Rubriigi ‘Füüsika arhiiv

Füüsika | News | Sotsiaalteadus | Tehnoloogia | to.imetaja

Milleks Eestile ajud? Et suurusjärke tabada

13.10.2018

See teaduskirjanik Tiit Kändleri essee ilmus 13. oktoobril 2018 Postmehe Arvamuse/Kultuuri lisas.

Üks inimese imepärasemaid võimeid on tabada lennult mitmesuguste füüsikaliste või matemaatiliste suuruste suurusjärke. Et püüda palli või sõita jalgrattal või osta poest toitu, ei ole vaja pidevalt arvutada, et seejärel vastuse kohaselt tegutseda. Piisab vajalike füüsikaliste suuruste suurusjärguliste väärtuste tabamisest. Parimad teadlased, kunstnikud, poliitikud, ärimehed on seda näidanud läbi põlvede, ja näitavad edasi.

Itaalia geenius, tuumafüüsik Enrico Fermi oli oma kolleegide ja õpilaste seas tuntud kui parim tulemuste ettenägija. Maailma esimese tuumareaktori 1942. aastal oma kätega kokku ja tööle pannud Fermi arvutas ahelreaktsiooniks tarviliku massi, ja kriitilise, plahvatuse tekitava massi peast, suurusjärguliselt – ja ei eksinud. Kui Manhattani projekti kulminatsioonina pandi Los Alamose lähedal New Mexico kõrbes 16. juulil 1945. aastal kell 5:29 plahvatama esimene aatomipomm, viibis teadlastest ja sõjaväelastest jälgimisrühm eemal kaevikus. Keegi ei teadnud täpselt, kui tugev saab plahvatus olema, selle peale veeti kihla. Kui pauk käis, rebis Fermi paberilehe tükkideks ja viskas varjendist üles vaba õhu kätte. Jälgis paberitükkide lendu, kui plahvatuse laine nendeni jõudis ning mõõtis nende lööklaine poolt eemalepaiskamise kauguse . Ja ütles: kümme kilotonni trinitrotolueeni. Täpne vastus oli 20.¹

Fermi meetodiks nimetati tema viisi lahendada ülesandeid hoolika, suurusjärgulise hindamise teel. Idee oli leida ligilähedane vastus minimaalse keerulisuseta. Selleks oli vaja hulk teadmisi, matemaatilisi oskusi, intuitsiooni ja vaimset võimekust. Fermi ootamatud küsimused oma õpilastele:  „Kui suur on lammaste arv Nevadas? Kui paks peab olema mustus aknal, et see välja kukuks? Kui palju on klaverihäälestajad Chicagos?“ olid arvutatavad vaid suurusjärkudes, üldteadmiste põhjal. Tema abilised oli vaid väike kalkulaator ja lükati.

Eesti multitalent Ernst Öpik oli võimeline arvutama välja peast üsna täpselt nii Andromeda kauguse Maast kui tõenäosuse, et maalähedased kehad tabavad satelliiti, aga ka venelaste esimeste Sputnikute salastatud ja eksitavalt esitatud orbiidiandmete tõelisi väärtusi. „Milleks mulle aju,“ ütles ta ikka, kui talt veel 1980. aastal küsiti, miks ta arvutit ei kasuta. Astronoomia on suurusjärkude teadus. Sajaprotsendiline  möödalask pole mingi takistus, et täheteadust edendada. „Matemaatika ja arvutite kasutamisel on ainult esteetiline väärtus.“ ²

Oma kogemusest mäletan oma õpetajat, akadeemik Endel Lippmaad, kes oli võimeline üsna paljude asjade kohta väikese järelemõtlemise peale tulema lagedale suhteliselt õige suurusjärgu kas siis mingi tegevusele/katsetulemusele/tagajärjele või mõne ettevõtmise mõttekusele/mõttetusele. Seda on näigi ka igaüks, kes tema poliitennustusi jälgis.³

Miks ma sellest räägin? Lihtne: sellepärast, et mulle tundub, justkui ei oleks Eestis otsuste tegemisel ja tutvustamisel kõik korras just nimelt suurusjärgulise mõtlemisega. Kui palju oleme kuulnud ametnikelt, kellelt küsitakse lihtsaid suuruste hinnanguid, et selle või teise teadasaamiseks tuleb tellida mingi „ekspertiis“. Kuid reegel on lihtne: esmalt tuleb paika panna ettevõtmise mõju suurusjärk, alles seejärel otsustada, kas on vaja moodustada komisjon/eksperthinnang. Milleks raha raisata, kui ettevõtmise suurusjärk väljub meie kodumaa suurusjärgust?

Mõned asjad on Eesti jaoks lihtsalt liiga suured. Näiteks saab tuua Emajõe-äärse hüpoteetilise tselluloosivabriku, Rail Balticu, Saaremaa silla, Helsingi – Tallinna tunneli, etc nii nagu ka kunagi vene ajal ja veel mõniteistkümmend aastat tagasi plaanitud tuumajaama rajamist. On selge, et põlevkivi pole iseenesest ei halb ega hea, asi on mahtudes, suurusjärkudes. Ühtviisi loll on kõnelda selle kasutamise lõpetamisest kui ka hoogustamisest.

Selle asemel, et punnida mõttetute äppide loomisel (kus on sokid?) või närbuvate idudega idufirmade vorpimisel, võiks leiutada viise, kuidas põlevkivist loodussõbralikumat energiat ja tooteid kätte saaks. Sama lugu on raudteeliikluse ja mitmesuguste sildade/tunnelitega.

Kui palju digimaailm energiat tarbib? Kas teab seda keegi? Kui palju tarbib seda elektriauto? On selge, et elektri tootmise kasutegur on vähemalt 30 protsenti pisem, kui otse bensiinist sisepõlemismootoris.4 On imekspandav, kui palju tõhusamaks on bensiiniauto poole sajandiga muutunud. Edasist muutust piirab digipainaja. Suur osa inimkonna ajuvõimest tegeleb digimaailma laiendamisega, sest selle eest tasutakse hullult (on selle poolt vangistatud) ning nn tavatehnikaga tegeldakse üha vähem.5

Nüüdisajal saab insenerist insener tavaliselt sel moel, et ta unistas lapsepõlves lendamisest, aga teismeeas avastas, et tiibu ei ole. Siis otsustab ta teha paberist ja arvutimälust tiivad ning insener ongi valmis.6

Ühel päeval me loeme, et Eestis on tööpuudus, teisel päeval, et napib töökäsi. Kuid miks siis töö“andjad“ (lehm on piimaandja) ei paku tööd seal, kust tööst on puudus? Loeme, et Hispaanias on noorte töötus 23 protsenti. Kuid ei tea, et sinna alla on loetud ka üliõpilased, kes ei otsigi tööd.7

Isegi näiliselt usaldusväärsel graafikul on väga lihtsalt võimalik moonutada

suurusjärku, valides näiteks püstteljele kantud arvud suuremas/väiksemas skaalas või koguni logaritmilises skaalas. Vaid vaataja oskus mõtelda suurusjärguliselt päästab teda manipuleerimisest.

Elektri säästmiseks on ainuvõimalik tee elektrit mitte kasutada. Muu jutt on ülemakstute loba, nii nagu on seda näiteks nullenergiamajad. Kes tahaks elektri puudumisel lämbuda oma tuppa? Fossiilkütuste kasutamise vähendamiseks tuleks ära keelata vaid mängulise lõbu pärast toimuvad igat sorti jõuvankrite võiduajamised. Millisest piirangust keegi ei söanda mõteldagi. Selle asemel topitakse kütusesse piiritust. Ja üteldakse, et see viis protsenti, mis esimesel aastal lisatakse, ei tee mingile mootorile miskit halba. Kuid vaat’ järgmisel, kui lisatakse kümme, läheb asi tõsiseks. Muidugi teeb ka viis protsenti, küll kaks korda või kümme korda enama aja jooksul, sõltuvalt sellest, kes seos on lineaarne või logaritmiline. Ja kust tuleb piiritus? Põllult. Sealt, kus peaks kasvatatama toitu. Muld on taastumatu väärtus, selle viljakus kas väheneb ja kaob, muutub viljakandamtuks, kui seda ei väetata taastumatute väetistega. Nõnda on meie autobensiini solkimine võib-olla koguni enam taastumatuid ressursse hävitav, kui otse naftabensiini kasutamine.

Kuuleme, et Eestis on välismaalaste seadust nii tihti muudetud, et digirahvas ei saa kannul püsida, ja kogu töö tuleb ametnikel endisel moel käsitsi, ilma arvutita teha. Vaat sulle siis eesrindlikku digiriiki! Ühel heal ajal on kõik maailma inimesed rakendatud digimaailma kütke, ja kogu kupatus kukub kokku.

Seda ainuüksi seepärast, et ei osata arvutada suurusjärke. Vaatame Saaremaa võimalikku silda. Näide on ees: Saaremaa sadam (loe: süvasadam). Praegu on see 99 protsenti ajast laevavaikne. Muidugi ei leia Saaremaale kippuvaid kruiisitare. Ent kui saar saab silla, saab sellest ka läbiva kaubatranspordi tallermaa – nii nagu on seda näiteks Paldiski maantee olgu Keila või Kloogaranna kõrval. Juba praegu kaalutakse Saaremaa sadamast teha puiduveosadam. Suurusjärk töötab ja surub peale: sadam on Saaremaale liiga suur, nõnda siis tuleb takka anda ja hiiglasliku suurusjärguga seda ohustada.

Sama lugu saab olema ka Soome tunneliga: juba praegu ei varjata, et see toob Tallinnale uue hiiglasliku äärelinna, olgu siis Irumäe, Muugamäe või mis. Kes seal elama hakkab, võite ise arvata. Nii ei ehitata ka Euroopasse suunduvat raudteed elanike jaoks, kes rongiga reisida tahaksid, muidu oleks seda plaanitud suurusjärk pisema ja paindlikumana. Üleelusuurune magistraal teeb meile selgeks, et Eesti on transiidimaa ja kõik. Ning seda tulevad ehitama meist oskuslikumad. Vait olla ning edasi vedada!

Kuni eestlased suurusjärguhullust tajuvad, pole hullu midagi: mõne „võitja“ mõnitused, et me ei soovi arengut, jätame lihtsalt suurusjärkude alla vedelema. Soovime küll, kuid mitte üleelusuuruses arengut. Võrdlus Soomega on kohatu. Vaadakem kardile: see riik on pindalalt meist kaheksa, seega siis suurusjärk suurem! Muidugi saab selline riik lubada enesele õige mitut suurt tselluloositehast.

Inimesed ei ole Eestis hiigelasjade vastu mitte ainult suurusjärgu põhimõtte pärast, vaid ka seepärast, et nad ei usu siin riigis enam kedagi. Kas pole siis korduvalt nähtud, et nii kui jääd uskuma ja sõrme annad, siis teevad ikka nagu ise tahavad. Hiigelraudtee puhul õnnestus kogunisti meie eest varjata, et linnas ehitatakse loomaaeda (kui vihjata Arvi Siia kunagisele nõukogude valemasina vastasele luuletusele), kuni selgus, et lõvid on juba paika tassitud. Kes, kus ja kuidas, pole selle kirjatöö raames oluline, oluline on sõnum, et me ei tohi unustada oma igioskust mõtelda suurusjärkudes, muidu kaotame võime palli korvi visata sootumaks.

Eesti on väikeriik Euroopa serval, et mitte öelda kolkas, ja olgem selle üle uhked. Toon meeleolu ülendamiseks näite planeedi Maa kohta: too asub Linnutee galaktika keskmest 27 000 valgusaastat eemal, suhtelisel väikese Päikese süsteemis. Oleks me planeet olnud suurem või pisem, olnuks Kuu olemata, olnuks me galaktika keskmes olevale mustale augule Sagitarius A*-le lähemal, poleks elu saanud tekkida, meie ammugi mitte. Ja need teised, kellele mõned loodavad, intelligentsed elukad mujalt universumist – kui nende esinemise tõenäosus on lõplik, mitte null, küsigem koos Enrico Fermiga: kus nad siis on? Ei maksa unustada, et looduslik valik ei töötanud õnne, vaid ellujäämise kasuks.8 Nõnda ongi tore, et Eesti ei kuulu õnnelikumate riikide sekka. See annab lootust, et kestame, mitte ei ela, nägu laial kohtlasel naerul. Seda ei luba juba meie karmivõitu loodus ise.

Elu sai tekkida Maal, kuna see oli parasjagu väike, ja parasjagu Linnutee kolkas. Elame vaid tänu meist sõltumatult tekkinud kosmose kolkamentaliteedile. Võrrelgem siis ikka ja alati ihaldatud asjade suurusjärke oma enese, pere, küla ja riigi suurusjärkudega ning ärgem mingem püüdma paljunemiskurge kirvega, vaid mõnusa, suurusjärguliselt kooskõlalise riigiga.

 

Kirjandus:

¹ Gino Segrè, Bettine Hoerlin, The Pope of Physics, Picador, 2017.

² Ernst Öpik, Meie kosmiline saatus, Märkmeid kosmosefüüsikast (1969), Ilmamaa, 2004.

³ Tiit Kändler, Endel Lippmaa. Mees parima ninaga, Ajakirjade Kirjastus AS, 2012.

