Ensimmäiseksi haluan tietenkin kiittää siitä, että tieteellinen työni on tänään saanut näin arvokkaan tunnustuksen. Se lämmitti kovasti mieltäni. Nuorena miehenä tutustuin merenkulkuneuvos Antti Wihuriin toimiessani professori Väinö Hovin assistenttina Turun yliopistossa. Ensimmäinen suuri urakkani oli osallistuminen Wihurin rahaston Turun yliopistolle lahjoittaman heliumnesteyttimen asennustöihin. Tämä diakuva (1) on nesteyttimen vihkimistilaisuudesta Wihurin fysiikantutkimuslaitoksessa kesäkuussa -57. Neljän kelvinin eli 269 celsiusasteen pakkanen saavutettiin tällöin Suomessa ensimmäistä kertaa.
Vuonna -65 tulin professoriksi Teknilliseen korkeakouluun. Nykyiset akateemikot Erkki Laurila ja Pekka Jauho olivat muokanneet teknillisen fysiikan osaston maaperän tieteellistä tutkimustyötä suosivaksi. TKK:n kylmälaboratoriossa käytettävissäni on jatkuvasti ollut maamme paras oppilasaines. Korkeakoulun kaikki rehtorit ovat myös suhtautuneet pyrkimyksiini erittäin myönteisesti. Vaikka Teknillinen korkeakoulu onkin ollut tieteellinen kotini jo lähes kolmenkymmenen vuoden ajan, Suomen Akatemian merkitys tutkimustyöni tukijana on yhtä tärkeä. Koko sen, pian neljännesvuosisadan pituisen ajan, jonka olen toiminut tutkijaprofessorina, Suomen Akatemian keskusjohto ja Akatemian luonnontieteellinen toimikunta ovat kiitettävästi tukeneet minua ja tutkimusryhmiäni.
Kylmälaboratoriossa on alusta alkaen erikoistuttu ultramatalien lämpötilojen fysiikkaan. Neuromagneettinen aivotutkimus aloitettiin vuonna -82. Uusien laitteiden kehittäminen on jatkuvasti ollut tärkeällä sijalla laboratorion tutkimusohjelmassa. Seuraava dia (2) antaa yleiskuvan kylmälaboratorion kryokeskuksesta. Varsinaiset koelaitteet sijaitsevat näissä sähköisiltä häiriöiltä suojatuissa huoneissa.
Matalien lämpötilojen fysiikka sopii varsin hyvin Suomen kaltaiselle pienelle, mutta vauraalle maalle. Ala on yksi modernin fysiikan kiintoisimmista. Kylmäfysiikka edustaa määrällisesti pientä mutta tärkeää perustutkimuksen aluetta, jolla olemme pystyneet saavuttamaan maailmanlaajuisesti näkyvän aseman.
Seuraava kuva (3) esittää yhtä kylmälaboratorion suurista jäähdytyslaitteista. Isoja kryostaatteja laboratoriossa on kolme. Lisäksi yksi Otaniemessä rakennettu koelaite on käytössä Berliinissä suomalais-saksalais-tanskalaisessa yhteisprojektissa. CERNin tutkimuskeskukseen Geneveen olemme niinikään rakentaneet tehokkaan jäähdytyskoneen. Ultramatalien lämpötilojen saavuttaminen ja mittaaminen vaativat luonnollisesti pitkälle kehitettyä tekniikkaa. Monia jäähdytysvaiheita on käytettävä peräkkäin. Keskellä näkyy diluutiokone, jonka avulla päästään yhden sadasosa-asteen päähän absoluuttisesta nollapisteestä. Lopullinen jäähdytys tapahtuu menetelmällä, jota kutsutaan adiabaattiseksi ydindemagnetoinniksi. Oleellinen osa on alhaalla näkyvä kuparikappale, jonka atomien ytimiä manipuloidaan voimakkaalla magneettikentällä. Kun kenttä poistetaan, ytimet jäähtyvät.
