Teoreettisen fysiikan lyhyt historia

Tomorrow people, if you don't know your past you don't know your future.
Ziggy Marley and the Melody Makers, Virgin, 1987.

Mikään ei ole vaikeampaa kuin tulevaisuuden ennustaminen,
ellei sitten menneisyyden rekonstruktio.

Historiallinen tausta.

Modernin fysiikan perusteoriat, avaruuden ja ajan, sekä aineen teoriat, syntyivät 1900-luvun alkupuolen johtavien teoreetikkojen ja matemaatikkojen yhteistyönä. Erikoinen ja yleinen suhteellisuusteoria syntyivät Albert Einsteinin töissä vuosina 1905-1916 ja kvanttimekaniikan käsitteellinen ja matemaattinen rakenne hahmottuivat Niels Bohrin, Max Bornin, Luis de Broglien, Paul Diracin, Werner Heisenbergin, Pascual Jordanin, Wolfgang Paulin, Erwin Schrödingerin, ja John von Neumannin tutkimuksissa vuosina 1922-1932. Nämä teoriat merkitsivät fysiikan ilmiöiden kuvauksen peruuttamatonta käsitteellistä ja matemaattista monimutkaistumista. Fysiikan metodologinen pohja laajeni ja fysiikan kehitys kytkeytyi entistä vahvemmin matematiikan kehitykseen, asettaen suuria haasteita fysiikan tutkimukselle ja opetukselle. Fyysikkokuntaan syntyi kokeelliseen tutkimukseen erikoistuneiden yleisfyysikoiden rinnalle fysiikan teorioiden kehitystyöhön sekä uusien teorioiden monimuotoisiin sovelluksiin keskittyviä fyysikoita, matemaattisen ja teoreettisen fysiikan tutkijoita.

Fysiikan opetus käynnistyi Turun Yliopistossa heti ensimmäisenä lukukautena 1922. Fysiikan laitos toimi Yliopiston päärakennuksessa hotelli Phoenix'n talossa Yliopistonkatu 21:ssä. Uudestakaupungista saaduilla lahjoitusvaroilla perustettuun fysiikan professorin virkaan nimitettiin 1924 FT Yrjö Väisälä. Väisälä ryhtyi heti opettamaan myös tähtitiedettä, ja vuodesta 1927 hän hoiti sivutoimisesti myös tähtitieteen professuuria. Fysiikkaan saatiin toinen professuuri vasta 1949 ja siihen nimitettiin dosentti Martti Kantola. Väisälän tultua nimitetyksi Suomen Akatemian jäseneksi 1951 hän erosi fysiikan professorin virastaan, ja virkaa hoitivat professori Kantola ja dosentti Kalervo Laurikainen, kunnes virkaan nimitettiin 1953 dosentti Väinö Hovi. Opiskelijoita Yliopistossa oli tuolloin 575, joista matemaattis-luonnontieteellisessä tiedekunnassa opiskeli 194. Sekä Väinö Hovi että Martti Kantola olivat kokeellisen fysiikan edustajia.

Alun aikaa.

Teoreettisen fysiikan ensimmäinen edustaja Turun Yliopistossa oli Kalervo Laurikainen (1916-1997), joka nimitettiin Yliopiston teoreettisen fysiikan dosentiksi vuonna 1952. Edellisenä lukuvuotena Laurikainen oli jo käynnistänyt teoreettisen fysiikan opetuksen luennoimalla kurssit Johdatusta uuden fysiikan ajatusmaailmaan (sl 1951) ja Valittuja kohtia kvanttimekaniikasta ja suhteellisuusteoriasta (kl 1952). Laurikainen opetti teoreettista fysiikkaa Turun Yliopistossa kymmenisen vuotta, kurssin Tensorilaskua ja suhteellisuusteoriaa (sl 1961) jäädessä hänen viimeiseksi luentosarjakseen Turussa.

