensä minun paikalleni. Haluaisin palkitsemiseni korostavan sitä, että naiset pystyvät rakentamaan vankan tiede- ja teknologiauran, vaikuttamaan maailmaan ja saamaan tunnustusta”, Arnold sanoo.

Miljoonan euron arvoinen Millennium-teknologiapalkinto jaettiin tänään seitsemättä kertaa.

Artikkeli on Tekniikan akatemian lähettämä tiedote hieman toimitettuna.

Joukkotuho iski pahiten merten eläimistöön: 96 prosenttia eläinlajeista kuoli sukupuuttoon. Tähän saakka on oltu siinä käsityksessä, että elpynyt eläinkunta kehittyi hyvin hitaasti. Vastikään tehty fossiililöytö viittaa kuitenkin vauhdikkaaseen evoluutioon.

Ennestään tuntematon matelijalaji, iktyosaureihin eli kalaliskoihin kuulunut Sclerocormus parviceps eli maapallolla samoihin aikoihin kuin ensimmäiset dinosaurukset. Monet iktyosaurilajit muistuttivat jossain määrin nykyisiä delfiinejä, mutta uusi löytö poikkeaa niistä selvästi. 

Sclerocormus parvicepsilla oli lyhyt kuono eikä piiskamaisen pyrstön päässä ollut eviä. Sillä ei myöskään ollut hampaita, joten sen arvellaan saalistamisen sijaan "imuroineen" ravintoa suuhunsa. Poikkeavuudet läheisistä sukulaislajeista kertovat tutkijoiden mukaan nopeasta evoluutiosta.

"Iktyosaurit kehittyivät ja monimuotoistuivat ripeästi varhaistriaskauden lopulla", toteaa tutkimustyöhön osallistunut Olivier Rieppel. "Tuolta ajalta ei tunneta kovin paljon merissä eläneiden matelijoiden fossiileja, joten tämä näyte on merkittävä, sillä se viittaa toistaiseksi tuntemattomaan diversiteettiin."

Uuden lajin kehittyminen nopeasti hyvin erilaiseksi kuin sukulaisensa tuo lisäselvyyttä myös evoluution etenemiseen. "Darwinin evoluutiomallin mukaan hyvin pitkän ajan kuluessa tapahtuu pieniä, vähittäisiä muutoksia eikä se näytä pätevän tähän tapaukseen. Nämä iktyosaurit ovat mitä ilmeisimmin kehittyneet hyvin nopeasti ja monet muutokset ovat tapahtuneet lyhyinä hyppäyksinä ja loikkina", Rieppel arvelee.

Sclerocormus parvicepsin kaltaiset lajit, jotka elivät pian joukkotuhon jälkeen, kertovat myös siitä, miten elämä vastaa suuriin ympäristöhaasteisiin. 

"Parhaillaankin on tapahtumassa joukkotuho, mutta sen aiheuttajana eivät ole tulivuoret tai asteroidit, vaan ihminen", Rieppel sanoo. "250 miljoonaa vuotta sitten tapahtunut joukkotuho ei auta meitä ratkaisemaan nykypäivän ongelmia, mutta se havainnollistaa evoluutioteorian toimintaa. Mitä ymmärrämme ravintoketjun ja ekosysteemin toipumisesta ja rakentumisesta uudelleen? Miten tilanne korjaantuu ja mitä tapahtuu ensimmäiseksi?"

Uudesta fossiililöydöstä kerrottiin EurekAlert-tiedesivustolla ja tutkimus on julkaistu Nature-tiedelehdessä.

Kuva: Da-yong Jiang

Jo pitkään on tiedetty, että valo on sekä hiukkasia että aaltoliikettä. Myös valolla on impulssimomentti eli pyörimismäärä, joka on kvanttimaailman keskeisen luvun eli Planckin vakion kokonaislukumonikerta. Tai niin luultiin. 

Dublinilaisen Trinity Collegen tutkijat ovat todenneet, että valon impulssimomentti voi olla kuitenkin myös puolet tästä lukuarvosta. Kun impulssimomentti kertoo, miten valonsäde kiertyy oman akselinsa ympäri, uusi havainto kertoo valolla olevan ominaisuuksia, joista ei aiemmin tiedetty.

