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: , , , , | Jätä kommentti

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: , , , | Jätä kommentti

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: , , | Jätä kommentti

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: , , , , , , | Jätä kommentti

Kaaos, muutos ja ilmasto.

Vaelletaan kohti kaaosteoriaa nuotion lämmöstä. Yleensä kaaosteoriaan vedoten julistetaan erilaisten ilmiöiden ennustamisen mahdottomuutta ja matemaattisen determinismin perikatoa ja tappiota. Tämä on kuitenkin vain osatotuus. Toinen näkökulma kaaosteoriaan on, että se antaa meille matemaattisia työkaluja kuvata ja ymmärtää epäsäännöllisyyttä ja ennakoimattomuutta. Ilmasto- ja sääilmiöiden ennakoiminen on erittäin tärkeä asia ihmiskunnalle, erityisesti pitkän aikavälin muutokset ilmastoilmiöiden säännöllisyydessä ja voimakkuudessa, ja ne tekijät joilla ihminen vaikuttaa ilmasto-oloihin.

Istuessasi nuotion ääressä voit kokea kaikki kolme lämmönsiirron perusmekanismia. Vaikuttavin on lämpösäteily. Palaminen on kemiallinen reaktio, jossa molekyylien sidosten rikkoutumisesta vapautuu energiaa. Tämä säteilee valon nopeudella etenevinä pitkäaaltoisina sähkömagneettisina aaltoina ympäristöön ja lämpösäteilyn ansiosta isomman roihun lämmön tunnemme pidemmänkin matkan päähän.

Nuotiolla makkaraa paistava tuntee myös lämmön johtumisen metallisen paistotikun vartta pitkin, sillä metallin vapaat elektronit ovat tehokkaita siirtämään lämpöä. Mikäli istut tuulen alla nuotioon nähden, voit tuntea lämmön siirron myös kolmannella tavalla – konvektiona eli lämmön siirtona virtaavan aineen mukana. Siinä lämpöenergia siirtyy ilman molekyylien mukana kuumalta nuotiolta viileämpään ympäristöön. Konvektiota hyödynnetään myös kun kahvia tai teetä jäähdytetään puhaltelemalla viileitä molekyylejä energeettisten tilalle kuuman juoman yläpuolelle. Konvektio saa myös paljaan pään palelemaan pakkasella.

Sää- ja ilmastoilmiöiden tulkinta lähtee lämpöopista.

Kaikki lämmönsiirtomekanismit liittyvät maapallon säähän ja ilmastoon hyvin läheisesti. Maapallon energiatase perustuu saapuvan ja poistuvan lämpösäteilyn tasapainoon, ja siksi maapallon keskimääräisen lämpötilan määrää auringon säteilyn intensiteetin lisäksi maapallolta poistuvan lämpösäteilyn ja ilmakehän kasvihuonekaasujen vuorovaikutus.

Lämmön johtuminen ja erityisesti konvektio ajavat monimutkaisella tavalla maapallon ilmasto- ja sääilmiöitä. Kun puhutaan ilmastosta kaoottisena systeeminä, tarkoitetaan nimenomaan ilmakehän virtauksiin liittyvään konvektiota. Ja asiaa monimutkaistaa vielä veden eri olomuotojen kiertokulku. Kaoottisuus yleensä ymmärretään pitkän ajan yksityiskohtaisen sääennusteen mahdottomuutena. Mutta kaoottisuus liittynee myös ilmaston säännöllisiltä näyttäviin ilmiöihin. Viime vuosina Euroopassa koettujen leutojen talvien ero viimeksi koettuun kylmempään ja lumisempaan talveen saattaa liittyä poikkeama ns. arktisen oskillaation jaksossa. Ilmiö näyttää olevan jokseenkin säännöllinen, mutta ajoittain tuohon säännöllisyyteen tulee kaoottisia ”rytmihäiriöitä.”

Kaaosteorian juuret klassisessa mekaniikassa.

