Füüsikanobelist: Nobeli preemiatest ei peagi alati aru saama ({{commentsTotal}})

Duncan Haldane. Autor: AFP/Scanpix

Nobeli preemia vääriliseks hinnatud avastuste olemust ei peagi alati lõpuni mõistma, lohutab käesoleval aastal Nobeli füüsikaauhinna pälvinud Princetoni ülikooli teadlane Duncan Haldane. See ei tähenda aga, et kaasaegse füüsika vallas teevad murdelisi avastusi vaid geeniused – oluline roll on ka õigel ajal õiges kohas olemisel.

Alustuseks oleks ilmselt mõistlik küsida, mille eest Te üleüldse Nobeli preemia saite? Usun, et enamikel inimestel kadus möödunud teisipäeval järg käest ära juba teise soolakringli lavale ilmudes. Kui võimalik, siis nii, et nupukas 12-aastane sellest aru saaks.
Seda on äärmiselt raske vähegi üksikasjalikult teha (naerab). Kuid lihtsal tasandil taandub see väga üllatavatele omadustele, mille olemasolu muudab võimalikuks kvantmehaanika. Me oleme teadnud selle reegleid ja seda kirjeldavaid võrrandeid väga pikka aega. Isegi kui see hästi välja ei paista, kuna kvantmehaanika teeb ennustusi, mis näivad tavaarusaamu kohati üdini trotsivat.

Näiteks Einstein ei suutnud sellega kunagi leppida. Kuigi ta taipas, et kvantmehaanika ennustab põimitusena tuntud veidra omaduse olemasolu. Muu hulgas tähendab see, et samast allikast pärit osakeste olekud jäävad omavahel seotuks ükskõik kui pika vahemaa tagant. See oli tema arvates nii naeruväärne, et seda mõõta üritades ja nulltulemuseni jõudes on võimalik tõestada kvantmehaanika ekslikkust. Katse tegemine muutus võimalikuks alles aastaid pärast Einsteini surma, ent muidugi tõestasid selle tulemused teooria paikapidavust.

_____

Lühidalt on see väga lahe asi kvantmehaanikast, mida keegi ei oodanud, ja mis ei tule seda kirjeldavatest võrranditest kohe välja.

_____

Töö, mida mina ja teised teadlased teinud on, ennustas uue aineoleku olemasolu, mida tuntakse nüüd topoloogilise kvantainena. Selle ebaharilikud ja huvitavad omadused tulenevad samuti põimitusest, eriti üle pikkade vahemaade. Hiljem suudeti seda ka eksperimentaalselt kinnitada.

Huvi topoloogilise kvantaine vastu on viimastel aastatel märkimisväärselt kasvanud. Küllaltki särav vene päritolu füüsik Aleksei Kitajev ennustas, et seda saaks kasutada platvormina topoloogiliselt stabiliseeritud kvantarvutite loomiseks. Need oleks tavapärastest arvutitest oluliselt võimsamad ja põhineksid kvantmehaanilise informatsiooni töötlemisel. See vihjas, et eksootiline aine on ka millekski kasulik.

Umbes kümne aasta eest leidsid Pennsylvania ülikooli füüsikud kahte minu mudeli koopiat kokku ''kleepides'' veel ühe ootamatu topoloogilise printsiibi, mis stabiliseeris isegi n-ö peegelpildid, kuigi see oleks pidanud need ennustuste kohaselt olematuks muutma. Peagi sai selle mõjul selgeks, et paljud hästi teatud ja uuritud kristallid on samuti topoloogilised ning neil on vahetult nende pinna all väga huvitavad omadused.

Sellest asjast saadik on terve uurimissuund plahvatuslikult paisunud. Osaliselt ilusa matemaatika tõttu, mis noori inimesi paelub, kuid see on meelepärane ka eksperimentaatoritele, kellele avanes topoloogiliste materjalide otsimiseks terve uus maailm.

Ma ei tea, kas topoloogiline kvantarvuti ka kunagi reaalselt ehitatakse, aga huvi selle vastu on määratu ja aitab samal ajal inspireerida tervet põlvkonda noori inimesi. Muidugi peavad nad olema pigem füüsikamagistrandid kui juhuslikud inimesed tänavalt, et asjast üldse aru saada, kuid ikkagi! Maailmas peetakse sellel teemal juba nii palju suvekoole, et kui kõiki neid külastaksin, oleks see sama hull, kui Nobeli preemia saamine.

Kui aus olla, ilmus toimetuses pressikonverentsi ajal inimeste näole küllaltki segaduses ilme ka sõna topoloogia kuulmise peale. Mida see antud kontekstis tähendab?
Enamike tavaelus tehtavatel mõõtmistel võid saada tulemuseks ükskõik millise arvu. Kui vaatad näiteks oma sõrmi, saad sa öelda, et üks on 9,2 ja teine 9,8 sentimeetrit pikk. Kuid kui loed näiteks pinnas leiduvate aukude arvu, siis võib neid olla vaid 0, 1, 2 jne, kuid mitte kunagi poolt auku. Topoloogia tegeleb asjade klassifitseerimise ja mõõtmiste seostamisega, mida saab väljendada täisarvudena, mis võivad olla ka negatiivsed, isegi kui kringlil ei pruugi olla -2 auku.

