Søren on yksi Euroopan parhaista matemaatikoista, ja nyt hän aikoo ratkaista oudon kvantti-ilmiön: ”Kahvinkeitin on keskeinen laite”
Seuraavat viisi vuotta huippumatemaatikko, professori Søren Fournais aikoo pohtia arvoituksellista kvanttitilaa, jonka jo Einstein ja Bose ennustivat 1920-luvulla. Asia askarruttaa tutkijoita eri puolilla maailmaa edelleen.
Søren Fournais kiinnostui kvanttimekaniikan yhtälöistä jo lukioaikana, kun hän havaitsi, että kvanttimekaniikka on fantastisten ongelmien lähde: ”Siinä on todella paljon työstettävää, ja se on matematiikan ja fysiikan välimaastossa. Matematiikka on mukavaa nörttipuuhaa ja abstraktia, kun taas fysiikka on suhteellisen lähellä todellisuutta”, Fournais sanoo.
”Kuvittele eteesi olympialaisten upea avajaisshow. Siellä valtava ihmismassa muuttuu kuvioksi, joka tekee yhtä aikaa liikkeitä kuin kottaraisparvi. Sama ilmiö tapahtuu myös atomien maailmassa tietyissä oudoissa tapauksissa.”
”Silloin kyseessä ovat miljoonat atomit, jotka kaikki yhdessä ovat samassa kvanttitilassa ja siten ne siis käyttäytyvät täsmälleen synkroniassa”, selittää Kööpenhaminan yliopiston matematiikan professori Søren Fournais.
Tanskalainen huippumatemaatikko ja tutkija yrittää antaa ymmärrettävän kuvan äärimmäisen monimutkaisesta kvantti-ilmiöstä, joka voi syntyä, kun tietyt atomit jäähdytetään lähelle absoluuttista nollapistettä.
Silloin atomit muodostavat eräänlaisen kollektiivisen kvanttiaallon, joka käyttäytyy kuin yksi yhtenäinen organismi. Se ei ole kiinteää, nestemäistä, kaasua eikä plasmaa, vaan kyseessä on aivan erityinen olomuoto.
Ilmiö on saanut nimen Bosen–Einsteinin kondensaatti. Intialainen fyysikko ja matemaatikko Satyendra Nath Bose lähetti vuonna 1924 käsikirjoituksen Albert Einsteinille, joka kehitti ideaa edelleen ja ennusti ilmiön olemassaolon vuonna 1925.
Tila saatiin aikaan laboratoriossa vasta 70 vuotta myöhemmin. Nyt tanskalainen Søren Fournais on juuri saanut Euroopan tutkimusneuvostolta 2 miljoonan euron ERC Advanced Grant -apurahan Bosen-Einsteinin kondensaatin monimutkaisen matematiikan tutkimiseen.
”Tämä on suuri tunnustus. Se on hieno todiste siitä, että on päässyt tietylle tasolle”, sanoo professori, joka toivoo lähivuosina ratkaisevansa monia outoon ilmiöön liittyviä arvoituksia.
”Aina, kun ymmärrämme matematiikkaa ja yhtälöitä aiempaa paremmin, saamme lisää tietoa siitä, mistä oikeasti on kyse”, Søren Fournais selittää Tieteen Kuvalehdelle.
”Ja juuri sitä aion tehdä, aion kehittää parempia matemaattisia menetelmiä kvanttimekaniikan yhtälöiden analysointiin”, hän sanoo.
”Pitää olla muita parempi"
Konkreettisesti Søren Fournais aikoo viettää suuren osan seuraavista viidestä vuodesta taulun edessä yhdessä nuorten lahjakkaiden tutkijoiden kanssa. Hän itse valitsee tutkimusryhmän jäsenet.
Moni saattaa luulla, että monimutkaisia matemaattisia laskelmia ratkotaan huippuunsa viritetyillä tietokoneohjelmilla. Niin asia ei kuitenkaan ole.
”Ihanteellinen työpäivä on päivä, jolloin on aikaa keskustella eri ryhmissä, mieluiten taulun tai jonkin sitä muistuttavan edessä, ja nähdä pieniä läpimurtoja ja päästä työssä hieman eteenpäin”, professori selittää.
Jähmeistä atomeista tulee jääkylmä pilvi
1. Lasersäteet jähmettävät liikkeet
Magneettikenttä leijuttaa atomikaasua tyhjiökammiossa. Lasersäteet jarruttavat atomeja ja laskevat niiden lämpötilan sadan asteen miljoonasosan päähän nollapisteestä. Kylmä kaasu johdetaan kammion yläosan niin sanottuun atomisiruun.
