Kosmokseen kirjoitettua

Kädestä käteen

14.8.2019 klo 15.10, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Luin hiukkasfyysikko Mikhail Shifmanin toimittaman kirjan Under the Spell of Landau: When Theoretical Physics was Shaping Destinies. Se on kokoelma fyysikoiden muisteloita Lev Landausta, hänen kollegoistaan ja tieteellisistä jälkeläisistään ja heidän tekemästään fysiikasta.

Vuonna 1908 syntynyt Landau on monella tapaa kuin Neuvostoliiton Richard Feynman, mutta länsimaissa paljon vähemmän tunnettu. Tänä vuonna tosin tuli julki ohjaaja Ilja Hržanovskin Landauta käsittelevä tai käyttävä suureellinen ja kiehtova taideprojekti DAU (lisää siitä täällä ja täällä).

Kuten Feynman, Landau oli harvinaislaatuisen taitava ja omapäinen fyysikko, joka monella tapaa määritti 1900-luvun keskivaiheen fysiikkaa. Landau oli Niels Bohrin oppilas ja harmitteli syntyneensä liian myöhään osallistuakseen kvanttimekaniikan kehittämiseen modernin fysiikan alkutaipaleella, mutta hän oli seuraavan sukupolven kärkinimiä. Landaulle annettiin vuonna 1962 Nobelin palkinto ”uraauurtavista kiinteän olomuodon teorioista, erityisesti nestemäisestä heliumista”, mutta –kuten Feynmanin tapauksessa– se kattaa vain murto-osan hänen ensiluokkaisista saavutuksistaan.

Feynmanin lailla Landau muistetaan tutkijan lisäksi opettajana. Landaun ja hänen oppilaansa Jevgenij Lifšitsin kymmenosainen kirjasarja Course of Theoretical Physics, joka kattoi aikansa teoreettisen fysiikan jokseenkin kaikki alueet, on legendaarinen siinä missä Feynman Lectures on Physics. Aloittelevana yliopisto-opiskelijana minua neuvottiin, että ”kannattaa lukea Landau & Lifshitziä; siitä joko ymmärtää jotain tai sitten ei”.

Landau, enemmän kuin Feynman, myös loi tutkimusryhmiä ja kehitti aikansa tieteellistä kulttuuria. Vuonna 1932 Landau aloitti Harkovan yliopiston teoreettisen fysiikan laitoksen johtajana Ukrainassa, mutta siirtyi vuonna 1937 Moskovan fysikaalisten ongelmien instituutin teoreettisen osastoon. Landaun johdolla siitä tuli yksi maailman parhaita teoreettisen fysiikan tutkimuskeskuksia.

Pelkästään pääsykoe Landaun oppilaaksi on legendaarinen. Se oli nimeltään ”teoreettinen minimi”, ja koostui yhdeksästä fysiikan ja kahdesta matematiikan kokeesta. Kunkin kokeen tekeminen kesti noin tunnin, mutta niihin valmistautumisessa saattoi mennä vuosia. Landau oli tekemisissä vain sellaisten opiskelijoiden kanssa, jotka läpäisivät kokeen. Landaun aikana vain 43 henkilöä suoritti ”teoreettisen minimin”, ja heistä tulikin tunnettuja tutkijoita.

Korkeita standardeja oli mahdollista ylläpitää, koska fyysikoksi haluavia teräviä nuoria riitti. Neuvostoliitossa (kuten Yhdysvalloissa) panostettiin toisen maailmansodan jälkeen fysiikan perustutkimukseen, joka oli osoittanut valtavan sotilaallisen ja taloudellisen merkityksensä. Niinpä teoreettista perustutkimusta rahoitettiin avokätisesti, ja fyysikkona oleminen oli arvostettua.

Muisteloiden perusteella Neuvostoliitossa vaikuttaa olleen enemmän naisia fyysikkoina kuin länsimaissa, oletettavasti kommunistiseen ideologiaan kuuluvan sukupuolten tasa-arvon ihanteen takia. He olivat silti selvä vähemmistö, ja sopii miettiä, miten Landaun asenne ylläpiti tätä: Shifmanin mukaan Landau arvosti naisia vain sen perusteella, miten seksuaalisesti viehättävinä hän heitä piti. Tämä seksismi sekin muistuttaa Feynmanista.

