Teadusmõte Eestis: Täppisteadused

Ilmar Koppel, Peeter Saari (vastutavad toimetajad) Helle-Liis Help, Siiri Jakobson, Galina Varlamova Artiklid on siin lehel Eesti Teaduste Akadeemia loal, kogu tekst on allalaetav ETA kodulehelt.
KOSMOLOOGIA UUES EESTIS Enn Saar, Jaan Einasto Kosmoloogia uurimisobjektiks on vaid üks Universum, ja seda isegi k›igi galaktikate kõikide planeetide kosmoloogidele. Vaatlusprogrammid on reeglina rahvusvahelised, saadud info levib kohe. Karl Popper kirjutas 'Kogu füüsika on kosmoloogia' - arusaam sellest, kus me elame ja kuidas see sündida sai, on oluline nii teadusele kui inimkonnale üldse. Sellest artiklist saate teada, kuidas uuritakse Universumit Eestis. Kirjeldame, kuidas tänapäeval kosmoloogiat tehakse, kuidas saaadakse vaatlusandmeid, ja millega konkreetselt tegeleme meie. Räägime Universumi struktuuri uurimisest väga suurtes mastaapides, üllatustest, mis kaugel leitud, galaktikaparvede ja gruppide struktuuri ja füüsika uurimisest, ruumstatistika meetodite arendusest (kosmoloogia on siin üheks peamiseks mootoriks), struktuuri tekke mõistmisest, Universumi struktuuri arengu numbrilistest mudelitest, kaugete ja noorte galaktikate uurimisest. Tutvustame Eesti kosmolooge ja nende erihuvisid, et oleks teada, keda küsimustega piinata. Artikkel on kosmoloogide kohta üpris soravalt kirjutatud, ja on püütud jägida nii temaatilist täielikkust kui ajaloolist rida. Heitke pilk peale, veendute ise. Pildid on igatahes kenad, astronoomidel neid jätkub.
TÄHED – NÄHTAVA UNIVERSUMI PEAMISED EHITUSKIVID Laurits Leedjärv
MAA ATMOSFÄÄR JA KLIMATOLOOGIA Kalju Eerme Maa atmosfäär moodustab veidi vähem kui miljondiku planeedi kogumassist. Atmosfääris tehakse meie igapäevast ilma. Alates 1970. aastast on maailmas sagenenud loodusõnnetused ja kilbile tõusnud inimtegevuse võimalik panus kliima soojenemisse. Ekstreemsed ilmastikunähtused põhjustavad kuni 95 % kõigist loodusõnnetuste kahjudest. Kliima muutumise ja looduskatastroofide ennustuste adekvaatsus annab eeliseid karmis tulevikumaailmas toimetulemiseks. Ka nii väikeses riigis kui Eesti on otstarbekas ilma, kliimat ja atmosfääri professionaalsel tasemel uurida ja olla kursis muu maailma tegemistega. Kliimamuutuste uurimisel rakendatakse füüsikalist modelleerimist ja statistilisi meetodeid. Mõlemate puhul on järeldused tundlikud mudeli adekvaatsuse  ja algandmete täpsuse suhtes. Kaasaegse meteoroloogia ja atmosfäärifüüsika alusepanijaks Eestis oli 1865. a. regulaarsete ilmavaatustega alustanud Tartu Ülikooli Meteorolooogiaobservatoorium. Vaatlused on praegu EMHI hoole all, uurimistöö jätkub Tartu Ülikoolis, Tartu Observatooriumis ja mujal.
