Traditsiooniliselt peetakse füüsikat teadusharuks, mille kõrgeimaks eesmärgiks on mõista, millest mateeria koosneb ning millised jõud neid osiseid koos hoiavad. Robert P Crease’i sõnul on reaalsus aga kordi keerulisem, kirjutab Eesti Füüsika Portaal.

Traditsioonilist nägemust füüsika olemusest on ilmselt kõige tabavamalt kirjeldanud füüsikateoreetik Steven Weinberg. Ühes oma 1963 aasta kirjutises, mis pidi koguma toetajaid projektile, millest kujunes hiljem Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory), võrdles see tulevane Nobeli preemia laureaat teadlasi ekspeditsiooni liikmetega, keda on saadetud uurima tundmatut, kuid tsiviliseeritud ühiskonda, kelle seadustest ja tavadest meil vaid ebamäärane arusaam on. Kuigi neile võib tunduda „huvitav ja kasulik...seada end sisse rikastes rannikul asuvates biokeemia ja tahkisefüüsikaga tegelevates linnades”, tehakse tähtsaimad avastused Weinbergi arvates siiski nende uurijate poolt, kes lähevad edasi „ülesvoolu, mööda osakeste füüsikast ja kosmoloogiast, salapärase sisemaal asuva pealinna poole, kust seadused tulevad”.

Weinberg kirjeldas füüsika keskset püüdlust riskantse uurimisretkena, mille eesmärgiks on uurida ja mõista mateeria väikseimaid koostisosi ning neid mõjutavaid põhijõude. Selle traditsioonilise kuvandi järgi on füüsika üksinda käidav tee, mida mööda füüsikud sammuvad enamasti ilma teiste teadusharude teadlaste „kõrvalise” abita. USA ajaloolased Lillian Hoddeson, Adrienne Kolb ja Catherine Westfall kirjutavad oma uues raamatus „Fermilab: Physics, the Frontier, and Megascience”, et piirialade uurimise metafoor on aidanud füüsikutel näidata ennast teerajajatena, kes laiendavad vapralt meie looduse mõistmise piire. Ka Fermilab ise on tugevalt piiriala-teemaga seotud – see avaldub kõiges, alates selle juhatajate avaldustest Kongressi istungitel ning lõpetades labori territooriumil vabalt ringi uitavate piisonitega.

Füüsika on aga muutumas ning Weinbergi kirjeldatud piiriala ei kajasta enam füüsika keskseid püüdlusi. Füüsikud tegutsevad küll ikka veel piirialal, kuid enam ei liigu nad salapärase asustamata sisemaa piirkonna vallutamise poole üksinda. Pigem töötavad nad piirialal koostöös teiste teadlashõimudega, ehitades uusi interdistsiplinaarseid suurlinnu. Füüsikutel, kes üritavad ikka veel üksinda ülesvoolu traditsioonilise piiriala poole rühkida, on sinna üha kulukam ja keerulisem jõuda. Viimase 20 aasta parim näide sellest on USA ülijuhitavate magnetitega superkiirendi (SSC) projekti lõpetamine 1993. aastal ning CERNi suure hadronite kollaideri (LHC) edu, mis on põhimõtteliselt küll Euroopa projekt, kuid koondab siiski teadlasi väga paljudest riikidest, nende hulgas ka USAst.

Uus suund

Seda, kuidas käib töö füüsika uuenenud piirialal, on hästi näha kõigis sünkrotronkiirgusega tegelevates teadusasutustes, mida on maailmas 50 ringis. Laborite – nagu Diamond Light Source Ühendkuningriigis, Jaapani Spring-8 sünkrotroni ja Prantsusmaal asuv Euroopa sünkrotronkiirguse uurimise keskuse ESFR – juures töötavad füüsikud teevad harva koostööd üksnes teiste füüsikutega, enamasti kuulub uurimisrühmadesse ka biolooge, keemikuid, geolooge, keskkonnateadlasi, arstiteadlasi, tööstusinsenere ning isegi kunstiajaloolasi. Just tänu sedasorti koostööle on füüsikaalased avastused leidnud rakendust ka teistes valdkondades ning füüsika on saanud rikkamaks mitmete uute uurimisvaldkondade võrra.