Vaikka kaaosteorian historia alkaa ranskalaisen Henri Poincaren klassisen mekaniikan tutkimuksista 1890-luvulta, on sen kuuluisaksi tehnyt ilmakehän virtausten fysiikka eli ilmaston ja sään tieteellinen kuvaaminen. Ajallisesti ja alueellisesti tarkan sääennusteen laatimisen vaikeutta kuvaa ns. perhosefekti, perhosen siivenisku Kilimandzarolla saattaa (osaltaan) johtaa myrskyyn Biskajan lahdella. Vertaus on johdettu ilmakehätutkija Edward Lorenzin 1963 julkaisemasta ilmakehän virtauksia kuvaavan mallin ratkaisuista ja niiden tulkinnoista. Kyseisessä artikkelissa tarkasteltiin differentiaaliyhtälöitä, jotka nimettiin Lorenzin yhtälöiksi (Ks. Lorenzin alkuperäinen artikkeli).

Malli perustuu lämpötilaerojen ajamaa lämmönsiirtoa kuvaaviin virtausyhtälöihin. Konvektion lisäksi yhtälöt mallintavat lämpötilan jakautumista virtaavassa ilmassa. Konvektion ja lämmön johtumisen yhteisvaikutus kytkee virtauksen ja lämpötilan muutoksen epälineaarisesti. Tässä kytkennässä oleellinen suure on ns. Rayleighin luku, joka kytkee toisiinsa virtauksen ajavana voimana toimivan lämpötilaeron, ilman sisäisen kitkan, lämpölaajenemisen ja lämmönjohtumisen.

En mene tässä yhtälön matemaattisiin yksityiskohtiin mutta kerron, mitä yhtälöistä saa ratkaistua. Yhtälöistä saadaan tuloksena ilmavirtauksen intensiteetti, nousevien ja laskevien ilmavirtausten lämpötilaero ja lämpötilaerojen paikalliset jyrkkyydet ja niiden riippuvuus ajasta. Mikäli lämpötilaerot ovat maltillisia, yhtälöiden ratkaisua kuvaa varsin säännönmukainen lämpövirtaus, ja systeemi hakeutuu kohti tasapainotilaa, jota kutsutaan attraktoriksi.

Lämpötilaerojen kasvu vie säännöllisistä kaoottiseen.

Lämpötilaerojen kasvattaminen johtaa kiinnostaviin tuloksiin. Virtauksien ajava voima on nyt vahvempi, jolloin virtauksen ja lämpötilan ajalliset vaihtelut voimistuvat. Konvektio saattaa ajautuvan pitkäksi aikaa lähelle näennäistä tasapainotilaa – outoa attraktoria – mutta sitten äkillisesti virtauksen luonne muuttuu. Lorenzin mallissa outoja attraktoritiloja on kaksi. Kummassakin tapauksessa lämmin ilma pyrkii nousemaan ja kylmä laskemaan, attraktorilta toiselle siirryttäessä näiden pystyvirtausten paikka vaihtuu. Näin ainakin Lorenzin alkuperäisen artikkelin ymmärrän.

Kasvatettaessa paikallista lämpötilaeroa edelleen, päädytään tietyllä rajalla ennakoimattomaan kaoottiseen käyttäytymiseen, ja virtaus menettää jopa näennäisen säännönmukaisuutensa. Tosin Lorenz alkuperäisessä artikkelissaan varoitti yhtälöiden realistisuuden heikkenevän konvektion voimistuessa. Eli kunnon tieteentekijän tavoin Lorenz ymmärsi mallinsa toimivuuden rajat.

Yksinkertaisen mallin arvo teoreettisten työkalujen tuottamisessa.

Lorenzin malli on yksinkertainen ja läpikotaisin tutkittu, mutta kertooko se jotain todellisuudesta? Vaikka maallikkojärkeily joskus vie fysiikan ilmiöiden pohdiskelussa metsikköön, yritetään silti käyttää sitä. Kokemusperäinen tieto kertoo, että lämpö laajentaa myös ilmaa, joten tämä tiheydeltään matalampi ilma pyrkii nousemaan ylöspäin, mistä seuraa matalapaine. Tilalle pyrkii virtaamaan viileämpää ilmaa, joten lämpötilaerot selvästikin johtavat ilmavirtauksiin.