Seuraava kuva (4) esittää samaa laitetta mittausten aikana, jolloin kryostaatti on suljettu suuren, nestemäistä heliumia sisältävän termospullon, ns. dewarin sisään. Kylmälaboratorion ultramatalien lämpötilojen fysiikan ja neuromagnetismin tutkijaryhmät ovat kansainvälisen mittapuun mukaan suuria yksiköitä, joten kriittinen koko on saavutettu laboratorion molemmilla päätutkimusalueilla. Tieteellinen ohjelmamme on huolella harkittu. Emme tutki niitä näitä! Opetusministeriö valitsi viime keväänä kylmälaboratorion yhdeksi tutkimuksen huippuyksiköksi maassamme.
Ultramatalien lämpötilojen tutkimuksen päämääränä on selvittää nesteiden ja kiinteiden aineiden käyttäytymistä lähellä absoluuttista nollapistettä, jolloin lämpöliikkeen häiritsevä vaikutus saadaan eliminoiduksi ja atomien ja niiden ytimien välisiä voimia voidaan tutkia ideaalisissa olosuhteissa. Kyseessä on perustutkimus, jonka avulla selvitetään luonnon syvimpiä salaisuuksia. Lähellä nollapistettä tapahtuu mielenkiintoisia asioita. Monet metallit muuttuvat suprajohteiksi ja eräät nesteet suprajuokseviksi.
Suuren yleisön keskuudessa kylmälaboratorio lienee parhaiten tunnettu kylmyyden maailmanennätyksistä, joita olemme tehneet tasaiseen tahtiin. Ennätysten tavoittelu ei kuitenkaan ole työmme tarkoitus. Matalimmat lämpötilat on saavutettu kylmälaboratorion YKI-ryhmässä, joka on toiminut lähes 20 vuotta ja jonka nykyiset seniorijäsenet on mainittu seuraavassa diassa (5). Tutkimustyön varsinaisena aiheena on atomiytimien spontaani järjestyminen ultramatalissa lämpötiloissa. Lämpö on aineen pienimpien rakenneosasten, atomien ja molekyylien värähtelyä. Mitä vilkkaampaa tämä liike on, sitä kuumempaa. Kun mennään alaspäin, atomien liike vähitellen vaimenee. Mitä kovempi pakkanen, sitä hitaampaa on värähtely. Lopuksi lämpöliike kokonaan lakkaa. Tämä tapahtuu absoluuttisessa nollapisteessä, jossa pakkasta on Celsiuksen asteikon mukaan 273 astetta. Fyysikoiden ja varsinkin kylmäfysiikan tutkijoiden käyttämä Kelvinin asteikko alkaa absoluuttisesta nollapisteestä, joten kelvinlämpötilat ilmoittavat suoraan, kuinka kaukana ollaan nollapisteestä.
Viimeinen maailmanennätys tehtiin Otaniemessä puolitoista vuotta sitten, kun rodiummetallin atomien ytimet jäähdytettiin 280:n biljoonasosa-asteen päähän absoluuttisesta nollapisteestä eli 280 picokelvinin pakkaseen. Ennätyskylmän saavuttamiseksi käytimme koelaitetta, jossa kaksi ydinjäähdytysastetta toimi peräkkäin. Rakenteilla olevaan uuteen kryostaattiimme voidaan tarvittaessa sijoittaa kolmekin ydinastetta. Lämpöopin kolmannen pääsäännön mukaan absoluuttista nollapistettä ei koskaan voida saavuttaa. Olemme kuitenkin päässeet nollapisteen toiselle, negatiiviselle puolelle. Tavallisista positiivisista kelvinlämpötiloista ei mennä negatiivisiin lämpötiloihin absoluuttisen nollapisteen kautta, minkä kolmas pääsääntö kieltää, vaan tavallaan hyppäämällä nollapisteen yli äärettömän korkealta. Nämä hopea- ja rodiumnäytteillä suoritetut kokeet on tehty dosentti Pertti Hakosen johdolla.
Seuraavan dian (6) avulla yritän selittää, mitä negatiivisilla lämpötiloilla tarkoitetaan ja miten ne saavutetaan. Kuva esittää hopea-atomien ytimiä ulkoisessa magneettikentässä. Ytimiä voidaan pitää pieninä magneetteina, joiden suuntaa nuoli kuvaa. Kvanttimekaniikan mukaan hopeaytimillä on kaksi mahdollista energiatilaa. Alemmalla tasolla ytimet ovat ulkoisen magneettikentän suuntaisia osoittaen ylöspäin, ylemmällä tasolla ne ovat kenttään nähden vastakkaissuuntaisia osoittaen alaspäin. Ytimien suhteellinen lukumäärä eri tasoilla riippuu lämpötilasta ns. Boltzmanin lain mukaan. Tavallisissa lämpötiloissa alemmalla tasolla on aina enemmän ytimiä kuin ylemmällä. Kuva esittää tilannetta, jossa lämpötila on noin 10 nanokelviniä.