Kalervo Laurikaisen henkilökohtainen panos teoreettisen fysiikan opetuksen järjestämisessä ja käynnistämisessä Turussa ja koko Suomessa on ollut poikkeuksellisen suuri. Hänen Arkhimedes aikakauskirjassa (1952, No 2, ss 39-47) ja Turun Ylioppilaslehdessä (1952, No 6-7, ss 34-35, 79) julkaistut artikkelinsa olivat vahvoja puheenvuoroja teoreettisen fysiikan aseman parantamiseksi ja nostamiseksi kansainvälistä tasoa vastaavaksi. Laurikaisen keräämien tilastotietojen valossa "teoreettisen fysiikan ja yleisen fysiikan edustajien normaalina pidettävä suhde on suunilleen 2:3", kun se Suomen yliopistoissa oli kl 1952 1:9 (Arkhimedes, 1952). Työtä oli siis tehtävä hartiavoimin ja sitä Laurikainen tekikin vaivojaan säästämättä. Laurikaisen tutkimustyö kuului teoreettisen ydinfysiikan alaan, jossa hän tutki mm. deuteronin ongelmaa.

Teoreettisen fysiikan asema Turun Yliopistossa sai pientä vahvistusta 1958 kun Fysiikan laitokseen perustettiin viides assistentin toimi, opetusalana teoreettinen fysiikka (JS 110/1958). Viran ensimmäisenä hoitajana toimi FK Seija Lyytikäinen. Yliopisto oli jo tällöin muuttanut Vesilinnanmäelle, nykyiselle Yliopistonmäelle, ja Fysiikan laitos sijaitsi 1954 valmistuneessa Fysiikan ja Kemian laitosrakennuksessa.

Kasvun aika.

Marraskuun 1. päivästä 1960 lukien Turun Yliopistoon perustettiin teoreettisen fysiikan varsinainen professorin virka (JS 138/1960). Virka perustettiin Emil Aaltosen säätiön myöntämien varojen turvin ja se sijoitettiin Yliopiston Fysiikan laitokselle. Yliopiston ja tiedekunnan opiskelijamäärät olivat tuolloin 3180 ja 814.

Teoreettisen fysiikan professorin virkaa hakivat sen ensimmäisessä täytössä TeT Olavi Hellman ja Helsingin yliopiston ydinfysiikan professoriksi siirtynyt dosentti Kalervo Laurikainen. He hoitivat yhdessä avointa virkaa jakaen siihen kuuluvat tehtävät puoliksi. Vt. professorien ensimmäiset luentosarjat olivat Modernin fysiikan alkeita (Laurikainen, kl 1961) ja Kvanttimekaniikan peruskurssi (Hellman, sl 1962). Virantäyttö raukesi Laurikaisen ilmoitettua, että hän ei voi saapua pitämään koeluentoa, ja Hellmannin peruttua hakemuksensa tultuaan nimitetyksi Turun Yliopiston matematiikan professoriksi. Tämän jälkeen tiedekunta päätti tunnustella, olisiko Kalifornian yliopiston (Berkeley) apulaisprofessori E. Wichman suostuvainen tulemaan kutsutuksi teoreettisen fysiikan professorin virkaan. Wichmanin kieltäydyttyä virka päätettiin julistaa uudelleen haettavaksi.

Tällä välin teoreettisen fysiikan asema oli merkittävästi vahvistunut. Tiedekunta oli kokouksessaan 12/61 (4.5.1961) päättänyt erottaa teoreettisen fysiikan itsenäiseksi tutkintoaineeksi ja perustaa tiedekuntaan teoreettisen fysiikan laitoksen. Laitos sai käyttöönsä "kolme fysiikan laitoksen huonetta kalustoineen, Madas-sähkölaskukoneen sekä VOSS ST 32-kirjoituskoneen".

Täyttämättä jäänyt professorin virka julistettiin haettavaksi 18.11.1961. Sen ainoana hakijana oli nyt dosentti Yrjö Ahmavaara (s. 1929). Dosentti Ahmavaaran tieteellisen pätevyyden arvioinnin suorittivat professorit R. Niini (Helsingin yliopisto) ja H. Lehman (Universität Hamburg), ja hänet nimitettiin tähän virkaan 26.9.1963. Yrjö Ahmavaaran ensimmäisen lukuvuoden 1963-1964 opetusohjelma koostui luentosarjoista Kvanttiteorian matemaattisista probleemoista (sl 1963) ja Abstraktia kvanttiteoriaa (kl 1964).