Tämä näkyy mm. maapallon ilmasto-oloissa pysyvähköinä pystyvirtausina, joissa mm. päiväntasaajan seudun lämmin ja kostea ilma nousee ylöspäin (ja viileämmissä kerroksissa tiivistyvä vesihöyry sataa trooppisilla leveysasteilla). Kierron tasapainottaa aavikkoisilla ns. hepoasteilla kuivan ilman virtaus alaspäin. Vastaavasti napa-alueilla pysyvähköön korkeapaineeseen liittyy virtaus alaspäin kytkeytyneenä lämpimämmän ilman nousu lauhkeammilla alueilla (Wikipediassa on mielenkiintoinen artikkeli näistä ilmakehän ”isoista” virtauksista). Mutta tämä ei varsinaisesti ole se, mitä Lorenz mallinsi vaikka varsin samaa lämmön ja aineen virtauksen fysiikkaa Lorenzin yhtälöt käsittelivätkin.

Lorenzin yhtälöiden tavanomainen tulkinta on, että säätilan yksityiskohtainen pitkän ajan ennustaminen on virtausyhtälöiden epälineaarisuuden vuoksi mahdotonta. Tämä on tietenkin totta. Mutta yhtälöt myös kertovat niistä olosuhteista, jotka heikentävät ennustettavuutta ja säätilan arvaamattomuutta. En tiedä, onko johdannossa mainitsemaani arktista oskillaatiota analysoitu kaaosteorian keinoin, mutta tuollaisen enimmäkseen säännönmukaisen (virtaukseen perustuvaan) ilmastoilmiön epärytminen vaihtelu viittaa vahvasti kaoottisissa systeemeissä toimiviin mekanismeihin.

Ilmaston käyttäytymisen tieteellinen mallintaminen rakentuu toki paljon monimutkaisempiin yhtälöihin kuin yksinkertaistettu Lorenzin malli. Ja toki Lorenzin mallilla oli alunpitäenkin rajoittuneempi käyttötarkoitus.

Mutta tällaisten yksinkertaistettujen mallien arvo on niiden kyvyssä kertoa, missä rajoissa monimutkaisen systeemin käyttäytymistä voi ennakoida ja miten olosuhteiden muutokset ennakoitavuuteen vaikuttavat. Samoin ne paljastavat, mikä yhdistää monimutkaisia systeemejä, joissa jonkin tekijän muutos johtaa säännöllisestä epäsäännöllisyyteen.

Minulla ei ole minkäänlaista ilmastotutkimuksen pätevyyttä, mutta mielestäni ilmastoon ja säähän liittyy paljon mielenkiintoista fysiikkaa, johon perehtyminen vaatisi aikaa ja vaivannäköä. Harmillista on, että ilmastokannanotoissa esitetään hyvin jyrkkiä mielipiteitä (ja suoranaisia solvauksia ilmastouskovaisuudesta tai ilmastohuijauksesta) ilman, että perehdytään edes perusasioihin saati sitten syvällisempään ilmastotieteeseen. No, siteeraten George Orwellin romaania 1984: ”tietämättömyys on voimaa.”

Selkeätä ja monimutkaista.

Käsittääkseni globaalin ilmaston lämpöopista erottuu suhteellisen yksinkertainen yleiskuva ja monimutkaisempi yksityiskohtien fysiikka. 1) Maapallon lämpötilan määrää pidemmällä aikavälillä pohjimmiltaan energian säilyminen: maapallolle saapuvan lyhytaaltoisen säteily poistuu pitkäaaltoisena. Lämpötilan siis määrää tulevan ja poistuvan säteilyn tasapaino yhdessä maapallon albedon (heijastuvuuden) ja emissiviteetin (säteilykyvyn) kanssa. Kasvihuonekaasuista veden olomuodot vaikuttavat kumpaankin ominaisuuteen, hiilidioksidi vain jälkimmäiseen. 2) Ilmasto sinänsä on monimutkaisten riippuvuuksien vuoksi kaoottinen huolimatta monista pysyvistä tai jaksollisista ilmastoilmiöistä. Siksi eri tekijöiden erottaminen mittaustuloksista lienee mahdotonta – erityisesti analysoimatta maapallon säteilytasapainoon vaikuttavia tekijöitä sekä merien ja ilmakehän virtauksia.

