Tänä vuonna tulee kuluneeksi sata vuotta Albert Einsteinin Nobel-palkinnosta. Tai oikeastaan ei: palkintoluettelossa vuosi kyllä on 1921, mutta sinä vuonna fysiikan Nobel-palkinto jätettiin kokonaan jakamatta. Einstein sai omansa seuraavana vuonna, jolloin palkintoja myönnettiin kaksi.
Vähältä piti, ettei Einstein jäänyt kokonaan palkinnotta. Ruotsin kuninkaallisen tiedeakatemian komitea, joka valitsee fysiikan Nobel-voittajat, oli vuosien ajan torjunut ehdotukset Einsteinin palkitsemisesta ja piti lopulta mieluummin välivuoden kuin palkitsi hänet.
Ensi viikolla kerrotaan tämänvuotiset valinnat. Voittajien työn kivijalkana saattaa hyvinkin olla jälleen kerran jokin Einsteinin uraauurtavista teorioista. Einstein Online -verkkosivu listaa 17 yleisen suhteellisuusteorian perintöön nojaavaa Nobelia.
Avaruustutkimuksesta, joka väistämättä kumartaa Einsteinille, tuorein Nobel myönnettiin viime vuonna. Sen saivat Roger Penrose, joka todisti matemaattisesti, että mustat aukot ovat suhteellisuusteorian mukainen ilmiö, sekä Reinhard Genzel ja Andrea Ghez, joiden johtamat tutkimusryhmät osoittivat, että Linnunradan keskellä täytyy olla supermassiivinen musta aukko.
Ehkä tänä vuonna on kvanttien vuoro? Edellisestä kvanttifysiikan Nobelista on kahdeksan vuotta.
Albert Einsteinia ehdotettiin ensi kertaa Nobel-voittajaksi vuonna 1910. Jo viisi vuotta aiemmin hän oli julkaissut suppean suhteellisuusteoriansa, valosähköisen ilmiön selityksen – josta Nobel lopulta myönnettiin – ja kolme muutakin merkittävää teoriaa.
Hän oli vasta 26-vuotias. Meriittejä ehti kertyä vielä paljon lisää, ennen kuin hän 50 vuotta myöhemmin makasi kuolinvuoteellaan miettien yhä suurinta haastetta, painovoiman ja sähkömagneettisen voiman yhdistävää kenttäteoriaa.
– Joku on laskenut, että Einstein olisi ansainnut kuusi tai seitsemän Nobel-palkintoa, sanoo Jyväskylän yliopiston fysiikan emeritusprofessori Jukka Maalampi.
Kävipä niinkin, että toinen fyysikko sai Nobelin yritettyään todistaa, että Einsteinin oli erehtynyt, Maalampi naureskelee.
– Robert Millikan yritti osoittaa kokeellisesti, että Einstein oli väärässä valosäteilyn kvanttiteoriassaan, mutta joutuikin toteamaan sen oikeaksi. Hän itse asiassa mittasi kokeellisesti kvantin energian ja taajuuden välisen suhteen.
Millikan sai palkintonsa vuonna 1923, heti Einsteinin jälkeen, ja jälkilämmössä samasta ideasta palkittiin myöhemmin muitakin, Maalampi kertoo.
Moni esitti Einsteinille Nobel-palkintoa jo suppeasta suhteellisuusteoriasta, ja vuoden 1915 yleinen suhteellisuusteoria moninkertaisti ehdotusten määrän.
Nobel-komiteassa poikkiteloin oli etenkin Uppsalan yliopiston silmälääketieteen ja optiikan professori Allvar Gullstrand, oman alansa merkittävä uranuurtaja ja lääketieteen Nobel-palkittu.
Raati piti kiinni Gullstrandin perusteesta: Einsteinin teoriat eivät täyttäneet ehtoja, jotka Alfred Nobel oli asettanut testamentissaan. Palkinto piti antaa tieteilijälle, joka oli eniten hyödyttänyt ihmiskuntaa edellisen vuoden aikana.
