Hyppää pääsisältöön

Nobel-tarinoita 7: Richard Feynman - fysiikan säkenöivin persoona, joka häikäisi älyllään

Richard Feynman (1918-1988) oli poikkeuksellinen lahjakkuus, jota pidetään yhtenä merkittävimmistä fyysikoista kautta aikojen. Hän ratkaisi ripeästi fysiikan ongelmat ja nopealla älyllä, esitystaidolla ja valtavalla karismalla vaikutti voimakkaasti läsnäolijoihin. Feynman ei kunnioittanut turhaan auktoriteetteja, hän oli kapinallismielinen ja muiden mielipiteistä välittämätön. Kenties siksi hänestä on tullut monen nykynuoren idoli.
Richard Feynman jakoi fysiikan Nobelin palkinnon yhdysvaltalaisen Julian Schwingerin ja japanilaisen Shin´ichiro Tomonagan kanssa vuonna 1965, kvanttielektrodynamiikan teorian kehittämisestä.

”Feynmania on joskus nimitetty fyysikon fyysikoksi, koska hänen lähestymistapansa ja käsittelemänsä asiat ovat viehättäneet fyysikoita varsin paljon. Feynman myös opetti fyysikoille, miten fysiikkaa tehdään”, professori Kari Enqvist Helsingin yliopistosta kuvailee.

Feynmanin aivot raksuttivat fysiikkaa koko ajan, eikä hän malttanut levätä edes kahvitauolla. Hänen kerrotaan heitelleen kahvikuppia ja lautasta ilmaan ja pohdiskelleen, miten tapahtuma selitettiin fysiikan kielellä. Feynmanin toisen vaimon väitetään valitelleen, että mies laski vain koko ajan päässään laskuja.

”Hän oli luonteeltaan ongelmaratkaisija, joka pragmaattisella tavalla pyrki ratkomaan esille nousseita ongelmia. Tässä hän erosi Einsteinista, joka oli pikemminkin suurten linjojen ajattelija”. Enqvist pohtii. ”Fyysikoihin Feynmanissa vetoaa juuri hänen nopea nokkeluutensa”.

Kiinnostus ratkoa ongelmia juonsi jo lapsuudesta. Isä kannusti poikaa itsenäiseen ajatteluun ja asettelemaan kysymyksiä ympäröivästä maailmasta. Feynman kiinnostui tekniikasta jo varhain, puuhasteli kotilaboratoriossa ja korjasi innokkaasti muun muassa radioita.

Feynmanin karismaa Kari Enqvist kuvaa eräänlaiseksi lavasäteilyksi, jollaista harvoin tapaa fyysikoissa. ”Hän oli hyvin kaukana teoreettisen fyysikon karikatyyristä, joka ymmärretään pahimman lajin nörtiksi”.

Feynman eteni intuitiivisesti ongelmia ratkoessaan

Feynmanille tyypillistä oli visualisoida asioita ja fysiikankin hän näki mielessään kuvina.
”Hän näki kenttien värähtelevän ja magneettikentät pieninä nuolina. Hän näki myös väreissä, jossakin oli punaista ja jossakin vihreää. Näin hän eteni intuition avustamana varsin pitkälle”, Enqvist kuvailee.

Enqvistin mukaan osa fyysikoista ratkaisee vaikean ongelman matematisoiden sen ja laskien sitten tarvittavat laskut. Heidän päänsä toimii kuin inhimillinen tietokone, joka etenee algoritmin mukaisesti virheettömästi lähtöruudusta lopputulokseen asti. Parhaimpia ovat hänen mukaansa kuitenkin Feynmanin kaltaiset, intuitiivisesti etenevät tutkijat.

”Kaikkein parhaimmilla fyysikoilla on usein valtava intuitio, ja jos he siihen päälle saavat vielä syntymälahjaksi kyvyn kääntää intuitionsa täsmälliselle matematiikan kielelle, tuloksena on helposti huippufyysikko”, Enqvist selittää.