SATELLIIDID JÄLGIVAD MAAD Andres Kuusk Rohkem kui 40 aasta kestel jälgivad satelliidid Maad, esmakordselt nägi inimene pilti Maast edastatuna USA satelliidilt TIROS-1 1. aprillil 1960. Taimkatte satelliidikaugseire algas Landsat seeria satelliitidega, mis võimaldasid alustada nii taimkatte globaalset monitooringut kui ka üsnagi detailset põldude ja metsade jälgimist. Taimkatte optilise kaugseire teoreetiliste aluste uurimisel on maailmas oluliselt kaasa rääkinud Prof. J. Rossi koolkond Tõraveres. Välja on töötatud taimkatte kiirguslevi füüsikaline teooria, mille kaugseire jaoks oluliseks tulemiks on taimkatte peegeldusmudelid. Lisaks taimkatte kaugseirele kasutatakse satelliidiinfot Eestis pilvisuse klimatoloogia ja aerosooli alastes uurimustes, Eestit ümbritsevate veekogude seisundi jälgimiseks, aga ka mitmetes konkreetsetes rakendustes nagu Eesti baaskaardi tegemisel, põllumajandusmaade registri loomisel, metsade lageraiete üle arvepidamisel. Pildil: Eesti metsakaart koostatuna satelliidi Landsat Thematic Mapper piltidest. (C) Urmas Peterson
ELEMENTAAROSAKESTE FÜÜSIKA EESTIS: TEOORIAST INFOTEHNOLOOGIANI Andi Hektor, Kristjan Kannike, Martti Raidal Elementaarosakeste füüsika otsib maailma fundamentaalseid „ehituskive”. Siiani kogutud osakestefüüsika teadmised võtab kokku Standardmudel. Kvarkidele, leptonitele, ja vastasmõjusid ülekandvatele gluuonitele, W- ja Z-osakestele ja footonile lisaks on teoorias üks veel avastamata osake – Higgsi boson, mis annab ülejäänud osakestele massid. Higgsi avastamine on üks CERN-is 2008. a. käikulastava LHC kiirendi peamisi lootusi, samuti loodetakse leida tumeda aine osakesi ja tõendeid supersümmeetriast. Eesti ja CERN-i vahel on sõlmitud leping koostööks CMS detektori eksperimendiga. KBFI-s Tallinnas uuritakse neutriinode masside ja kosmoloogia seost ning tehakse simulatsioone uute osakeste leidmiseks CMS detektoris; Tartus FI-s tegeldakse stringikosmoloogia ja spinnifüüsikaga. LHC-st tuleva tohutu andmete voo töötlemiseks on vaja hajusarvutussüsteemi Grid arvutusvõimsuse ja andmehoidlate jagamiseks. Eesti esimene Gridi sõlm loodi 2004. a. KBFI-s. Praegu osaleb Eesti Euroopa Liidu BalticGridi projektis. Projekti Eesti-poolsed partnerid on EENet ja KBFI.
TUUMAMAGNETRESONANTS KEEMILISE JA BIOLOOGILISE FÜÜSIKA INSTITUUDIS Ago Samoson, Jaan Past
ELU VÕIMALIKKUS MITTELINEAARSES JA MITTETASAKAALULISES JUHUMUUTLIKUS MAAILMAS Jaan Kalda, Romi Mankin, Risto Tammelo
TAHKISETEOORIA – AINE SÜVASTRUKTUUR ALLUB KVANTSEADUSTELE Imbi Tehver Maailm, milles me elame, koosneb pidevalt liikuvatest osakestest, mis alluvad kvantseadustele. Kondenseeritud aines (tahkistes, klaasides, vedelikes) aatom-osakesed  võnguvad oma tasakaaluasendite ümber vastastikmõjus naaberosakestega. Kvantseaduste tõttu ei ole seda liikumist põhimõtteliselt võimalik välja lülitada – alati jäävad nn nullvõnkumised. Viimased on olemas igal pool – isegi vaakumis. Tänapäeva kvantteooria järgi on nullvõnkumised väga paljude nähtuste taga – nii on Suur Pauk algkvantväljade nullseisundi ajalise sõltuvuse tagajärg. Et nullvõnkumiste intensiivsus on suurem just tahkistes, siis siin on nullenergiaga seotud protsessid eriti olulised. Niisugused nähtused nagu ülijuhtivus, ülivoolavus, foononvabad spektrijooned on siin toimivate kvantseaduste tulemused. Mis on foononvaba joon, kuidas tekivad foononpursked või paigalseisvad võresolitonid, kuidas toimub kvantdifusioon, milliseid kõrgtemperatuurse ülijuhtivuse mehhanisme on pakutud  - lugege kogumikuartiklist „Tahkiseteooria – aine süvastruktuur allub kvantseadustele”, milles on antud põgus ülevaade Tartu Ülikooli Füüsika Instituudi tahkiseteoreetikute töödest.
