Kosmokseen kirjoitettua

Rehellinen elämä/An honest life

23.12.2020 klo 00.38, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

(This entry is in both Finnish and English. The English text is below the Finnish text.)

Huomasin juuri, että Jack Steinberger kuoli 12. päivä joulukuuta. Hän oli 99-vuotias. Tuntuu väärältä, että hänen kuolemansa oli jäänyt minulta huomaamatta.

Jack tiedetään parhaiten myonin neutriinon löytämisestä vuonna 1962 yhdessä Leon M. Ledermanin ja Melvin Schwartzin kanssa, mistä heille myönnettiin vuoden 1988 fysiikan Nobelin palkinto. Minulla oli ilo tuntea häntä hieman.

Jack syntyi Saksassa vuonna 1921. Jackin isä piti itseään uskollisena saksalaisena, joka oli ylpeä asepalveluksestaan ensimmäisessä maailmansodassa. Jack on kirjoittanut, että hänet kasvatettiin uskomaan, että saksalaisena hän on muita parempi, ahkerampi, rehellisempi ja rohkeampi. Hänen mukaansa juuri tämä ajattelu oli tausta sille, että saksalaiset seurasivat Hitleriä antisemitismiin ja kuolemaan.

Jackin perhe oli juutalainen, ja natsien noustessa valtaan vuonna 1933 hänen vanhempansa ymmärsivät ensimmäisten joukossa tilanteen vakavuuden. Vuonna 1934 he lähettivät Jackin isoveljensä kanssa Yhdysvaltoihin pakolaisina. Jackin ottoisä Yhdysvalloissa takasi vuonna 1938 sen, että Jackin vanhemmat ja nuorempi veli saattoivat tulla hänen perässään turvaan, sodan kynnyksellä.

Jackilla oli jo 14-vuotiaana vahvoja näkemyksiä, ja hän oli sitä mieltä, että rehellisen ihmisen pitää tehdä rehellistä työtä, eikä ottoisän toimintaa pörssimeklarina voinut sellaiseksi kutsua. Hän kirjoitti myöhemmin, että pysyi sosialistina koko ikänsä, mutta ei näe asioita niin mustavalkoisina. Hän totesi, että ei ole varma voiko sanoa, että hänen oma elämäntyönsä, missä hän seurasi nautintoaan oppimalla fysiikan laeista, oli mitenkään meklarointia ”rehellisempää”.

Jack kuului toisen maailmansodan aikana aloittaneeseen fyysikoiden sukupolveen. Hän osallistui Saksan kaupunkien pommituksessa käytettyjen pommitähtäinten kehittämiseen. Sodan jälkeen Jack oli Chicagon yliopistossa muun muassa Enrico Fermin oppilaana. Fermillä oli ollut keskeinen rooli Yhdysvaltojen ydinaseohjelmassa.

Jack halusi tutkia teoreettista fysiikkaa, mutta Fermi kehotti häntä tekemään mittauksia kosmisista säteistä. Tämä johtikin siihen, että Jack osoitti vuonna 1948, että hiukkanen nimeltä myoni ei hajoa kahdeksi hiukkaseksi, kuten oli ajateltu, vaan luultavasti kolmeksi, joista kaksi on neutriinoja. Tämä viitoitti tietä myöhempään myonin neutriinon löytämiseen.

Jack päätyi teoriapuolelle J. Robert Oppenheimerin johtamaan Princetonin yliopiston Institute for Advanced Studyyn. Hän koki olevansa muita huonompi, ja oli iloinen päästessään takaisin kokeellisen fysiikan pariin Berkeleyn Kalifornian yliopistossa. Siellä hän muun muassa löysi neutraalin pionin, joka on kvarkista ja antikvarkista koostuva hiukkanen, joka on tärkeä vahvassa vuorovaikutuksessa ja ydinfysiikassa.

Vuonna 1950 Jack joutui lähtemään Kalifornian yliopistosta, koska kieltäytyi allekirjoittamasta vasemmistolaisten poliittiseen vainoon liittyvää uskollisuudenvalaa. Omaelämänkerrassaan Learning About Particles: 50 Privileged Years Jack sanoo vähätellen päätöksensä olleen helppo, koska hänellä ei ollut Berkeleyssä pysyvää työpaikkaa.