Pari kirjoittajaa mainitsee kuinka fysiikka tarjosi pakoreitin totalitaristisen järjestelmän sorrosta ja ideologisista vääristymistä. Neuvostoyhteiskunta oli valheiden läpitunkema, ja etenkin Josef Stalinin aikaan totuuden puhumisella oli vakavat seuraukset, mutta fysiikassa totuuden tavoittelu ei ollut vain sallittua, vaan vaadittua ja palkittua. (Shifman mainitsee musiikin samanlaisena väylänä omaan neuvostoideologialta osin suojattuun yhteisöön.)

Shifman esittää, että Landaun rohkaisema tapa arvostella ideoita rehellisesti ja ankarasti statukseen katsomatta saattoi osittain olla vastareaktio siihen, että yhteiskunnassa se ei ollut mahdollista. Tämä asenne näkyi Landaun isännöimissä seminaareissa, joiden tyyli tunnetaan nykyään ympäri maailmaa ”venäläisenä seminaarina”. Seminaarissa puhujalla oli vastuu selittää kaikki yksityiskohdat mitä yleisö halusi tietää ja vastata kaikkeen kritiikkiin. Seminaari jatkui kunnes asiasta oli päästy selvyyteen, vaikka se veisi kahdeksan tuntia. Oli tavallista, että yleisössä istuvat ryntäsivät taululle ja kiistelivät keskenään (joskus sattui niinkin, että puhuja itse poistui salista). Seminaarissa pistettiin Landau itsekin niin koville, että hän kerran otti yleisön jäsenen tieteellisen artikkelin kanssakirjoittajaksi, kun ei pystynyt vastaamaan tämän esittämään arvosteluun.

Avointen instituuttien vastakohtana oli kahdenlaisia suljettuja tutkimuslaitoksia, yksi korkealla yhteiskunnan hierarkiassa ja toinen lähellä pohjaa: valtion salaiset asetutkimusinstituutit ja vankileirien tutkimusosastot. Kumpaankaan ei haluttu. Landau vältti vankileirin, mutta joutui sekä vankilaan että ydinaseiden tutkimuslaitokseen.

Vuonna 1938 KGB pidätti Landaun syytettynä vastavallankumouksellisesta toiminnasta. Syytteeseen kuului muun muassa osallistuminen vappuparaatissa jaettavaksi tarkoitetun lentolehtisen tekemiseen. Lehtisessä syytettiin Stalinia lokakuun vallankumouksen aatteen pettämisestä, sosialismin vihaamisesta, fasistisesta vallankaappauksesta ja maan heikentämisestä siinä määrin, että siitä tulee helppo saalis saksalaiselle fasismille. Joidenkin tuttujen mukaan koko tarina (kuten monet tuon ajan ”tunnustukset”) oli KGB:n sepitelmää, koska Landau olisi ymmärtänyt, että lehtisellä ei saavuta mitään. Toiset ovat sitä mieltä, että lehtisen tarkkanäköisyys ja selkeys todistaa Landaun osallisuudesta. Jos näin on, Landau eroaa tässä Feynmanista, joka ei koskaan käyttänyt verrattoman paljon suurempaa vapauttaan protestoidakseen maansa ihmisoikeusloukkauksia.

Landaun vapautumisesta on siitäkin tullut osa legendaa. Arvostettu fyysikko Pjotr Kapitsa kirjoitti pääministeri Vjatšeslav Molotoville, että vain Landau voi selittää modernin fysiikan ytimessä vasta tehdyt havainnot. Landau vapautettiin, ja muutamassa kuukaudessa hän tosiaankin kehitti suprajuoksevuuden teorian, mistä hänelle sittemmin annettiin Nobelin palkinto.

Kuten Feynman, Landau osallistui joukkotuhoaseohjelmaan salaisessa tutkimuslaitoksessa, ja hänellä oli fuusiopommin kehittämisessä tärkeä rooli. Stalinin kuoleman jälkeen Landau lopetti työn ydinaseiden parissa. Feynmankaan (toisin kuin esimerkiksi kollegansa Murray Gell-Mann) ei Manhattan-projektin jälkeen enää tehnyt yhteistyötä armeijan kanssa.