Parhaan ymmärrykseni mukaan kohta 1) on kohtalaisen helposti mallinettavissa, ja hiilidioksidin ja muiden kasvihuonekaasujen lisääminen ilmakehään nostaa maapallon lämpötilaa hyvin todennäköisesti. Kohta 2) liittyy ilmastoilmiöiden yksityiskohtaisempaan paikalliseen ja ajalliseen jakautumiseen. Tämä on monimutkaista, mutta kenenkään ei pitäisi kevytmielisesti todeta: ”nämä ovat vain malleja.” Fysiikan lakien soveltaminen ilmaston ilmiöihin on kuitenkin luotettavinta mitä meillä on.

Lorenzin attraktori-kuvan lähde: Wikimedia Commons. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1f/Lorenz_caos.gif

Ks. myös aiempi ilmastoon liittyvä kirjoitukseni.

Kategoria(t): tiede, Uncategorized | Avainsanat: , , | Jätä kommentti

Valistuksen soihdunkantajia pimeinä ja valoisampina aikoina

Viimeaikainen monikulttuurisuuskritiikki kalskahtaa ironiselta kun muistaa, että yksi merkittävimpiä eurooppalaisen rationalismin ja maallisen filosofian vauhdittajia oli Kalifin hallitsemassa Cordobassa vaikuttanut älykäs ja monilahjakas muslimifilosofi, joka toimi myös Sharia-tuomarina.

Jos olette sattunut näkemään egyptiläisen Youssef Chahinen 13 vuotta sitten julkaiseman elokuvan Kohtalo, tiedätte kuka hän on: lääkäri, oikeusoppinut ja filosofi Averroes eli arabialaisittain Ibn Rushd (1126 – 10. joulukuuta 1198). Elokuva siis ilmestyi 800 vuotta filosofin kuoleman jälkeen. Averroes oli paitsi tärkeä islamilaisen maailman rationalistien oppi-isä, myös keskeinen länsimaisen filosofian vaikuttaja.

Averroes oli eräässä mielessä edelläkävijä aluillaan olevan keskiaikaisen skolastiikan filosofeille, jotka pyrkivät uskon asioiden ymmärtämiseen järjen avulla. Sekä kristillisille että islamilaisille puhdasoppisille tämä oli jumalattomuutta ja epäuskoisuutta. Averroes
kiisti sielun täyden kuolemattomuuden, hän myöskin näki osan Koraanista vertauskuvallisena. Edistyksellinen hän oli myös oikeusoppineena sikäli, että hän piti naisia tasavertaisina miesten kanssa.

Kirjassaan Länsimaisen Filosofian Historia Bertrand Russell esitteli islamilaista filosofiaa keskiajan skolastiikan johdanto-osassa. Erityisen keskeisiä filosofeja olivat Avicenna ja Averroes, joista erityisesti jälkimmäisen merkityksen länsimaiselle filosofialle Russell arvioi hyvin suureksi. Teknisesti hänen henkinen perintönsä
liittyi Aristoteleen filosofian välittymiseen eurooppalaisille filosofeille. Mutta Averroesin rationalismin arvellaan myös vaikuttaneen länsimaisen filosofian irtautumiseen teologiasta.

Joka tapauksessa osoittaa keskiajan kristillisten filosofien, mm. Tuomas Akvinolaisen tai William Ockhamilaisen henkistä suuruutta, että Averroes oli heille filosofi, jota punnittiin hänen töidensä kautta, ei uskonnollisen vihollisen edustajana. Kulttuurirajojen
ylittäminen yli 700 vuotta sitten lienee vaatinut sekä kyvykästä mieltä että rohkeutta. Harhaoppisuusepäilyistä saattoi joutua maksamaan vapaudellaan ja jopa hengellään.

Russell arvioi islamilaisen tieteen ja filosofian olleen parhaimmillaan ihailtavaa, mutta jättäneen jälkeensä vähän omaperäistä ja toimineen tärkeänä välittäjänä eri aikakausien ja kulttuurien välillä. Islamin nousukauden kulttuuri omaksui Aristoteleen filosofian
syyrialaisilta nestoriaani-kristityiltä, lääketieteen hellenistiseltä
Galenokselta (joka ilmeisesti oli pitkään myös Euroopan lääketieteen auktoriteetti), matematiikan ja tähtitieteen intialaisilta… Russell piti Averroesia islamilaisen filosofian huippuna, mutta samalla sen huippukauden päätepisteenä.