_____

Sõlme keeratud taignal ja pirukatel kipub selline mõju olema. Topoloogia on väga ilus matemaatiline teooria või struktuur, mis tegeleb muu hulgas kringlite ja sõõrikute klassifitseerimisega nende aukude alusel.

_____

Sellest vaatenurgast on normaalsel ehk igaval ainel kvantolek alati 0, kuid uuel ja huvitaval ainel, alates magnetilistes ahelates leiduvast, mille mina leidsin, olid väga imelised omadused, mis taandus sellele, et olekut kirjeldav number polnud mitte 0, vaid 1, 2 või -3 ehk üldistatuna nullist erinev.

See algas kvant-Halli efekti avastamisega 1980. aastatel, kui leiti, et väga väikestes aineproovides saadi nende elektrijuhtivust mõõtes alati tulemuseks konstant, mis oli läbi korrutatud kindla täisarvuga. Võttis veidi aega, kuni selle põhjustest aru saadi. Selleks ajaks tuli juba välja, et on kindel topoloogiline omadus, mis selle täisarvu andis. See number püsis muutumatuna ükskõik palju proovi väänati või venitati. Sõrmedega seda teha ei saa.

Minu tehtud töödest mainiti kahte – magnetilisi ahelaid ja kvant-Halli efekti magnetväljas asuvate aatomite alal tehtud uuringuid. Ma ei mõistnud muidugi toona, et need kaks asja on kuidagi seotud. Ainult nüüd oleme jõudnud laiema topoloogilist ainet kirjeldava kontseptsioonini. Tuleb välja, et need kaks olid selle ühed kõige lihtsamad näited.

Kui järgmist paarikümmet aastat võib kutsuda tõepoolest kvantinseneeria kümnenditeks, siis kas me peaksime Teie arvates muret tundma, et laiem avalikkus sellest midagi aru ei saa või on see midagi, mida heal tasemel pressiosakond leevendada suudab?
Kvantfüüsika on alati midagi sellist, mida laiem avalikkus väga hästi mõista ei suuda. Isegi Einstein võis selle taga lasuvaid ideesid küll hoomata, kuid need ei tundunud talle loomulikud. Sellegipoolest seletab kvantmehaanika suurepäraselt, kuidas maailm toimib. Me oleme harjunud tavaelus makromaailmaga, kuid kvantmaailma efektid muutuvad märgatavaks märksa väiksematel skaaladel.

Arvestades, et ehitame näiteks järjest väiksemaid transistore ja läheneme kvantpiirile, millega tänapäeva tehnoloogiast üle ei saa, muutub kvantmehaanika aga üha tähtsamaks. See puudutab isegi arvuteid, mida enda kodulaua alt leiame. Rääkimata sellest, et inimesed üritavad ehitada osakeste põimimisel põhinevaid kvantarvuteid.

_____

Kui aus olla, siis pole peaaegu mitte mingit võimalust seda avalikkusele seletada, kuna kvantmehaanika on lihtsalt sedavõrd keerukas. Sa võid vaid öelda, et kvantmehaanika on müstiline ja äärmiselt ilus. Vähemalt on enamik inimesi kuulnud, et see on olemas ja et see on tiba veider.

_____

Enamikes populaarteaduslikes loengutes jõuad sa rääkida vaid Heisenbergi määramatuse printsiibist ja võibolla ka veidi Schrödingeri kassist. Mõnes mõttes on kvantmehaanika palju kummalisem kui relatiivsusteooria. Viimase puhul saad mainida näiteks kelli ja suuri kiirusi jne. Ent sellele vaatamata on kvantmehaanika absoluutselt õige, selle 1920-1930. aastatel avastatud põhiprintsiipe pole kunagi rikutud. Kuid nagu meie töö näitlikustab, neist võivad välja kooruda asjad, millest isegi unistadagi ei oska.

Kui ma esimest korda millegi täiesti uueni jõudsin, olin ma selle õigsuses veendunud. Võibolla ei seletanud ma seda piisavalt hästi, kuid mul oli raske tulemusi avaldada. Mulle öeldi, et see on täielik jama ja rikub igasuguseid fundamentaalseid printsiipe. Õnneks pole teaduses arvamus ja tõde alati samad asjad. Keegi tegi eksperimendi ja minu ennustused pidasid täielikult paika.

_____

See oli minu jaoks väga tore, kuna inimesed hakkasid ütlema, kui nupukas ma ikka olin. Alternatiivselt oleks nad muidugi pidanud tunnistama, kui rumalad nad olid, et ei mõistnud alguses järelduste õigsust.

_____

Neid üllatusi lihtsalt tuleb. Õppetund on selles, et sageli leidub nähtusi, millel tundub olevat mõistlik selgitus, kuid need ei pruugi paika pidada. Arvan, et usume praegu paljudesse asjadesse, millele oleme enda arvates selgituse leidnud, kuid need ei vasta tegelikult tõele. See nõuab mingisuguseid õnnetusi, et see välja tuleks. Kuid olukordi, kus tavatarkus paika ei pea, on pagana raske leida.