Negatiivisiin lämpötiloihin päästään kääntämällä magneettikenttä hyvin nopeasti, noin yhdessä millisekunnissa, vastakkaiseen suuntaan. Kentän käännöksen aikana ytimet eivät ennätä reagoida ja lopputulos on se, että aikaisemmin alemmalla tasolla olleet ytimet ovat kenttään nähden vastakkaissuuntaisia ja ylemmän tason ytimet samansuuntaisia. Alempi ja ylempi energiataso ovat siis vaihtaneet paikkaa, ja nyt ylemmällä tasolla on enemmän ytimiä kuin alemmalla. Boltzmanin lain mukaan tämä vastaa negatiivista kelvinlämpötilaa.
Kentän nopea kääntäminen on siis muuttanut hopean atomiytimien muodostaman systeemin lämpötilan positiivisesta negatiiviseksi. Temppu onnistuu vain, jos ytimien lämpötila ennen kentän kääntämistä on hyvin matala. Lopuksi ulkoinen magneettikenttä hitaasti poistetaan, jolloin ytimien lämpötila lähestyy absoluuttista nollapistettä negatiiviselta puolelta. Koska miltei kaikki ytimet ovat ylemmällä energiatasolla, negatiiviset lämpötilat itse asiassa ovat hyvin kuumia. Saavuttamamme tulos, - 750 biljoonasosa kelvinastetta, onkin siis kuumuuden maailmanennätys.
Mistä sitten tiedämme, että olemme tuottaneet negatiivisen ydinlämpötilan? Se näkyy resonanssitekniikalla suoritetuista mittauksista. Tässä menetelmässä atomiytimiä ikäänkuin kutitetaan sopivasti värähtelevällä heikolla magneettikentällä, jolloin pieni osa ytimistä resonanssin johdosta siirtyy energiatasolta toiselle. Kun alemmalla tasolla oleva ydin nousee ylemmälle, se absorboi energiaa. Tämä näkyy mittaustuloksesta selvästi. Jos ylemmällä energiatasolla oleva ydin siirtyy alemmalle, se luovuttaa energiaa, joka myös havaitaan. Kun systeemin lämpötila on positiivinen, ytimiä on alemmalla energiatasolla enemmän kuin ylemmällä. Kutittava kenttä siis aiheuttaa enemmän transitioita alhaalta ylös kuin ylhäältä alas, joten nettovaikutus on energian absorptio. Systeemin ollessa negatiivisessa lämpötilassa ytimiä on ylemmällä tasolla enemmän, joten seurauksena on energian emissio. Seuraava dia (7) esittää koetulosta, jossa hopean ytimien muodostaman systeemin magneettinen suskeptibiliteetti on kuvattu kutitustaajuuden funktiona. Suskeptibiliteetti mittaa energian emissiota tai absorptiota. Ja todellakin, sinisten pisteiden muodostama resonanssikäyrä, joka edustaa positiivista ydinlämpötilaa ja energian absorptiota, kaartaa ylöspäin, eri suuntaan kuin punaisten pisteiden määräämä käyrä, joka puolestaan osoittaa, että ytimet ovat luovuttaneet energiaa. Tulos todistaa yksiselitteisesti, että jälkimmäisessä tapauksessa hopeaytimien lämpötila on negatiivinen.
Seuraavassa kuvassa (8) hopean magneettisen suskeptibiliteetin käänteisarvo on esitetty lämpötilan funktiona miljardisosa-asteen luokkaa olevissa muutaman nanokelvinin lämpötiloissa. Punaisten pisteiden muodostama suora, joka jälleen edustaa kuumia negatiivisia lämpötiloja, leikkaa vaaka-akselin origon oikealla puolella, kun taas sinisen, positiivista lämpötilaa edustavan suoran leikkauspiste lankeaa origon vasemmalle puolelle. Tulos kertoo, yleisten magnetismia koskevien teorioiden mukaan, että kaikkein matalimmissa positiivisissa lämpötiloissa, kun ulkoinen magneettikenttä on poistettu, systeemi siirtyy antiferromagneettiseen tilaan, mikä tarkoittaa sitä, että vierekkäiset atomit osoittavat vastakkaisiin suuntiin. Negatiivisissa lämpötiloissa järjestystila on ferromagneettinen, eli kaikki atomit ovat keskenään samansuuntaisia.