Mullistavaksi luonnehdittava havainto tehtiin, kun valo muutettiin kiteiden avulla kiemurtavaksi, korkkiruuvimaiseksi säteeksi. Tarkoitus oli kehittää optista tietoliikennettä entistä paremmaksi, mutta kun säteen ominaisuuksia tutkittiin tarkemmin, sen impulssimomentti osoittautui kummalliseksi: Planckin vakion kerroin ei ollutkaan kokonaisluku, vaan puolikas.

Vaikka havainto oli yllättävä, teoreettisesti se oli odotettavissa. 1980-luvulta lähtien teoreettisessa fysiikassa on tullut esiin mahdollisia tilanteita, joissa hiukkasten kvanttiluvut voivat olla jotain muuta kuin yleensä oletetaan, esimerkiksi kokonaislukujen sijasta puolikkaita. Nyt sille saatiin vahvistus hiukkasilta, jotka kuviteltiin tunnettavan erittäin hyvin: fotoneilta.

Tutkimustulos ei ole merkittävä pelkästään perusfysiikan ja kvanttimekaniikan kannalta, vaan sillä saattaa olla tärkeitä käytännön sovelluksia. Uusi valon ominaisuus voi auttaa kehittämään nopeampia ja turvallisempia valokuituyhteyksiä.

Toistaiseksi tutkijat kuitenkin keskittyvät kokeen toistamiseen ja havainnon varmistamiseen. Vasta sen jälkeen – jos kaikki pitää kutinsa – päästään käytännön ongelmien kimppuun.

Tutkimuksesta kerrottiin Science Alert -sivustolla ja se on julkaistu Science Advances -tiedelehdessä.

Uusi alus on 16 metriä pitkä katamaraani, joka soveltuu rannikonläheiseen tutkimukseen. Katamaraani varustetaan tarkoituksenmukaisilla nostimilla ja vinsseillä ja nykyaikaisella näytteenottovälineistöllä. Lisäksi aluksella on tilaa enintään 30 hengen kurssi- ja tutkimusryhmille.

Uusi alus otetaan näillä näkymin käyttöön ennen vuoden 2017 loppua Suomen 100-vuotisjuhlan yhteydessä.

Alus tulee merkittävästi parantamaan Tvärminnen mahdollisuuksia harjoittaa korkealaatuista ja nykyaikaista merentutkimusta rannikonläheisessä ympäristössä. Uusi alus kasvattaa myös Suomen kapasiteettia rannikonläheisessä Itämeritutkimuksessa ja merentutkimuksessa kansanvälisellä huipputasolla.

Suuren avun aluksen hankkimiseen antoi vuorineuvos Stig Gustavson, joka ohjasi 70-vuotissyntymäpäivätervehdyksensä, yhteensä 800 000 euroa, Helsingin yliopistolle. Itämeri-tutkimus on tunnetusti Gustavsonille läheinen asia, joten alus on luonteva sijoitus lahjoitukselle.

Kaikkiaan uusi alus maksaa noin 1,7 miljoonaa euroa.

Kuva: Alf Norkko
Juttu perustuu Helsingin yliopiston tiedotteeseen.

Syy siihen, miksi ammoinen kuva CERNistä on tänään päivän kuvana, johtuu siitä, että tämän maailman johtavaksi hiukkastutkimuskeskukseksi kohonneen "atomilaboratorion" rakentaminen alkoi tänään vuonna 1954.

Tai siis paria päivää aikaisemmin, 15. toukokuuta 1954, mutta virallinen peruskiven asettaminen Sveitsissä, Meyrinin kylässä aivan Geneven vieressä tapahtui tänään 62 vuotta sitten. 

Päätös CERNin perustamisesta tehtiin joulukuussa 1949, kun toisen maailmansodan jälkipyykkinä haluttiin luoda organisaatio, missä eri maiden tutkijat saattoivat tehdä yhdessä vaaralliseksi miellettyä atomitutkimusta. Ydinase oli tuore ja sen liepeillä ollut ydinfysiikan tutkimus haluttiin näin suunnata rauhanomaiseen käyttöön.