Jack oli hiukkasfysiikan uusien kokeellisten menetelmien kehittämisen ja soveltamisen kärjessä, ja osallistui useisiin merkittäviin kokeisiin, joista Nobelilla tunnustettu vuoden 1962 myonin neutriinon löytäminen oli vain yksi.

Hiukkasfysiikka oli silloin erilaista. Erikoistuminen ei ollut edennyt yhtä pitkälle, ja kaikki saattoivat tehdä vähän kaikkea. Jackin mukaan 50-luvulla pystyi saamaan kahden kollegan kanssa kolme kiinnostavaa (ja, vaikka hän ei niin sanonut, historiallista) tulosta vuodessa, vaikka yksi idea menisikin pieleen. Nykyään kokeet kestävät vuosia: jos koe maksaa alle 100 miljoonaa euroa niin se on halpa, ja jos siinä on mukana alle 100 ihmistä niin se on pieni.

Myös suhde työturvallisuuteen oli erilainen. Jackin mukaan kukaan ei ollut vastuullinen, pätevä tai edes juuri ajatellut asiaa. Esimerkiksi nestemäistä happea saatettiin vain lastata takakonttiin ja lähteä ajamaan, ja hänellä itsellään oli ainakin neljä onnettomuutta palavien kaasujen kanssa. Asia otettiin vakavammin sen jälkeen, kun Massachusetts Institute of Technologyssä kuoli yksi ihminen nestemäiseen happeen liittyvässä onnettomuudessa.

Jack siirtyi CERNiin vuonna 1968 uuden detektoriteknologian perässä, ja osallistui siellä useiden kokeiden suunnitteluun ja toteuttamisen. Hiukkasfysiikan Standardimallin aikakausi oli alkamassa, ja muutaman vuoden kuluessa oli kasassa kaikki teoreettiset palaset, joita sitten yksi toisensa jälkeen CERNissä ja Fermilabissa löydettiin ja nobeleilla palkittiin. Viimeinen pala oli Higgsin hiukkanen, jonka havaitseminen vuonna 2012 päätti tämän kauden, jona ei vain varmistettu Standardimallin ennusteita vaan yritettiin nähdä sen tuolle puolen. Edellisessä onnistuttiin turhankin hyvin, toisessa koettiin pettymys.

Jack oli 70-vuotiaaksi asti ALEPH-koeryhmän puhemies ja osallistui detektorin suunnitteluun ja tulosten analysoimiseen. ALEPH oli yksi detektori vuonna 1989 käynnistyneessä LEP-kiihdyttimessä. LEPpiä varten sata metriä maan alle kaivetussa tunnelissa on nykyään LHC-kiihdytin.

Vuonna 1995 Jack jätti aktiivisen tutkimuksen, koska koki että hänellä ei ollut enää uusia ideoita annettavana. Hän kuitenkin jatkoi koeryhmien neuvonantajana yli 90-vuotiaaksi. Lopetettuaan hiukkasfysiikan tutkimuksen Jack rupesi opiskelemaan ja seuraamaan kosmologiaa ja astrofysiikkaa. Kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuudet oli mitattu vain kolmea vuotta aiemmin.

Tapasin Jackin vuonna 2004. Olin tutkijana Oxfordissa, ja juuri julkaissut ensimmäisen väittelyn jälkeisen tieteellisen artikkelini. Esitin siinä (en ensimmäisenä), että maailmankaikkeuden kiihtyvä laajeneminen voisi johtua rakenteiden muodostumisesta maailmankaikkeudessa. Kosmologi Dominik Schwarz kutsui minut CERNiin puhumaan aiheesta.

Jack, tuolloin 82-vuotias, osallistui tapansa mukaan seminaariin. Jack osasi esittää yksinkertaisia ja samalla asian ytimeen meneviä kysymyksiä aiheesta kuin aiheesta.

Jatkoimme puheeni jälkeen juttelua käytävällä, ja Jack ehdotti yksinkertaista lähestymistapaa sen hahmottamiseksi, miten rakenteet vaikuttavat keskimääräiseen laajenemiseen. Minulla oli joitakin ajan käsittelyyn yleisessä suhteellisuusteoriassa liittyviä vastalauseita, joihin Jack totesi vain, että ”minähän en tiedä mitä aika on, sinä tiedät”. Hän osasi olla sekä pistävän kriittinen että vilpittömän vaatimaton.