Peter Townsend, The Dark Side of Technology, Oxford University Press, 2016

5 Andrew V. Edwards, Digital is Destroying Everything, Rowman and Littelfield, 2015.

6 Tiit Kändler, Teadusaabits. Universum ühe minutiga. Argo, 2017.

7 Daniel J. Levitin, Valede välimääraja, Argo, 2018.

8 Yuval Noah Harrari, Homo Deus, A Brief History of Tomorrow, Harper, 2017.

 

Füüsika | lood.teadusest | News

Enn Mellikovi mälestuseks

05.08.2018

See minu artikkel ilmus 2010. aasta kevadel. Ei hakka seda ajakohastama. Võibolla saavad huvilised siit lugeda ühe ülitööka ja meeldivalt sooja inimese, Enn Mellikovi töö tausta. R.I.P.

Tiit Kändler

 

Eesti teadlased tõhustavad keskkonnahoidliku elektri tootmist

 

Kütuseelemendi töötemperatuuri õnnestus alandada ja kasutegurit tõsta ning päikeseelemendi kasutegurit tõsta ja hinda alandada.

 

Kui Briti teadlased William Nicholson ja Anthony Carlisle avastasid 1800. aastal, kuidas vesi lahutada hapnikuks ja vesinikuks, ei aimanud nad, et annavad panuse ühele elektri tootmise viisile. Nemad juhtisid veest läbi elektrivoolu ehk teostasid esimese elektrolüüsi. Kuid läks 38 aastat ja William Robert Grove tegi vastupidist. Ta avastas, et kui pista kaks plaatinaelektroodi üht otsa pidi väävelhappesse ja teised otsad hapniku ning vesiniku mahutitesse, siis voolab elektroodide vahel konstantne elektrivool. Mahutites oli lisaks gaasidele ka vesi ja Grove märkas, et voolu voolates vee tase mõlemas neist tõusis.

Liites sellised elektroodide ja mahutite paarid järjestikku patareiks, lõi ta seadme, mida tema kutsus gaasipatareiks, praegu aga nimetatakse kütuseelemendiks. Sellest elemendist, mis toodab elektrit olgu siis vesinikust või maagaasist või mistahes süsivesinikkütusest, loodetakse juba aastakümneid abi majade kütmisel ja valgustamisel, autode sõidutamisel ja koguni lennukite lendamisel. Selle nimel on töötanud ja töötavad tippteaduskeskused kogu maailmas, sealhulgas Eestis. Ent lihtsat ja töökindlat ning odavat lahendust pole veel leitud.

 

Kütuseelemendi ja päikeseelemendi eellased

Muidugi poleks kütuseelement saanud ilmuda, kui Itaalia anatoom Luigi Galvani poleks 1791. aastal torkinud surnud konna närve erinevatest metallidest tööriistadega. Ta märkas, et seda tehes hakkasid konna jalalihased tõmblema. Tema pidas nähtust loomse elektri fluidumiks. Kuid rõhutas, et selle avaldumiseks on vaja, et kaks töövahendit oleks eri metallidest. Alessandro Volta otsustas asja katsetada iseenese peal ja võttis appi mündid. Ta märkas, et kui keele peale panna hõbe- või kuldmünt, keele otsaga aga puudutada tina- või pliiplaadikest, siis tekib hapukas maitse. See avastus innustas Voltat leiutama sammast, mis hiljem tema nime pälvis ja oli maailma esimene patarei. Selles 1799. aastast pärit patareis oli rida rakke, milles igaühes tsingist ja hõbedast elektroodid, eraldatuna soolavette kastetud papiga.

Ei kütuseelemendi, ammugi siis patarei leiutajad teadnud midagi aatomite ehitusest, saati siis elektronidest, mis nende seadmetes elulist osa etendavad. Kuid nende leiutiste nüüdisaegsed täiustajad peavad aine ehitusest ja neis toimuvatest protsessidest teadma vägagi palju. Sellepärast ongi kütuseelementide ja tavaliste patareide edasiarendamine nõnda teadmiste mahukas, et vajab teaduse tippkeskustesse kogunenud teadlaste ühiseid jõupingutusi.

Patareid on küll täiustunud, ja kummatigi töötas juba 19. sajandi lõpul esimene autogi just elektripatareil. Ent elektrijõul töötavad autod on siiski väga kallid ja ei sõida laadimata kaugele. Seepärast kujutavad akudel töötavad elektriautod endast tegelikult hübriidautosid, milles leidub ka bensiinimootor, mille abil sõidetakse kaugemale ja ühtlasi ka laetakse auto akut.

Siin loodetakse läbimurret just kütuseelemendilt, mis ei vaja kütuseks bensiini, vaid vesinikku ehk mõnda teist vesiniku sisaldavat kütust nagu näiteks metaan. Vesinikul töötavaid sõidukeid ongi juba siin-seal liikumas näha, kuid see on alles algus.

Möödunud sajandi alul sai selgeks, et elektri tootmiseks ei ole tingimata vaja ajada katlasse fossiilseid kütuseid või ehitada veejõul töötavaid elektrijaamu või vuristada ringi tuuleturbiine. On veel üks loomulik võimalus, mille on meile kinkinud seesama allikas, tänu millele oleme elus meie nagu kogu elusloodus. See on Päike. Osavalt ehitatud päikeseelement valmistab elektrit otse päikesevalgusest.

Kuidas üldse saab päikese valgusest tekkida elekter? Selle tõsise küsimuse lahendas 1905. aastal Albert Einstein, kes näitas, kuidas valguse kvant footon aatomis neeldudes võib sellest vabastada elektroni. See saavutus tugines Max Plancki 1900. aasta avastusele, et absoluutselt musta keha kiirgus on kvantiseeritud ehk siis pole pidev, vaid kiiratakse portsude kaupa, mida footoniteks nimetama hakati. Need avastused tegid lahti tee kvantmaailma avastamiseks, mille toimimist selgitab kvantmehaanika ja mis on võimaldanud leiutada nii transistorraadio, mobiiltelefoni, arvuti kui säästupirni. Ja päikeseelemendi ehk fotovoltelemendid, milles tänu erilistele materjalidele vabanevad elektronid, kui need suplevad päikesevalguses.

 

Lihtsad keerulised asjad

Nii et põhimõtteliselt on nii päikeseelemendid kui ka kütuseelemendid üsna lihtsad. Ent kui püüda ehitada selliseid elemente, mis oleksid ka lihtsad hooldada ja lihtsad toota, siis selgub, et asi pole sugugi nõnda lihtne. Lühidalt öeldes teeb asja keeruliseks see, et nende elektrit tootvate elementide ehitamiseks vajalike materjalide otsimist ja siis veel hingeelu tundma õppimist võib võrrelda kui mitte just nõela, siis vähemalt kruvikeeraja otsimisega heinakuhjast. Kuid ometi ei ole teadlased jäänud eeslina pidama kahe heinakuhja vahele, vaid on kindlalt otsustanud olemasolevaid seadmeid täiustada.

Et täiustada, peab teadma, mis on olemasolevatel siis viga. Muidugi on nagu alati esimene viga nii kütuseelemendi kui päikeseelemendi kõrge hind. Optimistide meelest hind muidugi langeb, kui vaid tootmine kasvab. Kuid ikkagi tuleb neis kasutada nõnda haruldasi materjale, mis sisaldavad Maal nõnda vähe esinevaid elemente, et hind paratamatult jääb kõrgeks. Seepärast otsitakse uuemaid ja odavamaid materjale. Kütuseelementide puhul on raske see, et nende käigushoidmiseks vajalik vesinik pole just kõige ohutum gaas. Sestap otsitakse turvalisemaid võimalusi nende kütmiseks. Päikeseelementide puhul on põhiline murelaps nende vähene kasutegur. Seetõttu ka elektri kõrge hind ja suur ruumivajadus. Kütuseelemendid on raske juhus seetõttugi, et need toimivad hästi vaid suhtelistelt kõrgetel temperatuuridel, mis küünivad tuhande Celsiuse kraadini. Nii et Volta elemendi sarnaselt neid juba tasku ei pista.

Kuid pole ju kahtlust, et hästi teadaolevatel põhjustel tuleb otsida uusi tõhusaid energiaallikaid ja sealhulgas elektri tootmise viise, mis oleksid keskkonnahoidlikud ja samas ka võimaldaksid muuta energia tootmise struktuuri. Mida edasi, seda selgemaks saab, et ülisuured kontsentreeritud jõujaamad pole alati kõige parem lahendus ei tarbija, ei tootja, ammugi siis julgeoleku kaalutluste poolt vaadates. On siis loomulik, et ka Eesti teadlased tegelevad nende nii riigile, Euroopa Liidule kui kogu maailmale oluliste probleemidega.

 

Kütuseelemendi jahutamine

Tartu ülikoolis on üks tugevalt ja tulemuslikult arendatud teadusharusid elektrokeemia. See aga on üsna otseselt seotud kütuseelementide tootmisel ette tulevate teadusprobleemidega. Nõnda laiendati alates aastast 2000 TÜ keemia instituudis elektrokeemilisi uuringuid – ja sealjuures nii alus- kui rakendusuuringuid.

Kütuseelemendi elementaarrakk koosneb katoodist, millel toimub hapniku redutseerimine, anoodist, millel toimub kütuse oksüdeerumine ja nende vahel olevast elektrolüüdist, mis need elektroodid eraldab, aga ka nende vahel voolavat elektrivoolu juhib. Elektroodid on suure poorsusega materjalid, mida võib liigitada nanomaterjalide alla – nende poorid on nõnda väikesed. Suur poorsus on aga vajalik kütuseelemendi kasuteguri tõstmiseks.

Tartu teadlased valisid oma uurimise ja arendamise objektiks kütuseelemendi, mille elektrolüüt on valmistatud haruldaste muldmetallide oksiididest, milles toimub hapniku anioonide suunatud liikumine. Selliseid kütuseelemente kutsutakse tahkeoksiidseteks kütuseelementideks (solid oxide fuel cell, SOFC). Selline kütuseelement töötab küll suhteliselt kõrgel temperatuuril, ent seevastu on teoreetiline ja ka saavutatav kasutegur palju kõrgem kui madal- või keskmisetemperatuurse kütuseelemendi kasutegur. Et aga kõrgemal kui 900 kraadil korrodeeruvad materjalid kiirelt, siis on oluline töötemperatuuri alandada – milline eesmärk ka püstitati.

Tööd ei tee Tartu ülikooli keemia instituudi direktor, professor Enn Lust ja tema kolleegid üksi, nendega on liitunud teadlased Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituudist akadeemik Endel Lippmaa ja Juhan Subbi kolleegidega ning rakendajana AS Elcogen. Ettevõtmist on rahastanud ja rahastab Eesti Ettevõtluse Sihtasutus EAS.

  1. aastal alustati ja võeti eesmärgiks alandada SOFC töötemperatuuri 900-lt kraadilt 500–700 kraadini. Koostati ka SOFC komplekssed ühikrakud. Teisalt uuriti, kuidas saaks täiustada väga suure elektrilise kasuteguriga energiasalvestamise seadist, milleks on elektrilise kaksikkihi kondensaator. Selline energia salvestamise seade on hädavajalik, et tsükliliselt töötavate päikeseelementide või tuulegeneraatorite energiat salvestada ja seda siis tarbijale pidevalt edastada. Ühtlasi uuriti, kuidas saaks mürgist lahustit asendada loodussõbralikematega. Nende tööde eest pälvis Enn Lust 2008. aastal Eesti Vabariigi teaduspreemia.

Kokkuvõttes õnnestus töötada välja metoodika kütuseelemendi ülisuure eripinnaga poorsete katoodide sünteesiks ja uuriti nende käitumist huvialuses temperatuurivahemikus. “Elcogenil on hetkel üks patenditaotlus, mille sisu üks osa on katoodi valmistamine,” ütleb 2001. aastal loodud AS Elcogen juhataja Enn Õunpuu. Ta lisab, et Elcogeni poolt Tartu Ülikoolilt tellitud tööd ongi põhiliselt keskendunud katoodi uurimisele.

„Oleme modifitseerinud mikro-mesopoorsete katoodimaterjalide sünteesimeetodeid ning selle peale ongi AS Elcogen’il meie poolt väljaarendatud patendid –USA, Euroopa ja sisseandmisel on ka Vene Föderatsiooni patent. Oleme need katoodid ise sünteesinud ja karakteriseerinud, kasutades röntgenstruktuuranalüüsi, skaneeriva elektronmikroskoopia, lämmastiku adsorptsiooni, tsüklilise volatmperomeetria ja elektrokeemilise impedantsi meetodeid,” selgitab Lust, „meie olime ühed esimesed, kes otsustasid sünteesida mikro-mesopoorseid katoode, kasutades selleks haruldaste muldmetallide mitraate ja poorimoodustajat.

Katood on kogu elemendi töötamise efektiivsuse kohalt suhteliselt oluline. Samas ei saa vähemtähtsamaks pidada anoodi ja ka muude funktsionaalsete kihtide osakaalu elemendi töös. “Elcogeni viimaste aastate tegevus on keskendunud laboris väljatöötatud materjalikombinatsioonidest elemendi tööstusliku prototüübi väljatöötamisele,” ütleb Õunpuu, “tänaseks on meil tulemus käes. See ei ole loomulikult lõplik, sest pidev arendustegevus on hädavajalik ning see ka jätkub. Lisaks Tartu Ülikoolile ja KBFI-le oleme kaasanud firmasid ja uurimisasutusi USA-st, Saksamaalt, Hollandist, Soomest ja Sloveeniast.”