Kvanttielektrodynamiikka on maailman tarkin teoria

Feynman palkittiin Nobelilla elektronia käsittelevän kvanttielektrodynamiikan eli QED:n kehittämisestä. QED:ssä hän ratkaisi ongelman, joka tuohon aikaan askarrutti fyysikoita.

”Havaintoja tehtäessä huomattiin, että kuuman vetyatomikaasun spektrissä oli viivoja, joita ei pysytty selittämään kvanttimekaniikan avulla. Kyse oli niin sanotusta Lambin siirtymästä, vetyatomin spektrissä havaittavasta hienorakenteesta”, Enqvist kertoo. Feynman askarteli aiheen kimpussa ja ratkaisi lopulta siihen liittyvän fysiikan.

”Ongelma ratkesi, kun oletettiin että elektroni ei ole aalto vaan myös kenttä, joka värähtelee ja synnyttää virtuaalihiukkasia. Kentästä irtoaa elektroni tai fotoni, joka elää vain hetken ja kuolee sitten pois. Feynmanin teorian avulla vetykaasun lähettämän valon aallonpituuksia voitiin laskea hyvinkin tarkasti ja selittää spektrin yksityiskohdat. Huomattiin, että laskut ja koetulokset täsmäsivät. Ilmiö selittyi sillä, että uudessa teoriassa mukaan otettiin virtuaaliset hiukkaset”, Enqvist selittää.

Kvanttielektrodynamiikkaa pidetään fysiikan tarkimpana teoriana. Sen avulla voidaan laskea jopa kolmentoista merkitsevän numeron tarkkuudella, ja tulos pätee myös havaintojen kanssa.

”Tämä teoria on niin tarkka, että se laskisi Helsinki-New York –etäisyyden hiuskarvan tarkkuudella. Kolmetoista merkitsevää numeroa ei ole raja, vaan johtuu siitä ettei ole jaksettu laskea pidemmälle eivätkä kokeilijat voi tarkemmin mitata”.

Kehittääkseen QED:tä Feynman joutui pohdiskelemaan paljon myös matematiikkaa. Lisäksi hän kehitti Feynmanin diagrammit, visualisaatiot, joihin on piirretty elektroneja, nuolia ja venytettyjä jousia. Mitä ne kertovat fyysikolle?

”Diagrammi on kuvallinen esitys siitä, mitä tapahtuu kun elektroni etenee paikasta a paikkaan b ja samalla sylkee ulos virtuaalisia hiukkasia”, Enqvist vastaa.

”Diagrammitkin olivat osa Feynmanin ongelmanratkaisua. Hän kehitti kätevän työkalun, jolla voidaan suhteellisen nopeasti tehdä erilaisia vaativia laskuja ja samalla ymmärtää, mitä ollaan tekemässä ja visualisoida se”. Diagrammeista tuli sittemmin kätevä työkalu fyysikoiden arkikäyttöön.

Feynman-diagrammia

Enqvist ottaa esille Julian Schwingerin, Feynmanin kanssa Nobelin jakaneen fyysikon, jonka työskentelytapa poikkesi Feynmanin tyylistä. Schwinger kuului juuri niihin fyysikoihin, jotka ottivat matematiikan ja etenivät sitä väylää. Yhdysvalloissa oli tuohon aikaan jopa kaksi erillistä koulukuntaa, schwingeriläiset ja feynmanlaiset.

”Scwingeriläiset luottivat matematiikkaan ja katsoivat hiukan alaspäin Feynmanin porukkaa, joka heidän silmissään näytti puolihuijareilta. Kaiken sen, mitä schwingeriläiset saivat aikaan valtavalla laskemisella, feynmanilaiset hahmottelivat vain muutamalla kuvalla ja laskivat tiettyjen sääntöjen avulla lopputuloksen oikein. Nykyään tilanne on se, että me kaikki fyysikot olemme feynmanilaisia tässä suhteessa”, Enqvist kertoo.

Feynmanilla meni QED:n kehittelyyn parisen vuotta 1940-luvun loppupuolella, sota-ajan jälkeen, mutta siinä olevien matemaattisten ongelmien ratkaisemiseen kului lisäaikaa kymmenisen vuotta.