On irooniline, et General Electricu füüsikud, kes ehitasid elektronkiirendit ning avastasid 1947. aastal töö käigus sünkrotronkiirguse – valguse, mida kiirgavad elektronid ja teised laetud osakesed, mis magnetvälja mõjul kiiremini liikuma hakkavad – pidasid seda alguses üksnes tüütuks kõrvalnähuks. Sünkrotronkiirguse olemasolu tähendas seda, et kui kiirendid muutusid üha suuremaks ja võimsamaks, kiirgasid kiirendatavad osakesed välja üha suurema osa energiast, mida nende kiirendamiseks kasutati – see määras sellistele kiirenditele maksimumsuuruse, millest suuremate kiirendite ehitamine polnud enam mõttekas. Mõne aasta pärast leiti aga, et sünkrotronkiirgus, mida on võimalik toota intensiivsete ja kergesti reguleeritavate kiirtena, pole siiski päris kasutu.

Esimest korda kasutasid seda 1954. aastal füüsikud berülliumi neeldumisspektri määramiseks, kuid peagi järgnesid sellele rakendused ka teistes valdkondades. Keemikud hakkasid kasutama sünkrotronkiirgust kristallograafias, bioloogid orgaanilise materjali proovide vaatlemiseks ning tööstuses valmistati selle abil mikrokiipe. Erinevaid rakendusalasid tekkis üha juurde, kuni lõpuks hakati kavandama ja ehitama ka selle kiirguse tootmisele spetsialiseerunud keskusi.

Sünkrotronkiirguse arengulugu pole midagi ebatavalist – sarnaseid jutte võib rääkida ka paljude teiste tehnoloogiate kohta, mis said alguse küll füüsikast, kuid panid hiljem aluse uute interdistsiplinaarsete valdkondade tekkele. Näiteks oskus aatomjõumikroskoobi (AFM) abil üksikuid aatomeid juhtida viis nanotehnoloogia ning selle erinevate haruteaduste tekkeni. Tuuma spinnide, röntgenkiirguse kasutamise ja positronide kohta tehtud alusuuringud aitasid aga kaasa mitmete meditsiinifüüsikas ning selle harudes kasutatavate põhivahendite, nagu magnetresonantstomograafia ehk MRT, kompuutertomograafia ehk KT ja positronemissioontomograafia ehk PETi leiutamisele.

Seega on kaasaegses füüsikas samaaegselt kaks peamist arengusuunda. Ühes küljest laieneb füüsika teistesse valdkondadesse ning seguneb nendega, luues uusi teadusharusid; teisest küljest killustub ja jaguneb see aga üha kitsamateks haruteadusteks. Globaalne teadmistepagas, millega füüsikud peavad igapäevaselt kokku puutuma ning tuttavad olema, täieneb pidevalt, kuid samas moodustavad spetsiifilisemad teadmistekogumid, mida füüsikud peavad oma erialasesse valdkonda panustamiseks ning interdistsiplinaarsetes uurimisrühmades töötamiseks valdama ning täiendama, üha väiksema osa sellest teadmiste tervikust. Märke sellest kahesuunalisest arengust võib leida kõikjalt. Näiteks kui Institute of Physics 20 aastat tagasi ajakirja Physics World välja andma hakkas, oli neil 30 uurimisvaldkonda, tänaseks on neid 45.

Interdistsiplinaarsuse sünd

Umbes 18. sajandi alguseni käis igasugune looduse uurimine „loodusfilosoofia” nime all ning kui 19. sajandi esimestel aastatel hakati nägema kaasaegset teadust eraldiseisvate teadusharude kogumina, tehti seda teadmises, et iga üksiku teadusharu teadmised on ülejäänud harudega tihedalt seotud ning mõistmaks mõnd meie maailma tööpõhimõtetest tuleb olla korraga pädev mitmes valdkonnas.