Tänaseks välja töötatud prototüüp on läbinud testid Soome riiklikus uurimisasutuses VTT-s ning tulemused on väga head. “VTT omab väga head ülevaadet kogu maailma tasemest ning meie elemendi kohta antud hinnang oli, et “ Elcogen’s cell performance is in average about 10% better than known best available commercial cell in world”. Rõhutame, et Elcogeni elemendi töötemperatuur on 650 ̊C.

Selle aasta eesmärk on Elcogenil käivitada esmane tootmisliin, mis võimaldaks elemente toota väikestes seeriates. Plaanitav aastane tootmismaht oleks esialgu kuni 2MW elementide elektrilises väljundvõimuses. Ühe elemendi võimsus on kuni 250W. Neid ei plaanita autotööstuse jaoks, vaid loodetakse rakendada hajutatud energiatootmisel väikeettevõtetest kodumajapidamisteni välja.

“Kasutatavad materjalid kogu elemendis on kõikidel arendajatel ligilähedaselt samad, mõnevõrra erinevad on kihtide valmistamise tehnoloogiad, mis kokkuvõttes määravad elemendi efektiivsuse ja hinna,” ütleb Õunpuu.

Kõige olulisemaks yulermuseks peab Lust seda, et saadi teada, et katood peab olema mikro-mesopoorne, st hierarhilise struktuuriga, kus on olemas nii reaktsioonitsentrid kui ka transportpoorid. Samuti tehti kindlaks, et strontsiumiga aktiveeritud lantaankobaltiit ja praseodüümkobaltiit sobivad keskmisetemperatuurse kütuseelemendi katoodideks – neist valmistatud kütuseelemendid töötavad madalamal temperatuuri kui traditsioonilised lantaanmanganiidil baseeruvad kütuseelemendid, mis võimaldab kütuseelementide koostamisel kasutada odavamaid konstruktsioonimaterjale – kalli keraamika asemel odavamat roostevaba terast. „Näitasime, et Eestis võib teha edukalt kütuseelementide alast arendustegevust ning isegi sellealaseid patente ette valmistada,” võtab ta kokku.

 

 

 

Päikeseelement kui liivapaber

Päikeseelementide puhul on asi veidi teistsugune – nende hinna määravad mitte ainult tehnoloogiad, vaid ka kasutatavad materjalid. Standardsete, räni baasil valmistatavate elementide puhul on kõige energiamahukam ränikristallide puhastamine – kristalli lisandite arvust sõltub kasutegur.

Tallinna Tehnikaülikooli materjaliteaduse instituudi direktor, akadeemik Enn Mellikov ja tema kolleegid ongi aastaid uurinud ränitehnika alternatiivide rakendusvõimalusi. Üheks võimaluseks on kasutada elektrit juhtivaid polümeermaterjale fotovoltelementide puhverkihi materjalina keskkonda saastava kaadmiumsulfiidi (CdS) asemel. Valmistatigi mitmeid hübriidseid mitmekihilisi päikeseelementide struktuure.

Veel üks võimalus on aga ehitada päikeseelemendi valgustundlik kiht monoteradel. See tähendab tillukestel üksteisest eraldi olevatel kristallidel, mis on ühendatud omavahel elektroodidega. „Meie oleme oma pingutused suunanud vaakummeetoditel põhineva õhukesekilelise päikeseelementide tehnoloogia asendamiseks odavate ja suure tootlikkusega pulbriliste tehnoloogiatega,” ütleb Mellikov, kes ühes oma kolleegidega nende algsete tööde eest 2006. aastal Eesti Vabariigi teaduspreemia pälvis.

Kõnealuste pulbrite terade koostises oli tavapäraselt kolm elementi – vask, seleen ja indium –, kuid seda viimast on looduses väga vähe. Eesti teadlased võtsid eesmärgiks indiumi  asendamise mõne teise elemendiga. Lõpuks jõuti tehnoloogilise lahenduseni, mis võimaldab odavatest keemilistest elementidest kasvatada pulbri jaoks ühtlase ümara kujuga ja siledate pindadega kristalle. Kasvatamise kestvusega, temperatuuriga ja sulandaja keemilise koostisega saab reguleerida kristallide suurust ning kuju. See tehnoloogia on nüüd kaitstud patentidega kõigis Euroopa maades, USAs ja Jaapanis.

Monoterapulbri pooljuhtomaduste muutmiseks on aga vaja teadlikult suunata nende terade koostist, milleks muudetakse sulandaja keemilist loomust ja termilist järelkäsitlust erinevates gaasikeskkondades. „See lõi aluse monoteramaterjalide suunatud sünteesiks, mis on kaitstud patenditaotlustega ja patentidega enamikes juhtivates tööstusmaades,” ütleb Mellikov.

Töö monoteraliste päikeseelementide arendamiseks käib edasi, selles osaleb ka firma Crystalsol, mille asutaja ja peateadlane Dieter Meissner on praegu ka Tallinna Tehnikaülikooli materjaliteaduse instituudi säästva energeetika osakonna professor. „Meie eesmärk on saada hea kvaliteediga kristalli, selleks kasvatame seda sula-soolades,” ütleb ta.

Koostöö algas 1990. aastatel, mil selgus et kahel pool raudset eesriiet oli töötatud samas suunas. Monoteraliste membraanide tehnoloogiat edendati nii Philipsi teaduslaborites Eindhovenis valgustundlike lülitite tootmiseks kui Venemaal sõjaliseks tarbeks. Mellikov töötaski paarkümmend aastat selles viimases suunas. Meissneri töörühmad aga püüdsid leiutada päikeseelementi vasest, indiumist, galliumist ja seleenist moodustatud kristallidest. Koos töötades on jõutud odavama ja tõhusama variandini, kus kristallid moodustatakse vasest, tinast, tsingist, väävlist ja seleenist.

Kui need kristallikesed on kantud grafiitelektroodiga kaetud epoksiidist aluskihile, ja siis neile peale kantud tsinkoksiidist elektrood, ongi päikeseelement valmis. Silmaga vaadates meenutab see õige peeneteralist liivapaberit. Ainult et siin pole tegemist ränist liivateradega, vaid vasest, tsingist, tinast, väävlist ja seleenist moodustunud, juuksekarvast paar-kolm korda peenemate terakestega.

Teadlaste sõnul on nad saavutanud kasuteguri, mis ulatub 5,8 protsendini ja mis on maailmas tipmine. Eesmärk on kasutegurit veelgi tõsta. Selleks on rahastamisel abiks Ettevõtluse Arendamise Sihtasutus EAS ja investeerimisfondid Soomest ning Norrast. Selle aasta veebruaris sai Crystalsol selle tehnoloogia arendamise eest Austria riikliku keskkonna- ja energiatehnoloogia auhinna ning võitis Austria wirtschaftservice´i grandi fotovoltmoodulite arendamiseks.

„Hind, tootmise maksumus, kasutegur,” kordab Meissner päikeseelemendi kõige olulisemaid parameetreid. Kuna iga monotera on juba ise tilluke fotovoltelement, siis pole vahet, kui suur on lõplik moodul. See on võrreldes teiste õhukesekileliste tehnoloogiatega eeliseks – seal läheb mooduli iga suurendamine kalliks. „Selliseid päikeseelemente saab toota nagu trükimasinal raamatut trükkida,” ütleb Meissner, „ja valmistada neid tellija soovi järele nagu ülikonda.”

 

 

 

 

Folkloristika | Füüsika | Geograafia | News | to.imetaja

Kalevipoja seiklused ja e-riik

25.07.2018

Kalevipoja seiklused ja e-riik

See Tiit Kändleri essee ilmus juuni/juuli Eesti Looduses

 

Eestlastel on üks suur ja kindel usk – et eestlased ei ole usklikud, või kui, siis vähimal kombel maamunal. Ometi oleme olnud kui ei muud, siis umbusklikud, see usk on meid säilitanud. Nüüd on seegi lahtunud, nüüd oleme digiusklikud. Oleme e-usklikud, nii nagu ei keegi muu Maa peal. Usume oma ID-kaarti enam kui ajatollad Koraani. Usume, ja oleme kütkes, peame muudkui vahetama oma usuvahendajat, milleks on tarkvara, ja et tarkvara töötaks, siis ka värkvara.

Me usume, et mälu ei ole vaja, me teame niigi kõike, ja me ei tea enam, mida me ei tea, sest kõik on ju ometi „võrgus kirjas“. Meie jumalakoda on nutitelefon, meie inglid on äpid ja jumalasõna on „Eduka programmeerimise e-raamat.“

 

Nõnda oleme unustanud Kalevipoja mõtte ja mõttekuse/mõttetuse. Kreutzwaldil ei olnud nutiseadet ja sestap ta mõistis ning kostis vastu, kui paluti Kalevipoja lood ühte eeposesse kokku panna. Kui püüan meenutada, mis mees see Kalevipoeg oli, siis mäletan oma poisipõlvest, mil esmakordselt tema tegudest lugesin, et ta tundus minu jaoks liiga suur. Liiga suur, et olla tõsi. Arvan nüüdki, et Kalevipoeg oli Eesti jaoks liiga suur. Nii nagu on liiga suured euroraudtee, eurotselluloosivabrik, e-riik, eurotunnel, nullenergiamajad, puuhalgude mürgid, üheainsa haigla, üheainsa postkontori, üheainsa apteegi ideed, ning leivaküpsetamise terviseohtlikkus. Need kõlbaksid, kui Eesti oleks üks oblast, mitte üks väike riigike.

Kalevipojast on jäänud meie looduses siiani järele tema tegude jälgi. Millega ta põhiliselt tegeles? Põhiliselt viskas ta kive, kündis, magas või võitles tuuslarite, huntide ning oma lollustega. Ei ole lugeda, et Kalevipoeg oleks kunagi ka külvanud. Või kui, siis metsamarju.

Hunte tapsid Kalevi pojad koerte Irmi, Armi ja Mustu abil tosinate kaupa, nahkagi nülgisid. Alati olid hundid Kalevipoja vastu. Murdsid tema hobugi maha. Nüüd on tänu digimanipulatsioonidele saanud huntidest meie rahvusloomad. Tore lugu küll!

Neeruti ja Porkuni, Vooremaa ja Peatskivi, Haaslava Uniküla. Need on vähesed näited ohtratest paikadest, mis Kalevite pojaga seotud. Sain Vikipeediast huviga lugeda, et. Kalevipoja säng on „II tüüpi muinaslinnus“. Ja et Kalevipoja künnivaod on „mandriliustiku sulamisel settinud ooside rida.“ Mida imet! Tavaliselt heitis Kalevipoeg pärast kündmist magama. Ja üleüldse pärast igat sugu töid. Nagu öeldud, pole leidnud allikaid, et Kalevipoeg oleks künnivagude vahele midagi külvanud. Peale jõhvikate, murakate ja mustikate. Saati siis saaki koristanud.

Fotol: Kalevipoja pesulõksud, M 1:100

Oma ainsa saagi tõi Kalevipoeg seljas Venemaalt: koorma laudu. Miks just Venemaalt, pole teada, kuid võitluses Sarvikuga purustas ta osa oma laudadest. On arusaamatu, miks Kalevipoeg tassis lauad üle Peipsi seljas, kui oleks need ometi saanud kimpu siduda ja nõnda kenasti Peipsiveerde purjetada ja vilet lasta. Ometi sõitis ta ju pärast maailma otsa „Lennukiga“, mille oli laevale eksikombel nimeks pannud! Muuseas – harva on Eestis olnud mõnda maalikunstnikku, kes poleks maalinud või joonistanud, kuidas Kalevipoeg seljas laudu tassis! Olen pärinud kunstiteadlastelt, nemadki ei tea, palju meil selliseid maale on. Hea teema doktoritööks, kas pole!

Tegu, mis Kalevipojale eriti meeldis, oli loopida kive laiali. Terve Eesti on neid nüüd täis. Eksikombel nimetatud rändrahnudeks, ehkki on hoopis viskrahnud. Milleks Kalevipoeg neid loopis, enamjaolt ei tea – kui spordi pärast, siis edestas ta Pierre de Coubertain’i sajandite võrra. Ehkki, jah, tänu sellele ta kuningaks saigi.

Kalevpojal läks tegelikult kõik vussi. Vägistas kogemata Saarepiiga, mispeale too end ära uputas. Laskis Soome Tuuslaril oma ema Linda varastada, mispeale pikne tolle maha lõi ja ema kiviks muutis. Siis läks Soome sepa juurde ja tappis tema poja. Seejärel murdis tamme pooleks ja tegi sellest Soome silla. Milleks küll, kui seda enam pole ja tahetakse Soome sild hoopis maa alla uuristada? Kas keegi teab, mis Kalevipoeg tõi lauad just Venest? Et näidata sajanditepikkust sõprust? Ja milleks tal laudu vaja oli? Et lihtsalt sarvikuid maha lüüa, ja sedagi Siili näpunäitel. Ta ema Linda vähemasti nuttis pärast oma mehe surma Ülemiste järve kokku ja tassis ka Toompea kõrgeks mäeks. Kes olid aga kaks tema kolmest pojast? Kalevipoja vendadest pole peast ei jalust märki ja ei tea nende nimesidki.