Kaksi vuotta myöhemmin päädyin omaa reittiäni kirjoittamaan artikkelin Jackin ehdottamasta ideasta. Se oli toinen läpimurtoni aiheen parissa, ja siinä asian fysikaalinen merkitys ja yhtälöiden sisältö matematiikan tuolta puolen selvisi minulle. Jos olisin heti seurannut Jackin ideaa, jonka hän lyhyessä keskustelussa yhden puheen jälkeen keksi, olisin voinut säästää vuoden.

Noihin aikoihin CERNin teoriayksikköön palkattiin yksi kosmologi vuodessa. Vuonna 2007 se olin minä, ja aloitin kaksivuotisen pestin. Jack piti minua kosmologian tietolähteenään, ja tuli ovelleni kysymysten kanssa.

Muistojeni mukaan Jack tuli kerran työhuoneelleni ja sanoi jotain sellaista kuin ”tässä on tutkijoiden ydinaseiden vastainen vetoomus, ja toivon että allekirjoitat sen”. Tällaisella esikuvalla on vaikutusta siihen, minkä näkee sopivana fyysikolle.

Jack oli yhä mukana seminaareissa, mutta nyt hänen kysymyksensä joskus osoittivat, että häneltä oli mennyt joku ilmeinen seikka ohi, eikä hän saanut siitä enää kiinni. Tämä ei ole nuorillekaan tavatonta, mutta Jack tunsi ajattelunsa tylsymisen, ja se turhautti häntä.

Tapasin Jackin viimeksi tammikuussa 2010, kun olin pari kuukautta CERNissä. Halusin ottaa hänestä kuvan hänen työhuoneellaan, ja Jack vaati, että olemme siinä yhdessä. Puhuimme rakenteiden vaikutuksesta maailmankaikkeuden laajenemiseen. Hän sanoi, että ongelma ei varmaankaan ratkea ennen hänen kuolemaansa. Olin yllättynyt enkä tiennyt mitä sanoa, joten kysähdin jotain sellaista kuin että eikö tuo ole aika surullinen ajattelutapa. Jack vastasi: ”Niin. On surullista vanheta ja on surullista kuolla.”

* * *

An honest life

I just noticed that Jack Steinberger died on December 12. He was 99 years old. It feels irrationally wrong that his death had passed me by.

Jack is most well known for the discovery of the muon neutrino in 1962 together with Leon M. Lederman and Melvin Schwartz, for which they received the physics Nobel prize in 1988. I had the pleasure of knowing him a little.

Jack was born in Germany in 1921. His father considered himself a loyal German, who was proud to have served in the First World War. Jack later wrote that he was brought up to believe that as a German he is better, more hardworking, more honest and more courageous than others. According to him, this thinking formed the background for why the Germans followed Hitler into antisemitism and death.

Jack’s family was Jewish, and after the Nazis rose to power in 1933 his parents were among the first to realise how grave the situation was. In 1934 they sent sent Jack and his older brother as refugees to the United States. Jack’s foster father in the US also gave a guarantee about Jack’s parents and younger brother, so that they were able to follow him there in 1938, on the eve of war.

Already at the age of 14 Jack had strong opinions, and he thought that an honest human should do honest work, and his foster father’s stock brokering did not qualify. He later wrote that he remained a socialist all his life, but doesn’t see things so black and white anymore. He said that he’s not sure whether he can say that his life’s work following the pleasure of learning laws of physics was in any way more “honest” than brokering stocks.

Jack was part of the generation who started physics during the Second World War. He took part in the development of bomb sights used in the bombing of German cities. After the war Jack studied at University of Chicago with Enrico Fermi among others. Fermi had had a central role in the US nuclear weapons program.

Jack wanted to do theoretical physics, but Fermi encouraged him to measure cosmic rays. This led to 1948 Jack showing experimentally that a particle called the myon doesn’t decay into two particles as thought, but probably into three, two of which are neutrinos. This paved the way to the later discovery of the muon neutrino.