Ka Auguste Comte, kes oli 19. sajandi Prantsuse filosoof ning üks esimesi, kes teaduse valdkondadeks jagas ning need defineeris, ei väsinud seda kunagi kordamast. Tema arvates oli teaduse ülimaks eesmärgiks looduse mõistmine ja kontrollimine. Et tagada kõigi valdkondade kiirem ja tõhusam areng, oli teadus vaja jaotada allharudeks, mis võimaldaksid intellektuaalse töö loogilist jagamist. Alguses on õppida muidugi palju ning teaduse arenedes võis seetõttu tunduda, et valdkonnad on üksteisest rangelt eraldatud. Comte leidis aga, et kui teadmised meid ümbritsevast maailmast on jõudnud sellisele tasemele, mis võimaldaks meil seda mõista ja juhtida, ühinevad teadusharud nende teadmiste rakendamiseks jälle üheks interdistsiplinaarseks tervikuks.

20. sajandil toimusid füüsika vallas kaks arengut, mida võib pidada interdistsiplinaarse teadustöö järsu kasvu peamisteks, kui mitte ainukesteks põhjustajateks. Üks neist oli kvantmehaanika areng sajandi esimesel poolel, teine arvutusvõimsuse kiire kasv selle lõpus. Tänu kvantmehaanikale said teadlased kindlustundega väita, et kuna mateeria ülesehitus on piisavalt selge, siis teoreetiliselt on võimalik taandada kõik keerulise ehitusega ained ning paljud „pärismaailma” käitumismudelid mikroskoopiliste osakeste ja jõududeni. Keerulise ehitusega ainete – mille hulka kuulub kõik, mis jääb valkude ja polümeeride vahele – uurimisega ei tegelenud aga üksnes füüsika, vaid ka paljud teised teadusharud.

Arvutusvõimsuse kiire kasv avaldas mõju aga pea kõikidele füüsikateadustele ning seda mitte ainult andmete kodeerimise ja arvutamise tasandil – mis on ülalmainitud „teoreetilised” taandamised tihti ka reaalselt võimalikuks teinud – vaid ka andmete analüüsi ja analüütilise tasandamise, erinevate otsingumeetodite, simulatsioonide, visualiseerimise ning muude meetodite ja rakenduste kaudu.

Inglismaal Bristoli ülikooli juures töötanud ja hiljuti meie hulgast lahkunud füüsik John Ziman, kellele meeldis olla kursis teadusvallas toimuvate arengutega, rääkis oma 1983. aastal peetud Bernali mälestusloengul „Teaduse kollektiviseerimine” sellest, kuidas teadus muudetakse individualistlikust kogukonnast homogeenseks rahvaettevõtteks. Zimani meelest oli jõutud ringiga tagasi olukorda, kus eksisteerib vaid üks teadusharu – loodusteadus, mille alla kuuluvad traditsioonilised teadusharud on taandatud allharude seisusesse, mis erinevad traditsioonilistest harudest nii arvult kui ka liigendatuse astmelt.

Viimase paarikümne aasta jooksul on ka enamik teadusinstituutidest ning rahastamisasutustest võtnud viimaks arvesse tõsiasja, et füüsika uurimisteemad kattuvad osaliselt teiste teadusvaldkondade omadega. Paljud USA teadusülikoolid – nende hulgas ka Stony Brooki ülikool, kus töötab käesoleva artikli autor – on moodustanud interdistsiplinaarseid uurimisüksusi, kuhu palgatakse erinevate teadusharudega tegelevaid teadustöötajaid, kes hakkavad ühiselt mõne kitsa uurimisvaldkonna probleeme lahendama. 1990ndatel pumpasid Ühendkuningriigi teadusnõukogud oma raha aga interdistsiplinaarsetesse uurimiskeskustesse (mida hiljem hakati kutsuma interdistsiplinaarseteks teadusalase koostöö keskusteks), mis tegelesid valdkondadega nagu pinnateadus, ülijuhtivus ja biomeditsiin. Ka füüsik Alan Heeger ütles 2000. aastal kahe keemikuga koostöös elektrit juhtivate polümeeride avastamise eest saadud Nobeli keemiaauhinda vastu võttes oma tänukõnes, et püüdes loodust piisavalt sügavuti mõista, arenes ta „interdistsiplinaarseks teadlaseks“, sest ka tema uurimisvaldkond oli „oma loomult interdistsiplinaarne“.

