Minkä sortin liberaali sinä olet?

(Alunperin julkaistu Aamulehden blogeissa 2. kesäkuu 2010.

Näin seitsemän vuotta sitten. Nyt vuonna 2017 voisin kommentoida esim. Osmo Soininvaaran pohdiskelua siitä minne urbaanin liberalismin kannattajien pitäisi kuulua.)

Tunnustaudun eräänlaiseksi arvoliberaaliksi, ja siksi ensimmäinen reaktioni Matti Apusen kronikkaan ”Liberaalin uskontunnustus” oli ajatus: monin eri tavoin voidaan liberalismi ymmärtää.

Otsikko sinänsä toi mieleen Bertrand Russellin Liberaalin kymmenen käskyä, mutta en ole niinkään varma, kuinka samasta liberalismista on kyse. Liberalismi ei nykyään automaattisesti tarkoita Russellin edustamaa arvoliberalismia. Useammin sitä taidetaan käyttää tarkoittamaan markkinaliberalismia varsinkin, jos eteen liitetään etuliite ”uus”. Termin laveudesta muistuttaa myös se, että on olemassa Venäjän liberaalidemokraattinen puolue, johtajanaan muuan Vladimir Zhirinovski

Vaikka yksi- tai edes kaksiulotteinen luokittelu tekee ihmisen yhteiskunnallisille näkemyksille väkivaltaa, on ihmisten edelleen helppo jäsentää asioita vasemmisto-oikeisto -akselilla. Kaivoin esiin ns. Nolanin kartan, jossa vertaillaan vasemmistolaista ja oikeistolaista ajattelua suhteessa henkilökohtaisiin ja taloudellisiin vapauksiin. Vasemmistolainen liberalismi perinteisesti on korostanut yksilönvapauksia erityisesti arvoliberalismina, oikeistolainen puolestaan taloudellista vapautta.

Vasemmistoliberaalit vapaudet ovat usein olleet perinteisiä arvoja ja rakenteita rikkovia: ne ovat haastaneet uskonnon aseman yhteiskunnassa, perinteisen isänmaallisuuden, autoritäärisuuden ja patriarkaalisuuden, samoin seksuaalinen vapaus on korostunut. Vasemmistolaiseksi tämä suuntauksen tekee kuitenkin yhteiskunnan roolin korostaminen sosiaalisen turvaverkon luomisessa. Ehkä vasemmistoliberalismin ja sosialismin sumea rajavyöhyke kulkee jossain sosiaalidemokraattisen liikkeen sisällä. Vasemmistolainen arvoliberaali todennäköisesti ei ole taloudellisen liberalismin kannattaja.

Sosialismin ohella myös vasemmistoliberalismi on saanut oman osansa totalitarismin myötäilysyytöksistä. Osa kritiikistä lienee oikein, osan motiivina lienee pikemminkin ärtymys arvoliberaalia maailmankuvaa kohtaan. Viimeaikaisempi kritiikin aihe on arvoliberalismin suhde ”monikulttuurisuuteen,” jolloin arvoliberalismia on syytetty uskonnon ja tradition perusteella harjoitetun kontrollin ja vallankäytön hyväksymisestä. Monikulttuurisuuden määritelmä näyttää voimakkaasti riippuvan puhujasta ja käyttötarkoituksesta. Amartya Senin kaltaiset arvoliberaalit ovat nähneet monikulttuurisuuden sisältävän myös yksilön vapauden irrottautua traditiosta ja/tai uskonnon valtapiiristä. Uskonnonvapaus on siis myös vapautta uskonnosta.

Oikeistoliberaalien lähtökohtana on taloudellisen toimeliaisuuden, vaurastumisen – jopa rikastumisen vapaus. Yhteiskunnan pitäisi olla rooliltaan pieni, mutta jos yhteiskunta luo sosiaalista turvaverkkoa, sen pitäisi perustua mahdollisuuksien luomiseen, ei ”holhoamiseen.” Oikeistolainen liberaali ei (välttämättä) ole ainakaan korostetun arvoliberaali. Kun Neuvostoliiton sortumisen jälkeen talouden liberalisoituminen käynnistyi maailmanlaajuisissa mitoissa, oikeistoliberaalien teesinä oli, että poliittiset vapaudet ja ihmisoikeudet seuraisivat sitten talouden vapautumisen perässä.

Talouden nopean liberalisoitumisen näkee mm. Shanghain kaltaisissa Kiinan erityistalousalueissa. Talouden liberalisoituminen on nostanut ihmisten elintasoa ja tosiaan lisää ihmisten elämäntapojen monimuotoisuutta. Mikään poliittisten oikeuksien automaatti liberalisoituminen ei ole. Millä mekanismilla markkinaliberalismi sitten purkaisi autoritäärisyyden poliittisista rakenteista?

Taloudellista liberalismia on myös kritisoitu mm. pyrkimyksistä rajoittaa ammattiyhdistysliikkeen toimintaa. Ammatillinen järjestäytyminen kuuluu kuitenkin vapauteen muodostaa järjestöjä ja yhdistyksiä; toisaalta se turvaa yksilön vapauksia taloudellisesti vahvan valtaa vastaan.

Kun katsoo Wikipedian listaa liberaaleista yhteiskuntateoreetikoista, ymmärtää näiden kahden lyhyen kappaleen olevan varsin ylimalkainen kuvaus liberalismista. Listalta löytyy mm. arvoliberaaleja sukupuolten tasa-arvon teoreetikkoja (John Stuart Mill, Simone de Beauvoir), oikeistoon miellettyjä markkinaliberaaleja (Friedrich Hayek ja Milton Friedman) ja vasemmistolaisempia sosiaali- ja oikeusliberaaleja (Amartya Sen, Joseph Stiglitz).

Ehkä yksi yllättävämpiä liberalismin tulkintoja on esitetty Meghnad Desain kirjassa Marxin kosto. Mikäli Desaita oikein tulkitsin, hänen mukaansa Marxin yhteiskuntateorioiden johdonmukainen seuraaminen ei suinkaan johda valtiojohtoiseen sosialismiin (ainakaan ennakoitavan tulevaisuuden aikana). Pikemminkin kehitys vie väistämättä markkinaliberalismiin. Olisiko myös Marx kirjattava liberalismin teoreetikkojen joukkoon?

Tosin Desai kirjoitti tekstinsä juuri ennen nykyistä talouskriisiä ja Paul Krugmanin kaltaisten Amerikan vasemmiston liberaalien (The Conscience of a Liberal) arvonnousua.

Alkaako liberaali jälleen tarkoittaa ensisijaisesti arvoliberaalia?

Mainokset
Kategoria(t): filosofia, politiikka, Uncategorized | Kommentoi

Itä-Böömin panimon dissidentti – eli essee totuudessa elämisestä

(Alunperin julkaistu AL:n blogeissa 20.12.2011)

Tshekkoslovakian ensimmäinen presidentti Tomas Masaryk työskenteli nuorena miehenä seppänä, mutta opiskeltuaan Brnossa ja Leipzigissä päätyi filosofian professoriksi. Masaryk muistetaan humanismia ja moraalista arvokkuutta politiikassaan toteuttaneena valtiomiehenä. Tshekkoslovakian ensimmäisen presidentin henkistä perintöä vaali myös Tshekkoslovakian viimeinen presidentti Vaclav Havel(5.10.1936-18.12.2011).

 

Vaclav Havel kirjoitti kuuluisan esseensä Voimattomien Valta vuonna 1978 (”The power of the powerless”, otsikon suomennos ei liene virallinen). Sen taustat alkavat osittain Masarykistä, osittain eräästä varsin absurdista episodista vuodelta 1976. Frank Zappalta ja Velvet Undergroundilta vaikutteita saanut rock-yhtye The Plastic People of the Universe joutui oikeuden eteen ”järjestäytyneestä julkisen rauhan häiritsemisestä”. Tämä lienee toiminut yhtenä sytykkeenä toisinajattelijoiden aktivoitumiselle, minkä hedelmä oli Peruskirja 77 eli Charta 77. Peruskirja kritisoi Tshekkoslovakian hallitusta ihmisoikeuksien rikkomisesta, vaikka valtio oli allekirjoittanut useita ihmisoikeussopimuksia – mm. Helsingin Ety-sopimuksen. Valtio ei tietenkään lähtenyt vuoropuheluun toisinajattelijoiden kanssa vaan tuomitsi peruskirjan herjaavana ja valtionvastaisena.

 

Voimattomien Valta oli eräänlainen pitkä jälkikirjoitus peruskirjaan, mutta myös toisinajattelun perusteiden analyysi. Siinä Havel pohdiskeli toisinajattelun luonnetta totuudessa elämisenä ja inhimillisen arvokkuuden yllläpitämisenä teeskentelyyn ja näennäisille laillisuusperiaatteille rakentuvassa ”jälkitotalitäärisessä” yhteiskunnassa.

 

Mikä ihmeen jälkitotalitarismi? Perinteinen diktatuuri oli Havelin mukaan ajallisesti rajatumpaa ja sen toimintatavat sidotumpia diktaattorin henkilökohtaisiin tavoitteisiin. Tshekkoslovakian teki totalitääriseksi ideologian ja yhteiskunnan valvonnan kaikenkattavuus, jälkitotalitääriseksi yhteiskunnan jäsenten mukautuminen uskollisuusrituaaleihin ja niihin liittyvään automatiikkaan, mutta myös yhteiskunnallisen vaihtoehdottomuuden verhoaminen näennäisiin laillisuusperiaatteisiin.

 

Havel otti mukautumisesta esimerkiksi vihanneskauppiaan, joka kiinnittää kauppansa ikkunaan julisteen: ”Kaikkien maiden työläiset, liittykää yhteen!” Ideologisella iskulauseella ei ole kauppiaalle sen kummempaa merkitystä ja todennäköisesti hän asettaa sen ikkunaan ilman, että se olisi häneltä sen kummempi ideologinen kannanotto. Ja toisaalta, mitä hänellä olisi työläisten yhteenliittymistä vastaan? Se olisi poliittinen kannanotto, jos hän ei asettaisi julistetta ikkunaan. Se olisi poikkeama siitä, mitä yhteiskunta odottaa hänen tekevän. Hänen esimiehensä kovistelisivat häntä, ja jos hän systemaattisesti laiminlöisi vastaavankaltaiset uskollisuudenosoitukset, hän menettäisi työpaikkansa ja joutuisi hankaluuksiin viranomaisten kanssa.