Islamilaisen kulttuurin kultakaudella itsevaltiaat olivat ajoittain suhteellisen valistuneita ja sivistyneitä ainakin siinä mielessä, että epäilyttäviä ajatuksia esittäneet filosofit saattoivat saada suojaa uskonnollisesti fanaattiselta roskaväeltä.
Palatakseni Chahinen elokuvaan, paitsi historiallinen draama, se käsitteli juuri tätä fanaattisuuden ja älyllisen punninnan vastakkainasettelua ja sitä, kuinka rationaalisuus ja inhimillisyys joutuvat taistelemaan ihmisten sieluista ahdasmielistä dogmatismiä
vastaan.

Näin filmin kauan sitten, joten muistikuvani ovat aavistuksen haalistuneet, mutta jotenkin näin se meni:

Cordobaa hallitsi 1100-luvulla Averroesia suojellut Kalifi Yaqub al-Mansur. Elokuva alkoi episodilla Pyreneiden pohjoispuolella, jossa kiellettyjen tekstien kääntäjä joutuu roviolle. Muuan nuorukainen  pelastaa mukaansa käsikirjoituksia, pakenee vuoriston toiselle puolen ja aina Averroesin luokse Kalifin hallitsemaan Andalusiaan asti. Siellä ilmapiiri on vapaampi, joskin sielläkin fundamentalistit käyvät taistelua Kalifin pojan sielusta ja samalla tietenkin otteesta hallintoon. Averroesin luona vallitsee älyllisesti vilkas ilmapiiri, jossa uskonnolliset ja filosofiset rajat ylittyvät. Averroesin
vaikutuksesta kristittyyn ja juutalaiseen filosofiaan päätellen, hänen lähipiiriinsä lienee ollut monikulttuurinen elokuvan lisäksi myös todellisuudessa.

Tuota avaramielisyyttä sekä järjen nostamista ilmoituksen rinnalle puhdasoppiset eivät sietäneet, ja Kalifi joutui lopulta ahdasmielisyyden paineessa toimittamaan Averroesin kaupungista ja lopulta tämä päätyi Marrakeshiin, Marokkoon. Polittinen eliitti joutuu
antamaan periksi tuon aikaisille monikulttuurisuuden vastustajille. Kiihkoilun aallon laannuttua Averroesilla olisi ollut mahdollisuus palata, mutta kuolema ehti ensin.

Militantti ja agressiivinen uskonnollisuus ja uskonnonvastaisuus saavat suurta näkyvyyttä nykypäivänä.

Mutta lieneekö jopa niin, että tämän päivän ihmiset ympäri maailmaa ovat vähemmän nurkkakuntaisia kuin ikipäivinä. En myöskään usko, että uskonnollinen tai uskonnon vastainen fanaattisuus olisi jotenkin poikkeuksellisen yleistä huolimatta siitä, että militantit asenteet (oman) uskonnon tai uskonnottomuuden puolesta tai (toisenlaisten
ihmisten) uskontoa vastaan kaikuvat varsin voimakkaina. Samoin kulttuurien yhteensovittamattomuuden korostaminen ja ihmisten kategorisoiminen jonkin hyvin määritellyn kulttuurin uhkaavaksi edustajaksi on suosittua.

Tässä monikulttuurisuudeksi kutsutun olkinuken vastaisessa kulturismissa tai suoranaisessa kulttuuriristiretkeläisyydessä on paljon ristiriitaista. Pahin ristiriita on tietenkin se, että samat ihmiset hyökkäävät etnisten tai uskonnollisten ryhmien eristäytymistä vastaan samalla kun korostavat maailmaa yhteensovittamattomien
kulttuurien taistelukenttänä.

