Kuidas sünnivad loodusteaduste vallas uued ideed ja teadmised? Milliseid võimalusi avab Eestile liikmestaatus Euroopa tuumauuringute organisatsioonis (CERN) ja mida see hiiglaslik teaduskeskus saab meilt vastu? Kas teadlastel õnnestub peagi universumi salapärase tumeaine olemus lahti muukida? Miks ei taha meie noored enam füüsikat õppida ja sel alal töötada?
Keemilise ja bioloogilise füüsika instituudi kõrge energia ja arvutusfüüsika laboratooriumi juhi Martti Raidaliga on vestelnud Horisondi peatoimetaja Ulvar Käärt.
Martti Raidal on sündinud 26. veebruaril 1968. aastal Paides. Kooliteed alustas 1975. aastal Türi keskkoolis, aastail 1983–1986 Nõo keskkooli (praegune Nõo reaalgümnaasium) õpilane. 1986–1992 füüsikaõpingud Tartu ülikoolis.1995. aastal kaitses Helsingi ülikoolis doktoritöö teoreetilise füüsika kohta. 1996–1997 järeldoktor Valencia ülikoolis, 1998–1999 Humboldti stipendiaat Hamburgis Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY-s, 2000–2001 järeldoktor California ülikoolis ja 2001–2003 Marie Curie stipendiaat Genfis CERNi-s.
2009–2012 Eesti teaduste akadeemia uurija-professor. 2010. aastal külalisprofessor Helsingi ülikoolis. 2011. aastal teadur CERN-i teooriaosakonnas. 2012–2017 Tartu ülikooli kõrge energia füüsika professor. 2012. aastast peale keemilise ja bioloogilise füüsika instituudis (KBFI), praegu juhtivteadur, juhib kõrge energia ja arvutusfüüsika laboratooriumi.
Juhendanud 23 järeldoktori tööd. Tema osalusel on valminud 1200 teaduspublikatsiooni, millest 1043 on kõrgeima taseme ehk 1.1-klassi artiklid. 2011. aastal valitud täppisteaduste alal Eesti teaduste akadeemia akadeemikuks.
Osaleb Euroopa kosmoseagentuuri LISA-programmi teaduskoostöös; Eesti CERN-i nõukogu, Eesti kosmoseteaduste komitee ja CERN-i suure hadronite põrguti eksperimendi CMS teadusnõukogu liige ning KBFI teadusnõukogu esimees.
Pälvinud 2005. ja 2021. aastal riigi teaduspreemia, 2013. aastal Tartu ülikooli aumärgi ja 2022. aastal Valgetähe III klassi teenetemärgi.
Käisid äsja Euroopa tuumauuringute keskuses CERN-is. Mida sa seal tegid?
Sel reisil osalesin CERN-i ühe põhieksperimendi CMS-iga (Compact Muon Solenoid ehk kompaktne müüonisolenoid, s.o suure hadronite põrguti üldotstarbeline osakestedetektor, et määrata kindlaks prootonite põrgetel tekkivaid seni tundmatuid osakesi jms – U. K.) seotud koosolekul. Meie teadlased võtavad sellest eksperimendist osa.
CERN tähistas hiljuti 70. aastapäeva. Eesti on selle organisatsiooni värske täisliige. Mida CERN saab meilt ja meie omakorda CERN-ilt?
Esimese koostöölepingu sõlmis Eesti CERN-iga aastal 1996 ning sellest alates on saanud meie teadlased selle töös osaleda. Oleme panustanud selle tegemistesse juba peaaegu 30 aastat. Kõik CERN-i eksperimendid on suured rahvusvahelised ettevõtmised. See pole sedalaadi üritus, et käime ja ostame seal oma uuringute jaoks osakestekiirendi kasutamise aega. Piltlikult öeldes on see võrreldav supiköögiga, kus liikmesriigid üheskoos süüa valmistavad. Lepitakse kokku, et näiteks mina toon kartulid, sina porgandid ja sakslased kui kõige rikkamad toova liha, ning siis hakataksegi suppi keetma. Meie oleme panustanud oma teadmisi ja energiat ning aidanud oma liikmemaksuga seda supikööki ülal hoida. See supiköök on tegutsenud niivõrd edukalt, et selle tööd on tunnustatud Nobeli preemiaga.