 

Vuoden 1968 jälkeisessä ”normalisoidussa” Tshekkoslovakiassa valtakoneisto odotti ihmisten noudattavan rituaaleja, jotka osoittivat lojaalisuutta yhteiskuntajärjestelmälle. Ja kun ihmiset eivät tunteneet näitä rituaaleja omikseen, vaan noudattivat niitä saadakseen olla rauhassa, ihmiset elivät valheessa ja menettivät osan arvokkuuttaan. Toisinajattelijaksi – tai dissidentiksi – ei välttämättä siis tultu aktiivisella poliittiseen agendaan sitoutumisella, dissidentiksi ajauduttiin yhdenmukaisuudesta poikkeamisella. Siihen saattoi riittää psykedelisen rock-musiikin esittäminen, epävirallinen taiteellinen toiminta, ei-marxilaisen filosofian tai yhteiskunnalisen analyysin kirjoittaminen – puhumattakaan julkaisemisesta – tai vaikkapa julisteen liimaamatta jättäminen vihanneskaupan ikkunaan. Mutta siihen saattoi riittää myös järjen käyttö sekä vastuuntunnon ja ammatillisen ylpeyden seuraaminen byrokratian sääntöjen sijasta.

 

Vastuullista ja osallistuvaa yhteiskunnan jäsenyyttä pohtiessaan Havel vetosi presidentti Masarykin yhteiskunnallisiin tavoitteisiin. Tshekkoslovakin alkuvuosina Masarykin ideaaleihin kuului ns. ”pienen mittakaavan työ.” Tällä tarkoitettiin rehellistä ja vastuuntuntoista toimintaa eri elämän alueilla, toimintaa joka innostaisi kansallista luovuutta ja itseluottamusta. Havel muistutti Masarykin korostaneen älykästä ja valistunutta koulutusta sekä elämän moraalisia ja humanitäärisiä puolia.

 

Havel otti tällaisen ”pienen mittakaavan työn” kohtaamista hankaluuksista esimerkin omasta lähipiiristään. Vuonna 1974 hän päätyi töihin Itä-Böömiläiseen panimoon, jossa oli esimiehenä ammatistaan ylpeä henkilö, jolle tärkeätä oli hyvän oluen paneminen. Havelin todistuksen mukaan mies paneutui työhönsä perinpohjin, ja mietti jatkuvasti parannuksia panimon toimintaan.

 

Ongelmana oli, että panimoa johtavat henkilöt eivät ymmärtäneet paljoa oluen panemisesta eikä tuotteen laatu heitä kiinnostanut, mutta puuttuvan asiantuntemuksen vastapainona oli sitä suurempi poliittinen vaikuttavuus. Panimon toiminta heikkeni, kun sitä hallinnoineet henkilöt eivät pelkästään jättäneet panimomestarin parannusehdotuksia huomiotta vaan suhtautuivat niihin aktiivisen vihamielisesti. Ammattimies kirjoitti panimon hallinnon yläpuolella toimiville virkamiehille pitkähkön kirjeen, missä hän analysoi panimon vaikeuksia ja miten asioita voitaisiin korjata.

 

Valitettavasti hyvä olut ei ollut koneistolle pääasia vaan poliittinen arvovalta ja niinpä panimomestarin ”pienen mittakaavan työ” leimattiin poliittiseksi sabotaasiksi. Franz Kafkan valtakunnassa asiat lähtivät kafkamaisille raiteille. Ammattimies lopulta menetti ammattiylpeydellä hoitamansa työn ja hänet sijoitettiin töihin, jotka eivät ammattitaitoa vaatineet. Panimomestarista oli tullut järjestelmän näkökulmasta ”dissidentti”, vaikka hän halusi tehdä hyvää olutta eikä kumota vallitsevaa yhteiskuntajärjestystä.

 

Havelin essee on hyvin monipolvinen ja sen analyysi vaatisi yhtäläisen satasivuisen esseen. Mutta pysyäkseni tässä ”pienen mittakaavan töiden” teemassa, siihen liittyy mielestäni hyvin läheisesti hänen kommenttinsa ihmisten itseohjautuvuudesta. Vaikka ihmisiä kontrolloiva järjestelmä tässä tapauksessa olikin sosialistinen ja Havel itse oli varsin anti-ideologinen, hän pohdiskeli sosialismin teoreetikkojen varmaankin haaveilleen ihmisten aidosta, ei-muodollisesta osallistumisesta yhteiskunnan päätöksentekoon. Tällainen takaisi ihmisten tunteen aidosta vastuullisuudesta toiminnastaan yhteiskunnan jäseninä. ”Kontrollin ja kurin periaatteiden hylkääminen suosisi itsekontrollia ja itsekuria.” Toisaalta yhteiskunnan kontrollin ulottuminen liian monille elämän osa-alueille ei edistä ihmisten arvokasta ja onnellista elämää. Yhteiskuntajärjestys ja lait eivät voi koskaan luoda ihmiselämän sisältöä tai merkitystä; ne voivat vain sallia tai rajoittaa, rankaista, sietää tai puolustaa.

 

Miksi Havelista on tuli aikoinaan eurooppalaisen demokratian ikoni ja ihmisen kasvot?

 

Kirjallisessa toiminnassaan hän korosti rehellisyyttä ja totuudessa elämistä. Mutta ehkä tärkeintä ei ole näiden periaatteiden julistaminen esseissä ja kirjeissä, vaan näiden periaatteiden rohkea ja humaani toteuttaminen. Ensimmäisessä uudenvuodenpuheessaan Tshekkoslovakian presidenttinä Havel vetosi jälleen Masarykin perinteeseen: Olisi opittava, että politiikan tavoitteena on lisätä yhteisön onnellisuutta eikä lisätä tarvetta huijata sitä. Politiikan ei kuulu olla ”vain mahdollisen taidetta … , vaan myös mahdottoman taidetta, nimittäin itsemme ja maailman parantamisen taidetta.”

 

 

En erityisesti pidä sanasta arvojohtaja; se kuulostaa henkilöltä, joka kertoo ihmisille mihin heidän pitäisi uskoa ja mitä heidän pitäisi arvostaa. Voiko kansalaisyhteiskunnan jäsenten itseohjautuvuutta, itseluottamusta ja moraalista arvokkuutta rohkaista ilman moraalisesti vahvaa, mutta ei-autoritääristä arvomaailmaa?

Havel oli mielestäni todella harvinainen esimerkki tällaisesta arvomaailman esikuvasta.

 

J.K. Tässä blogikirjoituksessa pyrin välittämään niitä vaikutelmia, joita Havelin essee Voimattomien Valta toi mieleeni. Essee on julkaistu mm. Havelin kokoelmassa Open Letters vuodelta 1991.

 

Havelista on julkaistu viime päivinä useita muistokirjoituksia, mutta mainitsemaani esseetä (ja muita Open Letters -kirjassa julkaistuja tekstejä) sivuaa oheinen Open Democracy -sivuilla julkaistu Vaclav Havel -muistelu.

Kategoria(t): ihmisoikeudet, kulttuuri, politiikka, Uncategorized | Kommentoi

Mitä on älymystö ja onko sille käyttöä

(Alunperin julkaistu AL:n blogit 15.7.2017)

Pääkirjasto Metson lehtisalissa näin taannoin sattumalta Philosophy Now -lehden erikoisnumeron Bertrand Russellista, ja niinpä päätin tilata kyseisen numeron itselleni – olihan Russell kenties tärkein intellektuelli, jonka ajattelusta otin vaikutteita nuorena miehenä. Erityisesti Russellin tekstien lukeminen kiristi ajatteluni loogisuuden ja skeptisyyden vaatimuksia.

Vuonna 1872 syntynyt ja vuonna 1970 Russell eli pitkän ja monipuolisen elämän, ja ehti vaikuttaa paitsi ammattifilosofina matemaattisen logiikan ja analyyttisen filosofian kehitykseen, myös populaarifilosofina, tieteen popularisoijana, loogisen ja rationaaliseen ajatteluun kannustajana, ja yhteiskunnallisena aktivistina. Ehkä jälkimmäinen rooli on parhaiten tunnettu mm. hänen pasifistisesta aktivismistaan ja vaikutuksestaan sadankomitealaisessa rauhanliikkeessä 1960-luvulla – ehkä vähemmän muistetaan että vuonna 1920 hän matkusti tutustumaan bolshevikkivallankumouksen jälkeisiin oloihin. Alullaan oleva tyrannia ei häntä miellyttänyt, lisäksi hänen tapaamansa Leninin luonteenpiirteet tyrmistyttivät Russellia. 

Russell -erikoisnumeroa lukiessani mietin, mikä on aktiivisesti kantaa ottavien älykköjen vaikutus ja merkitys meidän älyllisesti matalampaa profiilia pitäville ihmisille. Intellektuellille lienee tyypillistä se, että hän käyttää omaksumiaan ajattelun ja argumentoinnin taitoja oman erikoisalansa ulkopuolella. Mutta hänen pitäisi myös pystyä asettumaan oman maailmankuvansa tai ideologiansa ulkopuolelle. Hänen siis pitäisi olla jonkinlainen älyllinen ja moraalinen edelläkävijä. Vaclav Havel käytti termiä ”totuudessa eläminen.” Ei riitä, että julistaa rehellisyyttä ja totuudessa elämistä esseissä ja julkilausumissa – on elämässään toteutettava rohkeasti ja humaanisti näitä periaatteita.

Sana älykkö tai intellektuelli herättää eri ihmisille erilaisia mielikuvia. Minun mielikuviini nousevat tietenkin Russellin tapaiset oppineet, jotka ottavat aktiivisesti kantaa yhteiskunnallisiin asioihin, mutts myös kysymyksiin hyvästä ja oikeasta – siitä mitä ihmisen on hyvä tavoitella ja miten olisi hyvä elää. Mutta toisaalta ajattelen entisen itäblokin tai nykyisten autoritääristen yhteiskuntien toisinajattelijoita, jotka yrittävät muuttaa yhteiskuntaa tai ainakin ylläpitää jonkinlaista vapaan ajattelun liekkiä yllä. Tällaisia intellektuelleja olivat tiedemaailman puolelta esim. neuvostoliittolaiset Andrei Saharov tai Vitali Ginzburg, taiteen puolelta Vaclav Havel tai juuri kuollut Peruskirja 08:n laatija Liu Xiaobo. Nykypäivän Turkin kuuluisia intellektuelleja ovat ainakin kirjailijat Orhan Pamuk ja Elif Safak.