MATERJALIFÜÜSIKA EESTIS Jaak Kikas, Aleksandr Luštšik
AATOMKIHTSADESTAMINE – ARENGUVÕIMALUS TEHNOLOOGIALE, VÄLJAKUTSE FÜÜSIKALE Arnold Rosental, Jaan Aarik, Kaupo Kukli Tänapäeva teadus- ja tööstusaparatuur ning arvutus-, side- ja olmetehnika sisaldavad mitmesuguseid elektroonikaseadiseid ja -komponente – mikrolülitusi, mäluelemente, sensoreid ning kuvaekraane. Nende tähtsad osised on õhukesed tahkisekiled. Kiled peavad olema kvaliteetsed ja funktsionaalsed, sealjuures ka siis, kui nende paksus piirdub vaid mõnekümne aatomkihiga või jääb alla selle. Seoses just viimast liiki kilede kasvatamisega (kasvatamisvajadusega) peetakse tänapäeval perspektiivseimaks aatomkihtsadestamise meetodit. Tartu teadlased on andnud arvestamisväärse panuse selle meetodi arendamisse. Muu hulgas on nad kasutusele võtnud mõõtmismetoodikad, mis lubavad saada infot aatomkihtsadestamisel aset leidvate protsesside kohta vahetult nende toimumise ajal. Modifitseeritud seadmed tagavad kasvu monitooringu kvartsresonantskaalumise või astmelise dielektrikpeegelduse (fotol) abil. Läbiviidud uuringutega on selgitatud oksiididest sensormaterjalide ja suure dielektrilise läbitavusega oksiidide valmistamise iseärasusi ning tehtud kindlaks kasvatatud kilede eriomadused.
UURINGUD SÜNKROTRONKIIRGUSEGA Ergo Nõmmiste, Marco Kirm
BIOFÜÜSIKA –VARJUST VALGUSE KÄTTE Arvi Freiberg Biofüüsika tekkis vajadusest ühendada erinevate teadusharude jõud eluslooduse mõistmiseks. Ammustel aegadel oli teadus üks. Valgustusajast alates hakkas ta aga üha enam valdkondadeks hargnema. See iseenesest vajalik suundumus, mis võimaldas teaduse sügavuti arengut, ammmendas ennast olulisel määral juba eelmise sajandi esimesel poolel. Killustumine oli jõudnud nii kaugele, et erinevate erialade spetsialistid üksteisest ilma “tõlgi” abita vaid vaevu aru said. Aga aru saada oli vaja. Olnuks ju lihtsalt rumal naaberteadustes kogutud rikkalikku teadmistepagasit kasutamata jätta. Nii tekkis ridamisi teadusharusid ühendavaid erialasid: nt küberneetika matemaatika ja inseneriteaduste vallas, sotsioökonoomika sotsioloogia ja majandusteaduste vahel ning biofüüsika bioloogia ja füüsika siirdealal. Reeglina kasvavad sellised siduserialad üsna kiiresti vahendaja rollist välja hakates iseseisvudes kandma baaserialasid üldistavat missiooni. Selles mõttes on nad valdkondade ülesed, uut teavet loovad õpetused. Erandiks pole ka biofüüsika, mis rakendab füüsikalistest teadustest tuntud kvantitatiivseid meetodeid bioloogilisest ainest arusaamisel molekulaarsel, raku ja tervete organismide tasandil.