Mida me vastu saame? Niisuguse koostöö eest saame uusi teadmisi. Koostööd tuleb ju teha endast targemate, mitte rumalamatega. Sel moel osaleme kogu maailma mõistes tipptasemel teadustöös. Lisaks peab Eesti riik seaduse järgi hoolitsema CERN-i täisliikmena selle eest, et antud teadusvaldkond oleks meil jätkusuutlik.
Mil moel peaks jätkusuutlikkust tagama?
See tähendab kõike. Esmalt peab ülikoolides olema vastav õpe, et meil oleks selles vallas inimesi. Eesti kontekstis, kus teaduse rahastus on täielikult projektipõhine, peaks haridus- ja teadusministeerium vähemalt CERN-i tegevustega seotud valdkonna rahastamispoliitika üle vaatama. Samal moel pole enam võimalik jätkata, sest projektipõhise rahastamisega ei saa me panustada uute teadusaparaatide ehitusse ja ülalpidamisse ega suuda maksta ka CERN-i liikmemaksu.
Liikmemaks aitab ülal hoida ja ehitada kiirendeid. Selle eest saame saata CERN-i enda üliõpilasi, meie inimesed saavad kandideerida ka CERN-i töökohtadele. Näiteks praegu on CERN-is kaks Eesti tehnikaüliõpilast ja sealses IT-osakonnaski on tööl meie inimesi. Sama- moodi avab liikmemaks meie ettevõtetele ligipääsu kõikvõimalikele CERN-i hangetele, millega ostetakse näiteks teadusaparaate või kasvõi uut mööblit. CERN on ju oma 7000–8000 inimesega nagu terve linn või suur tehas, kus on kogu aeg midagi vaja. Niisuguste hangete kaudu tuleb sinna panustatud raha meile tagasi.
Aga uusi teadmisi, mida meie teadlased CERN-ist koju toovad, ei saa rahas mõõta.
CERN-ist on näiteks alguse saanud üleilmne veeb WWW. Kujutad sa ette, mis oleks siis, kui selle lahendusega oleks välja tulnud Google ning kui palju tuleks meil praegu iga guugeldamise eest sellele firmale maksta? Seepärast ütlengi, et teadmised on hindamatud.
Millega täpsemalt keemilise ja bioloogilise instituudi (KBFI) inimesed CERN-is tegelevad?
Nagu ikka on meie tegevused seotud nii teoreetilise teadustöö kui ka katsetega. Teeme koostööd CERN-i teooriaosakonnaga. Samuti osaleme rahvusvahelises teadusarvutuse koostööprojektis GRID, mis on lahutamatu osa CMS-eksperimendist. Katsel pole ju mõtet, kui sel- lest ei saa andmeid. Andmeid tekib tohutus koguses ning nende hoidmiseks ja analüüsimiseks ongi loodud oma- ette organisatsioon. Selle tööga on seotud KBFI Musta-mäel asuv teadusarvutuskeskus.
Peale suure hadronite põrgutiga seotud suurte eksperimentide tehakse CERN-is ka väiksemaid katseid. Ühe väiksema ettevõtmisena kavandatakse seal gravitatsioonilainete eksperimenti. Niisuguseks katseks on vaja sügavat ja vertikaalset maa-alust tunnelit. Katseseadmetena on vaja ka kaht omavahel sünkroniseeritud aatomikella. Nende abil ongi võimalik tuvastada tunnelisse jõudnud gravitatsioonilaineid. Meie oleme ühinenud seda eksperimenti ette valmistava koostööprojektiga.
Mitte küll KBFI osalusel, aga samamoodi tehakse CERN-is ka materjaliteadust, arendatakse uusi kiirenditehnoloogiaid ja muud, seega, teadmiste mõttes on see organisatsioon nagu küllusesarv.
Kuidas sina CERN-i radadele sattusid?