Yrjö Ahmavaara oli matemaattisen fysiikan tutkija ja hän julkaisi useita tutkimuksia relativistisen kvanttiteorian alalta. Aikakauskirjassa Journal of Mathematical Physics (1965-66) ilmestynyt artikkelisarja "The structure of space and the formalism of relativistic quantum theory I-IV" on hyvä esimerkki tästä. Professori Ahmavaaran kausi Turun Yliopistossa jäi kuitenkin lyhyeksi. Hän oli tutkimustyön takia runsaasti virkavapaalla ja hän erosi virastaan 1.9.1967. Ahmavaara hoiti Helsingin yliopiston käytännöllisen filosofian professuuria vuosina 1968-70 ja hänet nimitettiin Tampereen yliopiston matematiikan ja yhteiskuntatieteiden metodologian professoriksi 1971.

Yrjö Ahmavaaran erottua teoreettisen fysiikan professorin virka julistettiin kolmannen kerran haettavaksi ja sitä haki nyt jo 6 henkilöä: dosentti Eero Byckling, dosentti Keijo Kajantie, FL Alpo Kallio, dosentti Kaarle Kurki-Suonio, apul. prof. Kauko Mansikka, ja tekn. lis. (väit.) Nils Törnqvist. Asiantuntijoina viran täytössä käytettiin professoreita Stig Lundqvist (Göteborg), Sydney Meshkov (Washington), ja Jiro Yamashita (Tokio). Professori Lundqvist asetti dosentti Bycklingin, professori Meshkov dosentti Kajantien, ja professori Yamashita apulaisprofessori Mansikan etusijalla virkaan. Tiedekuntaneuvosto päätyi valinnassaan Kauko Mansikkaan, joka nimitettiinkin tähän virkaan 20.11.1969. Teoreettisen fysiikan laitos oli juuri saanut uudet toimitilat vastavalmistuneesta Luonnontieteidentalo II:sta. Mansikan ensimmäiset luentosarjat Turun Yliopiston teoreettisen fysiikan varsinaisena professorina olivat Kvanttimekaniikan fysikaaliset sovellutukset sekä Kvanttimekaniikan johdatuskurssi.

Kauko Mansikka (1932-1996) oli yhtämittaisesti virassaan aina eläkkeelle siirtymiseensä asti 31.12.1995, lukuunottamatta vuotta 1974, jolloin hän nautti varttuneen tieteenharjoittajan apurahaa. Turun Yliopiston valtiollistamisen yhteydessä 31.7.1974 virka muutettiin Turun yliopiston teoreettisen fysiikan professorin viraksi.

Professori Mansikan kauden alussa teoreettinen fysiikka sai ensin lehtorin viran (JS 324/1970) ja sitten apulaisprofessorin viran (JS 382/1972). Näiden opettajaresurssien ja 70-luvun alkupuolella käytössä olleiden tuntiopetusmäärärahojen turvin teoreettisen fysiikan arvosanaopetus approbaturista laudaturiin ja lisensiaattioppimäärään saatiin täysipainoisesti käyntiin. Teoreettisen fysiikan pääaineopiskelijoita oli tuolloin alun toistakymmentä ja sivuaineopiskelijoita likimain kaksinkertainen määrä. Yliopiston ja tiedekunnan kokonaisopiskelijamäärät olivat samaan aikaan 7615 ja 1970.