Tämä havainto on näiden mittausten tärkein tieteellinen anti. Hopea-atomien ytimet, joiden väliset heikot voimat määräävät niiden keskinäisen asennon, järjestyvät antiferromagneettisesti tai ferromagneettisesti sen mukaan onko lämpötila positiivinen vaiko negatiivinen. Tulos osoittaa ensimmäisen kerran kiistatta, että negatiiviset lämpötilat ovat todellisia eivätkä matemaattinen kuriositeetti, kuten joskus on väitetty. Mutta ei väitetä enää!
Kylmälaboratorion ROTA-ryhmässä on yli kymmenen vuoden ajan intensiivisesti tutkittu aivan toisenlaista ultramatalien lämpötilojen systeemiä, nimittäin suprajuoksevaa 3He:a pyörimisliikkeessä. Vuosien mittaan kokeisiin ja teoreettiseen työhön on osallistunut monia tutkijoita ja opiskelijoita. Projektin tämänhetkiset seniorijäsenet on mainittu seuraavassa diassa (9). Venäläisten tiedemiesten panos on koko ajan ollut huomattava.
ROTA-projektin tutkijat ovat löytäneet 3He:sta ainakin kahdeksan erilaista virtauspyörrettä, viimeksi pyörivään astiaan syntyvän vorteksikalvon. Vaikka tulokset ovat tieteellisesti erittäin mielenkiintoisia mm. modernin kosmologian kannalta, en käsittele niitä tämän enempää. Havaintojen popularisointi on vaikeaa, enkä pysty siihen lyhyen esitelmän puitteissa.
Kylmälaboratorio osallistuu myös pienellä panoksella, dosentti Peter Berglundin johdolla, ns. Spin-Muon kollaboraatioon hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksessa CERNissä.
Ja nyt onkin sitten aika siirtyä aivotutkimukseen. Parin viime vuosikymmenen kuluessa erilaiset potilaille lähes vaarattomat aivojen kuvantamismenetelmät ovat suuresti kehittyneet. Tietokonetomografian ja magneettisen resonanssikuvauksen avulla elävistä ihmisaivoista saadaan kalloa avaamatta yksityiskohtaisia, joskin staattisia kuvia. Positroniemissiotomografian avulla taas voidaan paikantaa jonkin tehtävän, esimerkiksi lukemisen aikana aktivoituneet aivoalueet.
Kylmälaboratoriossa käytetty menetelmä, magnetoenkefalografia eli MEG antaa myös mahdollisuuden aktivoituneiden aivoalueiden löytämisen. Magnetoenkefalografialla on kuitenkin kaksi tärkeää lisäetua. Ensiksi, menetelmä on tutkittavalle henkilölle täysin vaaraton, eikä positroniemissiotomografiassa käytettäviä radioaktiivisia merkkiaineita tarvita. Toiseksi, MEG:n aikaresoluutio on millisekunnin luokkaa, joten informaation prosessointia aivoissa voidaan seurata. Tähän ei solujen metaboliaan perustuva positroniemissiotomografia pysty, sillä sen aikaresoluutio on parinkymmenen sekunnin luokkaa.
Kylmälaboratorion AIVOryhmän seniorijäsenet näkyvät seuraavasta diasta (10). Työtä johtaa Suomen Akatemian tutkijaprofessori Riitta Hari, kun taas itse olen ollut lähinnä vastuussa aivokartoittimien rakennustyöstä. Kun ihminen ajattelee, aivojen neuroniverkossa kulkee heikkoja sähköimpulsseja. Fysiikan lakien mukaan sähkövirta kehittää aina ympärilleen magneettikentän. Aivojen synnyttämät kentät ovat kallon ulkopuolella äärimmäisen heikkoja, vain noin miljardisosa maan magneettikentästä. Ne voidaan kuitenkin havaita käyttämällä ns. SQUIDejä, neljän kelvinin lämpötilassa toimivia ultraherkkiä antureita. Mittaukset on suoritettava magneettisilta häiriöiltä tarkoin suojatussa huoneessa.