See juhtus juba kunagise Nõukogude Liidu päevil 1990. aastal, kui Tartus Tähe tänaval asuva füüsikahoone seinale ilmus paber, mis kutsus huvilisi CERN-i. Selle teate taga olid soomlased, kes võtsidki siit kaasa kaks eestlast, seahulgas minu. Olin siis CERN-is suveüliõpilane, kui toimus augustiputš. Läksin ära ühest riigist, ja tagasi tulin hoopis teise riiki.
Ja sestsaadik ongi sinu ja Eesti koostöö CERN-iga aja jooksul üha tihedamaks muutunud?
Just, nii see on.
KBFI-s juhid sa üht Eesti teaduse tippuurimiskeskust – fundamentaalse universumi tippkeskust. Mis tööd seal tehakse?
Sellesse tippkeskusesse on koondatud kogu Eesti fundamentaalteaduste kompetents. Lisaks CERN-iga seotud osakestefüüsikale hõlmab see kosmoloogiat, astronoomiat, gravitatsiooniuuringuid ning selleks vajalikku infotehnoloogiat.
Tippkeskuses on peale KBFI koos Tartu ülikooli füüsika instituut ja Tartu observatoorium ning Tallinna tehnikaülikool – nii teoreetikud kui ka insenerid. Näiteks tehnikaülikooli insenerid ehitavad CMS-i jaoks elektroonikat. Tippkeskuse formaat annab koostöö tegemiseks lisafinantseeringu.
Füüsika on loodusteadus ja loodusteadus põhineb eksperimendil. Nii mõnigi kipub arvama, et loodusteadustes sünnivad uued teadmised nõnda, et kuskil istub mõni geenius ja mõtleb midagi välja. Tegelikult ei ole see loodusteadustes mitte kunagi niimoodi käinud. Isegi Einstein ei mõelnud oma teooriaid lihtsalt omast peast välja, vaid tal olid ees teatud eksperimentide tulemused, mida ta üritas seletada. Füüsikud peavad seletama loodust. Füüsikas on seadused kirja pandud matemaatika keeles ja need kehtivad alati. Kui keegi teeb eksperimendi ja leiab, et mõni seadus ei kehti, siis on meil vaja selle eksperimendi seletamiseks leida uus loodusseadus. Just niimoodi sünnivadki loodusteadustes uued teadmised. Selles mõttes on füüsika lihtne: vaja on teha vaatlusi ja eksperimente ning kui käes on tulemused, siis kogu maailm liigub sinna suunda. Näiteks tänu gravitatsioonilainete avastamisele tekkis universumi uurimiseks juurde terve uus vaateväli ja see on praegu maailma suurim ja kõige kiiremini arenev uurimisala.
Kas osatakse juba aimata, milliseid avastusi võivad gravitatsioonilained aidata meil teha peale selle, et saame aegruumivõngete abil uurida mustade aukude, neutrontähtede või valgete kääbuste kaksiksüsteemide ühinemist?
Peab olema realist. Suure tõenäosusega saab gravitatsioonilainete abil vaadelda varajast universumit. See ei tähenda mitte ainult astronoomilisi objekte, vaid ka varajase universumi füüsikalisi protsesse, mille käigus miski, mis oli massitu, sai massi. Kõik need protsessid tekitavad laineid. Nende uurimiseks on vaja suuri, tervet universumit vaatlevaid tundlikke eksperimente. Seejuures on vaja ka väiksemaid ülitundlikke eksperimente. Just selles suunas üritatakse nüüd minna.
Häda on selles, et gravitatsioon on kõige nõrgem interaktsioon ehk vastastikmõju. Seepärast on gravitatsiooni väga raske uurida. Footonite abil näed sa praegu siin seda lauda (koputab sõrmenukiga vastu töölauda – U. K.), aga gravitatsiooni kui kõige nõrgemat mõju ei saa nii naljalt näha. Gravitatsiooni puhul suudetakse praegu näha vaid kollektiivseid efekte. Footonite puhul võime näha ka ühte footonit. Aga see, kas kunagi saab näha ka ühte gravitoni ehk gravitatsiooni vahendavat osakest, on veel lahendamata probleem.
Varases universumis toimunu huvitab meid vist seepärast, et sedakaudu saame paremini tundma õppida ka universumi praegust olemust?