Purask kandis kellelegi Alevipojale Kikerpära sohu varanduse, Kalevipoeg suutis sundida tollel see varandus Soome sepale mõõga tasuks vedama. Siis tassis Kalevipoeg kaks jalga laiad ja kolm tolli paksud lauad Pihkvast kohale ja muidugi jäi magama. Mille peale sorts hooramarjade abil mõõga ära varastas. Miskipärast oli sorts mõõga Kääpa jõkke pillanud. „Kes sind enne ise kannud: Siisap mõõka, sõbrakene, Murra tal jalad mõlemad!“ sajatas Kalevipoeg Soome sepa juures. Ometi oli ju ka sorts seda mõõka enne ise kannud, mis sest et vähem kui Kalevipoeg, ja pealegi: miks üle Peipsi sammunud liigsuur mees mõõka madalast Kääpa jõest üles ei korjanud? Kas Kalevipoeg soovis säilitada Eesti põlismetsi, kui lauad Pihkvast tõi? Kus sa sellega. Kord murdis männi, kord tamme, kord lauad, kuni särgitu siil teda õpetas, mispeale Kalevpoeg oma särgist tükikese siilile kinkis. Sõgedas tapluses sai ta seljakotti võetud mehike surma, aga Kalevipoeg tahtis jälle magada, kasvõi sohu. Rahvusloom hunt vahepeal lambaid mudis. Kalevipoeg seejärel Vene silda Peipsisse viskama hakkas. Kui kaugele jõudis, saame Peipsi ääres Nina külas näha.

Jõudis aga Kalevipoeg oma lauakoorma jäänustega vaid Endla järveni, kus nägi allmaailma lõket põlemas, aga tuli jälle uinuda. Viskas lauad maha, lõpuks päästis põrgust kolm piigat, need tõstis lauakoorma otsa.

Lõpuks oli Olevipoeg see, kes linna ehitama hakkas, kui Kalevipoeg laudu ja tammepuid ja kive kokku tassis. Põhiliselt tahtis Kalevipoeg aga magada ja põrgusse sisse piiluda.

 

Kalevipojal ja renessansi-aja igakülgsel vaimugeeniusel Leonardol oli miskit ühist: uudishimu ja see, et kumbki oma töödega eriti lõpuni ei jõudnud. Ka Leonardol polnud naist, kuna oli omasooarmastaja. Kes olid Kalevipojale Olevipoeg, Sulevipoeg ja Alevipoeg? Kaks venda tal oli, kuid need haihtusid kusagile. Nimesidki me ei tea. Nii nagu Põhja-Itaalia linnad Milano ja Firenze Leonardole, nii oli Eesti Kalevipoja jaoks liiga väike. Sestap mõõk ta lühemaks, parajamaks lõikaski.

Võib vaid rõõmustada, et Kalev pole koju jõudnud: küllap pole veel kõik peerud kahel otsal lõkkele löönud, küllap pole isegi „Eesti 200“ piisav selleks. Kuid mis tõmbas Kalevipoega just nimelt Põrgu poole? Põrgupiigad teda ju ei huvitanud. Võib vabalt olla, et juba Kalevipoja ajal valitses Põrgus nutimaailm, digimaailm. Ja et Kalevipoeg oli uudishimulik, siis tahtis seda näha. Ja muidugi robootikat.

Elasid ju põrgus raudalased-robotid, kes meelitasid: „Keda rannast raudalased/ saatnud kaupa sobitama.“ Need olid kindlad: „Võimuvoli sinu käessa/ tarkus meie taskutessa/ mõisterikkus meie kotis.“ Selge see, et jutt käis nutiseadmetest põrgulistest robotite kotis. Taara mõtles välja küll kavala nipi panna Kalevipoeg põrgu väraval meid raudalaste ja nutiasjade eest kaitsma, üteldes: „Et ei selli sidemesta,/ kuri pääseks kütketesta,“ kuid ometi Taarameeste lootus, et Kalevipoeg „kaitseb kütkes teiste kütkeid“ kas pole täitunud või on, kuna tõeline digikuri pole veel meie maile saabunud.

 

Füüsika | Geneetika | Keemia | News | to.imetaja

Nobeli preemiad 2017: nullist lõpmatuseni

24.10.2017

 

See teaduskirjanik Tiit Kändleri lugu ilmus Maalehes 19. oktoobril osaliselt

 

Tänavused loodusteaduste nobelistid uurivad ainet nullist lõpmatuseni, inimene kaasa arvatud. Meid pidevalt läbivad gravilained, eriline meie valke kolmemõõtmeliselt esitav mikroskoop ja meie ööpäevarütmid on saavutused, mis ei vaja küsimust: aga milleks?

 

 

Füüsika. Universum. Gravilained

016. aasta alul teatati gravitatsioonilainete eksperimentaalsest kinnitamisest kahest mõõteseadmest koosnevas eksperimendis LIGO. Mõõdeti kahe, meist 1,3 miljardi valgusaasta kaugusel asuva hiiglasliku musta augu kokkupaiskumisel tekkinud gravilainet. Olen sellest Maalehes kirjutanud (vt 14. märtsi ML). 2017 ehitati mõõteseade täpsemaks ja tundlikumaks, et skeptikuid tulemuse usaldusväärsuses uskuma panna. Kui gravilainete püüdmine saab astronoomidele tavaliseks, muutub universum meie jaoks oluliselt läbipaistvamaks nii mineviku, Suurest Paugust pärinevate gravilainete suunas, kui tuleviku, mustade aukude tekke ja universumi piiride suunas.

Ajaloo irooniana õnnestus äsjane otsene gravitatsioonilainete registreerimine põhimõtteliselt sama seadmega, millega tehti kindlaks, et valgus levib igas taustsüsteemis ühe ja sama kiirusega. Albert Michelson ja Edward Morley tegid Eiunsteini relatiivsusteooriat kinnitava katse 1887. aastal andekalt lihtsal interferomeetril.

Valgusallikast tulev valgus jagatakse poolläbipaistva peegliga kahte omavahel risti kulgevasse harru ja kummagi haru otsas on peeglid, mis valguse tagasi peegeldavad. Poolläbipaistev peegel viib kaks eri teed kulgenud valguskiirt kokku. Kui mõlema kiire teed on olnud täpselt ühepikkused, siis kohtub valguslaine hari harjaga ja signaal kahekordistub, kui vahe on pool lainepikkust, siis üks laine kustutab teise. Meetod on väga tundlik, ent vajab eriti hoolsat isoleerimist mehaanilistest müraallikatest (vt graafik).

LIGO.ML

LIGO on gravilaineid kinni püüdnud veelgi paar korda ja nende sõsareksperiment, Pisa lähedal asuv itaallaste VIRGO teatas samast 2017. aasta augustis.

¤

¤

¤

¤

Tunnustatud ameerika füüsik Kip S Thorne California Tehnoloogiainstituudist oli 1980. aastatel üks mõõteseadme ehitamise plaanijaid ja algatajaid. Mul õnnestus teda kuulata Londonis 2009. aasta suvel peetud maailma teadusajakirjanike kongressil (vt foto allpool). Rainer Weiss on sakslane, kes töötab Massachussetsi Tehnoloogiainstituudis, Barry C Barish on ameeriklane, kes töötab California Tehnoloogiainstituudis. Miks ei antud Nobeli preemiat neile möödunud aastal, pole selge, nagu ei oska arvata, miks sadade ja sadade gravilainete püüdjate seast valiti just need kolm väärikaimat.

Kip.Thorne2.A

¤

¤

¤

¤

¤

¤

¤

¤

¤

¤

¤

Kiirkülmutist mikroskoop näeb valke kolmemõõtmelisena

 

Mikroskoobi leiutas 1620. aastatel keegi hollandlane ning see koosnes kahest läätsest. Selle abil uuris kangakaupmaas Antonij van Leeuwenhoeck 1660. aastatel kangaste kvaliteeti. Tänu oma uudishimulikkusele suutis ta avastada bakterid, vereosised, mikroorganismid ja konna vereringe. Saladus oli töötada äärmiselt väikeste läätsedega. Ühel säilinutest on paksus 1,2 millimeetrit ning mõlema külje ümaruse raadius 0,7 millimeetrit. Sellega saavutas ta 270-kordse suurenduse. Nobeli preemia asutamiseni oli jäänud veel 230 aastat. Kuid idee, et mikroskoop avab meile maailma suuruseni null, oli sama originaalne, kui mõte, et umbes samal ajal samuti hollandlaste leiutatud teleskoop avab meile maailma lõpmatuseni. Miks  mikroskoobi lääts valgust murrab, tuli tollal veel välja nuputada. Kuidas murrab, sellest kirjutas Isaac Newton oma 1709. aastal avaldatud ja kuulsaks saanud raamatus Opticks.

Mikroskoobi põhiviga on see, et valgusel on nii suur lainepikkus. See seab piiri, tekitades kõrvaldamatuid moonutusi. Sestap võeti nähtava valguse asemel käiku üha pisema lainepikkusega kiired, kuni leiutati elektronmikroskoop: elektroni lainepikkus on vähimaid, mida teame. Sellega sai hakata nägema aatomeid. Teisalt leiutati, et lühilaineliste röntgenkiirtega saab uurida kristallide atomaarset ja molekulaarset ehitust. Konrad Röntgen oli esimene füüsika nobelist aastal 1901. Elektronmikroskoopia hakkas arenema 1930. aastatel ja sellega seostub nii mõnigi Nobeli preemia.

Aatomjõumikroskoop suudab eristada molekule ja aatomeidki, kuid seda vaid tahke aine, eelistatult kristalli pinnal. Nõnda on elektronmikroskoopia ja aatomjõumikroskoopia pakkunud meile küll toreda sissevaate elutusse nanomaailma alates nanotorudest kuni grafeenini, teiselt poolt aga viiruste maailma, avades hindamatu võimaluse arendada uusi materjale ja võidelda nakkushaigustega.

Kuid see, mida biofüüsik vajab, on uurida suurte molekulide nagu valgud käitumist alul lahuses, seejärel rakkudes. Juba vähemalt 40 aastat on teada, et ühe sellise võimaluse pakub fluorestsents. 1950. aastatel hakati Cambridge’s valgumolekule mõõtma röntgenkiirtega, need enne kristalliseerides. Nõnda avastati ka DNA topeltheeliksiline ehitus.

1970. aastatel arendati välja fluorestsentsi korrelatsioonspektroskoopia. Kui laserkiir fokusseerida, on selles ruumalas eriliselt vähe kiirgavaid molekule ja nõnda saab fluorestseeruva kiirguse footoneid loendades ja nende statistikat rehkendades teada nii nende liikumise kui keemiliste reaktsioonide kohta. Aastaks 2000 valmis esimene fluorestsentsmikroskoop, mille eest võideti Nobeli preemia 2015. aastal.

Ja ennäe – ka 2017. aasta Nobeli preemia, sedapuhku keemiapreemia, omistati uut laadi mikroskoopia leiutamise eest, millega saab näha elusorganismide suuri molekule kolmemõõtmelisena. Šveitslane Jacques Dubocher (Lausanne’i ülikool), sakslane Joachim Frank (Columbia Ülikool, USA) ja šotlane Richard Henderson (Cambridge) töötasid aastaks 2013 välja uue meetodi – täiustatud elektronmikroskoobi, mida nimetatakse krüostaatiliseks, kuna biomolekulid ühel mõõtmise astmel külmutatakse ülikiirelt vedela etaani ja lämmastikuga.

Makromolekulide struktuuri on mõõdetud ennegi, ja nimelt tuumamagnetresonantsi meetodil. Selle meetodi täiustamise eest said Nobeli preemia Kurt Wüthrich ja Richard Ernst ning Eestis viis meetodi maailmatasemele Endel Lippmaa. Ent elumolekulid ja nende kuju muutumine on nii keeruline, et nende taipamiseks tuleb rünnata mitmelt poolt.

 

Öö ja päev meie kehades

Kui und ei tule, on öö pikk. Kuigi objektiivselt selle pikkus ei muutu. Maa pöörleb meist sõltumatult. Elusolendites kulgevat kella, mis on seotud öö ja päeva vaheldumisega, on uuritud juba vähemalt 2400 aastat, mil kreeka laevakapten Androstenes kirjutas tamarindipuu lehtede orienteerumisest läbi ööpäeva. On jõutud teadmiseni, et unetuse üks põhjusi on ööpäevarütmi ehk peenemalt tsirkadiaanrütmi segiminek. Muuseas – inimese ööpäevarütm ei ühti Maa pöörlemise rütmiga, vaid on umbes 24 tundi ja 11 minutit. Isegi nüüdsed nobelistid vist ei tea, miks. See-eest on nad välja uurinud, milline geen kontrollib ööpäevarütmi. Selles abistas neid geneetikute lemmikloom äädikakärbes. Nad isoleerisid geeni, mis kodeerib valku, mis koguneb rakku öösel ja laguneb päeval. Nüüd teame, et ka teised paljuraksed reguleerivad oma ööpäevarütmi sama geeni toel.

Ameeriklased Jeffrey C. Hall (Brandelsi ja Maine’i Ülikoolid), Michael Rosbash (Brandelsi Ülikool) ja Michael W. Young (Rockefelleri Ülikool) lähenesid probleemile igaüks möödunud sajandi lõpukümnenditel veidi erinevalt, ent kokkuvõttes said teada, mida see täheühendiga PER tähistatav valk teeb. 1994. aastal avastas Young teisegi geeni, timeless ehk ajatu, mis kodeerib TIM nimelist valku ja on vajalik ööpäevakella õigeks tööks, tagades tagasiside.

Nii et teame, millised geenid on mängus, kui meie ööpäevakell õigesti ei käi, kuid kuidas neid parandada, on iseasi.

 

 

 

 

 

Füüsika | News | to.imetaja

Teadus on kõigile avatud

24.10.2017

See teaduskirjanik Tiit Kändleri esse ilmus ajakirjas Eesti Loodus septembris 2017

 

 

Iga inimene peab sageli lahendama tema jaoks uusi küsimusi. Lahendused muutuvad olude muutudes. Nõnda tegutseb tavainimene enese teadmata teadlasena.