Gullstrand ja moni muukin ruotsalaistutkija kyseenalaisti Einsteinin julkaisut liian teoreettisina ja siksi merkityksettöminä. Mutta oliko se ainoa syy Einsteinin sivuuttamiseen? Myös maailmanajan on päätelty vaikuttaneen.
– Saksassa oli juutalaisvastaisuus nousussa. Siellä oli tahoja, jotka eivät halunneet Einsteinin palkitsemista. En tiedä, siivilöityikö se Ruotsiinkin, mutta Nobel-komitea oli kyllä hyvin vastahankainen. Sääli, jos politiikka vaikutti, Maalampi sanoo.
Suomalaisfyysikon teoria kiinnosti Einsteinia
Cambridgen yliopiston astrofyysikko Arthur Eddington todisti vuonna 1919, että suhteellisuusteoria piti paikkansa.
Hän osoitti täydellisen auringonpimennyksen aikana tekemillään mittauksilla, että valo todellakin taipui Auringon painovoiman vaikutuksesta. Auringon ohi kulkevan valonsäteen suunta muuttui, kuten Einstein oli ennustanut.
– Sitä ennen Einstein oli itsekin sitä mieltä, että oli kaksi mahdollisuutta, hänen suhteellisuusteoriansa ja suomalaisen Gunnar Nordströmin vähän yksinkertaisempi teoria. Nordströmin mukaan valonsäteiden olisi pitänyt tulla Auringon ohi suoraan, Jukka Maalampi kertoo.
Entisestä patenttitoimiston virkailijasta, vakiintuneen fyysikkokentän ajatusten haastajasta tuli hetkessä superjulkkis. Suhteellisuusteoria oli jotakin huimaa, vaikkei sitä olisi ymmärtänytkään.
Kun Einstein matkusti ensi kertaa Yhdysvaltoihin, satamassa oli vastassa tuhansia ihmisiä ja matka kaupungin halki taittui avoautosta huiskutellen. Lehdissä kommentoitiin, että hän kiinnosti ihmisiä enemmän kuin valtaisan suosittu baseballtähti Babe Ruth.
"Hän näytti taitelijalta, mutta takkutukan alla olivat aivot, joiden päätelmät ovat ällistyttäneet Euroopan terävimmän älymystön", ihasteli The New York Times -lehden toimittaja.
Huomiota riitti koko kaksikuisen kiertomatkan ajan. Kasvot tulivat kaikille tutuiksi lukemattomista lehtijutuista. Einstein, joka ei osannut englantia eikä pitänyt väkijoukoista, uupui ja kirjoitti ystävälleen odottavansa kiihkeästi pääsevänsä jo kotiin.
Nobel-komitea ei sittenkään lämmennyt Einsteinille. Auringonpimennyksen todistusvoima ei vakuuttanut komiteaa, koska Eddington oli jättänyt yhden muista selvästi poikkeavan mittausarvon huomiotta. Sellainen on tieteessä täysin normaali menettely.
– Jo lukion oppikirjoissa sanotaan, että jos jokin mittauspiste on selvästi poikkeava, se kannattaa hylätä. On tapahtunut jokin mittaustekninen virhe. Mutta Eddingtonin mittauksista sanottiin, etteivät ne olleet täysin rehelliset, Maalampi kertoo.
Vuoden 1920 Nobel-palkinto myönnettiin sveitsiläiselle Charles-Edouard Guillaumelle rauta-nikkeli-seoksen tarkkuusmittauksista. Guillaumen kerrotaan olleen yhtä ällistynyt kuin kaikki muutkin.
Seuraavana vuonna entistäkin useampi fyysikko esitti palkintoa Einsteinille. Allvar Gullstrand sai laadittavakseen raportin yleisen suhteellisuusteorian ansioista. Hänen mielestään se perustui yhä luuloon, ei todisteisiin, eikä siitä ollut hyötyä ihmiskunnalle. Ei jatkoon.