Arvelisin, ettemme  elä henkisesti erityisen pimeää aikakautta, eikä mistään yhdenmukaisten kulttuurimonoliittien kamppailusta ilmene todisteita. Viime aikojen läntisiksi miellettyjen teemojen omaehtoinen nousu ei-läntisessä maailmassa pikemminkin todistaa ihmisten tarpeiden ja toiveiden yleisinhimillisyydestä kuin aateviennistä lännestä muuhun maailmaan.

Vaatimukset ihmisoikeuksista, demokratiasta, sosiaalisesta oikeudenmukaisuudesta, sukupuolten tasa-arvosta toistuvat kaikkialla, missä näiden puute haittaa ihmisten elämää ja loukkaa heidän oikeudentuntoaan – ei siihen mitään länsimaista tuotuja aatteita tarvita.  Ja kyllä ihmisten konkreettiset tarpeet viimekädessä ruokkivat rationaalista ajattelua meillä ja muualla.

Mielipidejohtajuuteen ei valitettavasti tarvita analyyttistä älyä avarakatseisuudesta puhumattakaan. Mutta etevimmät henkisen elämän edelläkävijät ovat paitsi älykkäitä myös pystyvät ylittämään voittamattomilta tuntuvia kansallisia, uskonnollisia tai kulttuurisia muureja. Emme tarvitse mielipidejohtajia ajattelemaan puolestamme – todelliset valistuksen soihdunkantajat kannustavat ihmisiä ajattelemaan itse ja ajattelemaan avarasti.

Kategoria(t): filosofia, ihmisoikeudet, kulttuuri | Jätä kommentti

Naguib Mahfouz – luettavaa kansannousun lopputulosta odottavalle.

Lähi-Idässä on meneillään kansannousu. Tunisian presidentti lähti maanpakoon, Egyptiä kolmekymmentä vuotta johtanut Hosni Mubarak saattaa piankin menettää valtansa. Ideologiat tai niiden vastustus lienee sittenkin sivuteema kansannousuissa. Kansannousujen moottorina on ihmisten halu siedettävämpään arkipäivään ja mahdollisuuksiin vaikuttaa elämäänsä, halu välttää viranomaisten mielivaltaa ja päättäjien taipumusta kartuttaa omaa hyvinvointiaan ja rikkauttaan.

Emme vielä tiedä mitä Egyptissä lopulta tapahtuu. Mikäli kansannousu johtaa kohti demokratiaa ja kansalaisyhteiskuntaa, se rohkaisee suuresti demokraattisia uudistuksia ja kansalaisyhteiskuntaa edistäviä poliittisia liikkeitä maailmalla.

Odotellessamme kansannousun lopputulosta voimme perehtyä egyptiläisen yhteiskunnan lähihistoriaan lukemalla hyvää kaunokirjallisuutta.

Naguib Mahfouz (1911-2006) palkittiin kirjallisuuden Nobel-palkinnolla vuonna 1988. Hän on yksi syy miksi olen kiitollinen Nobel-toimikunnalle siitä, että se esittelee meille vuosittain hyviä kirjailijoita ja ajatuksia herättävää kirjallisuutta.

Mahfouzin Kairo-trilogia saattaa näyttää paksuudessaan pelottavalta, mutta nobelistin kerronta on elävää, sujuvaa ja mukaansatempaavaa. Hyvät kirjailijat jonkin sortin älykköinä peilaavat ympäröivän yhteiskunnan henkisiä virtauksia.

Egyptin kansannousu sai minut muistelemaan Kairo-trilogiaa, ja huomaan sen olevan varsin ajankohtainen monellakin tavalla.

Trilogia sijoittuu ajanjaksoon ensimmäisen maailmansodan alusta toisen maailmansodan päättymiseen. Se on sukutarina, joka rakentuu tiukkaa uskonnollista patriarkaalisuutta noudattavan perheen kohtaloiden ympärille. Isä al-Sayyid Ahmad Abd al-Jawad on kaksinaismoralistinen pirttihirmu – joka hieman pehmenee vanhetessaan – äiti Amina elää kodin sisään rajoitettua isän määräysvaltaa myötäilevää elämää. Autoritäärisyys yhdistettynä uskonnollisiin sääntöihin ja perinteisiin pitää perhettä otteessaan niin kauan kuin isän sananvalta kestää.