OPTIKA ISESEISVAS EESTIS Peeter Saari Tänapäeva maailmas, kus materiaalse ja vaimse kultuuri produkte on lõpmata palju ja kõik pretendeerivad inimeste huvile ning ajale – mis ju lõplik ressurss –, peetakse miskit tähelepanu väärivaks  vaid siis, kui sellega seostub brand, nimi, pikk traditsioon, kuvand, legend või müüt, mis ergutab fantaasiat.  Osutub, et vähemasti üks eestlane on pälvinud legendaarse kuulsuse optika alal ja me võime  rinda ette ajades hüüda: oli küll, oli küll meil säärane mees,  teleskoop taevani, juured madalas rannikuvees, kui parafraseerida P.-E. Rummo luuletust “Ikka Liivist mõteldes”. Kes oli see müütiline mees, kelle nime teadsid ka arvukad esimese põlvkonna televiisorivaatajad Ameerikas? Mitme tuhande krooniseks hindaksite selle küsimuse raskuskategooriat, kui see esitataks Kanal 3-e miljonimängus? Viimane küsimus jäägu õhku, aga esimesele  leiab vastuse siit avanevas artiklis. Seda lugedes ja pilte vaadates saab ettekujutuse, mida tehakse optika vallas Tartu Ülikooli Füüsikumis ja Tallinna Tehnikaülikoolis ning Eesti kõrgtehnoloogilistes optika- ning laserifirmades. Muuhulgas tuleb juttu ülevalguskiirusega liikuvatest valguslainetest ja tahkestunud väärisgaaside kuumast külmhelendusest, nahahaiguste laserravist ja välgutekitamisest laboratooriumis, klaasi varjunud jõudude nähtavakstegemisest ja Eesti laserite edukast rünnakust USA kõrgtehnoloogiaturul. Lõpetuseks instruktsioon kuidas teada saada who is who Eesti optikas ning hinnata igaühe panust maailmateadusse.
ATMOSFÄÄRI JA MERE DÜNAAMIKA Jüri Elken, Aarne Männik, Rein Rõõm Kaasaegse ilmaprognoosi tugisambaks on numbriline meteoroloogia, mis sisuliselt kujutab endast atmosfääri liikumist kirjeldavate dünaamikavõrrandite lahendamist arvutitega (nn numbrilist integreerimist). Eestis on  atmosfääridünaamika kui ilma- ja ilmastikuarvutuste ja –mudelite aluseks olev teoreetiline uurimissuund koondunud  Tartu Ülikooli keskkonnafüüsika instituuti, kus on atmosfääridünaamika ja numbrilise meteoroloogiaga tegeletud pisut üle kümne aasta. Teoreetilistes uuringutes ollakse keskendunud rõhukoordinaatides esitatud dünaamikamudelite arendamisele ja uurimisele pearõhuga  mesomastaapsetel protsessidel, mis nõuavad mittehüdrostaatiliste efektide arvestamist. Olulisemaks koostöösuunaks on olnud mittehüdrostaatilise ilmaennustusmudeli arendamine TÜ-s rahvusvahelise konsortsiumi HIRLAM mudeli baasil ning HIRLAM jaoks. Arenduse tulemusena saadud mudelit rakendatakse Eesti Meteoroloogia ja Hüdroloogia Instituudis  (EMHI)  numbrilise ilmaennustuse tegemiseks.
AEROSOOLID JA RADIOAKTIIVSUS KESKKONNAS Hannes Tammet, Eduard Tamm, Jaan Salm, Enn Realo
ELEKTROKEEMIA ARENGUST TARTU ÜLIKOOLIS AASTATEL 2000–2005 Enn Lust Kas varem või hiljem, kuid kütuseelemendid ning elektriautod tulevad inimkonna kasutusse niikuinii. Selline veendumus põhineb kütuseelementide ning elektrilise kaksikkihi kondensaatorite jt moodsate elektrokeemiliste energiaallikate arengudünaamika analüüsil. Kütsuseelemendid on kõrgtehnoloogilised seadeldised, mille summaarne kütuse energia elektriks ja soojuseks muundamise kasutegur on kaks ja pool korda kõrgem kui traditsioonilistel soojuselektrijaamadel ja seni kasutatavatel sisepõlemismootoritel. Lisaks kütuseelemendile läheb elektriauto, efektiivseks toimimiseks vaja mõnda impulssvoolu(energia) allikat, milleks sobib suurepäraselt elektrilise kaksikkihi kondensaator, mille elektriline kasutegur on kuni 96%. Kunagi varem pole Tartu elektrokeemikute käsutuses olnud nii informatiivseid tahkise ja elektrolüüdi vahelise piirpinna uurimise seadmeid kui praegu ning nagu järgnevast kokkuvõttest võib näha, on TÜ füüsikalise keemia instituudis võimalik üles lugeda nii tahkise pinnal olevaid üksikuid aatomeid kui ka nendel adsorbeerunud orgaanilisi molekule ning ioone. Kõik need uuringud on vajalikud selleks, et töötada välja veelgi efektiivsemad elektrilies kaksikkihi kondensaatorid ja kütuseelemendid.