Yhtä tylyn tuomion sai toiselta raportoijalta ehdotus valosähköisen ilmiön selityksen palkitsemisesta. Komitean korvia kuitenkin kuumotti pilkka Einsteinin sivuuttamisesta jo siinä määrin, että vuonna 1921 palkintoa ei myönnetty kenellekään muullekaan.
Kun Einsteinia seuraavana vuonna taas ehdotettiin palkittavaksi sekä suhteellisuusteoriasta että valosähköisen ilmiön selittämisestä, Gullstrand ei raportissaan muuttanut mieltään mutta toinen raportoija oli uusi, teoreettinen fyysikko Carl Wilhelm Oseen.
Hän päästi Nobel-komitean piinasta ehdottamalla pyöreästi muotoiltua kompromissia: Einstein palkittiin "palveluksistaan teoreettiselle fysiikalle" ja perään mainittiin valosähköisen ilmiön selittäminen.
Ainoan kerran Nobel-palkintojen historiassa perusteluissa kerrottiin erikseen, mistä palkintoa ei myönnetty. Niissä sanottiin, ettei palkinto kattanut Einsteinin suhteellisuus- ja gravitaatioteorioita, "jos ne myöhemmin todistetaan oikeiksi".
– Se oli vähän kryptisesti sanottu. Siitä ollaan kahta mieltä. Tarkoittiko se sitä, että he jättivät oven auki toiselle Nobel-palkinnolle? Vai halusivatko he korostaa, etteivät olleet ottaneet suhteellisteoriaa huomioon? Jukka Maalampi puntaroi.
Vaikka suhteellisuusteoria jäi ilman Nobelia, Einsteinin valotutkimukset ansaitsivat palkinnon jopa sitä enemmän, ainakin arkinäkökulmasta, tuumii Maalampi.
– Nobel-palkinto tuli nimellisesti valosähköisen ilmiön selittämisestä, mutta oikeastaan hänen suurtyönsä oli sen taustalla ollut ajatus, jonka mukaan valo koostuu kvanteista eli tavallaan hiukkasista.
Einsteinin julkaisussa oli esimerkkeinä kolme sovellusta. Yksi niistä oli juuri ilmiö, jossa metalliin osuva valo irrottaa rakenteeseen sitoutuneita elektroneja eli negatiivisia varaushiukkasia.
Saksalainen fyysikko Heinrich Hertz oli huomannut sen vahingossa 1880-luvulla kokeessa, jolla hän pyrki varmistamaan, että sähkömagneettiset aallot ovat olemassa. Sen jälkeen ilmiötä oli tutkittu paljon.
– Ihmeteltiin, miksi elektroneja ei välttämättä irtoakaan, jos valitsee minkä tahansa aallonpituisen tai taajuisen valon ja pommittaa sillä metallin pintaa. Mitään ei tapahdu, vaikka voimakkuutta kasvatettaisiin kuinka ja paljon, Maalampi kertoo.
Einsteinin vastaus loi pohjan kvanttifysiikalle
Ilmiötä ei osattu selittää, koska ajateltiin, että sähkömagneettisessa säteilyssä virtaa jatkuvasti energiaa. Siksi intensiivisen ja pitkän pommittamisen olisi pitänyt väistämättä antaa elektroneille vähitellen niin paljon energiaa, että ne olisivat irronneet metallista.
– Einsteinin idea oli, että valo koostuu energiapaketeista eli kvanteista eli fotoneista, niin kuin nykyään sanotaan. Energian määrä yhdessä paketissa riippuu valon taajuudesta. Mitä suurempi taajuus, sitä suurempi energia yhdellä kvantilla on, Maalampi selittää.
Fotoni luovuttaa elektronille energiansa, ja jos sitä on tarpeeksi, elektroni pystyy irtoamaan metallista. Siinä selitys: voimakaskaan säteily ei auta, jos erilliset kvantit eivät sisällä kylliksi energiaa, sillä vuorovaikutus on aina yhden kvantin ja yhden elektronin välinen.