”Kun laskettiin Feynmanin diagrammien avulla, saatettiin saada tulokseksi ääretön. Lopulta pystyttiin osoittamaan, että äärettömyydet pystyään matemaattisesti hallitsemaan, riippumatta siitä kuinka monimutkaisesta diagrammista on kyse”.

Työhön osallistuivat myös Steven Weinberg ja Abdus Salam, jotka reilu kymmenen vuotta myöhemmin rakensivat sähköheikkoa yhtenäisteoriaa, josta heidät palkittiin Nobelilla.

Feynman selvitti Challenger-onnettomuuden syyn

Tunnettuna ongelmaratkaisijana Feynman kutsuttiin vielä elämänsä ehtoolla vuonna 1986 selvittämään Challenger –avaruussukkulan onnettomuutta, jossa sukkula räjähti pian nousuunlähdön jälkeen ja mukana olleet seitsemän astronauttia kuolivat. Feynman selvittikin syyn nopeasti. Onnettomuus oli seurausta raketin tiivisteen pettämisestä pakkasessa, mistä aiheutui polttoainevuoto ja räjähdys.

”Hän oli jo aika vakavasti syöpäsairas tuossa vaiheessa. TV:ssäkin on esitetty, kuinka hän esitteli ratkaisua tutkimuskomitealle. Kyse oli kumirenksusta, tiivisteestä, jonka hän pani veteen ja osoitti siinä, että sen ominaisuudet muuttuivat lämpötilan mukana. Tässäkin voi ihailla Feynmanin intuitiota, hänellä oli syvällinen ymmärrys fysikaaliseen maailmaan, jonka hän näki kuin ulkoisesta perspektiivistä”, Enqvist toteaa.

Feynman opiskeli perustutkinnon MIT:ssa, väitteli tohtoriksi Princetonissa ja työskenteli sen jälkeen Manhattan-projektissa Los Alamosissa. Sen jälkeen hän teki töitä Cornellin yliopistossa ja pitkän työrupeaman Kalifornian teknillisessä yliopistossa Caltechissa. Professorina ja opettajana hänellä oli valtava vaikutus oppilaisiinsa.

”Tunnen erään Feynmanin oppilaan, joka aina keskustellessamme ottaa esiin Feynmanin ja sanoo, että mitähän Feynman tässä nyt sanoisi tai mitä Feynman tässä tekisi. Hän on kertonut myös, että Feynmanin astuessa luokkahuoneeseen tunnelma oli kuin Kristus olisi laskeutunut taivaasta heidän keskuuteensa”, Enqvist kertoo.

Feynman ikuisti itsensä myös kirjoihin

Feynman kirjoitti fysiikasta pinon kirjoja, joista on tullut fysiikkaan perehtymättömienkin lukijoiden mielikirjallisuutta. Alla mainituista kirjoista osa on myös suomennettu:

Surely You´re Joking, Mr Feynman; Six Easy Pieces; QED –The Strange Theory of Light and Matter; “What Do You Care What Other People Think?”; The Pleasure of Finding Things Out; The Character of Physical Law; The Meaning of It All; Thoughts of a Citizen-Scientist

Useat Feynmanin kirjoista sopivat kelle tahansa lukunautinnoksi ja ajatusten askarteluksi. Hänen kirjallinen tyylinsä on inspiroinut ja ihastuttanut, ja jotkut ovat jopa päätyneet fysiikan opintoihin Feynmanin kirjojen ansiosta.

Feynmanin Caltech-luennotkin on julkaistu kirjoina ja Feynman Lectures on Physics löytyvät myös Caltechin nettisivulta:

Feynmanin luennot netissä.

Feynmanin haastatteluja ja luentoja kuvattiin paljon ja niitä on nähtävissä youtubessa. Videopätkissä Feynmanin voi nähdä soittavan bongorumpuja, antavan lausuntoja ja pitävän luentoja iloinen pilke silmäkulmassaan. Feynman jaksaa innostaa yhä uudelleen ja uudelleen.

Nobel-sivustolla fysiikan Nobel vuonna 1965

Kommentit

Lue myös - yle.fi:stä poimittua

Tiede

Uusimmat sisällöt - Tiede