Jack ended up working on theory at the Princeton Institute for Advanced Study led by J. Robert Oppenheimer. He felt that he did not measure up to the others, and was happy to get back to experimental physics at University of California Berkeley. There he, among other things, discovered the neutral pion, a particle composed of a quark and antiquark, which is important in the strong interaction and nuclear physics.

In 1950 Jack had to leave Berkeley, because he refused to sign a loyalty oath that was part of the political persecution of leftists. In his autobiography Learning About Particles: 50 Privileged Years Jack makes light of this, saying it was an easy decision because he didn’t have a permanent position at Berkeley.

Jack was at the forefront of developing and applying new experimental methods in particle physics. He took part in many important experiments, of which the 1962 discovery of the muon neutrino, for which the Nobel prize was awarded, was only one.

Particle physics was different back then. Specialisation had not advanced so far as today, and everyone could do a bit of everything. According to Jack, in the 1950s you could with two colleagues get three interesting (and although he did not say so, historical) results a year, even if one idea failed. Nowadays experiments take years: if they cost less than 100 million euros they are cheap, and if they involve less than 100 people they are small.

Approach to work safety was also different. Jack wrote that nobody was responsible, competent or even thought about the matter much. You could just put liquid hydrogen in the trunk of your car and start driving without further concern. Jack himself had at least four accidents with flammable gases. Things were taken more seriously after one person died of accident involving liquid hydrogen at MIT.

Jack moved to CERN in 1968 after new detector technology, and took part in the planning and execution of several experiments. The era of the Standard Model of particle physics was beginning, and in a few years all theoretical pieces had been put together, and were then discovered at CERN and Fermilad one by one, awarded with Nobels. The last piece was the Higgs particle, whose detection in 2012 capped this era. It involved not only verification of the predictions of the Standard Model, but the attempt to see beyond it. The former was an unqualified success, perhaps too much so, as the latter has been disappointment.

Until the age of 70 Jack was the spokesperson of the ALEPH experiment, and took part in the design of the detector and analysis of the results. ALEPH was a detector in the LEP collider, which started operation in 1989. The tunnel dug a hundred meters underground for LEP today houses the Large Hadron Collider.

In 1995 Jack left active research, because he felt he had no more ideas to give. He continued as an advisor to experimental groups into his nineties. After quitting particle physics research, Jack started studying and following cosmology and astrophysics. The anisotropies of the cosmic microwave background had been measured only three years earlier.

I met Jack in 2004. I was a postdoc at Oxford and had just published my first paper after my PhD. There I proposed (not as the first) that the accelerating expansion of the of the universe could be due to cosmological structure formation. The cosmologist Dominik Schwarz, then at CERN, invited me to come over and give a talk about it.

Jack, then 82, took part in the seminar, as usual. Jack knew how to make simple but penetrating questions on any topic.

After the talk we continued discussing in the corridor, and Jack proposed a simple approach to better figure out the effect of structures on the average expansion rate. I had some objections related to the treatment of time in general relativity, to which Jack simply replied “I don’t know what time is, you do”. He could be both stingingly critical and sincerely humble.

Two years later I ended up via my own route to write an article about the idea Jack had proposed. It was my second breakthrough in the topic, and there I realised the physical content the meaning of the equations beyond mathematics. If I had followed the idea Jack threw out in a short conversation after hearing one talk, it could have saved me a year.

In those days the CERN theory unit hired one cosmologist a year. In 2007 that was me, and I started a two-year postdoc there. Jack considered me his information source on cosmology, and came to my door with questions.

I recall that one day he came to my office and said something along the lines of “this is a scientists’ petition against nuclear weapons, and I hope you’ll sign it”. This sort of an example has an effect on what one sees as proper for physicists.

Jack continued to attend seminars, but now his questions sometimes showed that he had missed something obvious, and couldn’t catch it. This is not unknown to younger folk, but Jack felt the dulling of his thinking, and it frustrated him.

I met Jack the last time in January 2010, when I was spending two months at CERN. I wanted to take a photo of him at his office, and he insisted us being together in the photo. We talked about the effect of structures on the average expansion rate of the universe. He said that the problem probably won’t be solved before he is dead. I was struck by this, and mumbled something along the lines of that isn’t that a sad way to think. Jack answered: “Yes. It is sad to grow old and it is sad to die.”