On tietenkin selvää, että diktatorisissa ja autoritäärisissä maissa intellektuellilta vaaditaan aivan erilaista rohkeutta kuin demokraattisessa yhteiskunnassa, joka sivistyneesti jopa saattaa tukea valtaan kohdistuvaa kritiikkiä. G.H. von Wrightin kaltaisia suomalaisia akateemisia intellektuelleja ei kaiketi mikään poliittinen mahti uhannut; Russell eli aavistuksen verran vaarallisempaa elämää joutuen ensimmäisen maailmansodan aikana kiukkuisen väkijoukon hyökkäyksen kohteeksi, hänen myös passitettiin sodan vastustajana vankilaan ja vielä 1960-luvullakin hänen pidätettiin kansalaistottelemattomuudesta. Kiinalainen Liu Xiaobo on puolestaan esimerkki, jossa itsevaltainen järjestelmä lukitsee kansalaisen perusoikeuksien puolustajan ristikoiden taakse.

Tästä linkistä löytyy Peruskirja 08

The Guardian julkaisi 14.7.2017 turkkilaisen kirjailija Elif Shafakin esseen: ”It is time we stopped denigrating the public intellectual” –  eli ”On aika lopettaa julkisen älymystön väheksyminen.” Välitön artikkelin motiivi on tietenkin Turkin yhteiskunnallinen tilanne: ”hallitusta puoltava media demonisoi älymystöä, sitä trollataan sosiaalisessa mediassa, syytetään ”petturuudesta” ja ”yhteistyöstä läntisten
hallitusten kanssa”, sitä viedään oikeuteen, vangitaan tai lähetetään maanpakoon. Mutta ainakaan siitä ei olla piittaamattomia. Turkilla, kuten Venäjälläkin on pitkä masentava traditio ottaa älymystö vakavasti ja panna se kärsimään uskalluksesta ajatella toisin.” Safak ihmettelee, ettei esim. brittiläinen älymystö ymmärrä vahvan demokratian ja sananvapauden tuomia etuoikeuksia ja pidä enemmän ääntä paitsi oman yhteiskunnan asioista myös niiden puolesta, jotka eivät asioistaan ääntä voi pitää. Kun Safak oli brittiläiseltä intellektuellilta asiaa kysynyt, vastaus oli: ”on jotenkin arroganttia kutsua itseään älyköksi. Ja julkisesti itsensä älyköksi kutsuminen on kaksin verroin arrogantimpaa.”

Safak moittii läntisiä intellektuelleja sananvapauden ja poliittisen demokratian pitämisestä itsestäänselvyytenä. Mutta hän myös arvostelee ajan henkeä, joka esittää älymystön ”liberaalina etuoikeutettuna eliittinä”, joka ei ymmärrä ”todellista kansaa”. (Epäilemättä aatelinen Bertrand Russell olikin eliittiä ja kaukana kansasta, mutta miksi akateemisesti koulutetut ihmiset Euroopassa olisivat nykyään sen vähemmän kansaa kuin muutkaan?) Safakin mukaan julkiseen keskusteluun osallistuvan älymystön rooli on myös torjua mustavalkoista ”me” vastaan ”ne” -ajattelua, joka häivyttää
yhteiskunnallisesta keskustelusta nyanssit. Mutta Safakin esseestä voi myös aistia Vaclav Havelin peräänkuuluttaman rohkean ja humaanin ”totuudessa elämisen”. Länsimaisessa demokratiassa se on huomattavasti riskittömämpää kuin esim. Turkissa, Venäjällä tai Kiinassa. Siksi läntisen älymystön pitäisi olla äänekkäämpää

Safakin esseen voitte lukea The Guardianista.

Valistuneessa ja tasa-arvoisessa yhteiskunnassa sanojen painoarvo pitää ansaita. Mielipiteille pitäisi antaa arvoa niiden tietopohjan, loogisen ja moraalisen perusteltavuuden ja älyllisen rehellisyyden mukaan. Ehkäpä nämä ovat edellytyksiä myös sille, että mielipiteen esittäjä on ylipäänsä on intellektuelli. Jossain määrin myötäilen Safakin älymystölle esittämiä vaatimuksia. Sen perintelnen rooli on puhua niiden puolesta, joiden on vaikea saada ääntään kuuluviin tai joiden on riskaabelia asioitaan ajaa. Lisäksi intellektuellin rooliin mielestäni kuuluu laadukkaan julkisen keskustelun edistäminen. Ja ei kai se niin päin mene, että jonkun todetaan olevan älymystöä ja sitten häntä kuunnellaan – älymystöön kai tahtomattaankin joutuu, jos on tarjota jotain riittävän painokasta älyllistä toimintaa ruokkivaa.

Kategoria(t): Uncategorized | Kommentoi

Hyvää syntymäpäivää, professori Hawking!

Stephen Hawking täyttää 70 vuotta sunnuntaina 8.1.2012. Tämä on hyvin kunnioitettava saavutus, etenkin kun hermostorappeumasairauden oli määrä kaataa hänet hautaan jo alle 25-vuotiaana. Sairauden rajuista vaikutuksista huolimatta Hawking on tehnyt poikkeuksellisen vaikuttavan tieteellisen uran. Tieteen huipulla – ainakin fysiikassa – parhaat vuodet muistuttavat maratoonarin tai jalkapallomaalivahdin urakaarta: huipulle noustaan alle kolmikymppisenä, nelikymppisenä voi toki olla vielä huipputekijä, mutta vain jos pohjan olet luonut aiemmin. Tuota vanhempikin taituri voi edelleen olla ketterästi nuoremmille mallia näyttävä ja ohjeita antava valmentaja.

Stephen Hawking ohjasi Bernard Carrin väitöskirjatyön vuosina 1972-1975. Lontoossa matematiikan ja astronomian professorina nykyisin toimiva Carr arvioi The Guardian -lehdessä julkaistussa syntymäpäiväartikkelissa Hawkingin tehneen vuonna 1974 – siis 32-vuotiaana – yhden 1900-luvun fysiikan suurimmista keksinnöistä. Hawking osoitti, että yhdeksi pisteeksi painovoiman musertamina romahtaneet tähdet eli avaruuden mustat aukot eivät ole pelkästään kylmiä ympäristöstään materiaa nieleviä reikiä ajan ja paikan muodostamassa avaruudessa. Kvanttifysiikan ja termodynamiikan (lämpöopin) lakien mukaan ne voivat myös lähettää lämpösäteilyä. Hawking kykeni todistuksessaan yhdistämään kvanttiteoriaa ja termodynamiikkaa yleiseen suhteellisuusteoriaan. Tämän synteesin ansiosta Carr arvostaa Hawkingin teorian höyrystyvistä mustista aukoista niin korkealle.

Hawkingin suurimmat ansiot liittyvät yleisemmin kosmologiaan, erityisesti maailmankaikkeuden historiaan ja tulevaisuuteen sekä mustien aukkojen ominaisuuksiin. Erityisesti hänet tunnetaan Roger Penrosen kanssa tehdyistä yleiseen suhteellisuusteoriaan liittyvistä tutkimuksista. Nämä kuvaavat ajan ja avaruuden jyrkkää kaareutumista, eli ns. singulariteetteja avaruuden mustissa aukoissa tai alkuräjähdyksen olosuhteissa.

Näistä aiheista Hawking kirjoitti suuren suosion saavuttaneen yleistajuisen kirjan Ajan Lyhyt Historia (A Brief History of Time – From the Big Bang to Black Holes, vuodelta 1988). Hawkingin tutkimukset koskettavat suuria aiheita: mistä kaikki on alkanut ja olisiko maailmankaikkeus voinut kehittyä nykyisen kaltaiseksi monella tavoin vai onko vain yhdenlainen menneisyys mahdollinen; mitä tapahtui neliulotteisen aika-avaruuden syntyessä ja mitä tapahtuu sen päättyessä avaruuden mustiin aukkoihin tai maailmankaikkeuden mahdollisesti romahtaessa kasaan?

Nämä ovat erittäin mielenkiintoisia kysymyksiä, mutta pohdiskelen ohessa tarkemmin tuota Carrin hehkuttamaa teoriaa, se liittyy niin moneen mielenkiintoiseen fysiikan alueeseen.

Avaruuden musta aukko on yleisen suhteellisuusteorian ennustama kummajainen. Suhteellisuusteoria tarkastelee maailmaa neliulotteisesti; tapahtumiin liittyy paitsi paikka, myös aika. Näiden kahden suureen mittaaminen riippuu havaitsijan liiketilasta. Yleinen suhteellisuusteoria kuvaa painovoimaa neliulotteisen aika-avaruuden kaareutumisena. Käytännössä tämä ilmenee mm. GPS-navigoinnissa, sillä paikannussatelliitin radalla kello käy eri nopeudella kuin maan pinnalla. Maailmankuvaamme yleinen suhteellisuusteoria muovaa maailmankaikkeuden rakennetta ja dynamiikkaa tutkivan kosmologian kautta (ks. suhteellisuusteoriasta kirjoittamani artikkeli ja fysiikan vuoden esitelmäni Metsossa 2005) .

Musta aukko on oman painovoimansa vaikutuksesta romahtanut sammunut tähti. Suhteellisuusteorian mukaan romahtaneen tähden lähistöllä aika-avaruus kaareutuu niin voimakkaasti, että romahtaneen tähden ympärille muodostuu ns. tapahtumahorisontti. Sen sisäpuolelta ei pääse poistumaan aine eikä säteily.

Aika-avaruuden kaareutumista voi yrittää hahmottaa ajattelemalla mustaan aukkoon putoavaa radiolähettimeen liitettyä kelloa. Mitä tapahtuu jos lähetin tuottaa sekunnin välein radiosignaalin, jota mitataan turvallisen matkan päässä tyhjässä avaruudessa? Mukana putoavan henkilön mielestä kello käy normaaliin tahtiin, mutta kaukaa ulkopuolelta katselevan mielestä kellon lähettämät signaalit saapuvat perille yhä harvemmin. Kun kello saavuttaa tapahtumahorisontin, ulkopuolisen havaitsemien signaalien väli venyy äärettömän pitkäksi – kellon mittaama aika näyttää pysähtyvän. Kaareutuminen on siis aikavälien venymistä tai toisaalta etäisyyksien kutistumista.