Kui vaatame David Thoulessi tööd, mis seondub topoloogilise valemi, mitte keeristega, ei teadnud nad alguses, mis see on. Alles üks matemaatik osutas, et need haarasid võrrandeid, millel kallal olid matemaatikud töötanud juba 1950. aastatel. Kuid need olid olnud matemaatikas sedavõrd abstraktsed, et kellelgi polnud aimu, et see võiks seonduda millegagi reaalsest maailmast. Õnneks komistasid selle otsa lõpuks füüsikud.

Kuid selles mõttes oli muidugi tore, et matemaatiline alus nähtuse kirjeldamiseks oli juba olemas ja matemaatikud leidsid iseseisvalt terve rea asju, millest meil nüüd hiljem kasu on. Selle arengut ei kannusta enam füüsikute vajadused.

Kuidas või millisel määra peaksid juhendajad ja õppima vormima noorteadlaste arengut?
Parim, mida keegi teha saab, on inimesi motiveerida ja inspireerida. Kuid see ei ole alati kõige kergem. Kui vaadata, mille pärast tudengid füüsikat õppima tulevad, siis on nad juhtunud olema õigel ajal õiges kohas ja puutunud kokku paeluvate inimestega või kui on juhtunud midagi tõsiselt suurt. Suur osa peab neist küll hiljem finantssektorisse tööle minema, et rohkem raha teenida, kuid nad kahetsevad seda alati.

Vähemalt minu arvates on palju parem tunne, kui avastad midagi sulle südamelähedasel erialal, selle asemel et teenida X-miljon dollarit. Teadlaskarjääri poolt pakutav vaevatasu on intellektuaalses mõttes suurem, kuid kui sa ei ole selles suhtes entusiastlik või teed seda kohustusest, siis miks sellele pidama jääda? Entusiasmi säilitamine nõuab aga pidevat kontakti juhendajatega või teiste siiralt motiveerivate inimestega.

_____

Noortele on tähtis rõhutada, et igaühel on võimalik teha fantastilisi avastusi. Sa ei tee neid sellepärast, et oled mingi ülimalt helge peaga geenius.

_____

Nad võivad teha küll head tööd, kuid suured avastused juhtuvad sageli õnnelike õnnetuste läbi ja tihti taandub see õnnele ja õigel ajal õiges kohas olemisele ning võimele seda märgata. Kui inimesel on unistus, peaks ta püüdma seda järgida.

Kui palju kaasneb Nobeli preemiaga sotsiaalset vastutust olla avaliku elu tegelane, kes osutab ühiskonna kitsaskohtadele jms või kas plaanite seda teha?
See on raske küsimus. Ma arvan, et mul on teaduslikus mõttes rohkem pakkuda ja ma ei taha Nobeli preemia tüüpi asjadega enda karjääri lammutada, muutes ennast trofeeteadlaseks, keda annab erinevatel puhkudel poodiumile või lavale panna (naerab). Kuigi noh, muidugi annab see teatava vastutuse olla oma sõnadega ettevaatlikum ja teatud juhtudel, näiteks inimõiguste ja kliimamuutuste teemadel, oma arvamust avaldada.

Kuid ma ei taha vähemalt praegu seda oma elu regulaarseks osaks muuta ja sooviksin enne seda õige mitu uurimust ära lõpetada. Terve uurimisvaldkond on muutunud lihtsalt sedavõrd põnevaks, et tahan selle arendamises aktiivselt kaasa lüüa.


Duncan Haldane jagas selleaastast Nobeli füüsikapreemiat Washingtoni ülikooli füüsikaprofessori David Thoulessi ja Michael Kosterlitziga Cornelli ülikoolist.



Puuviljad võisid anda hoogu primaatide aju suurenemisele

Inimeste eellaste ja teiste primaatide ajumaht hakkas kasvama puuviljarikka toidusedeli toel, selgub kümneid primaate hõlmanud uuringust. Ajukoore suurust indiviidi ümbritseva sotsiaalse rühmaga seostav Robin Dunbar peab tööd näiteks halvasti tehtud eeltööst.

Psühholoog: sobimatu õpikeskkond tekitab koolinoortes depressiooni

Märtsi-aprilli Horisondile antud intervjuus viitab Tallinna ülikooli haridusinnovatsiooni keskuse teadur Grete Arro, et tänasel koolisüsteemil on oma roll selles, miks 12–19-aastased Eesti noored tarvitavad rohkem kui eales varem rahusteid ja antidepressante.

WMO: maailma kimbutavad jätkuvalt äärmuslikud ilmaolud

Möödunud aasta läks ajalukku rekordilise õhutemperatuuri, erakordselt väikese merejää ulatuse ning enneolematult kiire süsinikdioksiidi suhtelise sisalduse tõusuga, näitab Maailma Meteoroloogia Organisatsiooni raport. Aastat vürtsitasid mitmed äärmuslikud ilmaolud.