 

„Ma tean seda.“ Kui sageli olete seda lauset kuuldavale toonud? Sõna „teadma“ esineb nende saja sõna seas, mis on olemas kõigis maailma keeltes. Selle väite leidsin Oxfordi Ülikooli matemaatikaprofessori ja Simonyi nimelise, „üldsuse poolt teaduse mõistmise“ õppetooli pidaja Marcus Du Sautoy sel aastal avaldatud raamatust „What We Cannot Know“ („Mida me teada ei saa“). Võrratu matemaatik ja teaduskirjanik ning -lektor Sautoy jõuab füüsika ajalugu vaadeldes järeldusele, et muidugi jääb teadus alati alla täielikust teadmisest. „Ma kaalutlen, kas poleks parim ütelda, et me ei saa kunagi kindlalt teada, mida me teada ei saa.“

Jalgratta leiutamine

¤

¤

¤

¤

¤

¤

¤

Foto: Tiit Kändler

Projekt ITER valmib Prantsusmaal härgamisi, ent Karlsruhe Tehnikainstituudis keevitati selle reaktorit juba 2009. aastal.

 

Solvavalt triviaalne tulemus 500-leheküljelise raamatu kohta? Arvan, et mitte. Teaduse ajaloost saab tuua hulgi näiteid, et oma aja tunnustatuimad teadlased eitasid võimalust teada saada, mida me praegu peame kooliteadmiseks (universumi vanusest algosakeste maailmani välja).

Lõplik lõpmatus

Praegu kinnitab arvestusväärne hulk kosmolooge, et meie universum on lõplik. Või vähemalt, et me ei saa kunagi teada, kas see on lõpmatu. Küsimus, mille esitab teile kuueaastane laps. Du Sautoy jõuab oma raamatus järeldusele, et me saame kasutada matemaatikat, et lõplike vahendite abil tõestada lõpmatuse eksisteerimist. Või veel – Sautoy ise on paarkümmend aastat muude tegevuste seas pusinud ühe arvuteooria teoreemi tõestamise nimel. Nii nagu see matemaatikute seas loomulik on. Nõnda et võib-olla siiski eksisteerib lõputu hulk paralleeluniversumeid, mida ju ühe matemaatika kohaselt näidatud on, kuid mille kinnituseks me veel katseid teha ei oska. Kuid me ei osanud ju katseliselt ka tõestada, et gravitatsioonilained on olemas, kuni 2016. aasta 11. veebruaril kuulutaati välja LIGO eksperimendi tulemused: 2015. aasta septembris registreeris kaks sõltumatud interferomeetrist detektorit kahe hiiglasliku, Maast 1,3 miljardi valgusaasta kaugusel asuva musta augu ühinemisplahvatusest välja paiskunud gravitatsioonilained.

Gravilainetest loodetakse saada sellist teavet universumi hiiglaslike objektide kohta, mis siiani on olnud varjul. Täpselt 100 aastat hiljem, kui Albert Einstein ennustas gravitatsioonilained ja Karl Schwarzschild mustad augud, mõõdeti kahe musta augu ühinemisest Maale jõudnud lained. Gravitoni pole veel leitud. Vähe sellest, äsja teatas Ameerika Astronoomiaühing, et saadi raha LIGO andurite 25 protsenti tundlikumaks muutmiseks ning tuleval aastal võetakse ette pikem mõõtmine. Nagu nägime, polnud ühest mõõtmisest Nobeli preemia saamiseks piisav.

Homo sai Homo sapiens sapiensiks, kui umbes 70 või 50 tuhande aasta eest leiutas keele, mis võimaldas hakata vestma väljamõeldud lugusid. Müüdid, religioonid,  Chevrolet, Armani, paberraha, sotsialism, liberalism. Nende meemide jõud on usaldusel – kui usaldus variseb, varisevad ka lood.

Kreeka jutuvestja Aisopos pajatas umbes sellise loo. Elas kord tähetark ja kõndis mööda metsa äärt, imetledes taevas säravaid tähti. Kõndis, kuni kukkus auku, mille olid talumehed kaevanud tiigri püüniseks. Välja ta sealt ei suutnud ronida. Hakkas siis appi karjuma. Küla serval elanud talumees tuli kohale ja küsima: „Kes sa sihuke oled?“ „Olen tähetark,“ vastas tähetark. „Kui sina väidad, et oled tähetark ja tead meist lõputult kaugel olevate tähtede saladust, kuid oma silme ette ei näe, siis ongi su koht augus,“ kostis talumees ja läks koju tagasi.

Võib-olla pani Aisopos selle loo pihta hiinlastelt, aga nüüd, mil Euroopa 16.-17. sajandi teadusrevolutsiooni saavutused ja Euroopa muusika on hiinlased pihta pannud, pole sellest lugu. Kui oma õpetajat, akadeemik Endel Lippmaad tema biograafia kirjutamiseks kaks aastat intervjueerisin, küsisin kord, miks ta teadust teeb. Ta vaatas mind oma kelmikas-läbitungival pilgul ja vastas: „Lõbu pärast, nii nagu teiegi kirjutate!“ „Poliitikat tegin vajadusest.“

 

Universumi rahvas

Me elame maailmas, mida nimetame universumiks. See asub nulli ja lõpmatuse vahel. Kõige põnevamad asjad juhtuvad eimiskis ehk vaakumis ja seal, kuhu me näha ei saagi. Kui meie ei saa miskit näha, siis on meil varuks üks imepärane asi – matemaatika. Matemaatikaid on lõputu hulk. Algebra ja geomeetria, rühmateooria ja hulgateooria ja mis veel kõik. Me võime vaielda, kas meie universum on lõplik või lõputu, kuid matemaatikaga oleme tõestanud, et pole vahet, kas vaatame universumit arvtelge nulli ja ühe vahel või nulli ja lõpmatuse vahel.

Sest lõpmatusi on mitut sorti, nii nulli ja ühe kui nulli ja lõpmatuse vahel.

Selleks, et füüsikast lõbu tunda, pole vaja teada kogu füüsika ajalugu. Pole vaja teada mingeid valemeid. Teadusest kirjutamine on nagu teadus ise: tähtis on liikumine, mitte tulemus. Füüsika libiseb meil käest, selle seadused täpsustuvad, kui matemaatika teoreemid on jäävad, kui need on kord tõestatud. Pythagorase teoreem kehtib lamemaal ikka, kuid Newtoni geniaalsed seadused vajavad täpsustamist.

Jeesus ütles evangelistide vahendatuna: „Minu riik pole siitilmast.“ Teisal jälle kinnitas vastupidist. Söandan parafraseerida: matemaatika riik pole siitilmast ja on kah.

Teadusest kirjutamisel on mu meelest ilmtähtis püüda kolme varblast korraga, need on kolm T-d.

Taust. Teravmeelsus. Teadmine. Sama reegel kehtib teaduses.

Taustata teadusuudis on nagu ühe tiivaga varblane. Sööb, ent ei lenda. Teravmeelsuseta teaduslugu on nagu sabata varblane: sööb ja lendab, aga kukub ninali. Teadmiseta, teadmist andmata on teaduslugu, nagu ka teadus pime varblane: sööb ja lendab, aga ei tea, kuhu.

Hea teadus on teravmeelne, selle tuuma tabamine on nagu hea komöödia, tegijale sageli tragikomöödia.

ITER3A

¤

¤

¤

¤

¤

¤

¤

Karlsruhe Tehnikainstituut: inimese parim leiutis jalgratas sobib toetuma kõrgtehnoloogilisele hiiglasele.

Foto: Tiit Kändler

Teadusest kirjutades ei tohi unustada, mis on kultuur. Meie rahvuskaaslase, Rootsis töötava, kultuurimajandust uurinud ja rahvusvaheliselt tunnustatud teadlase Tõnu Puu määratluses: kunstid ja teadus. Kunstides kehtivad samad reeglid, mis teaduses.

Parim viis kadunud asja leidmiseks ei ole seda meeleheitlikult otsida, vaid lasta sellel olla. Küll see varem või hiljem välja tuleb. Kes on tegelnud kunstide ja teadusega, teab, millest kõnelen. Sellepärast pole olemas teadusuudist ajakirjanduslikus mõttes. Mees kukub redelilt hopsti!, uudis! Newton ja Einstein jõudsid selleni, miks kukub ja kuidas kukub, läbi aastakümneid kestnud töö.

On küsimusi, millele polegi vastust. Kuid neist saab osavalt, matemaatika abil mööda hiilida.

See on teadusest kirjutamise rõõm, aga ka õnnetus. Kiuidas sa müüd teoreetiku tagumikutunde? Sest teoreetiku, matemaatiku jaoks pole tähtis niivõrd pea (ilma milleta muidugi ei saa), kui vastupidav tagumik.

Teadusest kirjutamisel ja pajatamisel on neli müüdavat teemat, neli T-d needki. Tervis. Toit Tänane ilm. Tore seks.

Scientific American kinnitab mu juttu. 2015. aastal avaldatud maailma 25 auväärsema teadusinstitutsiooni artiklitest olid loetavaima 25 seas ka:

Uus, bakterite resistentsuse vastane antibiootikum (tervis). Globaalne soojenemine (ilmastik). Apokalüptiline liikide väljasuremine (toitu jääb vähemaks). Seksistlikud arvutimängud.

Lohutust pakub mulle üks artikkel 25-st, milles tõestati, et maamunal kasvab 3,04 triljonit puud. See annab lootust: inimese uudishimu pole kadunud ehk minu moto: „Igaüks on teadlane!“ kehtib.

Lõpetan, kust alustasin, jutuvestja Aisopose looga. Lõvikütt luusis, püss käes, mööda metsa ja uuris muudkui oma jalge ette. Talle tuli vastu puuraidur, kirves käes, ja küsima: „Mida sa maast otsid?“ „Otsin lõvi jälgi,“ vastas puuraidur.“ „Mis sa neis jälgedest otsid, ma parem näitan sulle, kus on lõvi,“ pakkus puuraidur. „Oh ei,“ kohkus kütt, „ma ei otsi lõvi, vaid lõvi jälgi.

Lootkem, et teadus ja sellest kirjutajad ei vaata vaid nina püsti taevasse ja julgevad otsida ka lõvi ennast. Kui vaid inimese ajumahust piisab.

 

 

 

 

Füüsika | Keemia | News

Nobelist Kurt Wüthrich sai Eesti teadusest aimu, kohanud Endel Lippmaad

06.10.2017

See teaduskirjanik Tiit Kändleri intervjuu ilmus ajalehes Postimees 16. septembril 2017

 

Kuigi tähistame 15. septembril oma erakordse akadeemiku ja poliitiku Endel Lippmaa 87. sünniaastapäeva, mitte sünnipäeva, pole tema elutöö meist lahkunud. Eesti Teaduste Akadeemia alustas 12. septembril tema mälestusloengutega, esimene Endel Lippmaa nimeline medal anti nobelistile, šveitsi keemikule ja biofüüsikule Kurt Wüthrichile. Kohal viibis ja pidas kõne ka Eesti Vabariigi President Kersti Kaljulaid.

 

Kõigekülgne teadlane Endel Lippmaa tõestas oma eluga, et „tippteadust saab teha igasugustes oludes“. Nõnda sõnastas esimese akadeemik Endel Lippmaa nimelise medali kätteandmistseremoonial kõnelnud akadeemik ja Helsinki Ülikooli biotehnoloogia instituudi professor Mart Saarma. Endel Lippmaa nimelise medali, metallist E-tähe, riputas laureaadile kaela TA president Tarmo Soomere. Kurt Wüthrichile kohtus Lippmaaga esimest korda 1970. aastate alul ning nautis meie akadeemiku vahedat mõistust ja erilist eruditsiooni. Seejärel esinenud Eesti Vabariigi President Kersti Kaljulaid sõnas: „Lippmaa oli liikuja vaenlase koridoris“. Tõepoolest, meie Lippmaa oli  tuumamagnetresonantsi (TMR) esimesi edendajaid maailmas ning teisalt Eesti iseseisvuse võtme lahtimuukija ja MRP originaalprotokollide hankija.

Lippmaa.TsitaatA

Lippmaa keskendus erinevalt enamikust TMR teadlastest, kes kasutasid molekulide kompamiseks nende koostises oleva vesiniku tuuma, raskematele aatomitele. Tema ja ta kaasteadlased mõõtsid süsiniku ja hapniku, räni ja alumiiniumi tuumade asendit. Eesmärk oli mõista, milline on erinevate suurte molekulide ruumiline struktuur.

Eestile pöördelistel aastatel loobus Lippmaa suurest osast teadusest ja keskendus poliitikale.  Nagu ta mulle tema biograafia kirjutamise käigus 2010. aastal kirjeldas, kasutas ta teaduslikke meetodeid, et riigi vabadus taastada. Sellele juhtis elegantselt tähelepanu Karsti Kaljulaid: „Lippmaa eesmärk oli, kuidas teada saada, mida teada saada.“

Nõnda ilmus Lippmaa võlujõul tollase N Liidu juhtkonna ette kui Issanda nuhtlus MRP protokolli salajase lisa originaalne kehastus. Osava manipuleerimisega saavutasid Lippmaa ja teised Eesti esindajad NL Ülemnõukogu istungil 1989. aastal otsuse, mis mõistis kehtetuks MRP lepingu ja tunnistas sellega, et Eesti väärib vabadust. Seejärel saavutas Lippmaa sellele otsusele ka NL Riiginõukogu kinnituse. „See oli Riiginõukogu esimene ja viimane otsus,“ kinnitas Lippmaa, misjärel naasis täie jõuga teadusmaailma.