Neuromagneettista aivotutkimusta kylmälaboratoriossa on tehty kahdentoista vuoden ajan. Aluki mittasimme yhdellä SQUIDillä. Tämä oli äärimmäisen vaivalloista, sillä laitetta piti siirtää peräkkäin moneen kohtaan kallon ulkopuolella. Vähitellen SQUIDien lukumäärää lisättiin ja rakensimme 4, 7, 24 ja kaksi vuotta sitten koko pään kattavan, 122 SQUIDiä käsittävän laitteen. Tämä viimeinen aivokartoitin valmistui SITRAn, Instrumentarium Oy:n ja IBM-yhtiön tuella yhteistyössä kylmälaboratoriossa toimineen Neuromag Oy:n kanssa.
Seuraava diakuva (11) esittää laitetta. Erikoisrakenteisen dewarastian pohjassa on tutkittavan henkilön päätä varten kypäränmuotoinen tila. 122 SQUIDiä on kiinnitetty nestemäistä heliumia sisältävän astian pohjaan, dewarin sisäpuolelle. Seuraava kuva (12) näyttää, miten koko laite on sijoitettu kylmälaboratorion magneettisesti suojattuun huoneeseen.
Neuromag-122 on tällä hetkellä paras aivokartoitin maailmassa. Kaupallisia versioita on tähän mennessä myyty viisi kappaletta: kolme Japaniin, yksi Yhdysvaltoihin ja yksi Helsingin yliopistolliseen keskussairaalaan. Yhden laitteen hinta on, suojahuone mukaan lukien, noin 12 milj. mk. Ulkomaiset kilpailijat kuitenkin hengittävät koko ajan niskaan, mutta kylmälaboratorio ja Neuromag Oy aikovat, SITRAn, TEKESin, VTT:n ja Instrumentarium Oy:n tukemina, pitää huolen siitä, että etumatkamme säilyy. Tyypillinen MEG mittaus suoritetaan siten, että koehenkilö kuuntelee esimerkiksi toistuvia äänen piipahduksia, ja aivojen synnyttämät magneettikentän vaihtelut kunkin piipahduksen jälkeen rekisteröidään 122:lla SQUIDillä koko kallon alueelta.
Seuraava dia (13) esittää tyypillistä koetulosta tietokonemonitorin kuvaputkella. Kallo on ylhäältä päin projisioitu tasolle, nenä osoittaa ylöspäin ja korvat ovat sivuilla. Käyrät esittävät magneettikentän aikariippuvuutta 122:sta eri kohdasta mitattuna. Kukin rekisteröinti on 0,4 sekunnin pituinen.
Noin 0,1:n sekunnin kuluttua äänimerkin jälkeen magneettikentässä tapahtuu voimakas heilahdus. Signaalit ovat erikoisen selviä molemmilla sivuilla, joissa ihmisen aivojen kuuloinformaatiota primaarisesti käsittelevät alueet sijaitsevat. Heilahdus on merkki siitä, että piipahdus on, 0,1 sekuntia ääniärsykkeen jälkeen, saapunut kuuloaivokuorelle analysoitavaksi. Koetulosten perusteella tietokone muutamassa sekunnissa laskee noin 5:n millimetrin tarkkuudella sen tai ne kohdat aivokuorella, jotka piipahdus on aktivoinut.