Tämä ei tietenkään estänyt ydinaseiden tekemistä, mutta pelin henki oli toisenlainen – minkä lisäksi CERNissä tehtiin erittäin hyvää työtä alusta alkaen.

Rauhanprojektitausta on myös tärkein syy siihen, miksi CERN sijoitettiin Sveitsiin. Vuonna 1952 entisen Kansainliiton (YK:n edeltäjä) kotipaikka Geneve valittiin uuden Euroopan ydinfysiikan instituutin kotipaikaksi, mutta asia ei ollut sillä selvä: sveitsiläiseen tapaan asiasta järjestettiin kansanäänestys, ja kesällä 1953 geneveläiset puolsivat äänin 16539 – 7332 laitoksen perustamista mailleen.

Rakentaminen alkoi lentokentän vieressä olevalle tasaiselle Meyrinin kylän alueelle siis tänään vuonna 1954.

CERNin virallinen nimi (Centre Européenne de Recherche Nucléaire) ja sen peruskirja ratifioitiin vasta syyskuussa 1954, jolloin allekirjoittajina ja siten laitoksen perustajina olivat Saksan liittotasavalta, Belgia, Tanska, Ranska, Kreikka, Italia, Norja, Alankomaat, Iso-Britannia, Ruotsi, Sveitsi ja Jugoslavia.

Suomi liittyi mukaan pitkän poliittisen väännön jälkeen vuonna 1991 – tarkoittihan mukaan meneminen virallisesti paitsi kustannuksia, niin myös yhtä virallista sidettä lisää läntiseen maailmaan.

Tosin nykyisin Suomea ennen CERNiin liittyivät Itävalta (jo vuonna 1959), Espanja ja Portugali, ja Suomen jälkeen joukko on kasvanut Puolalla, Unkarilla, Tshekillä, Slovakialla, Bulgarialla ja Israelilla. 

Nykyisin myös  Euroopan komissio, Intia, Japani, Venäjä, Turkki, UNESCO ja Yhdysvallat ovat CERNin tarkkailijajäseniä.

CERNin ensimmäinen hiukkaskiihdytin oli 600 MeV:n Synkro-Syklotroni (SC), jonka tekemiseen osallistuivat kaikki alkuperäiset 12 jäsenmaata. Osia tuotiin Geneveen eri puolilta Eurooppaa, ja suurten osien tuomista varten tieverkkoa Meyrinin kylän ympäristössä piti muuttaa raskaille kuljetuksille sopivaksi.

Eräs massiivisimmista ensimmäisistä kuljetuksista oli SC:n suuret kaksi magneettia, joiden massa oli 60 tonnia ja ne olivat halkaisijaltaan 7,2 metriä.

SC käynnistettiin vuonna 1957 ja se oli toiminnassa vuoteen 1991 saakka – tosin loppuvaiheessa lähinnä avustavassa roolissa.

Silloin oli juuri käynnistynyt 27 kilometriä halkaisijaltaan maan alla olevaan tunneliin rakennettu LEP, jonka paikalla sijaitsee nykyisin LHC. Sitä on puolestaan ehdotettu parannettavaksi edelleen vielä tehokkaammaksi, tosin mukana suunnitelmissa on myös FCC (Future Circular Collider), huikea noin 100 km halkaisijaltaan oleva rengas. Se pystyisi tuottamaan 100 TeV:n törmäyksiä, eli lähes kymmenen kertaa suurempia kuin nyt LHC.

Ja LHC on puolestaan nykyisellä 14 TeV:n energiallaan yli miljoona miljoona kertaa äreämpi kuin SC aikanaan.

Alla vielä aivan ensimmäiset kuvat CERNistä. Panoraama on vuodelta 1953, jolloin paikalla oli pelkkää peltoa, ja laajempi kuva näyttää kuinka kaivaminen alkoi 62 vuotta sitten.