Sealsete uurimisvaldkondade ja –vahendite vaheliste seoste demonstreerimiseks koostas Marburger graafiku, mille ühel teljel on kujutatud objektide mõõtmeid (st energia) ning teisel keerukust. Jooniselt on näha, kuidas traditsionaalsed füüsikavaldkonnad, nagu osakeste füüsika, aatomifüüsika ja materjaliteadus, asuvad vasakul, samas kui paremal on tekkimas uus piiriala. Valdkonnad, mis kuuluvad füüsika ja teiste traditsiooniliste teadusharude, nagu bioloogia või psühholoogia (sealhulgas ka bio- ja nanotehnoloogia), vahelistele piirialadele paiknevad üleval paremas nurgas. Uue piiriala kaardistamine aitab raha, stipendiumite, uurimisvahendite ning muude tarvikute eraldamist paremini koordineerida ning teaduse piire veelgi laiendada.

Takistused interdistsiplinaarsuse teel

Interdistsiplinaarse teadustöö arendamise propageerimine on küll üllas eesmärk ning on tore, et ka teadustööd korraldavad ametiisikud on hakanud sellele tähelepanu pöörama, kuid nagu üks Hispaania vanasõnagi ütleb, on üks asi härgadest rääkida, hoopis teine aga nendega koos areenil seista. Interdistsiplinaarse teadustöö teel seisab palju tõsiseid takistusi, mis ootavad praktilisi lahendusi.

Üks neist on kindlasti töö koordineerimine. Panna erinevate harjumuste ja töökultuuridega teadlased üksteiselt uusi töövõtteid õppima ning koos töötama, võib osutuda üsnagi keeruliseks ülesandeks. Võtame näiteks kas või Brookhaveni labori, mis pidi 1980ndate lõpul enne raskete ioonide kiirendi RHIC käivitamist tuuma- ja osakeste füüsikaga tegelevate teadlaste töö koordineerimisega kurja vaeva nägema, sest vastav valitsusasutus oli nende eelmise kiirendiprogrammi peatanud ning RHIC oli ainuke mõeldav alternatiiv.

Juba projekti algusfaasis saadi Brookhavenis aru, et RHIC’iga töötamiseks peavad mõlema valdkonna füüsikud oma töökultuuri põhjalikult muutma. Tuumafüüsikud olid harjunud töötama mitte rohkem kui 12-liikmelistes rühmades ning nende katsete käigus jäid tuumad enam-vähem terveks. Osakeste füüsikaga tegelevad teadlased töötasid aga enamasti sadu liikmeid omavates meeskondades ning nende katsed kujutasid endast väikese hulga osakeste omavaheliste kokkupõrgete jälgimist. Et neid koos tööle panna, tuli töötada välja keerukas üleminekuprogramm, mis köidaks potentsiaalsete klientide tähelepanu, looks stiimuli detektori arendamiseks ning tõhustaks tuuma- ja osakeste füüsikaga tegelevate teadlaste vahelist koostööd.

