Valoa vuodelta 1917

Suomen tasavallan juhliessa satavuotista taivaltaan muistelemme niin kansallisia kuin kansainvälisiä tapahtumia vuoden 1917 ympärillä. Maamme itsenäistyminen nivoutuu osaksi ensimmäisen maailmansodan ja Venäjän vallankumouksen hallitsemaa historian murroshetkeä. Berliinissä sodan melskeiden keskellä tieteenteko kuitenkin eteni omalla tahdillaan, ja yksi keisarillisen Saksan tiedeyhteisön näkyvimpiä hahmoja oli Albert Einstein.

Monet Einsteinin elämänkertojen tekijöistä ovat suuren yleisön tavoin yleisen suhteellisuusteorian (1915) lumoissa. Vuonna 1917 Einstein käyttikin aikaansa painovoimateoriansa puolustamiseen koska kunnolliset kokeelliset todisteet vielä puuttuivat. Lähes sivuviitteeksi jää se, että vuosina 1916–1917 Einstein myös loi kvanttimekaniikkaan perustuvan kuvauksen säteilyn ja aineen vuorovaikutukselle – ja nosti esiin ilmiön, jota ilman moderni tietoyhteiskunta tuskin olisi olemassa sellaisena kuin sen tunnemme.

Valohiukkanen eli fotoni voi atomin kohdatessaan luovuttaa sille kuljettamansa energian. Mutta jos atomilla on jo ennestään yllin kyllin energiaa, sitä häiritsevä fotoni saattaakin laukaista eli stimuloida atomin antamaan energiansa pois – ja matkaa jatkaakin kaksi valohiukkasta. Tämä Einsteinin hahmottelema “stimuloitu emissio” tuottaa alkuperäisen valohiukkasen rinnalle sen kloonin, ja ilmiön toistuessa ketjureaktion lailla saamme voimakasta ja ominaisuuksiltaan hyvin määriteltyä säteilyä. Niinpä stimuloitu emissio on “se” lyhenteessä “laser”. Ja nykyään atomin tilalla voi hyvin olla puolijohteen kvanttikaivo tai muu monimutkainen rakenne, mutta perusperiaate on yhä läsnä.

Perustutkimuksen luonteeseen kuuluu, että siitä kumpuavat sovellukset ovat usein yllättäviä ja toteutuvat vasta pidemmällä aikavälillä. Einsteinin kuvaama ilmiö on siitä hyvä esimerkki: mikroaaltojen vahvistaminen (“maser”) ja lopulta ensimmäisten toimivien laserien rakentaminen osuvat 1950-luvun lopulle ja 1960-luvun alkuun, ja silloinkin pohdinnat mahdollisista sovelluksista olivat hyvin suppeita.

Nykyään tieteenteossa on mukana huomattavasti enemmän väkeä ja rahaa kuin vuonna 1917 tai edes 1960-luvun alussa. Etenkin kovien tieteiden tuoma potentiaalinen hyöty teollisuudelle ja taloudelle on tunnistettu niin kehittyneiden kuin kehittyvien talouksien piirissä. Siksi aika ideasta sovellukseen on lisääntyneen aktiivisuuden ja tarkentuneiden odotusten myötä lyhentynyt. Vastaavasti ideoiden arvostus menee yhä enemmän niistä mahdollisesti nousevien sovellusten kautta.

Onneksemme Einstein ei jumiutunut “kuumaan aiheeseen” eli painovoimateoriaan, vaan laittoi aikaansa myös muuhun. Nuorena tutkijana jokainen varmasti haluaa olla mukana ajankohtaisessa tutkimuksessa ja keskellä kuhinaa – muotiaiheen parissa työskentely tuo myös näkyvyyttä ja eräillä aloilla urakehityksen kannalta tärkeitä viittauksia. Toisaalta tutkimusaiheen ääressä voi pohtia, että jos minä en tätä katso, niin jääkö se kokonaan katsomatta? Molemmilla lähestymistavoilla on arvonsa.

Stimuloituun emissioon liittyy mielenkiintoinen episodi koskien idean, sovelluksen ja patentoitavuuden kohtaamista. Vaikka ilmiö antaa pohjan laserin toiminnalle, tarvitaan monta teknistä yksityiskohtaa ennen kuin toimiva laite on valmis. Arthur Schawlow ja Charles H. Townes oivalsivat asettaa laservaloa tuottavat atomit kahden heijastavan peilin väliin, jotta riittävän suuri valohiukkasten joukko voitaisiin tuottaa riittävän nopeasti, ja tämä idea oli pohjana heidän patentilleen koskien valon vahvistusta (“la” sanassa “laser”) stimuloidun emission avulla.

Mutta myöhemmin eräs tutkija patentoi pelkän valonvahvistuksen idean ilman peilejä. Tämä vastaa pikemminkin tunnetun fysikaalisen ilmiön patentoimista keksinnön sijaan. Toisaalta ei ole tiedossa selkeää luonnollista tilannetta, jossa valo vahvistuu merkittävästi stimuloidun emission kautta.

Niinpä monimutkaisen oikeudenkäynnin jälkeen patentti pelkälle ilmiölle vahvistettiin, ja jonkin aikaa sillä kerättiin useita miljoonia euroja. Charles H. Townes oli oikeudenkäynnissä todistajana. Hänen elämänkertansa “How laser happened” (Oxford, 1999) sisältää erinomaisen johdatuksen perustutkimuksen ja sovellusten monimutkaiseen rajapintaan ja myös patenttiasioihin.

Vuoden 1917 tarinat ja perintö ovat siis moninaiset. Niissä on edelleen paljon pohdittavaa ja paljon myös uudelleen arvioitavaa. Stimuloidun emission kertomus on jatkunut jo sata vuotta, ja tuskin olemme vielä nähneet sille loppua. Pystyisikö se jopa ohittamaan suhteellisuusteorian Albert Einsteinin meriittilistassa? Hänelle se suurin ja lopulta pahasti kesken jäänyt haaste oli saada keskenään ristiriitaiset kvanttimekaniikka ja painovoima kohtaamaan.

Kalle-Antti Suominen
Kirjoittaja on Turun yliopiston tutkimuksesta vastaava vararehtori ja fysiikan professori

Kuva: Andrea Pachelli