Maailma ympärillä muuttuu, lapset kasvavat aikuisiksi ja tekevät omia valintojaan samoin sittemmin lapsenlapset. Yksi perheen pojista Kamal valitsee opettajan uran ja ryhtyy esseistiksi, joka tekee mm. darwinismia tunnetuksi. Brittien valtakausi Egyptissä on päättymässä ja se tempaa perheen väkeä mukaan poliittiseen toimintaan. Yksi liittyy vasemmistolaiseen liikkeeseen, toinen muslimiveljeskuntaan. Tarkka ihmiskuvaaja ja tarinankertoja tekee ihmisten hyvinkin erilaisista valinnoista ymmärrettäviä.

Tarkempaa kirja-arvostelua en halua antaa, varsinkin kun lukukokemukseni on parin vuoden takainen. Mutta muistini tylsillä luistimilla yritän palata ihmisen kasvot kaukaisen maan ja erilaisen yhteiskunnan asukkaille antaneeseen lukukokemukseen.

Mahfouzin oma elämä oli vaiherikas, jopa dramaattinen. Hän on lähtöisin tiukan uskonnollisesta kodista ja käynyt nuorena mm. koraanikoulua. Aikuisiällä hän sai vaikutteita uudistusmieliseltä journalistilta Salama Moussalta, joka korosti luonnontieteiden tuntemusta, mielipiteen vapautta ja sympatisoi brittiläistyyppistä (ei-marxilaista) Fabian-sosialismia. Arvelisin Salama Moussan olevan Kairo-trilogian keskeisen hahmon Kamal al-Jawalin henkinen taustahahmo.

Naguib Mahfouz joutui uskonnollisten fundamentalistien kanssa useammankin kerran hakaukseen. Ensin kiistoja nostatti 1959 ilmestynyt Adamin pojista Mooseksesta, Jeesuksesta ja Muhammadista kertonut romaani. Sittemmin hän myös puolusti Salman Rushdieta, kun Ajatollah Khomeini langetti tälle fatwan Saatanallisten Säkeiden julkaisemisesta. Mahfouz oli mukana fatwaa vastustavassa julistuksessa, jossa todettiin ettei ”mikään jumalanpilkka vahingoita islamia ja muslimeja niin paljon kuin vaatimus kirjailijan murhaamisesta.” Mahfouz myös kiisti Khomeinilla olevan valtuuksia puhua muslimien nimissä.

82-vuotiaana Mahfouz joutui islamistien murhayrityksen kohteeksi. Puukotusyritys vahingoitti kirjailija käden hermoja, mikä mahdollisti vain parin tunnin kirjoittamisen päivittäin. Vaatimattomasti eläneen Mahfouzin kuoltua 94-vuotiaana hän sai sotilaallisia kunnianosoituksia ja valtiolliset hautajaiset.

Kohdistamme kaukaisiin kansannousuihin toiveita ja pelkoja. Muistamme, kuinka shaahin vallan kumoaminen johti ensin demokraattista ja liberaalia yhteiskuntaa tavoitelleeseen hallintoon. Mutta Ruhollah Khomeini kaappasi vallankumouksen ja muutti yhteiskunnan teokraattiseksi tyranniaksi. Tosin olemme toistuvasti nähneet, että iranilaiset eivät ole uskonnollisia kiihkoilijoita, ja vastentahtoisesti he papiston ja turvallisuuspalvelun väkivaltakoneiston alaisuudessa elävät.

Toisin kuin kulttuurien yhteensovittamattomuuden ideologit haluavat korostaa, ihmiset maailmalla eivät pohjimmiltaan niin kamalan erilaisia ole (vaikka olemmekin kaikki yksilöitä ja erilaisia…). Siksi ihmisten pyrkimyksen parempaan arkipäivään ja oman elämän päätösvaltaan ei pitäisi hämmästyttää, eletään sitten Myanmarissa tai Tunisiassa, Kiinassa tai Iranissa, Valko-Venäjällä tai Egyptissä.

Naguib Mahfouzin muistokirjoitus (The Guardian 31.8.2006).

Kairo-trilogian arvostelu (Complete Review).

Kategoria(t): Uncategorized | Avainsanat: , | 1 kommentti