Seuraava kuva (14) esittää koejärjestelyä, kun tutkittava henkilö suorittaa nimeämistehtävää. Suojahuoneessa istuen hän katselee videomonitoria, jolle sekunnin välein projisioidaan tavallisten esineiden kuvia, esimerkiksi maljakko, tuoli, pöytä jne. Tutkittavan on mahdollisimman pian kuvan nähtyään lausuttava ääneen siinä olevan esineen nimi. MEG mittauksilla totesimme, että nimeämistehtävässä monet aivoalueet aktivoituvat peräkkäin. Tämä näkyy seuraavasta kuvasarjasta (15), joka esittää koehenkilön aivokuoren magneettikuvia ensin takaa, sitten vasemmalta ja oikealta sivulta ja lopuksi päältä. Aktivoituneet aivoalueet on merkitty värillisillä palloilla. Silmän verkkokalvolta signaali saapui ensin, 150 millisekuntia kuvan esittämisen jälkeen, keltaisella pallolla osoitettuun kohtaan primaarisella näköaivokuorella pään takaosassa. Seuraavien 200:n millisekunnin aikana signaaleja rekisteröitiin oranssinvärisillä palloilla merkityistä kohdista aivojen molemmilla puolilla olevilta kielialueilta, mm. puheen ymmärtämiseen erikoistuneesta Wernicken poimusta. Noin puoli sekuntia kuvan esittämisen jälkeen aktiviteettia mitattiin punaisilla palloilla merkityistä paikoista, mm. Brocan alueelta, jossa käskyt puhetta tuottaville elimille ohjelmoidaan. Wernicken ja Brocan alueet ovat oikeakätisellä henkilöllä aivojen vasemmalla puolella, mutta mittauksemme osoittivat, että vastaava kohta oikeassa aivopuoliskossa toimi samaan aikaan. Lopuksi aktivoitui puhe-elimille käskyjä antava, punaisella pallolla merkitty kohta suplementaarisella motorisella aivokuorella pään yläosassa. Puhe alkoi 700:n millisekunnin kuluttua kuvan esittämisestä, ja nimeämistapahtuman prosessointi aivoissa kesti kaikkiaan noin 800 millisekuntia. Teille kertomani tulkinta on luonnollisesti yksinkertaistettu versio nimeämiskokeiden tulosten analyysistä. Esitykseni antanee kuitenkin käsityksen siitä, miten magnetoenkefalografia tarjoaa oivallisen mahdollisuuden aivokuorella tapahtuvan informaation prosessoinnin seuraamiseen.
Aivojen anatomiasta ja fysiologiasta on pitkän ajan kuluessa kerätty runsaasti tietoa. Nyt alkaa ensimmäisen kerran olla mahdollisuuksia tutkia tieteellisesti, filosofisista spekulaatioista riippumatta, aivojen varsinaista päätehtävää, informaation käsittelyä. Tässä työssä magnetoenkefalografia tulee olemaan arvokas apuväline. Ja mikä voisikaan olla tärkeämpää kuin selvittää, miten ihmisaivot toimivat. Koko inhimillinen elämä riippuu aivoistamme.
Kylmälaboratoriolla on kaksi päätehtävää: Kansainvälisesti korkeatasoisen tieteellisen tutkimuksen suorittaminen ja nuorten ihmisten kouluttaminen. Laboratoriosta on tähän mennessä valmistunut yhteensä 51 tekniikan, lääketieteen, filosofian ja psykologian tohtoria. Erikoisen ylpeä olen siitä, että tohtorin tutkinnot on suoritettu yleensä nuorina. Viimeinen diakuvani (16) esittää kylmälaboratorion tohtoreiden lukumäärää heidän valmistumisikänsä funktiona. Mediaani on Suomen oloissa hyvin alhainen, vain 29 vuotta siitäkin huolimatta, että olemme kouluttaneet myös henkilöitä, jotka ovat tulleet yli 30 vuotiaina työelämästä tohtorin tutkintoa suorittamaan. Suomi painiskelee edelleen taloudellisen laman kourissa. Tieteellisen työn rahoitus on pienentynyt, mutta mielestäni ei katastrofaalisesti. Lamasta on myös ollut hyötyä ainakin sikäli, että korkeakoulut on pakotettu suuntaamaan resurssejaan yhä selvemmin niille tutkimusryhmille, joissa tehdään kansainvälisen mittapuun mukaan korkeatasoisinta työtä. Saneerausohjelmat on vihdoinkin saatu käyntiin. Rahaa ei enää myöskään tuhlata, ainakaan samassa määrin kuin ennen, uusiin rakennuksiin ja entisten tilojen laajennuksiin. Toistan jälleen vankan mielipiteeni: Tieteellinen työ menestyy parhaiten kohtuullisessa ahtaudessa!
Suomen tieteen pahin ongelma on kuitenkin edelleen pienimittainen näpertely. Olen yrittänyt pitää huolta siitä, että kylmälaboratoriossa ei näperrellä.
Kiitos!