Shifmanin kirja yhdistää henkilökohtaisia muistoja tieteellisiin selityksiin. Niistä näkyy se, miten keskeistä ydinasetutkimus oli toisen maailmansodan jälkeisen teoreettisen fysiikan kehitykselle. Neuvostoliitossa asiaan liittyi omanlaisensa käänne. Stalinin hallinto käynnisti ”kosmopolitanismin vastaisen kamppailun”, suomeksi sanottuna juutalaisvainot. Monet johtavat teoreettiset fyysikot, Landau mukaan lukien, olivat juutalaistaustaisia, mutta pelastuivat ydinaseohjelman hyödyn takia. Tarinan mukaan ydinaseohjelman johtaja Igor Kurtšatov kysyi Stalinilta, haluaako tämä murskata ”porvarillisen idealismin ja kosmopolitanismin” vai saada ydinpommin valmiiksi aikataulussa. Fysiikan hyödyllisyys asetuotannossa myös suojasi sitä kommunistisen puolueen innolta pakottaa tiede ”marxilais-leninistisen materialismin” harhateille, minne ihmistieteitä ja biologiaa ajettiin.

Stalinin kuoleman jälkeenkin pelkkä juutalaiselta vaikuttava sukunimi riitti syyksi evätä työpaikka tai matkustuslupa. Kirjan muistelmista välittyy vahvasti se, miten teoreettiset fyysikot muodostivat epäoikeudenmukaisen yhteiskunnan keskellä perheen, jonka jäsenet tukivat toisiaan. Tosin kirja tarjoaa valikoidun kuvan, koska Shifman on poiminut kirjoittajat, ja he ovat kaikki sisäpiirissä menestyneitä. Niiden, jotka jäivät ulkopuolelle tai eivät pärjänneet, ääni ei ole mukana. Shifman vertaa tätä yhteishenkeä nykyisiin yliopistoihin, missä paikat ovat lyhytaikaisia ja ihmiset tulevat ja menevät.

Kirjoittajien moninaiset teoreettisen fysiikan alat muistuttavat, että Landau työskenteli ennen teoreettisen fysiikan erikoistumista kapeisiin aloihin: hän tutki ydinfysiikkaa, hiukkasfysiikkaa, astrofysiikkaa, kvanttimekaniikkaa, magnetismia, tilastollista fysiikkaa, atomifysiikkaa, nesteiden ja kaasujen fysiikkaa ja kiinteän olomuodon fysiikkaa. Siirtyminen aiheesta toiseen oli nykyistä helpompaa myös siksi, että ei tarvinnut tehdä apurahahakemuksia, missä pitää etukäteen perustella, miksi uudesta aiheesta voi tulla läpimurto ja mitä tuloksia saadaan.

Toinen ero nykypäivään on se, että Landaun koulukunnassa suhtauduttiin torjuvasti spekulaatioihin, jotka olivat liian kaukana tunnetusta fysiikasta ja korostettiin yhteyttä havaintoihin. Nykyään teoreettisessa hiukkasfysiikassa ja kosmologiassa on villejä ehdotuksia turhankin paljon, mutta vahvat linjanvedot asioiden sulkemiseksi pois eivät ole ongelmattomia nekään.

Kosmologiassa siteerataan usein Landaun lentävää lausetta (hän puhui astrofyysikoista, mutta astrofysiikka ja kosmologia eivät olleet tuolloin vielä eriytyneet): he ovat usein väärässä, mutta eivät koskaan epäröi. Tämä pätee yhtä lailla Landauhun. Kun hän oli päättänyt, että jokin idea ei toimi, sitä ei hänen laitoksessaan sopinut ottaa vakavasti. Tämä varmasti auttoi suuntaamaan tutkimusta hedelmällisille reiteille, mutta vahvojen johtajien ongelma on se, että hekin ovat joskus väärässä.

Landaun tunnetuin virhe koski kvanttielektrodynamiikkaa (QED). QED on vuonna 1948 kehitetty ensimmäinen kvanttikenttäteoria, ja se käsittelee elektronien ja fotonien vuorovaikutusta. Vuonna 1954 Aleksei Abrikosov, Isaak Khalatnikov ja Landau osoittivat, että elektronin mitattu varaus on sitä isompi mitä korkeammilla energioilla sitä luodataan. Tarpeeksi korkealla energialla varaus kasvaa äärettömäksi ja teoria on ristiriitainen. Ainoa ratkaisu on se, että varaus on alusta alkaen nolla, eli kentät eivät vuorovaikuta. Tästä Landau päätteli, että mitkään kvanttikenttäteoriat eivät kuvaa todellisuutta.