President Kaljulaidi sõnul on aeg tavaliselt lühike, et saada tagasisidet teadlastelt, kui mingi otsus on tehtud. „Kui saame uskuda teadlast ja tema meetodit, siis meie ühiskond, digiühiskond toimib,“ ütles ta ilmse vihjega Lippmaa taoliste teadlaste üliolulisele.

Eesti Teaduste Akadeemia peamaja saal Tallinnas Toompeal oli Lippmaa mälestusloenguks tulvil akadeemikuid, Lippmaa pereliikmeid, tema kunagisi kolleege, õpilasi – Lippmaa mõistuse ja lumma austajaid.

 

Intervjuu Kurt Wüthrichiga

Wüthrish.ETL.medalA

Kurt Wüthrich on vähemat kasvu, ent vilgas, samas kõneviisilt pigem rahulik kui tormav. Tüüpilise Šveitsi sakslasena on ta jutt justkui ettevaatlik, ent pigem see ei tõtta, ometi olles täpne ja kohati värvikas. Intervjueerin teda TA peamaja ühes 2. korruse toas, vahetult peale tema loengut ja AK intervjuud. Istume tugitoolidesse ja ma räägin oma taustast, sellestki, et töötasin Lippmaa sektoris, kui ta paar korda meid külastas, ometi ei tegelnud TMR meetodiga. Ta kuulab huviga. Kaelas on tal Endel Lippmaa nimeline medal: suur metalne E-täht. Alustan.

Te olete sündinud maal, talumehe pojana. Te ei otsustanud just liiga noorelt, et teadlaseks hakata. Millal te tundsite, et teadlaseks olemine on teie põhieesmärk?

Ma olin lummatud loodusest, tahtsin saada metsainseneriks. Ma õppisin spordiga seotud alasid ega plaaninud saada teadlaseks. Näiteks unistasin saada profijalgpalluriks, spordiõpetajaks kas keskkoolis või ülikoolis. Kuid meie koolis moodustus õpilaste rühm, mis hakkas ülikoolitasemel õppima matemaatikat ja füüsikat. Siis hakkasin tegema mõningaid katseid, kuid ma polnud nii edukas, et otsustada teadustöö kasuks.

 

Te olete minu kohatud teadlastest erand – et keegi on saanud teadlaseks spordi kaudu. Professor Lippmaa oli spordi suhtes üsna ükskõikne.

Tõepoolest on sport mulle palju andnud. Ma mängin jalgpalli tänaseni, hoolimata mõne aasta tagusest jalavigastusest.

 

Te tõite oma loengus ka näite – kui mõneteist aasta eest oli magnetresonantsi kujutis teie põlvest üsna udune, kuid ometi näitas spordivigastust, siis möödunudaastane pilt on terav ja näitab, et vigastus on paranenud.

Jah, TMR on edenenud – kujutage ette, et seda meetodit saab kasutada molekulist inimeseni ehk läbi üheksa suurusjärgu! Teist sellist annab otsida.

 

Te olete olnud ka spordiinstruktor. Kas tegu oli mäesuusatamisega?

Jah, nii see oli nooruses. Hiljem, 1984. aastal olin pettunud, et mu ideid peeti vääraks ja otsustasin, et hakkan taas vaid spordiga tegelema. Olime seostanud TMR signaali õigete vesiniku tuumadega makromolekulis, ja seeläbi leidnud võtme valgu struktuuri ruumiliseks pildistamiseks.

 

Praeguseni olete te Uus-Meremaa väärika Mercury Bay Game Fishing Club kalastusklubi liige, nii nagu oli näiteks oli Hemingway. Kas olete ka Šveitsis kalu püüdnud?

Poisina küll. Olen püüdnud maailma eri paigust, ka meredest üsna suuri kalu. See klubi on oluline paik, et kohata teraseid inimesi üle maailma.

 

Olete olnud huvitatud prantsuse kultuurist – kirjandusest, muusikast. Millist laadi kirjandusest näiteks?

Ma käisin koolis paikkonnas, mis asus saksa ja prantsuse keelt kõnelevate kogukondade piirimail. Mulle meeldis kõik prantsuspärane, klassikaline kirjandus eelkõige, aga ka veinid ja köök.

 

Teie töö tulemustes valkude struktuuri uurimise alal kaheldi 1984. aastal üsna sügavalt. Milles oli asi?

Nagu ma oma loengus rääkisin, olid kahtlejad kristallograafid, kes mõõtsid samu molekule tahkes maatriksis. Ja see oli enam kui kahtlus, mu tulemusi peeti suisa valeks ja nõnda lahkusin ülikoolist. Valkude sekundaarset struktuuri, mida meie nägime, nägid ka kristallograafid. (Intervjueerija selgitus: primaarseks struktuuriks on üksikute aatomite järjestus valgus, kui see niidina sirge oleks; sekundaarne struktuur on eluliselt oluline ja näitab, kuidas valk ennast lahuses tegelikult kokku voldib. Kritallograafid mõõdavad kristallide ehitust.) Ja kristallograafide saadud struktuur oli täiesti erinev. Meie oma oli täpne, nende oma vale. Toimetaja otsustas meie struktuuri avaldada. Ja läks seitse aastat, enne kui nad tunnistasid, et nad eksisid. Nii et see oli lihtsalt business.

 

Kuidas te hoolimatust suhtumisest jagu saite ja ei murdunud?

Ma lahkusin ülikoolist ja talviti tegelesin suusatamisega. Ning suviti jooksin ma mägedes. Ma ei läinud kahe aasta jooksul ühelegi teaduskogunemisele, vaid panin samm-sammult kirja, mida me olime teinud. Kuni selgus, et oleme kõik teinud õiges suunas, nautisin suusatamist. Kui asi ei õnnestu, pead jätkama, selleks aga pead võitma iseennast.

Minu eesmärgiks oli rakendada TMR strukturaalses bioloogias. 30 aasta eest saime näha vee molekuli, praegu on nähtud 150 000 bioloogilist struktuuri, ent me ei tea ikka, kuidas valk töötab. Tuleb mõista selle kokkukeerdumise teed ja funktsiooni.

 

Kas jätkete praegu loengupidamist Zürichi ETH-s?

Jah, ja mul on seal töörühm, nii nagu Californias ja Hiinas. Seal Hiinas on viisiks, et ehitatakse valmis tohutu maja, varustatakse see tipptehnoloogiaga. Ja siis jäädakse ootama, et äkki keegi värvatuist avaldab midagi ajakirjas Nature. Püüan juhtida tähelepanu, et päris nii need asjad teaduses ei käi.

 

ETH-ga on olnud seotud ka Nobeli laureaat Richard Ernst, keda mul on õnnestunud Tallinnas intervjueerida.

Jah, me oleme koos töötanud. Ta oli siin ka 1973. aastal, kui mina esmakordselt Eestis olin. Teist korda olin Eestis 1977. aastal.

 

Kui te esmakordselt Endel Lippmaad kohtasite, mis teid temas köitis?

Meil oli ühine huvi TMR vastu. Ta oli äärmiselt vahe, ääriselt täpne oma ideede sõnastamises. Tema kaudu sain teada, et Eestis tehakse tippteadust. Endel Lippmaa laboratoorium oli 1970. aastatel üks universumi singulaarsusi. Sedasama arvas ka Richard Ernst.

 

Daily Telegraph nimetas Zürichit parimaks linnaks maailmas, kus elada. Mida teie Zürichist arvate?

Mina elan Bernis ja Bern on Zürichist palju meeldivam linn. Zürichis on suurepärane lennujaam, see on minu jaoks tähtis. Seal on kõrge klassiga muusikateater, ooper – kuhu ma küll ei lähe, sest palju on tööd teha. Seal on head restoranid, kuid see kõik on väga kallis. Ma ei tea, kuidas nad oma järjestuse said, kuid minu jaoks on elamine Californias La Jollas parim paik.

 

Kes vähegi on roninud magnetresonantsi kuvamise aparaati, śee teab, kui suur see on ühes kõigi oma vilede ja piiksudega. Kas kunagi tuleb aeg, et TMR aparatuur muutub väikeseks, nagu on muutunud arvutustehnika seadmed?

Muu tehnika muidugi muutub, kuid probleem on selles, et te peate olema tugevas magnetväljas. Kuid pigem peab funktsionaalne magnetresonantskuvamine jõudma igasse haiglasse.

 

Kas teie pika karjääri jooksul on olnud midagi, mis on teid tõeliselt üllatanud? Lippmaa oli mees, kes ei üllatunud kunagi.

(On üllatunud ja mõtleb pikalt. Muigab.) Esimene kord oli, kui ma nägin omaenese hemoglobiini molekuli, see oli siis absoluutselt uus võimalus. Kui te teete midagi tõelisest entusiasmist, siis on vaimseid üllatusi palju. Kordan veelkord – selle meetodiga saab mõõta nii inimese kui raku, nii bakteri kui valgu molekuli struktuuri. Seega on iga saavutus üllatav.

 

Te uurite valkude elu. Aastal 2000 vallandus suur eufooria, kui teatati inimese genoomi järjestamisest. Loodeti, et nüüd saame teada haiguste kõik põhjused. Ometi pole nii läinud. Mis on organismile tähtsam – kas genoom või proteoom, valkude hulk. Endel Lippmaa rõhutas Geenivaramu rajamisel, et koguda tuleks materjali mitte ainult genoomi, vaid ka proteoomi uurimise tarbeks.

Jah, nii see on, kuid alles nüüd hakkame mõistma, kuidas valk end kolmemõõtmeliseks kokku pakib. Peame oskama ka geenijärjestuse pealt valgu kokkuvoltinist ennustada.

 

Kahtlemata peab selles kehas olema vedruvaim, nõnda kiirelt suisa hüppab Wüthrich püsti madalast tugitoolist, kui intervjuu lõpeb ja ta soovib ajakava korraldajalt, et teda enne hotelli viimist sõidutataks läbi vanalinna. Soovin talle järgmise aasta 4. oktoobriks rõõmsat 80. juubelit ja luban samal päeval, mis on ka minu sünnipäev, teda meeles pidada.

 

Need on kastikesed, võib illustreerida portreekestega, saadan igaks juhuks ka ETH foto

 

Endel Lippmaa süvenes teadusesse lapsena

 

Endel Lippmaa sündis 15. septembril 1930, nõnda oleks 30. juulil 2015 surnud Lippmaa saanud eile 87-aastaseks. Tema isa, akadeemik Teodor Lippmaa heakskiidul hakkas poiss Tartu Ülikooli botaanikaaias elades tegema keemia- ja füüsikakatseid. Isa ei pannud pahaks paugutamistki. Seejärel tuli raadiovaimustus, ta teenis aparaatide parandamisega väikest raha oma raadiodetailide ostmiseks.

Ise pidas ta äärmiselt kasulikuks, et sai gümnaasiumis korraliku ladina keele oskuse, mis kulus Eesti iseseisvuse järjepidevuse tõestamisel ära. Endel Lippmaa perekond hukkus 27. jaanuaril 1943 vene lennukipommi läbi, kui tema kinos oli. Lippmaa kolis Tallinn-Nõmmele tädi juurde ja astus Nõmme gümnaasiumisse.

TPI-sse astus ta põlevkivikeemikuks, kuna orvuna oli tal vaja raha ja seal oli suurem stipendium. Lippmaa abikaasa Helle Lippmaa on keemik, neil on kaks füüsikuharidusega poega Jaak Lippmaa Ja Mikk Lippmaa.

„Iga uus asi, kui seda järjekindlalt teha ja kui see on õige, on destruktiivne,” kinnitas ETL, nagu teda kolleegid kutsusid. Lippmaa ei olnud üheülbaline, et saaksime teda seostada vaid ühe tegevusvaldkonnaga. Nüüdse sõnapruugi kohaselt oli Lippmaa tuumamagnetresonantsi maaletooja, tema juhendamisel ehitati Eesti esimene spektromeeter. Esimesena hakkas ta kasutama ülijuhtivad magneteid, et mõõta vesinikutuumast raskemate aatomite tuumasid.

Aastal 2012 oli Lippmaa artikleid viimase 20 aasta jooksul tsiteeritud 6731 korda ja sel aastal 330 korda.

Uuendused tuumamagnetresonantsis, mille eest Šveitsi füüsik Richard Ernst 1991. aastal Nobeli preemia sai  „panuse eest kõrge lahutusvõimega TMR spektroskoopia metodoloogia arendamisel” leiutasid Lippmaa ja tema kolleegid pisut varemgi. Kuid Eesti teadlastel  ei olnud võimalik oma tulemusi kiiresti avaldada, mujal kui AMPERÉ-i ühingu Ungari konverentsi materjalides –, natuke varem, kui Ernsti avaldatud töö, milles ta kahemõõtmelist tuumaresonantsi kirjeldas.

Ise jagas Lippmaa oma teadustöö järgnevalt: analüütilise aparatuuri ehitamine, tuumamagnetresonantsi spektroskoopia, bioloogia uus paradigma (mida ta eriti rõhutas), neutriino massi massiivsus, keskkonnakaitse: õhk. fosforiit, diktüoneema, energeetika.

Lippmaa juhtimisel saavutati maailma kõige kiirem TMR mõõteraku pööritaja, mille abil aineid endisest palju täpsemalt mõõta sai.