2. Radioaallot poistavat lämpimät atomit
Radioaallot työntävät kaasun lämpimimmät atomit pois ikään kuin puhaltamalla kuumaa juomaa. Tällöin lämpötila laskee vain muutaman asteen miljardisosan päähän nollapisteestä ja kaasu muuttuu Bosen–Einsteinin kondensaatiksi kutsutuksi atomipilveksi.
3. Painoton laajeneminen jäähdyttää pilveä
Sirun magneettinen ote heikkenee, ja atomipilvi laajenee painottomuudessa. Jäähtyminen jatkuu kuin kaasussa, joka suihkuaa sumutinpullosta. Laajeneminen johtaa kylmyysennätykseen 20 asteen biljoonasosaa nollapisteen yläpuolella.
Suurin haaste tutkijan mukaan on se, että äärimmäisen monimutkaisesta järjestelmästä saadaan tietoa niin yksinkertaisessa muodossa, että voimme sen ymmärtää.
”Meillä on miljoona hiukkasta, jotka ovat vuorovaikutuksessa keskenään. Se on valtavan monimutkaista, ja maailma voi itse asiassa olla käsittämätön. Miksi vastaus ei sitten olisi valtavan monimutkainen?” kysyy matemaatikko retorisesti ja jatkaa:
”Miksi tietyissä oloissa esiintyvää erittäin erittäin monimutkaista järjestelmää voidaan kuvata paljon yksinkertaisemmin kuin tarkastelemalla kaikkia hiukkasia?"
Søren Fournais toivoo, että vastaus löydetään, kun ongelmaa lähivuosina tarkastellaan luovasti eri näkökulmista aivoriihissä ja laskelmissa.
Taulu, liitu ja kahvi ovat tärkeimmät työkalut, kun Søren Fournais ja hänen matemaatikkoryhmänsä käyvät Bosen-Einsteinin kondensaatin yhtälöiden kimppuun. Tässä työssä tietokoneista ei vastoin yleistä luuloa ole paljon apua. ”Tietokoneet antavat luvun, eivät ymmärrystä”, Fournais sanoo. ”Ja mitä ihmettä me pyytäisimme tietokoneen laskemaan?”
”Teemme asioita, joita ei ole osattu tehdä ennen, siksi meidän pitää olla parempia kuin edeltäjämme”, hän selittää.
Tässä yksi varsin konkreettinen laite on suuremmassa roolissa kuin moni meistä voi edes kuvitella.
”Hyvät ideat eivät noin vain tule päähän, siihen vaaditaan kovaa työtä. Jos me vain seisomme, eikä työ etene, menemme hakemaan kahvia ja yritämme uudelleen”, kertoo tanskalaismatemaatikko.
"Kahvinkeitin voi olla keskeinen laite matematiikan laitoksella." Søren Fournais, professori - matematiikan laitos, Kööpenhaminan yliopisto
Suurena unelmana olomuodon muutos
Samaan tapaan kuin vesi jäätyy jääksi myös Bosen-Einsteinin kondensaatissa tapahtuu olomuodon muutos, kun atomit siirtyvät kvanttitilaan. Juuri tähän fyysiseen muutokseen Søren Fournais toivoo löytävänsä matemaattisen ratkaisun.
”Suuri unelmani on todistaa matemaattisesti se olomuodon muutos, joka Bosen-Einsteinin kondensaatti on. Muutoksen osoittaminen on kuitenkin erittäin vaikeaa, sillä ensin hiukkaset liikkuvat sattumanvaraisesti ja sitten ne jähmettyvät”, hän sanoo.
”Luulen, että ongelmaa ei saada ratkaistuksi viidessä vuodessa, mutta toivon, että pääsemme lähemmäksi ratkaisua kuin olemme nyt. Ja meillä on myös lukuisia osatavoitteita, jotka toivomme saavuttavamme”, selittää Søren Fournais.
Jos ratkaisu löytyy, olemme matemaatikon mukaan askeleen lähempänä maailman ymmärtämistä. Ja vasta sitten ymmärrämme, mihin kaikkeen havaintoa voidaan käyttää.
”Kun saamme paremmat välineet ymmärtää laajoja kvanttijärjestelmiä, olen aivan varma, että niistä on myös hyötyä”, Fournais sanoo.
”Mutta vasta kun olemme ymmärtäneet järjestelmän, tiedämme, mihin sitä voidaan käyttää. Sellaista perustutkimus on”, Fournais selittää.