Tieteessä tuntuu olevan meneillään vaihe, jossa perustutkimuksen merkitystä vähätellään. Pyritään pikemminkin siihen, että kaiken tieteen pitäisi antaa heti ulosmitattavaa arvoa. On se sitten valmiita sovelluksia, uusia yrityksiä, tai ratkaisuja globaaleihin ongelmiin.
Ja tässä työssä pyritään myös rahoittajien taholta ohjaamaan sitä, mitkä olisivat sopivia tutkimusaiheita. Mukana pitäisi olla hyödyntäviä yrityksiä, ja yritykset jopa joissain tapauksissa kertovat, mitkä olisivat sellaisia tutkimusaiheita, joita pitäisi käsitellä. Jotta he voisivat sitten saada siitä oman taloudellisen hyödyn.
Osan tieteestä toki kuuluukin olla soveltavaa. Jotta se jalostaa eteenpäin sitä tietoa ja osaamista, joka on jo olemassa. Ja joka on perustutkimuksen tuottamaa.
Vaikka esimerkiksi kuvituksena oleva kuva on tekoälyn tuottama, ja tekoäly on kasvamassa valtavaksi bisnekseksi, niin senkin takana on iso määrä perustutkimusta matematiikasta ja tietotekniikasta. Se vaan harvemmin nousee esille, kun tekoälyn kehitystä ylistetään. Eikä sekään fysiikan perustutkimus, joka mahdollistaa tarvittavan, entistä suuremman tietokoneiden laskentakapasiteetin.
Ja sama on tietysti myös fysiikassa. Otanpa itsekeskeisen esimerkin siitä, miten optiikan ala kehittyy.
Löysin kopiokoneella pdf:ksi tehdyn version diffraktiivista optiikkaa ja valon koherenssia käsittelevästä väitöskirjastani. Löydät sen nyt täältä.
Kyseinen työ on perustutkimusta. Siitä, miten valon diffraktiota mallinnetaan teoreettisesti ja laskennallisesti. Siinä käsitellyt esimerkit eivät ole sellaisia, että niistä syntyisi merkittävää liiketoimintaa. Kirja ei ratko mitään globaalia haastetta. Se ei lupaa ratkaista sen enempää sitä kuin tätäkään. Se on vain perustutkimusta.
Se ei myöskään ole mikään merkittävä edistysaskel. Se ei mullistanut tiedettä – eikä se ollut edes tavoitteena.
Suurin osa tieteestä – esimerkiksi optiikan alalla – on sellaista, että se EI ole tiedettä mullistavaa. Minusta vain muutama asia modernissa fysiikassa on sellainen, että pidän sitä yksinään mullistavana.
Ja se on minusta ihan hyvä noin. Suurin osa asioista on pieniä askelia johonkin suuntaan. Osa suunnista on hyviä ja osa on harha-askelia. Jotka sitten todetaan jossain toisessa tutkimuksessa sellaisiksi.
Näin tiede toimii. Tutkimus korjaa tutkimuksessa tehtyjä virheitä. Ja nimenomaan tutkimus toteaa virheet – somessa esitetyillä näkemyksillä ei saa olla tuossa merkitystä, vaikka osa ihmisistä siellä tieteen tuloksia vääriksi koettaa todistaa oman henkilökohtaisten mieltymysten perusteella.
Pienistä askelista voi kuitenkin syntyä isompia asioita, kun niitä vain tulee tarpeeksi monta oikeaan suuntaan. Otetaan aluksi vaikka tuo diffraktio, jota väitöskirjassa hiukan tietyiltä osin tarkastelen.
Diffraktio
Valon diffraktio on pitkään tunnettu ilmiö. Se osoittaa, että valolla on ”aaltoluonne.” Eli käyttäytyy ainakin osittain kuin muutkin aallot. Jolloin valo ei etene suoraviivaisesti, vaan voi sirota. Samaa aaloluonnetta osoittaa myös valon interferenssi.
Käytän ihan tarkoituksella termiä aaltoluonne, enkä suinkaan väitä valoa aalloiksi. Tiede perustuu logiikkaan. Ja logiikka kertoo, että vaikka valolla on aallon ominaisuus (diffraktio), niin se ei osoita, että valo on aalto. Siis vaikka aallolle voidaan osoittaa, että sillä on ominaisuutena diffraktio.
Näin toimii tiede. Pyrkii noudattamaan logiikka. Joka siis sanoo, että vaikka A:sta seuraa B, niin se ei todista, että B:stä seuraa A.
Diffraktion tarkka laskeminen on haastava ongelma. Eksakteja ratkaisuja ei yleensä löydy, ja numeeriset menetelmät ovat raskaista. Ja aina approksimatiivisia. Jolloin niistä pitää ymmärtää myös teoreettisesti, jotta osaa analysoida, onko laskettu tulos riittävän tarkka. Ja mitä tulos merkitsee.