Kuuluisan suhteellisuusteoreetikon John Wheelerin ohjauksessa väitöskirjansa tehnyt Jacob Bekenstein oivalsi – 25-vuotiaana – että mustat aukot näyttävät rikkovan termodynamiikan toista pääsääntöä. Toisen pääsäännön mukaan maailmankaikkeuden entropia väistämättä kasvaa. Entropia on suure, joka ainakin yleistajuisissa teksteissä mittaa epäjärjestystä, mutta sen tieteellisempi määritelmä liittyy toisaalta informaatioon, toisaalta energian käyttökelpoisuuteen. (Ohessa lisätietoa entropiasta vanhasta blogistani).

Wheeler ja Bekenstein havaitsivat, että mustaan aukkoon putoava materia sisältää entropiaa, joka häviää maailmasta syöksyessään mustan aukon kurimukseen. Bekensteinin mukaan mustalla aukolla on oltava hyvin määritelty entropia, mikäli toinen pääsääntö on voimassa. Laskelmissaan hän päätyi kauniiseen lopputulokseen: mustan aukon entropia on verrannollinen aukon tapahtumahorisontin pinta-alaan. Physical Review -lehdessä 1973 julkaisemassaan artikkelissa Bekenstein oli varovainen mustan aukon entropian tulkinnassa. Hän samaisti mustan aukon entropian siihen, ettei ulkopuolinen havaitsija voi saada mitään informaatiota mustasta aukosta.

Entropiaan liittyy aina lämpötila, ja kaikki millä on absoluuttista nollaa suurempi lämpötila säteilee lämpösäteilyä tai jotain muuta sähkömagneettista säteilyä. Niin tekee näkyvää valoa säteilevä aurinko ja pitkäaaltoista lämpösäteilyä hohkaava maapallo. Samoin maailmankaikkeuden mikroaaltotausta on jäänne kuuman maailmankaikkeuden säteilystä, jonka aallonpituus on laajenevassa kaikkeudessa venähtänyt alkuperäisestä tuhatkertaiseksi.

Mutta jos mustalla aukolla on entropia, sillä on myös lämpötila. Mikäli sillä on lämpötila, sen on säteiltävä sähkömagneettista säteilyä.

Hawking ei uskonut ensin ajatukseen mustan aukon lämpötilasta, mutta ryhtyi tutkimaan asiaa tarkemmin. Kvanttikenttäteoria ennustaa, että tyhjässä avaruudessa voi syntyä ns. virtuaalisia hiukkasia ja niiden antihiukkasia. Ne kuitenkin tavallisesti kohtaavat toisensa uudelleen, joten pari häviää. Voimakkaasti kaareutuneessa aika-avaruudessa lähellä tapahtumahorisonttia parin toinen osapuoli saattaakin luiskahtaa horisontin väärälle puolelle, jolloin toinen karkaa painovoimakentästä. Tällöin mustan aukon massa pienenee karkaavan hiukkasen viemää energiaa vastaavan määrän – kuten tunnettua E = mc2.

Hawkingin johtama tulos merkitsee, että mustat aukot säteilevät lämpöä – tosin äärimmäisen heikosti. Tällöin ne myös höyrystyvät valtavan pitkien aikojen kuluessa yhä pienemmiksi, kunnes höyrystymisen kiihtyminen päättyy aukon räjähdykseen. Hawking julkaisi kuuluisan tuloksensa arvostetussa Nature -aikakauslehdessä vuonna 1974.

Tieteellisesti tällaiset fysiikan alojen rajojen ylitykset ovat hyvin merkittäviä, mutta aivan perusteltu kysymys onko näin perustavanlaatuisen tiedon lisääntymisestä yleisempää hyötyä? Tieteellisen maailmankuvan jalostuminen on arvo sinänsä, mutta liittyykö tuo jalostuminen elämän todellisuuteen?

Muistuttaisin, että vaikka nykyisin jokapäiväisessä käytössä oleva teknologia pohjautuu erittäin vahvasti sähkömagnetismiin, se käyttää hyvin paljon termodynamiikalle ja/tai kvanttimekaniikalle rakentuvaa tietämystä. Käytännössä kaiken puolijohteisiin pohjautuvan elektroniikan fysikaalinen pohja on kvanttimekaaninen. Aineen ja säteilyn vuorovaikutuksen ymmärtäminen pohjautuu kvanttifysiikan ja termodynamiikan liittoon, sen hedelminä osaamme tehdä aurinkokennoja, LEDejä, erilaisia antureita mittalaitteisiin ja ilmaisimiin. Mutta lisäksi ymmärrämme mm. miksi hiilidioksidi ja vesihöyry pidättävät maapallon lämpösäteilyä, mutta ilmakehässä paljon runsaammat typpi ja happi eivät. Suhteellisuusteoriaan törmäämme poliisin ratsiassa, missä nopeutemme mitataan käyttäen suppeasta suhteellisuusteoriasta johdettua Doppler-ilmiötä. Ja GPS-laitteet olisivat käyttökelvottomia, ellei otettaisi huomioon satelliittien liikettä maan pinnalla koettua painovoimaa heikommassa kentässä. Ilman suhteellisuusteoriaa navigaattorimme heittäisivät toistakymmentä kilometriä päivässä, ja mitä hyötyä on laitteesta, joka ei erota Hervantaa Tesomasta?

Käytännön kannalta tärkein kysymys ei aina ole ”mitä tiedämme” vaan ”miten tiedämme.” Tieteellisten teorioiden matemaattis-looginen koneisto voi olla käyttökelpoista aivan odottamattomalla suunnalla.

Ihminen on myös utelias olento. Paitsi tieteentekijä myös maallikko saattaa janota tietoa ihmisestä, luonnosta ja maailmankaikkeudesta. Maineensa ihmisten mielessä Hawking hankki tietenkin tuolla yllämainitulla kirjallaan. Kirjan pohjalta Errol Morris teki mielenkiintoisen elokuvan A Brief History of Time (1991). Elokuva löytynee lähikirjastosta, mutta on myös katsottavissa Google-videoissa.

Kategoria(t): tiede | Avainsanat: , , , , | Kommentoi

Suprajohtavuus – salaperäinen satavuotias.

Seuraavista kahdesta artikkelista ensimmäinen käsittelee suprajohtavuuden satavuotiasta historiaa, jälkimmäinen TTY:n fysiikan laitoksella tekemäämme tutkimusta korkean lämpötilan suprajohtavuuden alueella. Artikkelit on lähetetty julkaistavaksi Arkhimedes -lehteen.

Salaperäinen satavuotias lumoaa edelleen materiaalifyysikot.

Suprajohtava materiaali johtaa sähköä häviöttä, eikä se päästä magneettikenttää tunkeutumaan sisäänsä. Suprajohtavuutta sovelletaan mm. lääketieteellisessä magneettikuvannuksessa (MRI), äärimmäisen heikkojen magneettikenttien mittauksessa (SQUID), tehokkaissa generaattoreissa ja levitoivissa junissa; tulevaisuudessa suprajohtavilla keloilla tuotetut voimakkaat magneettikentät pitänevät koossa Tokamak-tyyppisen fuusioreaktorin käsittämättömän kuumaa (~ 108 K) plasmapolttoainetta.

Suprajohtavuus vaatii erittäin matalaa lämpötilaa, mikä rajoittaa käytännön sovelluksia. Perinteisiä suprajohteita on jäähdytettävä nestemäisellä heliumilla, mutta viimeisen neljännesvuosisadan aikana on löydetty nestetypessä (Tv = -196°C eli 77 K) toimivia ”korkean lämpötilan” suprajohteita. Kriittisen lämpötilan hypähdys herätti suuria toiveita: mikäli jäähdytystä ei tarvittaisi, yleistyisivät suprajohteet häviöttömässä sähkönsiirrossa, energiaa säästävissä muuntajissa ja moottoreissa helpottaen kasvavan ihmiskunnan energiantarvetta ja energiantuotannon aiheuttamia ympäristöongelmia. Valitettavaa sovellusten kannalta on, että korkean lämpötilan suprajohtavuuden mekanismeja ei täysin tunneta eikä tiedetä, miten toimintalämpötiloja voitaisiin nostaa.

Kahdeksas huhtikuuta 1911 Leidenin yliopiston professori Heike Kamerlingh Onnes

Heike Kamerlingh Onnes

ja hänen assistenttinsa Gilles Holst upottivat elohopeasta valmistetun virtasilmukan nestemäiseen heliumiin tutkiessaan metallien sähkönjohtavuutta matalissa lämpötiloissa. Jo kolme vuotta aiemmin heliumin nesteyttäminen oli varmistanut hänen paikkansa fysiikan historiassa. Tämä vaati heliumin jäähdyttämisen 4 K:n
(-269°C) lämpötilaan.

Onnesin kokeessa elohopean resistiivisyys aleni varsin tasaisesti lämpötilan laskiessa. Lämpötilan madaltuessa hieman yli 4 K:n lämpötilaan resistanssi katosi kokonaan: elohopea oli muuttunut täydelliseksi johteeksi. Koe toistettiin tinalla ja lyijyllä samoin tuloksin. Myöhemmin lukuisat ei-magneettiset metallit ja metalliseokset osoittautuivat matalissa lämpötiloissa suprajohtaviksi. Suprajohtavuuden aiheuttamaa mekanismia Onnes ei kyennyt selvittämään – siihen olisi tarvittu vielä syntymätöntä kvanttifysiikkaa. Onnesin ansiot riittivät kuitenkin Nobel-komiealle, joka palkitsi hänet vuonna 1913. Onnes ei vielä myöskään havainnut suprajohteiden toista oleellista ominaisuutta, täydellistä diamagnetismia. Meissner ja Ochsenfeld havaitsivat magneettikentän hyljinnän vasta vuonna 1933.