– Se oli uutta. Max Planck oli jo tehnyt sen havainnon, että energian siirtyminen kuumennetun uunin seinämistä sisällä olevaan sähkömagneettiseen kenttään tapahtuu juuri tällaisina määräkokoisina annoksina. Mutta ei hänkään ajatellut, että säteily itse on hiukkasmaista, kvanteista koostuvaa.
Planckin selitys oli mekanismi, joka jollakin tavoin säätelee sitä, että energiaa pääsee virtaamaan vain palasina, Maalampi kertoo. Einstein oletti rohkeasti toisin.
– Käytännön elämän kannalta tämä on Einsteinin keksinnöistä mielestäni selvästi tärkein. Säteilyn kvanttiluonteella on paljon sovellutuksia nykyajan laitteina, joita meidän ympäristömme on täynnä.
Einstein oli matkalla Japaniin saadessaan tiedon Nobel-palkinnostaan mutta ei kääntynyt paluumatkalle. Hän oli kuullut olevansa kotimaassaan fasistien tappolistalla, mikä oli hyvä syy viipyä poissa Euroopasta.
Kenties hän myös ajatteli Nobel-palkinnosta nuivasti kaikkien käänteiden jälkeen. Vuonna 1919 hän oli ollut voitostaan niin varma, että oli luvannut avioeropaperissa palkintorahat elatusapuna entiselle vaimolleen ja kahdelle lapselleen.
– Luin jostakin, että hän ei maininnut matkapäiväkirjassaan koko palkintoa. Vaikka kyllähän hänestä sanotaan, ettei hän hirveästi välittänyt sellaisista huomionosoituksista ja oli vähän semmoinen kömpelö tiedemiestyyppi, tuumii Jukka Maalampi.
Ainakin yksi Einsteinin kommentti tuolta ajalta on kuitenkin säilynyt, vastaus tanskalaiselle atomifyysikolle Niels Bohrille, joka sai toisen vuonna 1922 myönnetyistä fysiikan Nobeleista. Hän kirjoitti olevan iso ilo ja kunnia, että se tapahtui juuri samana vuonna Einsteinin kanssa.
Einstein vastasi: "Voin liioittelematta sanoa, että lämmin kirjeesi oli minulle yhtä paljon mieleen kuin palkinto."
Albert Einsteinin Nobel-palkinnosta on (noin) sata vuotta. Hänellä on edelleen suuri merkitys monen fundamentaalisen asian keksijänä. Esimerkiksi aineen koostumista molekyyleistä ei yleisesti uskottu ennen Einsteinin tuotteliaan "riemuvuoden" julkaisua.
– Hän keksi, miten molekyylien olemassaolo voidaan osoittaa tutkimalla pienten hiukkasten poukkoilevaa liikettä nesteessä. Muutama vuosi myöhemmin molekyylit pystyttiin havaitsemaan konkreettisesti tällä tavalla, kertoo professori Jukka Maalampi.
Einstein keksi myös tavan määrittää molekyylien massat, mikä on lääketieteellisesti hyvin tärkeää, Maalampi lisää.
Einsteinin perintö elää myös muuten.
– Hän on ollut läpi vuosikymmenien yksi tiedemiesesikuvista. Sellaisia tarvitaan. Nobel-palkintonsakin hän sai tutkimuksesta, jonka teki 26-vuotiaana nuorena miehenä. Hän on malli ennakkoluulottomasta ja kuvia kumartamattomasta ajattelusta, koska uskalsi astua ruudun ulkopuolelle.
Maalammella lukion fysiikanopettaja antoi aikoinaan luettaviksi yliopiston luentomuistiinpanoja, jotka käsittelivät kahta asiaa, suhteellisuusteoriaa ja kvanttiteoriaa.
– Ja niissä molemmissahan Einsteinilla oli sormensa pelissä.
Luonnontieteiden Nobel-palkinnot 2021 jaetaan ensi viikolla:
- ma 4.10. lääketiede ja fysiologia
- ti 5.10. fysiikka
- ke 6.10. kemia
Juttua korjattu 2.10. kello 13.44: Lopun listauksen päivämäärät olivat virheelliset.