Teiseks takistuseks interdistsiplinaarse uurimistöö teel on laialt levinud kartus, et interdistsiplinaarne töö on kuidagi vähem väärtuslik kui „puhas“ teadus. Õli lisab tulle ka asjaolu, et ka selle kvaliteet on sageli küsitava väärtusega. Traditsionaalset meetodit kvaliteedi tagamiseks – vastastikuse eksperthinnangu andmist – on täpselt sama valdkonnaga tegelevate ekspertide puudumisel tõepoolest raske rakendada. Interdistsiplinaarse töö hindamiseks on vaja uusi meetodeid ja kriteeriume, mis aitaksid valida sobivaid retsensente ning nende kollektiivset kogemust ekspertide kohtumisel ka õigesti rakendada. Ka 2006. aastal American Association for the Advancement of Science’i poolt korraldatud interdistsiplinaarsusele pühendatud seminaril juhtis endine Ameerika Füüsikaühingu peatoimetaja Martin Blume tähelepanu tõsiasjale, et füüsikud kipuvad arvama, et ükski teine teadusvaldkond pole tõsiseltvõetav enne, kui seda on võimalik füüsikas kasutatavate meetodite abil seletada ning näiteks majandusteadlased usuvad samas tihtipeale, et neil pole füüsikutelt midagi õppida.

Kolmas takistus, mis interdistsiplinaarse uurimistöö tegemiseks ületada tuleb, puudutab teadlaste väljaõpet. Teadlane, kes on keskendunud oma teadusharu mõnele kitsamale valdkonnale ning seeläbi kompetentsi ning kogemusi kogunud, on iga uurimistöö lahutamatuks osaks. Enne kui see teadlane võib aga koos teistega ühise eesmärgi nimel tööd rügama hakata, peab ta kõigepealt oma valdkonda või valdkondi pisemagi detailini valdama. Teadustöö rahastamisega tegelevad asutused võivad pidada interdistsiplinaarset tööd küll uueks ja huvitavaks lähenemiseks, kuid kui selle teadlastega varustamiseks pole piisavat toetust saavaid teaduslikele uuringutele keskendunud teadusharusid, ei saa teha ka tipptasemel interdistsiplinaarset teadustööd. Kohandades tundud filosoofi ja teadlase Alfred North Whiteheadi kuulsat ütlust „Teadus, mis ei suuda unustata oma rajajaid, on määratud hukule“ võime ehk öelda, et teadus, mis ei suuda oma piire laiendada, on hukule määratud, kuid samas kehtib see ka teaduse kohta, mis neid liialt kiiresti hülgama kipub.

Kui need kolm takistust saab aga siiski ületatud, ilmub meie teele veel neljaski: füüsikaalal toimuvate strukturaalsete muudatuste kohta on meil liiga vähe andmeid. Näiteks ei oska me kuidagi võrrelda interdistsiplinaarsete teaduskeskuste töö kvaliteeti traditsiooniliste osakondade omaga. Senini on olnud teaduses üheks tavalisemaks strukturaalsete suundade kvantitatiivse uurimise vahendiks bibliomeetria, mis kasutab nii teadusharu sisese kui ka harudevahelise teadusalase suhtluse analüüsimiseks bibliograafiaid ja viiteid. Bibliomeetriast on saanud tänaseks üsnagi kaugele arenenud teadus, kuid viimase 20 aasta jooksul on üha rohkem teadlasi hakanud oma töid traditsiooniliste teadusajakirjade asemel esmalt Internetti üles riputama ja omavahelises suhtluses elektronposti kasutama ning see on ajakirjades avaldatud viidetel põhineva näitaja usaldusväärsuse küsimärgi alla seadnud.

Lähivaade

Hiljuti väljaandes Studies in History and Philosophy of Science ilmunud artiklis pööravad Cardiffi ülikooli sotsioloogid Harry Collins ja Robert Evans ning Michael Gorman Virginia ülikoolist lugejate tähelepanu sellele, et kuigi paljud valdkonnad tunduvad pealtnäha ühtsed, osutuvad nad lähemal vaatamisel siiski killustatuks. Et selle tagamaid paremini selgitada, jagavad autorid pädevuse praktiliseks pädevuseks, mida omavad valdkonnaga aktiivselt tegelevad isikud, ning interaktiivseks pädevuseks, mille omajad oskavad vastava valdkonna teemadel küll kaasa rääkida, kuid ei ole võimelised seda edasi arendama.