Toinen osa-alue kehityskulussa diffraktion käyttämiseen on kokeellinen tutkimus. Erityisesti tarvittavien (usein hyvin pienien) rakenteiden valmistaminen ja karakterisointi. Tämä myös on kytköksissä teoriaan. Sieltä nimittäin löytyvät työkalut määrittää, että mikä on vaadittava tarkkuus valmistuksessa. Ja mitä erilaiset valmistuksen epätarkkuudet vaikuttavat komponenttien toimintaan.
Ja tällainen perustutkimus on ollut tarpeen, jotta diffrkatiota on voitu hyödyntyää esimerkiksi laajennetun todellisuuden näyttölaitteissa – kuten vaikka Microsoftin HoloLens. Ilman perustutkimuksessa syntynyttä ymmärrystä tuollaisia näyttölaitteita ei saada toimimaan. Eikä edes sen avulla se ole helppoa. Ja siinä myöhemmässä vaiheessa tarvitaan tuota soveltavaa tutkimusta.
Koherenssi
Koherenssi on myös valon ominaisuuksia. Se on itse asiassa pääominaisuus, joka kaikkein eniten erottaa laserit muista valonlähteistä. Koherenssi on syy sille, että laserin valo voi olla sellainen kapea säde, mitä se aika usein niitä käyttävissä sovelluksissa on.
Koherenssia voisi verrata ihmisjoukon kävelyyn: epäkoherentti on kuin ihmisjoukko kävelemässä jokainen satunnaisesti omalla tavallaan. Sellaista on esimerkiksi ledin valo. Koherentti on kuin sotilasosasto marssimassa. Kaikki samassa tahdissa samaan suuntaan. Laserin valo on sellaista.
Toisin kuin joskus näkee väitettävän, laserin valo ei ole täysin koherenttia, jollaisena se välillä käsitellään. Se voi kyllä olla melko koherenttia. Mutta sitten se voi olla myös hyvinkin epäkoherenttia.
Ja sillä on merkitystä, miten koherenttia valo on. Erityisesti siis silloin, kun valonlähde onkin jotain muuta kuin nuo helpot ääripäät. Ja tällaisia tosiaan on.
Esimerkiksi silmien laserleikkauksissa käytettävät suuritehoiset laserit eivät tuota täysin koherenttia valoa. Se voi olla hyvinkin epäkoherenttia. Ja silloin pitää ymmärtää sen luonnetta, jotta voidaan suunnitella hyvin toimivia valoa muokkaavia ja ohjaavia komponentteja tällaisille lasereille. Vaikka sitten silmänleikkausta varten.
Ja tässäkin se koko asia pohjautuu siihen perustutkimukseen, jossa valon ominaisuuksia on tutkittu ja opeteltu mallintamaan. Ja mallien toimimista testattu.
Mitä perustutkimusta pitäisi rahoittaa?
Minun väitöskirjatyössä ei tarkasteltu sen enemmän AR-laseja kuin laser-leikkaustakaan. Niillä ei ollut yhtään mitään tekemistä silloin tuon tutkimuksen kanssa.
Mutta työni on silti osa niitä pieniä askelia, jotka ovat mahdollistaneet noita aiemmin mainitsemiani sovelluksia. Toki niin, että jos minun osuus olisi jäänyt tekemättä, niin kenties joku toinen olisi ottanut ne samat tai hiukan toisenlaiset askeleet. Oleellista on, että perustutkimus noilla aloilla eteni, ja tarjosi sitten eväät lähteä hyödyntämään sitä tietoa tapauksissa, jotka eivät olleet edes motivaattoreina tuolla tutkimukselle.
Perustutkimusta pitää siis mielestäni rahoittaa riittävästi. Muuten ei synny sitä uutta osaamista, josta sitten ne uudet asiat syntyvät. Soveltava tutkimus pohjautuu olemassa olevaan perustaan. Ja jos perustutkimus ei tuota uutta perustaa, niin soveltavalla tutkimuksella ei ole mitään mistä aloittaa, eikä työkaluja, joilla edetä.
Mutta mitkä aiheet sitten ovat oikeaa, tärkeää perustutkimusta?
Kuten sanoin, tiede on pieniä askelia. Välillä oikeaan suuntaan ja välillä väärään. Ja niin sen pitääkin olla.
Asiat, joita löydetään lähtemällä selkeästi tiettyyn, tunnettuun suuntaan, eivät ole uusia. Silloin vain jatketaan samaan vanhaan, joka on jo tiedettyä. Sitäkin tarvitaan, mutta se ei saa olla ainoa tapa lähestyä perustutkimusta.
Perustutkimusta pitää olla kaikenlaista. Myös niitä typeriksi osoittautuvia harha-askelia. Kyllä tiede sitten ne askeleet korjaa.
Ilman rohkeitä askelia uusille suunnille ei voi löytää mitään oikeasti merkittävää uutta.