Täpselt niimoodi ongi. Selleks et uurida universumit või selle sees kehtivaid seadusi, tuleb kasutada kõiki võimalikke viise.
Siin jõuame jälle universumi tumedama poole ehk senini salapärase olemusega tumeaine või tumeenergia juurde.
Tõsi, me ei näe universumi tumedat sektorit, aga me teame, et see interakteerub gravitatsiooniliselt. Kui vaatame galaktikat, siis see ju interakteerub gravitatsiooniliselt. Kui vaatame nüüd varajasse universumisse ja näeme, et seal toimus näiteks faasisiire, siis seeläbi saame tundma õppida ka sellega kaasnenud teatud omadusi. Sellise näide võib olla Higgsi boson. See osake on tuvastatud suures hadronite põrgutis, aga äkki nüüd avastame selle ka kosmosest.
Teine näide on tumeaine. Me üritame tumeaine osakesi leida kiirendis ja hästi tundlikes eksperimentides, aga samas võiks neid leida ka faasisiiretes või mustade aukude ümbruses jne.
Näiteks faasisiirdeid uurivad meie instituudis Kristjan Kannike ja Ville Vaskonen. Hardi Veermäe uurib omakorda mustade aukude ühinemisi.
Kevadel, kui käisin siin laboris selle erinumbri võimalikke artikli- teemasid arutamas, lasi Hardi oma tööarvutist heliks muundatud mustade aukude ühinemise tantsu. See kõlas nagu kiire lupsumine: lups-lups-lups!
Minu vastaskabinetis töötab kreeklane Alex Karam. Ta kirjutas mustade aukude tekitatud helidest muusika loomiseks kultuuriministeeriumile rahataotluse. Raha tal siiski sealt saada ei õnnestunud, sest projekti hindajad leidsid, et meeskonnas puudus professionaalne muusik. Kujuta ette: dirigentide ja muusikute asemel tuleb hoopis füüsik muusika loomiseks raha küsima! Nüüd on muusikaakadeemiast kampa otsitud üks muusik ja uus rahataotlus läks hoopis Euroopa teadusnõukogule. See ei ole üldse naljategu, vaid niisuguse muusika loomisel on teaduslik tagamaa. Kõik taandub ju mustade aukude pöörlemisele, mis muutub helikeeles kuuldavaks.
Mida pead Eesti teaduse üheks peamiseks murekohaks?
Erinevalt Eestist on mujal maailmas teadlastel püsivad töökohad. Eestis teadlastel püsivaid töökohti pole ja kõik võistlevad kogu aeg kõigiga, sest teadlaste palgaraha tuleb projektipõhisest rahastamisest. Mujal maailmas tuleb teadlaste palgaraha mujalt ning projektirahad on mõeldud uute tegevuste elluviimiseks ja ka näiteks tudengitele tasu maksmiseks.
Miks meil need asjad siis on nõnda? Kas oleme liiga väikesed ja vaesed?
Jah, meie riik on väike ja seetõttu ka väga haavatav. Aga sellest hoolimata on meil praegu teaduses täiesti äärmuslik süsteem. Igal pool mujal, olgu see USA, Jaapan, Poola või Soome, on teadlastel ülikoolides karjäärimudel ja püsiva rahastusega töökohad. Kui teised saavad oma asju nii korraldada, siis miks meie ei saa? Ma ei mõista seda. (Laiutab pead vangutades käsi – U. K.).
Siin tuleb muudatusteks teha põhimõttelisi poliitilisi otsuseid.
Jah, nii see on.
Kui võrdleme ennast teiste riikidega, siis kuivõrd elujõuline ja tugev on Eesti fundamentaalteaduste valdkond?
Kõikidest murekohtadest hoolimata on meil praegu fundamentaalteaduste vallas koos väga tugev seltskond. Kui on olemas tugev teoreetikute koolkond, siis on selle peale võimalik ehitada ka kõike muud.