Fosforiidisõja lahingud, MRP avalikustamine, kogu senise poliitilise ja majandusliku süsteemi krahh saabusid 1987. –1989. aastatel, samal ajal avaldas Lippmaa ja tema uurimisrühmmaailma olulistes teadusajakirjades artikleid ülijuhtivuse kohta, järeldades, et tegu ei ole metalse juhtivusega. Kuid meie teadlaste esimesi sel teemal avaldatud artikleid ei uskunud keegi.

„Poliitika oli teadustöö rakendus teisel alal, ei mingit vahet,” ütles ta ise. 1989. aasta jõululaupäev oli Moskva Kremlis Eesti jaoks ärev. Pidi selguma, kas oma istungit pidav NSV Liidu rahvasaadikute kongress, kõrgeim võim Nõukogude Liidus, tühistab Molotovi-Ribbentropi pakti salaprotokollid ja hindab nende osa Balti riikide okupeerimisel või mitte. Hääletati „jah“.

Teist korda pärast MRP võitlust kogunes Eesti tipp-poliitikuid Moskvasse enne Riiginõukogu istungit 6. septembril 1991. Oli vaja teha lobitööd, et Riiginõukogu Eesti iseseisvust tunnustaks. Lippmaa oli kohal. Tunnustus saabus. „Sellega oli mu missioon lõppenud,“ tunnistas Lippmaa.

Siiski osales ta veel ministri ja Riigikogu liikmena riigi juhtimises. Teadlasena lõi ta Eestile kindlad sidemeid Euroopa Tuumauuringute keskuse CERN-iga ja osales projektis TOTEM, olles paljude ühisartiklite autorite seas.

Tänu Lippmaale saime nii varakult Interneti ja domeeni .ee, selle asemel et saada .ru. Tema oli esimene, kes hakkas rakendama personaalarvuteid, tema kaastöölised ehitasid nii sihtotstarbelisi arvutid kui ka esimese personaalarvuti.

Allikas: Tiit Kändler, Endel Lippmaa, Mees parima ninaga, 2012

 

 

 

Nobelist Kurt Wüthrich sai teadlaseks spordi kaudu

Sündis 4. oktoobril 1938 Aabergis Šveitsis, elas Berni lähedal farmeri perekonnas. Lähedane kontakt loodusega tekitas huvi loodusteaduse vastu. Bioloogiliste makromolekulide TMR spektroskoopiaga tegeleb alates 1967. aastast. Õppis Berni ülikoolis, doktorikraadi tegi 1964 Baseli ülikoolis, kus õppis ka võistlusspordiga seotut. 1957 – 1962 oli suusainstruktor mäekuurortides. Töötas Ameerikas, 1969 siirdus Zürichi ETH-sse. Seejärel ringles maailma eri teaduskeskustes. Oli Rahvusvahelise Puhta ja Rakendusliku Biofüüsika Ühenduse president. Tema naine Marianne aitas tal asju ajada. Neil on tütar ja poeg.

1984. aastal leiutas TMR meetodi valkude struktuuri määramiseks lahustes. Seni määrati see kristalliseeritud valkudel. Sellesse suhtusid kristallograafidväga kriitiliselt. Ta lahkus ülikoolist ja tegeles kaks aastat suusatamisega. Kuue aasta pärast tema tööd tunnistati õigeks.

2002 aastal pärjati ta Nobeli preemiaga „TMR spektroskoopia arendamisel makromolekulide kolmemõõtmelise struktuuri määramiseks lahuses”.

Riigi Tehnikakõrgkooli ETH (Eidgenössische Technische Hochschule Zürich) ajalugu on kuulusrikas. Selles on õpetanud või töötanud 21 nobelisti, sealhulgas Konrad Röntgen, Wolfgang Pauli ja Albert Einstein ning TMR edendajad Richard Ernst ja Kurt Wüthrich, siin avastati kõrgtemperatuurne ülijuhtivus.

Allikas: Nobelprize.org 

 

 

 

 

Tuumamagnetresonantsi võidukas lugu

1945. aastal registreerisid mitmed USA teadlased nõrga raadiosagedusliku signaali, mille tekitasid tavalise aine aatomite tuumad. See oli uue aine uurimismeetodi, tuumamagnetresonantsi (TMR) sünd. Kui aatomis leidub magnetiline tuum ja pista see tugevasse alalisse magnetvälja ning samal ajal kiiritada raadiosagedusliku väljaga, saab välja sagedust muutes saavutada resonantsi tuumaga. Kui säherdune aatom on molekulis, sõltub resonants tuuma ümbrusest ja nõnda annab selle resonantsi sagedus infot tuuma lähiümbruse kohta ehk molekuli ehituse kohta.

Viimase 70 aastaga on TMR meetodi avastajatele ja arendajatele jagunud kuus Nobeli preemiat.

Funktsionaalne resonantskuvamine on tuumamagnetresonantsi (TMR) meetod, ainult et patsiente vähem kohutava sõnata „tuum“. Patsient viibib suure ja tugeva magneti õõnsuses. Nii on TMR spektromeetrid jõudnud meditsiini, neid on ka Eesti haiglates, kuid aju uurimiseks, saati veel raviks, meil neid ei kasutada, pigem diagnoosimiseks.

 

Füüsika | News

Nobelisti portree

05.10.2017

Originaalne foto nobelistist

Tekst ja foto: Tiit Kändler, teaduskirjanik

Kip.Thorne2.A

Uusim Nobeli füüsikapreemia jagati ometi kord viimase aja suurima saavutuse autoritele. Neile, kes tõestasid lõpuks,

et gravitatsioonilained on ometi olemas. Neist kolmest on värvikaim Kip Thorne, kes on teinud koostööd ka Stephan Hawkingiga ja juba 1980. aastatel pakkus välja meetodi gravilainete detekteerimiseks. Ta on ka tundud kihlvedaja; Hawkingiga selle peale, kas must auk kiirgab või mitte. Sel puhul jäi ta küll alla.

Gravilainetest kirjutan täpsemalt edasipidi, siin aga on hää meel tuua foto, mille tegin 2009. aasta suvel Londonis toimunud maailma teadusajakirjanike kongressil WCSJ, kus Thorne esines kosmoloogia-teemalisel paneelil.

TK

Füüsika | mis.toimus | News

Tähtis päev Eesti füüsika ajaloos

07.12.2016

Tähtis päev

Saari Põldroosiga

1946 – Eesti NSV Rahvakomissaride Nõukogu määrusega asutati Eesti NSV TA Füüsika, Matemaatika ja Mehaanika Instituut (FMMI), seega tänavu, näiteks täna tähistab TÜ FI 70. aastapäeva!
Minu fotod külastusest 24. novembril:

Akadeemik Peeter Saari näitab Enn Põldroosi maali aastast 1976, millel kujutatud Besseli valguskuul, mis äsja instituudis heleda keskmega kinni püütud;

TÜFI direktor Jaak Kikas külmetab iga päev katusel, et ennustada soodsat rahastamisilma.

¤

Kikas.Katusel

Füüsika | News

Ülikiirelt saab edasi kanda vaid kvantinformatsiooni

08.06.2016

 

See teaduskirjanik Tiit Kändleri essee ilmus Maalehes 2. juunil 2016.

 

Kvantteleportatsioon on võlusõna, millega loodetakse tähistada asjade ja isegi inimese silmapilkset reisimist ruumis. Siiski pole ka veidravõitu kvantmehaanika nõnda võimas, et seda unistust teoks teha.

 

Kui filmistsenarist hätta jääb, võtab ta kasutusele teleportatsiooni. Selle nipi abil on võimalik tegelaskuju ühe hetkega teise paika liigutada. Ja kes meist ei tahaks sedasama võtet kasutada, ainult et siis tekib oht nagu virtuaalses maailmas, et jäädki erinevate paikade vahel plõksuma, süveneda ei jaksa ühessegi.

Inglise keeles on „portable“ on kantav. Tele- on eesliitema kaug-. Sõna „teleportation“ väärikates sõnastikes pole. Aga ilmus ju „television“ kaugnägemise tähistamisena vähem kui saja aasta eest. Sellepärast on korrektsem kõnelda kvantteleportatsioonist, mida on eesti keelel raske välja ütelda. Veel vähem meelel selle üle mõtelda.

Footonite esimene kvantteleportatsioon 1997. aastal.

Teleport.Graf.ML

Anton Zeilingeri juhtimisel toimunud esimese kvantteleportatsiooni eksperimendi skeem.  Teadlased tekitasid kaks põimunud footonit, saates footoni ultraviolettlaserist erilisse kristalli (kuubike keskel), mis tekitas kaks infrapunast footonit, millel kummalgi oli pool algse footoni energiast. Nad saatsid laserikiire läbi kristalli kaks korda, et saada kokku neli footonit.

Üks paar oli põimunud paar (footonid 2 ja 3), mida kasutati teleportatsiooniks, teisest paarist üks (footon 1) aga saadeti läbi polarisaatori (mis mõõtis footoni olekut), et veenduda teleportatsiooni olemasolus. Neljas footon oli vajalik, et anda eksperimentaatoritele teada, millal andmeid koguda.

Footonid 1 ja 2 viidi kokku valgusejaoturis, nii nagu need kokku põimiti. Katset mitu korda korrates oldi kindlad, et footon 3 oli polariseerutud täpselt nurga all, mida ennustas teleportatsiooni teooria.

Allikas: Chad Orzel

Eelmisel teadusküljel kirjutasin alustuseks kvantpõimumisest. Sellest veidrast kaugmõjust, milleks Einstein seda kvantnähtust pidas ja arvas, et tegu on pigem matemaatilise trikiga, kui looduses aset leidva nähtusega. Kvantpõimumine on teleportatsiooiga seotud, ainult et kuna viimasega kantakse edasi ka informatsiooni, ei toimu see hetkeliselt, vaid valguse kiirusega.

Kvantpõimumine on selgelt tõestatud: kui kaks algosakest kiiratakse üheskoos eri suundades, siis mäletavad nad teineteise olekuid, kui kaugele nad teineteisest ka lendaks. Suurim võimalikest kiirustest vaakumis on valguse kiirus, mis on suur, ent lõplik. Sellepärast kvantpõimumisega informatsiooni edasi kanda ei saa.

 

Hetkelise ülekandumise suhtelisus

Kvantteleportatsioonist rääkimine on minu meelest pigem maitseasi. Me võime klassikaliseks näiteks tuua faksimasina. Või miks mitte dokumendi  skännimise, saatmise mailiga ja siis uuesti trükkimise. Saadate oma dokumendi välja ja teine faks või arvuti võtab selle vastu. Kuid pidage silmas, et teile jääb originaal alles! Kui me kõige ägedamate fantastide eeskujul kujutleme inimese kvantteleportatsiooni, siis peame esmalt mõõtma inimese kõigi aatomite seisundid ja need siis põimituna vastavate aatomitega sihteesmärki saatma. Mida aga teha originaaliga? Kas see hävitada? Olete sellega nõus?

Toon siin näite astronoomia ajaloost. Kuigi oli ka teisi mõtlejaid, sai Ptolemaiose 2. Sajandist pärit süsteem Maaga liikumatus keskmes ja selle ümber tiirutavate Päikese ja planeetidega niivõrd mõtlemisele omaseks, et katseandmetega sobitumiseks lisati vaid planeetide orbiitidele epitsükleid, mis liikusid mööda epitsükleid jne, ja isegi nihutati veidi tiirlemise keset Maa raskuskeskmest eemale.

Ja polnud häda midagi, ainult et planeetide üksteise suhtelisi kaugusi oli täpsemalt üha raskem välja arvutada, ja ka taevasfäär, millel tähed arvati paiknevat, muudkui tundus eemalduvat. Nikolai Kopernik, kasutades on positsiooni Varmia piiskopkonnas maksukoguja  ja asehaldurina ning saanud hästi läbi paavstiga, tuli 16. Sajandi alul selle peale, et lihtsam on taevakehade liikumist kirjeldada, kui võtta asja nii, et Päike on keskmes ja planeedid ümber selle tiirlevad, ja sedagi veidi ringjoontest erinevatel elliptilistel orbiitidel. Kuuldus tema teooriast levis, ometi ei söandanud ka ise taevakehi mõõtnud Kopernik oma raamatut avaldada varem kui oma surma-aastal. Gioardano Bruno, filosoof, laiendas päikesesüsteemid kõigile tähtedele, ja põletati elusalt, Galileol, kellele alul Vatikan suisa soovitas Koperniku ideed tutvustada, läks kah haprasti. Paavstkond magas lihtsalt Koperniku töö maha! Ehkki oli ju maitseasi. Mida võtta universumi keskmeks. Võibolla peame kvantpõimumisse ja -teleportatsiooni suhtuma samuti.  Et küll kord koidab aega, mil kõik ajud kahel otsal lausa löövad lõkendama ja neid mõistma saavad?

See on nii, nagu kirjeldas austria kirjanik Stefan Zweig 19. sajandi lõppu ja 20. algust: kui elu oli kindel ja kulges ettenähtud radu. Eriti Viinis. Ja siis tuli kaks sõda ning ühtlasi kvantmehaanika, mis keerasid kõik pahupidi. Inimene pidi hakkama mõistma, et on asju, mida ta ette kujutada ei suudagi. Aga ta ei ole kaotanud lootust: äkki ikkagi suudab?