Lasku oli oikein, mutta johtopäätös väärin. Vuonna 1973 David Gross, Frank Wilczek ja David Politzer osoittivat, että kvarkkeja ja gluoneja kuvaavassa vahvan vuorovaikutuksen teoriassa (QCD) varaus pienenee energian kasvaessa, jolloin ongelmaa ei ole. Kauan ennen kuin saavutaan energioille, joilla QED:n ongelmat näkyvät, se pitää korvata hiukkasfysiikan Standardimallilla, johon myös QCD kuuluu, ja joka oletettavasti on osa jotain ristiriidatonta teoriaa. QED:n ongelmat ovat sen pätevyysalueen ulkopuolella.

Itse asiassa Landau oli ensin tehnyt merkkivirheen ja luuli, että QED:ssäkin varaus pienenee energian kasvaessa, joten hän tiesi tämän mahdollisuuden, mutta oli vakuuttunut, että se ei toteudu missään kvanttikenttäteoriassa. Yksi kirjassa muisteltavista fyysikoista, Aleksei Anselm, tosin esitti vuonna 1959 vastaesimerkin Landaun johtopäätökselle rakentamalla kvanttikenttäteorian, jossa varaus heikkenee energian kasvaessa, kuten QCD:ssä. Teoria kuvasi kaksiulotteista maailmaa, joten se sivuutettiin epäoleellisena todellisen maailman kannalta.

Neuvostoliitossa ei myöskään otettu hiukkasfysiikan Higgsin mekanismia vakavasti. Kvanttikenttäteoria ja Higgsin mekanismi osoittautuivat avaimiksi hiukkasfysiikan Standardimalliin, joka tarjosi kattavan selityksen vuosikymmeniä tutkituille ydinfysiikan, heikkojen ja vahvojen vuorovaikutusten ilmiöille. Niinpä siihen liittyvät ratkaisevat läpimurrot tehtiin lopulta länsimaissa. Tiedettä haittasi Neuvostoliitossa myös totalitaristinen järjestelmä, joka rajoitti tutkijoiden matkustamista ja tiedonsaantia.

Vuonna 1962 Landaun auto törmäsi rekkaan. Laundaun aivot vaurioituvat, eikä hän koskaan toipunut entiselleen. Landau kuoli vuonna 1968, mutta hänen koulukuntansa jatkoi teoreettisen fysiikan kärjessä. Sen pysäytti vasta Neuvostoliiton hajoaminen. Yhteiskunnan romahtaessa bruttokansantuote laski enemmän kuin toisen maailmansodan aikana ja köyhyys kasvoi ennätysvauhtia. Yksi kirjoittajista kuvailee romahduksen aikaa ”ennemmin henkiinjäämisenä kuin elämänä”. Monet fyysikot kuolivat tai lähtivät pois. Yksi kirjoittaja kertoo miten tutkimuslaitoksissa ”kaapelit tippuivat katosta ja maali seiniltä”.

Landaun koulukunnan perintö kuitenkin levisi laajalle entisen Neuvostoliiton alueelta muuttaneiden fyysikoiden mukana. Sen vaalima periksi antamaton ja romanttinen kuva fysiikasta nivoutuu hyvin yhteen Feynmanin ja muiden tunnettujen tieteilijöiden tunnetuksi tekemien käsitysten kanssa. Shifman kirjoittaa:

Teoreettinen fysiikka, kuten olympiasoihtu, kulkee kädestä käteen. Se ymmärrys, että teoreettisessa fysiikassa on kyse syvän intuition kehittämisestä tutkimusaiheestasi, päivä toisensa jälkeen, siinä määrin että näet sen unissasi yöllä ja sitten, aivan yllättäen, etsimäsi vastaus nousee mieleesi, aluksi hämärästi, summittaisessa muodossa, ennen kuin varsinaista laskua on tehty – tämä ymmärrys kulkee kädestä käteen.