Kauko Mansikan tieteellinen työ kohdistui atomien ja kiinteiden aineiden teoreettiseen tutkimukseen. Uppsalan yliopistossa lukuvuonna 1962-63 vietetty aika suuntasi sen kvanttimekaanisiin tarkasteluihin ja tietokonelaskuihin. Hänen merkittävimmät tutkimuksensa käsittelivät eräiden ionikiteiden ja metallien elektronisia ominaisuuksia. Näissä tarkasteltiin koheesioenergiaa, kimmo-ominaisuuksia, elektronijakaumia ja sirontatekijöitä, Compton-profiileja sekä magneettisia että pintaominaisuuksia. Viimeisinä vuosinaan Mansikan tutkimustyö suuntautui metalli- ja puolijohdeseosten ominaisuuksien tutkimiseen moderneilla laskennallisilla menetelmillä. Kauko Mansikka ohjasi omalta erikoisalaltaan lukuisia opinnäytetöitä, ja oman oppiaineensa opetuksen lisäksi hänella oli tärkeä osuus laajemminkin fyysikkojen jatkokoulutuksessa.

Komiteoiden, mietintöjen, ja neuvostojen aikaa.

1960-luvulla tapahtunut yliopistojen voimakas kasvu ja yhteiskunnan demokratisoituminen johtivat 1970-luvulla myös Turun Yliopistossa suuriin muutoksiin. Pariisin opiskelijamellakat kesällä 1968 ja ns. Vanhan valtaus Helsingissä saman vuoden lokakuussa olivat ajan merkkejä uusista tuulista. 60-luvun lopun ja 70-luvun alun yliopistojen hallintoa ja opetusta koskevat lukuisat komitea- ym. mietinnöt olivat konkreettisempi osoitus yliopistomaailman tulevista muutoksista. Turun Yliopiston valtiollistamisen 31.8.1974 jälkeen Turun yliopistossa 1.1.1975 toteutettu mies-ja ääni periaatteelle pohjautuvat hallinnonuudistus sekä sen jälkeen läpi runnattu tutkinnonuudistus kulminoivat nämä muutokset.

Teoreettisen fysiikan laitoksen kannalta nämä ns. uudistukset merkitsivät melkoista takapakkia. Laitos sulautettiin vuoden 1975 alussa toimintansa aloittaneeseen Fysikaalisten tieteiden laitokseen, johon sisällytettiin fysiikan laitos, materiaalitieteen laitos, teoreettisen fysiikan laitos, tähtitieteen laitos, sekä Wihurin fysiikan tutkimuslaitos ja Tuorlan observatorio. Kolmikantaperiaatteelle rakennettu professorien, ns. keskiryhmän, ja opiskelijoiden muodostama 12-jäseninen laitosneuvosto ryhtyi johtamaan laitoksen toimintaa. Pitkät ja myrskyisät laitosneuvostokokoukset hallitsivat laitoksen toimintaa; näytti siltä, että hallinto oli saanut ylivallan muusta toiminnasta.

Tutkinnonuudistuksessa arvosanapohjaiset tutkinnot korvattiin 160 opintoviikon tutkinnoilla, joissa aiemmat approbatur, cum laude approbatur, ja laudatur -arvosanat pilkottiin 1-6 opintoviikon mittaisiksi opintokokonaisuuksiksi. Uudistus käynnistyi syyslukukaudella 1980. Teoreettisesta fysiikasta tuli tällöin fysikaalisten tieteiden koulutusohjelman tietyistä opintoviikoista koostuva suuntautumisvaihtoehto. Tilanne huononi entisestään sl 1988, jolloin teoreettisen fysiikan suuntautumisvaihtoehto poistettiin ja teoreettinen fysiikka sisällytettiin fysiikan suuntautumisvaihtoehdon yhdeksi linjaksi. Nämä muutokset merkitsivät oppiaineen identiteetin hämärtymistä ja ne johtivat sivuaineopiskelijoiden määrän putoamiseen. Tästä taas seurasi suuria vaikeuksia teoreettisen fysiikan täysipainoisen opetuksen järjestämiselle. Pääaineopiskelijoiden lukumäärään muutos ei kuitenkaan suuremmin vaikuttanut (20/1974; 17/1980; 19/1990; 19/1998).

Hallinnon- ja tutkinnonuudistusten varjossa teoreettisen fysiikan tutkimus laajeni vähitellen hiukkasfysiikkaan, epälineaaristen ilmiöiden fysiikkaan, kvanttimekaniikan matemaattisiin perusteisiin, ja kiinteän olomuodon tutkimus alkoi tietokonetekniikan edistyessä painottua yhä enemmän laskennalliseen fysiikkaan.