Suprajohtavuuden arvoituksen ratkaisivat vuonna 1957 amerikkalaiset Bardeen, Cooper ja Schrieffer. Syvällinen ja nerokas kvanttimekaaninen BCS-teoria osoitti, että virtaa kuljettavat elektronit liittyvät pareiksi, jotka liikkuvat yhdessä muiden parien kanssa eräänlaisena yhdenmukaisena vastuksetta virtaavana ”supranesteenä”. Tämä vastukseton liike myös pitää magneettikentän materiaalin ulkopuolella. Liikemäärältään täsmälleen vastakkaiset elektronit1 pariutuvat hylkivän vuorovaikutuksen ylivarjostavien hilavärähtelyjen ansiosta. Tämä sitoo elektroneja toisiinsa hyvin heikosti, mutta äärimmäisessä kylmyydessä riittävän vahvasti. Kun asiaa katsotaan syvällisemmin, huomataan Cooperin parien muodostumisen olevan aidosti monen kappaleen ongelma. Parit muodostavat makroskooppisen kondensaatin, ja parin rikkominen vaatii äärellisen määrän energiaa. Tämä näkyy koherenssipiikkien rajoittamana energiarakona elektronien energiaspektrissä. Rako kapenee lämpötilan noustessa, kunnes kriittisessä lämpötilassa rako umpeutuu ja materiaali muuttuu normaalitilaan.

Joulukuussa 1957 Physical Review -lehdessä Bardeen, Cooper ja Schrieffer julkaisivat artikkelin ”Theory of Superconductivity.” Kuin opiksi kokeellisia havaintoja tulkitsevalle teoreetikolle artikkeli alkaa viiden kohdan luettelolla asioista, jotka suprajohtavuuden teorian on selitettävä. Niihin kuuluivat toisen kertaluvun olomuodonmuutoksen ja sen kriittisen lämpötilan, Meissnerin ilmiön, isotooppiefektin ja ominaislämmön käyttäytymisen ennustaminen sekä tietenkin myös äärettömän johtavuuden selittäminen. Juuri sen Bardeenin, Cooperin ja Schriefferin teoria teki.

Jo ennen BCS-teorian keksimistä vuonna 1950 Landau ja Ginzburg muotoilivat olomuodonmuutoksia kuvaavan fenomenologisen teorian, joka kuvasi myös suprajohteiden lämpötilariippuvuutta ja sähkömagneettisia ominaisuuksia – tosin tuntematta ilmiön perusmekanismia. Rautaesirippu lienee hidastanut suprajohdeteorian kehitystä, mutta BCS-teorian läpimurto myös Neuvostoliiton teoreetikkoyhteisössä johti varsin nopeasti kahden teoreettisen lähestymistavan hedelmälliseen synteesiin, kuten Lev Gorkovin taannoiset muistelut paljastavat.

Nikolai Bogoliubov muotoili BCS-teorian kanonisten muunnosten muotoon, jossa rikotut Cooperin parit esitetään spiniltään vastakkaissuuntaisten elektronin ja aukon muodostamana kvasihiukkasena. Bogoliubovin lähestymistavan avulla mm. sähkömagneettinen kenttä voitiin luontevasti sisällyttää mittakenttänä laskuihin. Gorkov sai kunnian osoittaa Ginzburgin ja Landaun makroskooppisen teorian olevan johdettavissa mikroskooppisesta BCS-teoriasta. Aleksei Abrikosov puolestaan oli osoittanut GL-teorian ennustavan myös ns. tyypin II suprajohteet, joissa magneettikenttä läpäisi suprajohteen vuokvantteina. Fenomenologista teoriaa täydellisemmässä muodossaan kutsuttiin tekijöidensä mukaan GLAG -teoriaksi.

Korkean lämpötilan suprajohteiden keksiminen vuonna 1986 oli harppaus kohti nestetypen maailmaa. Bednorz ja Müller onnistuivat tekemään huonosti sähköä johtavasta keraamisesta metallioksidista suprajohtavan lämpötilassa, joka ylitti BCS-teorian ennusteet. Löytö nosti suprajohtavuuden lämpötilan kerralla aivan uusiin lukemiin ja Paul Chun ryhmä rikkoi nestetypen maagisen lämpötilarajan. Nopeaan tahtiin löydettiin useita nestetypen lämpötilassa suprajohtavia kuparin ja hapen muodostaman atomiverkon ympärille rakentuvia kupraateiksi nimettyjä materiaaleja ja nykyinen lämpötilaennätys on 138 K (eli -135 °C). Antarktiksen kireimmät pakkasetkaan eivät siis riitä suprajohtavuuteen.

Pahaksi onneksi vanha BCS-teoria kuvaa uusien suprajohteiden fysiikkaa puutteellisesti. Löytyneissä keraameissa puikkelehtivien elektronien maailma on huomattavasti perinteisiä suprajohteita monimutkaisempi. Vanhat suprajohteet vierastavat magnetismia, ja toki uudetkin materiaalit magneettikenttää hylkivät. Mutta kupraatit esiintyvät myös magneettisesti järjestäytyneinä eristeinä, ja suprajohtavuudella näyttää olevan syvällinen yhteys magneettisiin ilmiöihin.

Korkean lämpötilan suprajohteiden ongelma ei ole pula teorioista. Mutta yhtenäinen suprajohtavien materiaalien eri olomuotoja kuvaava teoria puuttuu, eikä elektronien pariutumisen mekanismia ole varmistettu. Ilmiön salaisuuden uskottiin löytyvän kupari-happi -rakenteiden ominaisuuksista, mutta vuonna 2008 tämä johtolanka osoittautui ohueksi. Hideo Hosonon johdolla japanilais-kiinalainen tutkijaryhmä löysi täysin uudenlaisen rautaan ja arseeniin pohjautuvan suprajohdeperheen, jolla oli myös selkeästi magneettinen olomuoto. Mutta yhtäläisyydet kupari-happi -materiaaleihin olivat varsin vähäiset.

Teoreetikoilla riittää siis vielä pohdittavaa: mikä yhdistää ja erottaa elektronien elämää vanhoissa, uusissa ja vielä uudemmissa suprajohteissa? Korkean lämpötilan suprajohtavuuden tutkimus on edistynyt rinnakkain hyvin hienostuneiden kokeellisten tutkimusmenetelmien kehityksen kanssa. Tärkein kokeellinen menetelmä lienee kulmaerotteinen fotoemissiospektroskopia (ARPES), mutta hyvin runsaasti tietoa ovat tuottaneet elektroneja yksittäisten atomien tarkkuudella mittaavat pyyhkäisytunnelointimikroskopia ja -spektroskopia (STM/STS). Jonain päivänä meillä lienee suprajohtavuutta kuvaava yleisteoria, mutta sitä päivää odottaessa tämän eksoottisen olomuodon ”Graalin maljan” etsintä on hyvin tehokkaasti elävöittänyt monimutkaisten materiaalien teoreettista, laskennallista ja kokeellista fysiikkaa.

Korkean lämpötilan suprajohteiden tunnelointispektroskopiassa signaali suodattuu eristekerroksissa.

Korkean lämpötilan suprajohteiden keskeisin materiaaliryhmä ovat keraamiset kupraattimateriaalit, joissa verkkomaiset CuO2 kerrokset ovat pinoutuneet eristävien

Bi2Sr2Cu2O8 -suprajohteen rakenne. Tätä ryhmämme tutkii.

oksidikerrosten lomaan. Keskeinen teoreettinen ongelma on kyseisten materiaalien faasidiagrammi, joka on huomattavasti perinteisten suprajohteiden faasikarttaa monimutkaisempi. Toki nämäkin materiaalit ovat tyypin II suprajohteita, eli sallivat magneettivuon kvanttien kulkea lävitseen tiettyyn kriittiseen kenttään asti. Toisaalta suprajohtavuus ilmenee toisen kertaluvun olomuodonmuutokseen päättyvän kriittisen lämpötilan TC alapuolella.

Mutta faasikartassa on yksi oleellinen muuttuja enemmän: aukkoseostus x eli aukkojen lukumäärä kupariatomia kohden. Injektoimalla kupraattimateriaaleihin ylimääräisiä elektroneja niiden ominaisuudet vaihtelevat puhtaan materiaalin (x=0%) antiferromagneettisuudesta suhteellisen kapean seostusvälin suprajohtavuuteen (0.08 ~< x<~ 0.30) ja siitä edelleen tavallisempaan metalliseen olomuotoon. Näyttää siltä, että seostus ohjaa paitsi CuO2-kerrosten paikallista magneettista järjestystä ja sen fluktuaatioita,  niin ilmeisesti myös varausfluktuaatioiden ja elektronirakenteen järjestyksen välistä vuorovaikutusta.

Seostuksen vaihtelu tuo mukaan ylimääräisiä olomuotoja ja niihin liittyviä lämpötilaskaaloja. Yksi keskeinen havainto on ns. näennäisrako (engl. pseudogap). Elektronirakennetta mitatessa nähdään samanlainen matalan tilatiheyden energia-alue suprajohtavan tilan koherenssipiikkejä muistuttavina rakenteineen. Tilaan liittyy kaksi kriittistä lämpötilaa, joista ylempi T* on rajana näennäisraon sulkeutumiselle ja alempi TC suprajohtavuuden katoamiselle. Suprajohtavuuden teorian olisi pystyttävä selittämään koko faasidiagrammi, ei ainoastaan suprajohtavuuden mekanismia.

Bogoliubovin kvasipartikkelikuva sekä Nambun ja Gorkovin tapa kuvata elektronien ja aukkojen käyttäytymistä Greenin funktion avulla on tiettyyn rajaan asti käyttökelpoinen tapa tulkita kokeellisia havaintoja, vaikka eri faasien syntymekanismeja ei perimmiltään tunnetakaan.

Ryhmämme on yhteistyössä Bostonissa sijaitsevan Northeastern Universityn kanssa mallintanut kokeellisia STM/STS-mittauksia. Laskut perustuvat Nambu-Gorkov -Greenin funktioiden käyttöön laajassa atomiorbitaalikannassa. Mallin elektronirakenne on ensin sovitettu kuvaamaan normaalitilaa mahdollisimman realistisesti, minkä jälkeen siihen on liitetty BCS-tyyppinen suprajohtavuutta kuvaava osa ja seostuksesta riippuva antiferromagneettinen järjestys. Malli ottaa myös sen huomioon, että tunnelointimikroskopia mittaa pinnan elektronirakennetta, mutta kupraattimateriaaleissa suprajohtava CuO2 -kerros on aina parin eristävän oksidikerroksen peittämä, joten tunnelointisignaali kulkeutuu tiettyjä tunnelointikanavia pitkin oksidikerrosten suodattamana.