Siinkohal on hea võrrelda meid lõunanaabritega. Kui meie alustasime koostööd CERN-iga, siis kõigepealt ehitasime endal üles füüsikavaldkonna. Ent lätlased ja leedukad teevad vastupidi: nemad tahavad kõigepealt suure innuga CERN-i minna, unustades ära, et tegelikult on neil selleks vaja esmalt arendada füüsikavaldkonda.
Niisugust asjade käiku vaadates võib öelda, et oleme nagu Helsingi ja Stockholm, mitte nagu Riia või Vilnius. See lihtsalt ei käi nii, et kui kellelegi tundub CERN laheda kohana, siis ta hakkab kohe liikmeks. Siin peab teadus ka taga olema.
KBFI-s käies hakkab alati silma mõni välismaalane. Kui rahvusvaheline seltskond siin töötab?
Meil on tõesti alati töötanud rahvusvaheline seltskond. Kõige enam on siin olnud itaallasi ja soomlasi. Siit on läbi käinud ka oma ala maailma tippteadlased. Kui saad siia tööle näiteks CERN-i kõige tuntuma mehe John Ellise või Itaalia Frascati laboratooriumi endise teadusdirektori Enrico Nardi, siis see näitab meie teadustöö tipptaset. Frascati on nagu Itaalia CERN, kus on väikesed osakestekiirendid ja uuritakse hadronifüüsikat.
Mil moel sünnivad siin majas uued ideed ja teadmised? Kas see eeldab mahukaid arvutustöid, pikka ja pingsat mõttetööd või ühiseid arutelusid?
Seda kõike on vaja. Tööpäev algab sellega, et avad arvuti ja tutvud arhiivikeskkonnas oma ala kõikide teadlaste värskemate teadusartiklitega. Enne kui artiklid avaldatakse mõnes väljaandes, saab kogu maailm neid siit arhiivist lugeda. (Näitab arvutiekraanil uute artiklite pealkirja- de pikka rida – U. K.) Igal hommikul on eri valdkondades ees ootamas kümneid ja isegi sadu artikleid. Kui artiklid loetud, siis seejärel saab meil näiteks kohvimasina juures, lauajalgpalli mängides või seminarides teatud tööde üle arutleda. Uued teadmised sünnivad kollektiivse töö tulemusel, mitte nõnda, et keegi istub arvuti taga ja ootab, kuni tekib välgatus: heureka!
Nagu juba ütlesin, isegi Einsteinil polnud niisugust välgatushetke. Ta sõitis palju aastaid ühest ülikoolist teise ja otsis võimalusi, kuidas oma ideed matemaatiliselt kirja panna.
Kuidas meil füüsika vallas järelkasvuga lood on?
Üldine suundumus on selline, et üha enam noori tahab õppida humanitaariat ja sotsiaalteadusi, aga füüsika- tudengeid on väga vähe. Kui vaatame, kuidas meie ülikoolid arenevad, siis humanitaar- ja sotsiaalteaduste suunitlusega Tallinna ülikool juba on Eesti suurim ülikool või siis peagi saab selleks. Kunagi alustas ta pedagoogilise instituudina, kus oli tuhatkond üliõpilast. Kasvu taga on asjaolu, et Tallinn on Eesti suurim tõmbekeskus, kus elab kõige rohkem inimesi. See on puhas turuloogika: kui pakkuda turule seda, mille järele on nõudlus, siis maailm liigubki sinna suunda. Tallinna ülikool on ehe näide selle kohta, kuhu meie kõrgharidusturg liigub.
Ent riik peaks näiteks rahaliselt toetama seda, et noored tuleksid ja õpiksid ka raskemaid erialasid ehk inseneeriat, füüsikat ja arstiteadust. Me ei saa ju teha nii, et ülikoolides on tuhandeid sotsiaalalade tudengeid ja nende kõrval vaid kümmekond füüsikut. Kogu meid ümbritsev tehnoloogia – autode, patareide, arvutite oma jne – on ju seotud füüsikaga. Niiviisi pole võimalik läbi ajada, et ostame endale kõik vajaliku Hiinast või mujalt sisse. Teatud asjadega peame ikka ise hakkama saama. Aga praegu on asjad täiesti paigast ära.
Omaette küsimus on see, et füüsikavallas meil Eestis peaaegu pole naisi. Kas sa oskad mulle näiteks mõnda nimetada?