Tulosvastuun aika.

Berliinin muurin murtumiseen johtanut Euroopan raju mullistus vuonna 1989 loi hetkellisen illuusion ideologisten kiistojen päättymisestä, mahdollistaen ajatuksen - yliopistomme tunnuslauseen mukaisesti - tieteen ennakkoluulottomasta, avoimesta, ideologioista vapaasta kehityksestä. Länsimaisen liberaalidemokratian murskavoitto muista talous-poliittis-ideologisista järjestelmistä toi kuitenkin mukanaan rajun talousuudistuksen tulosvastuuideologioineen. Uudistuksen seurauksena yliopistollisista tutkinnoista on tullut tuotteita, joista käydään kauppaa: nopeasti ja paljon tutkintoja tuottava laitos on tehokas.

90-luvun alkuun tultaessa suuri Fysikaalisten tieteiden laitos oli aikansa elänyt. Vuoden 1991 alusta lukien tiedekuntaan muodostettiin fysiikan ja sovelletun fysiikan laitokset. Teoreettisesta fysiikasta tuli tällöin fysiikan laitoksen laboratorio. Rehtorin päätöksellä 153/41/93 teoreettisen fysiikan apulaisprofessorin virka siirrettiin hallinnollisesti sovelletun fysiikan laitokselle. Tämä päätös on voimassa niin kauan kuin virassa on sen nykyinen haltija. Fysiikan ja sovelletun fysiikan laitoksilla on yhteinen koulutusohjelma, fysikaalisten tieteiden koulutusohjelma. Syyslukukaudesta 1996 alkaen koulutusohjelman suuntautumisvaihtoehdot on korvattu oppiaineiden mukaisilla linjoilla, jolloin teoreettisen fysiikan opetus on taas järjestetty koulutusohjelman omaksi linjaksi. Tämä on antanut mahdollisuuden teoreettisen fysiikan opetuksen uudelle profiloitumiselle.

Professori Mansikan jäätyä eläkkeelle 31.12.1995 häneltä vapautunutta virkaa ei heti voitu julistaa haettavaksi. Erilaiset säästöbudjetit ja sopeuttamistoimet jarruttivat avointen virkojen täyttämisiä koko yliopistossa hankaloittaen monin tavoin mm. opetuksen järjestämistä. Virka saatiin kuitenkin hakuun marraskuussa 1996, jolloin sitä haki 31 hakijaa. Hakijoiden tieteellisen pätevyyden arvioivat professorit Lars Brink (Göteborg), David Ceperley (Urbana-Champaign, Illinois), Allan Fordy (Leeds), ja Asher Peres (Haifa). Yhteislausunnossaan asiantuntijat asettivat etusijalle dosentti Jarmo Hietarinnan (s. 1946), joka nimitettiin tähän virkaan 1.9.1998 lukien. Hänen ensimmäinen luentosarjansa tässä virassa olivat Teoreettinen mekaniikka ja Epälineaariset ilmiöt/aikasarjojen analyysi.

Uuden vuosituhannen kynnyksellä.

Professori Hietarinnan kausi on nyt aluillaan. Teoreettisen fysiikan laboratoriossa työskentelee neljä tutkimusryhmää teoreettisen fysiikan keskeisillä aloilla. On ilmeistä, että Jarmo Hietarinnan oman tutkimusalan, epälineaaristen ilmiöiden fysiikan painoarvo tulee vahvistumaan. Opetuksessa teoreettinen fysiikka pyrkii edelleen selkeyttämään tutkintolinjaansa samalla kun koko koulutusohjelmaa pyritään tehostamaan. Tulevaisuuden ennustaminen on vaikeaa: nähtäväksi jää miten teoreettinen fysiikka perustutkimukseen suuntautuneena tieteenalana tulee pärjäämään tässä lyhyen aikavälin hyötynäkökulmaa painottavassa tulosvastuun ideologian maailmassa.

Heinäkuussa 1999
Pekka Lahti