Pinnan STM-kuva ei ole kokeellisesti eikä teoreettisesti kovin mielenkiintoinen – siinä näkyy vain pinnan vismuttiatomeja. Differentiaalikonduktanssi dI/dV jännitteen funktiona on verrannollinen CuO2-kerroksen elektronirakenteeseen, ja mitattu spektri paljastaa mm. suprajohtavuutta ilmentävien koherenssipiikkien käyttäytymisen seostuksen funktiona. Kuten kuvassa näkyy kokeellinen (katkoviiva) ja teoreettinen (yhtenäinen viiva) spektri sopivat varsin mainiosti yhteen. Molemmat spektrit paljastavat myös matalan seostuksen näennäisrakoilmiölle tyypillisen kahden energiaraon yhdistelmän. Näistä laskuista ja kokeista on mahdollista päätellä ilmiöihin liittyvät kriittiset lämpötilat ja rakentaa niista faasidiagrammi. Kuvassa on kokeellisiin mittauksiin vertautuva laskemamme faasidiagrammi (kolmiot kuvaavat kriittisiä lämpötiloja TC ja T*).

Vaikka laskemamme tulokset ovatkin hyvin kokeiden kanssa yhteensopivia, ja näyttävät jopa tarjoavan magneettisen järjestyksen selitykseksi näennäisrakoilmiölle, perusmekanismia pariutumiselle emme kuitenkaan vielä tunne, ja laskuissa käytämme parametrisoituja semiempiirisiä vuorovaikutustermejä. Toisaalta magneettinen järjestys ei ole ainoa mahdollinen mekanismi tuottamaan näennäisrakofaasia, mutta laskumme osoittavat sen olevan kokeiden kanssa yhteensopiva mahdollinen mekanismi. Tekemämme mallinnuksen suurin arvo on kokeellisten STM/STS-spektrien ja CuO2-kerrosten elektronirakenteen vastaavuuden analyysissä.

Jouko Nieminen

Kirjoittaja on Tampereen teknillisen yliopiston yliopistonlehtori ja Bostonin
Northeastern Universityn dosentti.

Viitteitä ja kirjallisuutta:

Physics World, Vol. 24, No 4, April 2011. Teemanumero: Superconductivity, the first 100 years.

Lev Gorkov, Developing BCS ideas in the former Soviet Union, http://arxiv.org/abs/1102.1098, 2011.

Jouko Nieminen, Ilpo Suominen, R.S. Markiewicz, Hsin Lin, A. Bansil, Spectral decomposition and matrix element effects in scanning tunneling spectroscopy of Bi2Sr2CaCu2O8+x, Phys. Rev. B 80, 134509(2009).

Jouko Nieminen, Ilpo Suominen, Tanmoy Das, Robert Markiewicz, and Arun Bansil, Model evidence of strong correlations at the Van Hove singularity in the scanning tunneling spectra of superconducting Bi2 Sr2 CaCu2 O8+x single crystals, submitted to Phys. Rev. B (2011).

Ilpo Suominen, A multiband Green’s function approach for scanning
tunneling spectroscopy of High-TC superconductor
Bi-2212, Doctoral thesis, Tampere University of Technology, 2011.

Kategoria(t): tiede, Uncategorized | Avainsanat: , , , | Kommentoi

Jumalainen mutta arkinen – vakaa mutta hurja.

Aurinko on jossain roolissa jokapäiväisessä uutisoinnissa ainakin sääennusteissa ja auringon nousu- ja laskuaikojen raportoinnissa. Mutta siinä on muutakin kiinnostavaa kuin auringonpaiste tai sen puuttuminen. Suhteellisen tuoreisiin uutisiin ovat päässeet arviot mahdollisesta auringon aktiivisuuden heikkenemisestä ja auringonpilkkujen vähenemisestä, mikä myös on hieman virvoittanut spekulointia auringon aktiivisuuden vaikutuksista maapallon ilmastoon. Tuoreisiin uutisiin on päätynyt myös mysteeri auringon pinnan yläpuolisen koronan muodostavan harvan plasman korkeasta lämpötilasta: auringon näkyvä ”pinta” eli ns. fotosfääri on lämpötilaltaan n. 5800 kelvin-astetta, mutta lähinnä protoneista ja elektroneista koostuva korona on yli miljoona-asteista.

Ja kelvin-asteistahan saa celciuksia, kun niistä vähentää 273 astetta.

Mikä on aurinko ja miten se toimii? Miksi se säteilee näkyvää valoa, infrapunaa ja ultraviolettia? Miksi saamme sieltä varattuja hiukkasia ja magneettisia häiriöitä jopa siinä määrin, että tietoliikenne tai sähkönjakelu saattaa häiriintyä tai – positiivisella puolella – saamme ihailla komeita revontulia. Koetin ottaa asioista selvää, ja kirjasin oppimani muistiin parhaan ymmärrykseni mukaan.

Pari sataa vuotta sitten saksalainen Joseph von Fraunhofer mittasi auringon säteilyjakauman ja havaitsi siitä puuttuvan aallonpituuksia. Fraunhoferin spektri on ollut avain sekä auringon lämpötilan että sen koostumuksen määrittämiseen. Tämä spektri oli yksi tärkeimmistä kvanttimekaniikan syntyyn 1900-luvun alussa johtaneista kokeellisista havainnoista. Tieteellisen teorian mullistus puolestaan mahdollisti mittausten tulkitsemisen: kvanttifysiikkaan perustuva Planckin säteilylaki yhdistää yksinkertaisella tavalla kappaleen lämpötilan ja sen lähettämän säteilyjakauman. Tilastollisen fysiikan ja (tuolloin vielä kehittymässä olevan) kvanttiteorian avulla Cecilia Payne tulkitsi auringon olevan pääasiassa vetyä. 25-vuotiaan Paynen väitöskirjassaan esittämä tulos oli tavanomaisen viisauden vastainen, joten sen hyväksyntä vei tovin. Harvardissa vaikuttaneesta Paynesta tuli lopulta kolmekymmentä vuotta myöhemmin ensimmäinen nainen, joka nimettiin maineikkaan yliopiston professoriksi.

Nykyään yleisesti tunnettu fakta on, että aurinko massaltaan on ainakin 70-prosenttisesti vetyä, helium on alkuaineista selkeä kakkonen, ja jäännösosat jäävät hieman raskaammille alkuaineille. On myös yleisesti tunnettua, että aurinkon säteilemä energia on peräisin sen ytimessä tapahtuvista fuusioreaktioista, joissa joka sekunti yhdistyy 620 miljoonaa tonnia vetyä heliumiksi. Häviävä neljä miljoonaa tonnia ainetta vapauttaa energiaa (E=mc2) yhtä paljon kuin miljardi ydinvoimalaa tuottaisi miljardissa vuodessa.

Auringon sydämen gammasäteilystä pinnan hehkumaksi näkyväksi valoksi.

Auringon sisustan ydinreaktioissa massa muuttuu gammasäteilyksi ja reaktiotuotteiden liike-energiaksi – lämpötila tuolla tiheässä sydämessä on yli 14 miljoonaa astetta. Onneksi aurinko on korkeaenergiselle säteilylle varsin läpinäkymätön, joten energia ehtii moneen kertaan muuttaa muotoaan, ennenkuin se voi säteillä näkyvänä valona, lämpösäteilynä tai ultraviolettivalona ympäröivään avaruuteen 5800 kelvinin lämpöiseltä pinnalta. Auringon sydämestä lämpö etenee ulospäin kuuman ytimen ja viileämmän pinnan välisen lämpötilaeron ajamana kaasun virtauksena, konvektiona. Pinnalla kuuma kaasu viilenee säteiltyään energiaansa avaruuteen ja painuu takaisin ”kiehuvaan” syvyyteen. Tämä lämmön matka auringon ytimestä pintaan kestää satojatuhansia vuosia.

Auringon säteilemä valo on monen mutkan kautta peräisin aurinkon sydämen

Auringon rakenne

fuusioreaktioista. Tämä säteily on mm. maapallon elämän lähde, se säätää maapallon peruslämpötilan, joka on n. -18 C – kasvihuonekaasujen kyky absorboida maapallolta poistuvaa pitkäaaltoista lämpösäteilyä hoitaa elämälle välttämättämän hienosäädön. Auringon lyhytaaltoinen säteily on myös entropiasisällöltään matalaa verrattuna maapallolta poistuvaan pitkäaaltoiseen säteilyyn – jalo energia muuttuu epäjalommaksi, eli järjestyksen muodostuminen maapallolla kytkeytyy väistämättä epäjärjestyksen kasvuun maailmankaikkeudessa.

Sähkömagneettisen säteilyn lisäksi aurinko lähettää hiukkassäteilyä – sieltä ”puhaltaa” lähinnä protoneista ja neutroneista muodostuva aurinkotuuli. Auringon pinnan yläpuolinen ns. korona on hyvin harvaa ja kuumaa plasmaa, jossa vety on hajonneena protoneiksi ja elektroneiksi. Korkea lämpötila tarkoittaa hiukkasten suurta liike-energiaa, joten auringon painovoima ei kykene kaasua vangitsemaan. Siksi auringosta poispäin käy jatkuva hiukkaspuhuri. Maapallon magneettikenttä estää aurinkotuulen puhaltamasta maan pinnalle, mutta kenttän muodostamaan ”magneettiseen pulloon” juuttuvat sähköisesti varatut hiukkaset muokkaavat maan magneettikentän muotoa.

Sähkömagneettisen säteilyn lisäksi varattuja hiukkasia ja magneettisia häiriöitä.

Mutta aurinko on monimutkaisempi otus kuin pelkkä sähkömagneettisen säteilyn lähetin. Tästä ovat osoituksena mm. komeat revontulet, auringon aiheuttamat häiriöt radioliikenteessä ja joskus jopa sähkönjakelussa, ja todennäköisesti osaltaan myös eräät vaihtelut maapallon sääolosuhteissa. Auringon magneettinen elämä on monimutkaista ja dramaattista.

Magneettikenttä kohdistaa poikittaisen voiman liikkuviin varattuihin hiukkasiin. Kuvaputken toiminta perustuu kiihdytettyjen elektronien poikkeuttamiseen magneettikentällä, myös mikroaaltouunin magnetronissa elektronit joutuvat spiraalin muotoiselle radalle magneettikentässä, mikä saa elektronit menettämään energiaansa n. 3 cm pituisina sähkömagneettisina aaltoina.