Esimesena meenub Piret Kuusk, kelle kirjutis ilmub selles erinumbriski, ja siitsamast KBFI-st Els Heinsalu.
Nemad ongi ühed vähestest. Eestis, aga ka Soomes, Rootsis ja Norras, meie erialal füüsikas naisi praktiliselt pole. Miks naised ei tule füüsikasse? Põhjus on selles, et vabas ühiskonnas, kus inimesed saavad oma elulisi valikuid vabalt teha, naised lihtsalt ei taha füüsika alal kõrgharidust omandada, sest see on raske valdkond. Samas pole selles vallas töötamisel ka nii-öelda pikka perspektiivi, sest töökohad teaduses olenevad projektipõhisest rahastusest. Miks peaks keegi tahtma tulla niisugusele tööle, kus terve ülejäänud elu peab jooksma grantide järele? Niipea, kui sellest aru saadakse, siis lahkutakse. See on süsteemne probleem, mille lahendamiseks on vaja langetada poliitilisi otsuseid.
Näiteks Tartu ülikoolis enam bakalaureuseõppes ainult füüsikat õppida ei saa. Tudengeid võetakse vastu füüsika, keemia ja materjaliteaduse erialale, aga füüsikale saab keskenduda alles magistrantuuris. Kui sellele ühenderialale tuleb alguses 30 tudengit, siis iga valdkonna peale jääb keskmiselt 10 õpilast. Pärast esimest kursust langevad neist omakorda pooled kohe välja. Ainukene koht, kus Eestis saab juba bakalaureuse õppes tehnilist füüsikat tudeerida, on Tallinna tehnikaülikool.
Kas võiks siia füüsikat õppima meelitada huvilisi teistest riikidest?
Minu meelest on see Eesti kontekstis vale tee. Miks peaks võtma Eesti maksumaksja raha eest doktorantuuri mõne kolmanda riigi huvilisi? Tegelikult peaksime Eesti maksumaksja raha eest koolitama meie enda inimesi. Muljalt tulnutest õpivad vaid vähesed eesti keele selgeks. Kui vaatame teaduslikku järelkasvu ja tahame, et kohvimasina ääres räägitaks juttu eesti keeles ja meil oleks ka eestikeelne teaduslik sõnavara, siis me ei saa teha nii, nagu tehakse seda Londonis, Oxfordis või Cambridge’is. Kuidas säilib eestikeelne õpe? Eestikeelne õpe säilib siis, kui kohvimasina juures räägitakse eesti keeles. Nii lihtne see ongi.
Ei taha seda jutuajamist väga tumedas toonis lõpetada. Ütle, mis hoiab sinu silmi siin säramas?
Ikka see, et saan teha seda, mis mulle väga meeldib. Teadus on nagu tippsport. Sa võistled iga päev kogu maailmaga. Kui suudad selles võistluses hakkama saada, siis on väga hea.
Nii mõnedki astrofüüsikud on seda meelt, et meil juba jutuks olnud universumi tumedama poole mõistatused suudetakse peagi lahti muukida. Kas sa oled sama optimistlik?
Füüsikas ei juhtu sellist asja, et avastusi saab kuidagi planeerida. Avastus on alati ootamatu. Tõsi, näiteks James Webbi kosmoseteleskoobi vaatlustulemustest on selgunud, et universumi struktuuri kujunemine algas seniarvatust oluliselt varem ehk umbes siis, kui universum oli pool miljardit aastat vana. See tähendab, et ka tumeaine klombid tekkisid varem, kui seni arvatud. See annab meile väärtuslikku informatsiooni, aga teadustöö on ju nagu maja ehitamine, kus tuleb muudkui uusi teadmisi nagu kive üksteise peale laduda. Keegi ei tea, kui kaua me veel mõistatame, mis on tumeaine või tumeenergia.
Võimalik, et tume sektor on puhtalt gravitatsiooniline. Nagu juba enne ütlesin, on gravitatsioon kõige nõrgem interaktsioon. Kui see on gravitatsiooniosake, siis seda näha on peaaegu võimatu. •