Interaktiivse pädevuse alla kuulub näiteks kõik see, mida sotsioloogid ja ajaloolased oma uuritavast valdkonnast teada võivad saada, kuid sedasorti pädevust leidub laialt ka teadusvaldkondades – see on tsement, mis hoiab allharusid koos. Interaktiivne pädevus on ka üks põhioskustest, mis on hädavajalik laiaulatuslike, mitme eri valdkonna (nii eksperimentaaluuringute kui teooriaga tegelevaid) teadlasi kaasavate füüsikaprojektide koordineerimiseks. Autorid kirjutavad, et mis tundub eemalt ühtse teadlaste võrgustikuna, võib lähemal vaatlusel osutuda väikeste rühmade konglomeraadiks, mida hoiab koos vaid interaktiivne pädevus, ning lisavad ka, et kui ükskõik millist ühiskondliku elu valdkonda lähemalt uurida, siis mida sügavamale minna, seda rohkem uusi detaile meie pilgule paljastub ning tuleb välja, et see, mis enne tundus siledana, on tegelikult üsna ebatasane, just nagu poleeritud metallpindki.

Üks autorite poolt toodud näide on gravitatsioonilainete uurimine, mida Collins on sotsioloogina juba aastakümneid jälginud. Selle valdkonnaga tegeleb üks äärmiselt kirju seltskond, kelle hulka ei kuulu mitte ainult need, kellele gravitatsioonilainete uurimine huvi pakub, vaid ka peeglipoleerijad, vedrustusega tegelevad insenerid, analüütikud ja paljud teised, kellest ükski rühm ei saaks teiste tööülesannetega hakkama. Autorite arvates on sel viisil tehtav interdistsiplinaarne koostöö aga vaid üks võimalus paljudest.

Interdistsiplinaarne uurimistöö võib toimuda nii vabatahtliku koostöö vormis – nii viis ühine soov mõista raskete elementide moodustumist tähtede sees kokku füüsikud, keemikud ja astronoomid – kui ka olukorra sunnil – nii olid Brookhaveni tuuma- ja osakestefüüsikaga tegelevad teadlased sunnitud poliitilise otsuse tõttu koos töötama. Interdistsiplinaarse uurimustöö tulemusena võib tekkida uus homogeenne teadusharu – nii pani RHIC aluse relativistlikule raskete ioonide uurimisele – kuid juhul, kui projekti raames rakendatakse erinevate valdkondade kogemusi ja oskusi, kuid selles osalevad teadlasterühmad omavahel ei segune, võib ta lõpetada ka sama heterogeensena kui ta oma teekonda alustas.

Valdkondade segunemine ja killustatus annavad märkus sellest, et Weinbergi 45 aasta tagune ettekujutus füüsikast kui üksinda käidavast teest ei pea juba ammu enam paika. Füüsikat ei saa enam kujutada teekonnana, millele asuvad uurijad on kõik sama taustaga ning kes oma väikestes ühemehepaatides tasakesi ülesvoolu loovivad, lootes avastada seninägematuid alusprotsesse. Tänapäeval on füüsika eesmärkideni jõudmine märksa keerukam ettevõtmine, mis lisaks kõigele nõuab tulevikus ka põhjalikke ümberkorraldusi füüsikavaldkonnas, eriti selle õpetamises ning praktiseerimises. Füüsika piirialal tehtava töö ja seal toimuvate arengute kohta on vaja koguda rohkem andmeid ning nendest lähtuvalt tuleb mõelda välja moodused, kuidas hoida füüsikat kui teadusharu elus kogu selle killustatuse keskel, mis tulevikus kindlasti veelgi süveneb.

____________________________________

Elu Piirialal

Robert P. Crease

on Stony Brooki ülikoolis filosoofia osakonna juhataja ja USA Brookhaven National Laboratory ajaloolane, meiliaadress rcrease@notes.cc.sunysb.edu

Kui sulle see lugu meeldis, siis toeta sõltumatut rohelist meediat   Anneta