Revontulet aiheutuvat siitä, että auringosta saapuvat protonit ja neutronit maan magneettikenttään saapuessaan joutuvat eräänlaiseen kentän pakottamaan magneettiseen pulloon, jonka tiiviit päät ovat lähellä maapallon napa-alueita. Siellä magneettikenttä päästää auringosta saapuvat hiukkaset ilmakehän tiheämpiin kerroksiin, joissa ne virittävät typpi- ja happimolekyylien elektroneja. Nämä luovuttavat ylimääräisen energiansa sähkömagneettisen säteilyn kvantteina – fotoneina – tämän ilmiön me näemme revontulina.

Monimutkainen magneettikentän ja plasman vuorovaikutus.

Magnetismi ei koskaan ole kovin yksinkertaista varsinkaan taivaankappaleiden

Maapallon magneettikentän vaste auringosta saapuvaan hiukkassäteilyyn.

magnetismi, mutta yksinkertaisinta lienee aloittaa maapallon magnetismista. Magneettikenttiä syntyy varattujen hiukkasten, kuten elektronien liikkeestä. Ja tähän ilmiöön perustuu mm. magneettikentän tuottaminen keloilla. Mutta elektroneilla (ja useilla muilla alkeishiukkasilla) on sisäinen magneettinen momentti, eli ykstitäinen elektroni on eräänlainen pieni kestomagneetti. Eräissä metalleissa, kuten raudassa nämä elektronien magneetit järjestäytyvät siten, että koko kappale saattaa olla magneettinen.

Maapallon ytimessä on mm. sulaa rautaa, minkä pyörimisliikkeeseen liittyviin virtauksiin maapallon magneettikenttä perustuu. Maa on siis eräänlainen dynamo, jonka lähiympäristössä vaikuttaa maan sulan ytimen aiheuttama kenttä.

Auringon magnetismi on paljon monimutkaisempaa, jopa melko sotkuista. Auringossa suuri osa atomeista on ionisoituneita. Sen ansiosta siellä liikkuu valtavia määriä negatiivisesti varautuneita elektroneita ja positiivisesti varautuneita protoneita. Liikkuvat varaukset synnyttävät magneettikentän, ja mitä monimutkaisempaa on varausten liike, sitä monimutkaisempi on kenttä. Auringon ytimessä fuusioreaktioissa vapautuva energia aikaansaa elektronien ja protonien muodostaman kuuman plasman virtauksen – toisaalta auringon pyörimisliike monimutkaistaa tätä liikettä. Näiden yhteisvaikutuksesta varattujen hiukkasten liike on monimutkaisella tavalla pyörteistä varsinkin auringon pinnan lähistöllä.

Tämän ansiosta auringon magneettikenttä on varsin monimutkainen ja elää elämää, joka vaikuttaa täällä 150 miljoonan kilometrin päässäkin. Auringon magneettikenttään liittyy 22 vuoden jaksollisuus, mikä näkyy 11 vuoden jaksona auringon aktiivisuudessa. Auringon aktiivisuuden vaihtelut näkyvät maapallolla prosentin murto-osien vaihteluna auringon kokonaissäteilyssä, mutta hieman suurempana ultraviolettisäteilyn vaihteluna. Lisäksi hiukkassäteily vaihtelee auringon aktiivisuuden ansiosta.

Auringon pinnan magnetismin omituisuudet näkyvät auringonpilkkuina, plasmapurkauksina (flaret ja protuberanssit), mutta myös auringon harvan kaasukehän käsittämättömän korkeana lämpötilana. Auringon pinnalla magneettikenttä saattaa muodostaa ylimääräisiä silmukoita sekä heikomman ja voimakkaamman magnetismin alueita.

Auringonpilkut havaitsi jo Galileo kaukoputkellaan (ja tärveli silmänsä), mutta tietenkään pilkkujen luonnetta ei moneen sataan vuoteen ymmärretty. Hollantilainen Pieter Zeeman (jonka väitöskirjan ohjaaja oli muuten sata vuotta sitten suprajohtavuuden löytänyt Heike Kamerling Onnes) oivalsi voimakkaan magneettikentän jakavan atomeja kiertävien elektronien kvanttitilat kahtia. Tämä jakautuminen oli nähtävissä auringonpilkuista mitatuissa spektreissä, mistä voitiin päätellä auringonpilkkujen olevan voimakkaan magneettisia – kenttä saattaa olla jopa kymmenen tuhatta kertaa suunnistajien kompassillaan havaitsemaa kenttää voimakkaampi. Auringonpilkut ovat suhteellisen viileitä alueita auringon pinnalla (3000-4500 kelviniä). Viileys johtuu siitä, että magneettikenttä jarruttaa sähköisesti varattujen hiukkasten liikettä (sama ilmiö toimii pyörrevirtajarruissa). Ja kun virtaus jarruuntuu, energiaa vapautuu säteilynä.

Auringonpilkkuihin kytkeytyy muitakin magneettisen kuplinnan aiheuttamia ilmiöitä. Protuberanssit ovat suhteellisen rauhallisia auringon pinnan yläpuolelle nousevia magneettikentän kannattelemia kaasuriekaleita. Auringossa otetuissa kuvissa ne näyttävät jonkinlaisilta tulenlieskoilta, mutta todellisuudessa ne ovat ympäristöään viileämpää kaasua. Auringonpilkkujen läsnäollessa riekaletta otteessaan pitävä magneettikenttä saattaa äkillisesti muuttua, minkä ansiosta siitä voi purkautua hiukkassäteilyä avaruuteen. Roihut eli flaret ovat rajumpia auringon monimutkaisen magneettikentän muutoksiin liittyviä purkauksia, jotka lähettävät korkeaenergistä hiukkassäteilyä sekä ultraviolettia, röntgensäteilyä ja gammakvantteja sisältävää sähkömagneettista säteilyä.

Sinänsä auringon aktiivisuuden vaihtelut muuttavat auringon säteilyn

Revontulia Antarktiksella.

intensiteettiä korkeintaan promillen luokkaa kumpaankaan suuntaa. Säteilylakien perusteella tämä suora vaikutus voi heilutella maapallon lämpötilaa vain asteen kymmenesosia. Pohdittaessa auringon aktiivisuuden vaikutusta maapallon ilmastoon ollaan epäsuoria syy-seurausketjuja käsittelevien hypoteesien maailmassa. Auringonpilkkujaksot näyttäisivät vaikuttavan sääolosuhteisen vaihteluun. Tämän vakuudeksi yleensä muistutetaan 1600-luvun puolenvälin jälkeisestä viileästä jaksosta, joka osui yksiin auringon erityisen passiivisuuden kanssa.

Ilmeisesti ilmakehään saapuvat hiukkaset tai vaihtelut ultraviolettisäteilyssä vaikuttavat kemiallisiin reaktioihin, jotka ohjaavat pilvipisaroiden muodostumista. Vertailtaessa erilaisia ilmastoon vaikuttavia tekijöitä on syytä muistaa, että auringon aktiivisuuteen verrattuna hiilidioksidin ja muiden kasvihuonekaasujen ilmastovaikutusten fysikaaliset perusmekanismit ovat huomattavasti yksinkertaisemmat. Mutta kummassakin tapauksessa asioita monimutkaistaa mm. pilvien muodostuminen ja muut veden eri olomuotojen kiertoon liittyvät asiat.

Mutta tämä onkin sitten jo toinen juttu.

Luettavaa aiheesta:

http://ilmatieteenlaitos.fi/aurinko

Golub & Pasachoff: Lähin Tähtemme – Tutkimuskohteena Aurinko, Ursa 2004.

Kuvien lähteet (Wikimedia Commons):

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Magnetosphere_rendition.jpg

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Sun_parts_big.jpg

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Aurore_australe_-_Aurora_australis.jpg

Kategoria(t): tiede | Avainsanat: , , | Kommentoi

Elämää ja kvanttifysiikkaa.

Tyypillisesti kvanttifysiikan ajatellaan liittyvän filosofisiin kysymyksiin, kuten rytiseekö kaatuva puu metsässä kun kukaan ei ole kuulemassa, tai korkeintaan tieteellisen maailmankuvan akateemisiin peruspilareihin, kuten alkeishiukkasten vuorovaikutuksiin. Hieman teknisemmin asioihin perehtyneet saattavat tietää kvanttifysiikan teknologisista sovelluksista, kuten lasereista, suprajohtavuuden sovelluksista tai puolijohteisiin perustuvista LED-komponenteista ja aurinkokennoista. Mutta kaikki fysiikka perustuu nykyään vallitsevan näkemyksen mukaan kvanttifysiikkaan. Se on myös luonnon ja elämän fysiikkaa.

Pääsiäisen aurinkoisina päivinä pohdiskeltiin, joko auringon valo riittää tuottamaan ihmiselle D-vitamiinia ja mitä tapahtuu, jos aurinko paistaa ikkunan läpi. Sitten joku kysyi, auringostako se D-vitamiini tulee, johon viisaat vastasivat, ettei tietenkään vaan ihonalaisten molekyylien kemiallisista reaktioista, ja nämä vaativat auringon ultraviolettisäteilyä tapahtuakseen.

Kevään mittaan luennoimani TTY:n ensimmäisen vuoden opiskelijoille suunnattu fysiikan kurssi päättyi lyhyeen kvanttimekaniikan johdantoon. Oppilaideni tavoitteena on valmistua diplomi-insinööreiksi, joten heitä varten valitsin esimerkit lähinnä materiaalien fysiikasta ja elektroniikasta.

Mutta jäin kurssin päätyttyä pohtimaan elämänläheisempää kvanttimekaniikkaa. Sama perusteoria sielläkin toimii. Oivalsin, että sekä D-vitamiinin tuotanto että ruskettuminen ovat varsin elämänläheistä kvanttifysiikkaa käytännössä. Kumpikin ilmiö perustuu valon ja muun sähkömagneettisen säteilyn kvantittumiseen ja elektronien aaltoluonteeseen. Oikeastaan fotosynteesin perusmekanismin kuvaaminen olisi äärimmäinen esimerkki elämän kvanttifysiikasta, ja samalla äärimmäisen monimutkainen.