Umbes samal ajal kirjutas austria kirjanik Robet Musil oma „Omadusteta mehes“: Tõde on see, et teadus on välja arendanud karmi, kaine vaimse jõu mõiste, mis teeb inimsoo vanad metafüüsilised ja moraaliettekujutused lihtsalt talumatuks, ehkki ta suudab nende asemele panna ainult lootuse, et saabub kauge päev, mil vaimsete vallutajate rass laskub alla hingelise viljakuse orgudesse.“ Kuid lisas: „Halbadel aegadel  tehakse kõige koletuslikumad majad ja luuletused täpselt niisama ilusate põhimõtete järgi nagu parimatelgi aegadel.“ Nõnda tundub olevat ka kvantmehaanikaga.

 

Tagasipöördumist pole

Inglise tuntumaid füüsikuid Roger Penrose arutles oma 1989. aastal ilmunud ja kuulsaks saanud raamatus „The Emperor’s New Mind“  („Keisri uus aju“) nõnda: oletagem, et teleportatsiooni masin ehitatakse. Inimene skaneeritakse peast jalgadeni ja muudetakse kokkupaneku instruktsioonike. Saadetakse see info mõnele teisele planeedile ja pannakse seal olevatest aatomitest kokku. Oletagem, et sel olendil tekib teadvus. Mis saab siis, kui Maal elavat originaali ei hävitata? Kumb olend te siis olete? Kas on see füüsikaseaduste kohaselt võimalik? Ta arvab, et tegemist on kvantmehaanika sisulise rolliga mentaalsete nähtuste mõistmisel. Küsimus on kunstliku intelligentsi loomise võimalikkuses.  Pole võimalik kopeerida kvantolekut, jättes originaalse oleku puutumatuks. Ainus võimalus: poolitada aju. Penrose arvab nimelt, et oluline teave inimesest esineb mõlemas ajupoolkeras. Kas oleksite nõus ronima sellisesse teleportatsiooni masinasse?

Ameerika füüsik Chad Orzel, püüdes oma koerale kvantmehaanikat õpetada 2010. aastal ilmunud raamatus „How to Teach Quantum Physics to Your Dog“ („Kuidas õpetada kvantmehaanikat oma koerale“), võtab asja lihtsamalt: kõik siiani õnnestunud kvantteleportatsiooni katsed on tehtud üksikute osakestega, tavaliselt footonitega. Koer aga on tehtud eleportatsioon ei kanna üle asja või olendit, vaid tekitab teise kohta samas kvantolekus aatomi. Nõnda et meil on lõpuks kaks samas olekus aatomit – üks siin, teine seal. Kui meil ka oleks vaja saada aeda täpselt samasugune koer, peaks meil seal ess ootama samasuguse koera täis aatomeid, mis siis reeglite kohaselt kokku pannakse.  Kuna kvantmehaanika on mittelokaalne, siis ei saa me liigutada üksikuid asju, vaid kogu keha kvantolekut. Ning see toimuks valguse kiirusest aeglasemalt.

Kurb küll, aga 1982. aastal näidati, et teadmata kvantolekust ei saa teha täpset koopiat. Kui aga kvantolek ära mõõta, siis häirib see seda olekut.

Meil tuleb vaid võtta teadmiseks, et kvantteleportatsioon on võimalik vaid tänu kvantpõimumisele (millest oli jutt Maalehes nr 20, 19. mail) ning esimest korda pakuti selle käik välja firma IBM laboris 1993. aastal. Katse teostati 1997. Aastal Viini füüsiku Anton Zeilingeri juhtimisel. Täpsemalt palun vaadake graafikult.

Järgnevates katsetes teleporteeriti footonid üle Doonau jõe aastal 2004 (umbes 600 meetrit) ja seejärel õnnestus Kopenhaageni Niels Bohri instituudi teadlastel kasutada teleportatsiooni ühe rühma aatomite oleku saatmiseks teisele rühmale.

Selle loo moraal on, et kvantteleportatsioon on ińformatsiooni edasikandmine, mitte aga hetkeline reisimine, mille teleportatsiooni nime all võttis 1931. aastal kasutusele ameerika kirjanik Charles Fort. Edasikantud info põhjal võib muidugi originaali üles ehitada, ent see tähendab originaali sisulist hävimist ning inimese puhul aju toimimise mõistmist ehk kunstliku intelligentsi ehitamist. Seni uurivad kvantfüüsikud kvantteleportatsiooni, lootes seda kasutada seni veel üsna algeliste kvantarvutite täiustamiseks. Olgugi kvanteleportatsioon veel isegi teadlastele suuresti mõistetamatu, lohutagem end Robert Musili kombel: „Inimkonna ajaloos pole vabatahtlikku tagasipöördumist.“

 

 

Füüsika | lood.teadusest | News

Kvantpõimumine – osakeste lõppematu armastus

08.06.2016

See teaduskirjanik Tiit Kändleri essee ilmus Maalehes 19. mail 2016.

Kvantpõimumine tähendab seda, et kaks footonit, mis on olnud omavahel ühenduses – näiteks kiiratud üheskoos välja mõnest aatomist – jäävad ühendusse ka siis, kui on lennanud universumi erinevatesse otstesse. Kvantpõimumist on näidatud ka aatomite ja nende väiksemate süsteemide puhul.

 

Armastus on meeletus, mis sarnaneb kvantpõimumisega. Kui armastus ka otsa saab, jääb see mõlemale osalisele mällu eluks ajaks, olgugi et üht või teist moodi moonutatud ja varjutatud kujul. Kui kaugele inimesed ka teineteisest ei elaks, ikka on kunagine armastus kuidagiviisi meeles. Kuid kvantpõimumine on midagi absoluutsemat kui armastus – see õhendus jääb kunagi ühenduses olnud osakeste vahele alatiseks. Ärge muretsege, kui see tundub mõistetamatuna: sellest polegi tavamõtlemisel võimalik aru saada, umbes nagu armastusestki. Isegi Einstein ei saanud, ei ühest ega teisest.

Miks ma räägin siin armastusest? Sest on hüpoteese, mis kujutavad meie aju kvantsüsteemina, milles ajurakke neuroneid siduvad võrgustikud pole kirjeldatavad klassikalise, meid ümbritsevat maailma küllaltki hästi kujutava lähenemisega.

 

Tontlik kaugmõju

Albert Einstein nimetas kvantpõimumist „tontlikuks kaugmõjuks“, sest põimumine lubab kahel osakesel olla silmapilkses ühenduses, nõnda et ühele osakesele suunatud tegevus mõjub teisele osakesele, isegi kui need asuvad teineteisest hirmkaugel. Nõnda nagu graafikult on näha, alustavad põimunud osakesed üles ja alla suunatud spinnolekutes. Spinn on kvant- ehk algosakesi iseloomustav kvantsuurus, mida on illustreeritud kui vurri pöörlemist ühes või teises suunas. Footonil ehk valgusosakesel võib olla kaks „pöörlemise“ ehk spinni suuda: üles või alla. Tavalises vabas seisundis on kvantosake liitolekus ehk kahe spinnisuuna superpositsioonis: kui seda mõõta, siis pooltel juhtudel nähakse üles, pooltel alla suunatud spinniga footonit.

Niipea kui footoni spinni suunda mõõta, võtab footon kindla oleku, kas spinni suunaga üles või alla. Sellele reageerib teine osake. Kui esimese osakese spinn on suunatud alla, siis teise osakese spinn on suunatud üles. Nõnda saab ühe osakese olekut mõõtes teada, milline on teise, algselt põimunud osakese seisund, viibigu see osake kuitahes kaugel.

Põimumine.Graf.ML.orig

Ameerika kvantfüüsik New Yorgi Union Colledge’i professor Chad Orzel, kes on avaldanud raamatu „Kuidas õpetada kvantfüüsikat teie koerale“. Chad Orzel on toonud näite, mida kuulsin ta suust Stockholmi Ülikoolis 2014. aasta  augustis toimunud põhjamaade kvantfüüsika keskuses Nordita toimunud seminaril. Tema koer ja tema sõbra koer on sõbrad. Kui kaks koera on koos, siis nad võiksid olla neljas olekus: magab kas üks või teine, samas kui tine koer on ärkvel. Võis siis on nad mõlemad ärkvel ja mängivad või siis magavad koos. Tegelikkuses realiseerub vaid kaks võimalust: koerad kas mõlemad magavad või on mõlemad ärkvel. Nõnda piisa vaid ühe koera nägemisest, kui on teada, kas teine koer magab või on ärkvel.

Samal seminaril tõi Viini Ülikooli kvantteaduste ja -tehnika keskuse Aspelmeyeri rühma teadlane Rainer Kaltenbaeck oma loengus kvantpõimumise kohta mällusööbiva näite. Oletame, et pärast lennureisi rabate pagasilindilt oma kohvri ja tõttate kähku koju. Kodus avate kohvri ja näete, et see ei olegi teie oma: asjad selle sees on hoopis teistsugused. Sellest teate te hoobilt, mis on kellegi teise kaasreisija käes olevas teile kuuluvas kohvris. Info kahe kohvri seisundi kohta on põimunud, kui kaugel need kohvrid ka üksteisest ei asuks.

Milleks kasutada kvantpõimumist

Viini koolkonna värvikamaks juhiks on Viini Ülikooli professor Anton Zeilinger, kelle rühmal muude oluliste katsete seas õnnestus korduvalt mõõta kahe teineteisest 144 kilomeetri kaugusel asuva footoni kvantpõimumine kahe Kanaari saare vahel. „Meil on eksperimendi tulemused, milles keegi ei kahtle,“ kinnitas Zeilinger, kui ma 2007. aastal Viini Ülikoolis tema laboratooriumit külastasin. „Esineb korrelatsioon kahe kuni 144 kilomeetri kaugusel oleva punkti vahel. See tähendab, et otsustus, mida tehakse ühes otsas mõjutab teist otsa silmapilkselt. See on jälgitud tõsiasi. Teine asi on tõlgendamine.“

Praegu igatahes tõlgendatakse kvantosakeste põimumist nõnda: kvantmaailm ei ole lokaalne, nagu on makromaailm, vaid mittelokaalne. See tähendab, et kui meie oleme harjunud maailmaga, kus saame mõõta, kui kaugel on meie ees sõitev auto ja millise kiirusega see sõidab, kuni me seda autot näeme – see tähendab, et saame teha kohalikke ehk lokaalseid mõõtmisi, siis kvantmehaanika mittekohalik ehk „mittelokaalne“ ses mõttes, et väga suure kaugusega eraldatud paikades tehtud mõõtmised võivad üksteist mõjutada.

Muidugi ei meeldinud see idee Einsteinile, kes leiutas oma mõttelise eksperimendiga nn „varjatud muutujad“, mis on meie eest osakesse peitunud, ent teevad kvantmaailma inimesele mõistetavaks. Kuid kõik edukad katsed on tõestanud, et kvantmehaanika ei ole klassikaliselt mõistetav – see on mittelokaalne.

Kuid silmapilkne mõju on ju vastuolus üldrelatiivsusteooriaga ja valguse kiiruse lõplikkusega.

See tundub olevat vastuolus. Kuid tegelikult ei saa te ikkagi saata sõnumit valgusest kiiremini. Te saate vaid mõõta lokaalset süsteemi. Te saate küsida näiteks piljardipallilt, kas ta on siin või seal. Kuid ei saa sellele ette kirjutada kindlat vastust. Seepärast räägitakse kvantmehaanika ja relatiivsusteooria rahumeelsest kooseksisteerimisest.

„Meie tegutseme uudse kvantinformatsiooniteaduse alal, mis viib kokku kvantfüüsika, arvutiteaduse ja infotehnoloogiad,“ selgitab Stokholmi Ülikooli füüsikaosakonna professor Mohamed Bourennane, kes uurib footonite põimumist laborilaual. See teadus kasutab erinevaid kvantprintsiipe nagu kvantpõimumine ja superpositsioon, et lahendada infotöötlemist arvutamisel ja andmesidel. Teisisõnu – kvantarvutite loomisel ja teadete salakodeerimisel ehk kvantkrüptograafias. See on ka põhjus, miks kvantpõimumine on meile oluliselt tähtis, kui oleme juba kord digitaalse maailma poole oma seadmetega pöördunud. Uus teadusharu kvantbioloogia püüab leida, kas kvantpõimumine võib esineda ka suuremates elussüsteemide. Näiteks inimese ajus.

Kusagil valemite sees on peidus piir, mis eraldab meile tuntud suur maailma tillukesest maailmast. Ja see piir ei ole niigi terav nagu näiteks piir Eesti ja Läti vahel. Makromaailmas ei kehti omaenese seadused, see on vaid meie jaoks mugav lähendus maailmast, mis on igas mõõtmes kvantmaailm.

Väga nutikas. Kvantmehaanikat võib interpreteerida võibolla 1001 viisil. Me võime ehitada maailma üles stringi teooriast lähtuvalt, kuid see viis võib osutuda keerulisemaks kui olemasolevad teooriad. Kas siis Ockhami habemenoa printsiip, mis nõuab võimalikult lihtsat seletust, kvantmehaanikas ei kehti?

Tundub, et selle printsiibi rakendamine teaduses on küllalt edukas. Teeme seadused nii lihtsad kui võimalik, mida me peame ka ilusaks. Seletada maailma võimalikult vähese arvu sümbolitega. Kuid keegi ei tea, kas see printsiip kehtib alati. Mina arvan, et peame sellest siiski kinni pidama ja Kopenhaageni tõlgendus on kõige lihtsam. Kuid selgust toob tulevik, mil selgub ühe või teise teooria rakendatavuse võimalikkus. Küllap asendab mõni uus teooria ka kvantmehaanikat.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Telli Teadus.ee uudiskiri