Valo aaltoina ja hiukkasina.

1870-luvulla brittiläinen fyysikko James Clerk Maxwell yhdisti ja täydensi tuolloin jo varsin pitkälle edistyneet sähkön ja magnetismin teoriat yleispäteväksi ja valmiiksi klassiseksi sähkömagnetismiksi. Maxwellin tutkimukset paljastivat mm. valon ja lämpösäteilyn olevan sähkö- ja magneettikenttien aaltoliikettä – samaksi sähkömagneettiseksi säteilyksi osoittautuivat pian löydetyt radio-aallot ja röntgensäteet.

Näkyvä valo on vain kapea kaista sähkömagneettisesta kirjosta: säteilyä, jonka aallonpituus oli välillä 0.4-0.7µm (1µm = mikrometri = tuhannesosa millimetristä). Tuota välittömästi lyhyemmät aallot ovat ultraviolettisäteilyä ja pidemmät infrapunaa eli lämpösäteilyä.

Mutta jo aivan 1800-luvun lopussa törmättiin klassisen sähkömagnetismin pätevyysalueen rajoihin. Ilmenneet ongelmat johtivat yhtäällä suhteellisuusteoriaan, toisaalla kvanttifysiikkaan. Mm. absoluuttista nollaa korkeammassa lämpötilassa olevien olioiden, kuten aurinkojen, planeettojen, lamppujen, kaljujen päälakien tms. lähettämän säteilyn tehotiheyden todellisuutta vastaava kuvaus vaati säteilyn kuvaamista äärellisinä energiapaketteina eli -kvantteina. Kvanttihypoteesin keksijä Max Planck piti ideaansa vain matemaattisena trikkinä, mutta 1905 Albert Einstein osoitti, että valo ja muu sähkömagneettinen säteily todellakin käyttäytyy kuten hiukkaset, joilla on äärellinen energia.

Hiukkasmaisen säteilykvantin nimeksi annettiin fotoni, ja Einstein palkittiin ns. valosähköisen ilmiön selittämisestä Nobel-palkinnolla 1921. Mutta täsmällinen valoa ja ainetta sekä aaltoina että hiukkasina kuvaava kvanttikenttäteoria muotoutui vasta 1940-luvulla. Tästä ansiosta sai Nobel-palkinnon mm. Richard Feynman.

Valokvantin ominaisuudet kiteytyvät lyhyesti sanoen valon aallonpituuteen: fotonin energia on kääntäen verrannollinen säteilyn aallonpituuteen. Punaisen valon aallopituus on 0.7µm ja violetin 0.4µm, joten violetin valon fotonilla on energiaa 1.75-kertaisesti punaisen valon fotoniin. Ultravioletin fotoneilla on vielä suurempi energia, ja ne voivat irroittaa elektroneja atomeista ja molekyyleistä, ja siksi ne voivat aikaansaada kemiallisia reaktioita, joita itsellään ei tapahtuisi.

Elektronit käyttäytyvät atomitasolla kuten aallot.

Atomien mittakaavassa elektronien aaltoluonne on vallitseva. Atomeihin tai molekyyleihin sitoutuneet elektronit voivat värähdellä vain tietyillä aallopituuksilla. Tilannetta voi verrata seisoviin aaltoihin urkupillissä tai soittimen kielessä: kitaran kieli värähtelee perustaajuudella mutta mahdollisesti myös ns. harmonisilla ylä-äänillä. Elektronien liike-energia on verrannollinen elektronin aallopituuteen, mitä lyhyempi aalto, sitä korkeampi energia.

Atomeissa värähtelytaajuudet poikkeavat selkeästi, mutta kiinteässä aineessa elektronien mahdolliset tilat jakautuvat jatkuviksi taajuuskaistoiksi. Kuitenkin kaistojen väliin jää eräissä tapauksissa äärellinen energiaväli. Valenssitiloiksi kutsutuilla kaistoilla elektronit vertauskuvallisesti ”juuttuvat ruuhkaan” seisoviksi aalloiksi eivätkä ne voi osallistua sen paremmin sähkönjohtavuuteen, kuin kemiallisiin reaktioihinkaan. Johtavuusvöillä elektronit voivat puolestaan vapaasti kulkea etenevinä aaltoina, ja osallistuvat sähkönjohtavuuteen.

Sähköä johtavissa aineissa johtavuustilat ovat valenssitilojen välittömässä läheisyydessä, jolloin ruuhkasta on mahdollista nousta ”ohituskaistoille”. Eristeissä ja puolijohteissa elektronin siirtyminen valenssikaistalta johtavuuskaistalle vaatii tietyn minimimäärän energiaa. Yleensä eristeissä lämpösäteilyn tai näkyvän valon fotonit eivät riitä nostamaan elektronia johtavuuskaistalle, vaan siihen vaaditaan ultraviolettisäteilyn fotoni. Puolijohteissa lämpösäteily tai näkyvä valo riittää.

Elektronin kvanttihyppyä tilalta toiselle voi verrata korkeushyppääjän suoritukseen. Jos rima on korkeudessa 240 cm, urheilija ei voi yhdistää toisiinsa neljää hyppyä, joiden korkeus on 60cm; hänen on ponkaistava vähintään tuo 240cm kerralla. Aivan samoin lämpösäteilyn matalaenergisiä kvantteja yhdistämällä ei voi nostaa eristeen elektroneja johtavuuskaistalle, siihen tarvitaan ultraviolettisäteilyn energeettinen kvantti.

Miksi lasi on läpinäkyvä eriste?

Mitä on lasi? Lasi koostuu pääasiassa piin ja hapen muodostamasta atomiverkosta, jossa elektronit ovat varsin tukevasti sidottuja oman lähiatominsa ympäristöön. Lasi on eriste, ja tyypillisesti elektronin siirtyminen ruuhkaiselta valenssikaistalta joutuisalle johtavuuskaistalle vaatii sähkömagneettisen säteilyn kvantin jonka aallonpituus on korkeintaan n. 0.25-0.3 µm, siis varsin selkeästi ultraviolettisäteilyn puolella.

Ikkunan läpi tulevan säteilyn kannalta tämä tarkoittaa sitä, että pitkäaaltoisena säteilynä näkyvä valo ja lämpösäteily ovat kykenemättömiä potkaisemaan piioksidi-verkkoon sitoutuneita elektroneja liikkeelle, joten lasi on läpinäkyvää näiden aallonpituuksille. Ultravioletin puolella säteilyn energia sen sijaan menee elektronien liike-energian kasvattamiseen eikä tällainen säteily läpäise lasia. Lasin läpinäkyvyys näkyvälle valolle ja läpinäkymättömyys ultravioletille on puhtaasti kvanttifysikaalinen ilmiö ja ilmiöön liittyvät optiset riippuvuudet on laskettavissa kvanttifysiikan yhtälöistä.

Kvanttifysiikkaa iholla.

Mutta palataan ruskettumiseen ja D-vitamiinin tuottamiseen. Auringon valo osallistuu osaltaan D-vitamiinin tuottamiseen. Ihmisen ihon alla on molekyylejä nimeltään 7-dehydrocholesterol, jonka ultraviolettisäteily saa muuntumaan D-vitamiinin esiasteeksi. Näkyvä valo tähänkään ei riitä, sillä tämä valokemiallinen reaktio vaatii säteilyä, jonka aallonpituus on 0.29-0.32µm.

Ilmiön fysiikka muistuttaa hieman lasissa tapahtuvaa ultraviolettivalon absorptiota. Tyypillisesti orgaanisissa molekyyleissä elektronit ovat juuttuneet atomien välisiin sidoksiin, ja niiden nostaminen korkeampienergisille tiloille vaatii jälleen äärellisen määrän energiaan. D-vitamiinin raaka-aineena toimivan kolesterolijohdannaisen molekyylisidoksiin jämähtäneet elektronit voi nostaa vapaammalle tilalle juuri noilla ultraviolettisäteilyn fotoneilla. Elektronien virittyminen pois sidoksesta joko heikentää kemiallista sidosta tai katkaisee sen kokonaan, mikä johtaa valokemialliseen reaktioon.

Myös ruskettuminen perustuu ultravioletin valon fotonien kykyyn nostaa elektroneja molekyylin sidoksista virittyneille tiloille, jotka eivät sidoksen muodostumista mitenkään edistä. Ihmisen ihonvärin määräävä melaniini on molekyyli, joka suojaa ihosolujen kromosomien DNA-ketjuja ultraviolettisäteilyn aiheuttamilta vaurioilta. Myös sen sidoksista elektronit nousevat viritetyille tiloille absorboiden ultraviolettisäteilyn kvantteja. Elektronien saama ylimääränen energia vapautuu sitten suhteellisen vaarattomana lämpösäteilynä.

Ultraviolettisäteily puolestaan voi vaurioittaa DNA-molekyyliä joko suoraan rikkomalla sen sisäisiä sidoksia tai sitten epäsuorasti virittämällä ns. kromofori-molekyylejä. Virittyneen kromoforit saattavat joko itse reagoida DNA:n kanssa tai tuottaa DNA:ta vaurioittavia herkästi reagoivia vapaita radikaaleja.

Lopuksi

Periaatteessa myös hiilidioksidista ja vedestä happea ja glukoosia tuottava fotosynteesi perustuu valokvanttien aiheuttaman elektronien virittymiseen. Koko prosessi on varsin monimutkainen vaatien mm. klorofyllin eli lehtivihreä-molekyylin osallisuuden (oheinen kuva). Se absorboi fotonin, ja luovuttaa reaktioon vaadittavan vapaan elektronin.

Tulevassa jutussa olen suunnitellut käsitteleväni kvanttifysiikan teknisiä sovelluksia kuten lasereita, LEDejä ja aurinkokennoja. Tai vaihtoehtoisesti kertoilen, mitä maapallolle auringosta saapuvalle ja maapallon avaruuteen säteilemälle sähkömagneettiselle säteilylle kvanttifysiikan kannalta ilmakehässä tapahtuu.

Linkkejä:

Vyöteoria (hyperphysics).

Sähkömagneettisen säteilyn spektri.

SMG-säteilyn ominaisuuksia.

Tietoa D-vitamiinista.

Lehtivihreä.

Kuvat otettu jälleen Wikimedia Commonsista.

Kategoria(t): tiede | Avainsanat: , , , , , , | Kommentoi