Kuidas alusteadus meie nutitelefoni jõuab

Tehnoloogiad, mis tegid võimalikuks iPhone’i loomise, pärinevad uurimistöödest, mis on ajendatud kas puhtast teaduslikust uudishimust või utoopilistest insenertehnilistest probleemiasetustest.

ANDI HEKTOR

Alusteadustes jagatakse Nobeli auhindu üsna ulmeliste avastuste eest. Sageli näib neil puuduvat side igapäevaeluga. Lähivaatlusel selgub aga, et meie argividinad on täis teadmisi, mis pärinevad näiliselt elukaugest teadusest inseneeriast ja disainist. Tihti sellistest veidi salapärastest kohtadest, mida tähistavad lühendid CERN, NASA, DARPA, ESA jms. Miks sünnib maailma tippteaduskeskustes läbimurdelisi ideid, tehnoloogiaid ja ettevõtteid? Kas ja mida on Eestis sealt õppida, et meie alusteadus tippinseneeria ja ulmedisain edeneksid kiiremini ning panustaksid veel rohkem meie igapäevaellu?

Olen (fundamentaal)füüsik, kes tegeleb alusteadusega. Igal hommikul unisena hambaid pestes mõtlen sellest, et millest koosneb universum. Kohvi kõrvale mõtlen, kuidas universumi koostisosad käituvad. Lapsi lasteaeda viies räägin neile sellest, kuidas universum on tekkinud. Tööle jõudes ootab ees seltskond omasuguseid, kellega koosolemine on kergelt teraapiline ja hetkeks ununeb preili Universum. Saab esitada emotsionaalseid seisukohti vaakumi stabiilsuse, elektriautode, programmeerimiskeelte, popmuusika arengu, teaduspoliitika jms argiteemadel. Pärastlõunal helistab mu kallis kaasa, kes tuletab meelde, et pidin helistama santehnikule. Kallis, kohe-kohe, aga enne pean veel natuke muretsema universumi tuleviku pärast … Õhtul enne uinumist jõuan veel soovida häid unenägusid Boltzmanni ajule.¹

Minu kui alusteadlase käest on sageli küsitud, kas ühiskond peab kinni maksma alusteadlaste väga-väga kalli huvi kõiksuguste näiliselt elukaugete teadusmängude vastu. Võtame näiteks maailma ühe kalleima teaduseksperimendi, suure hadronite põrgati (Large Hadron Collider, LHC). Avastati üks uus osake, Higgsi boson, ja, naksti, 5 miljardit eurot kulutatud. Või LIGO eksperiment,² mille käigus mõõdeti esimest korda gravilaineid. Naksti, 2 miljardit dollarit kulutatud. Plancki eksperimendiga mõõdeti täpsemalt ära käputäis kosmoloogilisi parameetreid. Naks-naks, üle miljardi euro põletatud. On need kulutused ikka õigustatud? Ütlen ette ära, et minu arust on õigustatud ja selle tõestuseks toon allpool mõned konkreetsed näited. Minu arvamus on, et alusteadusest ja kallitest eksperimentidest saab ühiskond rohkelt nii kaudset kui ka otsest kasu. Esiteks saame rahuldada oma uudishimu. Teiseks, kui pole head alusteadust, siis ei ole ka head kõrgharidust. Kolmandaks, alusteadus „toodab“ läbimurdelisi uuendusi. Neljandaks, alusteaduse hiigelprojektid ja suurlaborid töötavad hoogsalt välja uut tehnoloogiat. Harutame allpool need punktid ükshaaval lahti.

Alusteaduse ja kõrghariduse abielu

Ühiskond on nõus maksma oma uudishimu rahuldamise eest, nii nagu oleme nõus tasuma meelelahutuse, tippspordi jms eest. Tuletan meelde, et võrreldes näiteks kuludega meditsiinile või riigi­kaitsele on kogukulud alusteadusele väiksed, ca 0,3% arenenud riikide SKTst. Hea alusteadus ja kõrgharidus käivad käsikäes. Või täpsemini, nad on kirerohkes abielus. Võtke maailma sada parimat ülikooli ja näidake mulle mõnda, kus ei tegelda tipptasemel alusteadusega. Sellel vastastikusel armusuhtel on kindlad põhjused. Alusteaduses tuleb tegutseda väga süsteemselt ja struktureeritult. Teoreetikust alusteadlane peab alati oma valdkonnas aduma väga laia üldpilti ja alateemade vahelisi seoseid. Just see muudab alusteadlased (eriti teoreetikutest teadlased) headeks õppejõududeks. Hea loeng peab olema süsteemne, hästi struktureeritud ja looma alateemade vahel funktsionaalseid seoseid. On veel üks aspekt. Tipp(alus)teadustes on väga tugev sisemine konkurents. See ei võimalda koridoris susse sahistada ja kohvitassi taga pikka juttu veeretada. Ideed tuleb realiseerida võimalikult kiiresti teadusartiklite, uute eksperimentide ja tehnoloogiatena. Tippteadlase teatud pehmesse kehapiirkonda on surutud terav ora – kusagil teises maailma otsas on üks teadlane, kes võib just nüüdsama asja ära teha! Teadagi, au saab ennekõike esimene. Just see õpetab teadlasi lahendama probleeme kiirelt ja parimal moel. Aga just seda ootame ühelt healt ülikoolilt – et õpetataks tudengeid lahendama probleeme kiireimal ja parimal võimalikul viisil.

Innovatsioon, mis murrab läbi

Ilma alusteaduseta ei oleks läbimurdelist innovatsiooni. Kui mõned hullud füüsikud poleks hakanud elektriga mängima, siis … Või võtame Tartu ülikooli haridusega Wilhelm Ostwaldi,³ kes sai Nobeli keemiaauhinna 1909. aastal. Ilma tema avastusteta oleks tänapäevane keemiatööstus üsna võimatu. Meenutame 1920ndate kvantfüüsikat ja 1950ndate molekulaargeneetikat, mis olid tollal alusteadused, aga ilma milleta ei oleks tänapäevast materjali-, tuuma-, geeni- ja paljusid teisi tehnoloogiaid. Mäletate, 1970. oli avaliku võtme krüptograafia veel ulmeteadus, aga nüüd istub igal eestimaalasel seda tehnoloogiat kasutav ID-kaart taskus. 1980ndatel olid masinõpe ja andmeteadus alusteadlaste pärusmaa. Nüüd leiab need sõnad pea iga iduettevõtte arendusprogrammist. Seda näidete jada võib pikalt jätkata. Mõni skeptik ehk mõtleb nüüd, et las alusteadusega tegelevad rikkad riigid ja küll pudeneb sealt meile ka midagi. Kindlasti pudeneks, aga kes oskab need pudemed üles korjata, kui kohalik kompetents on olematu? Reegel on, et esmase kompetentsikeskuse ülesehitamine võtab ligi kümnendi, tippkeskuse ülesehitus aastakümneid.

Tippteaduskeskused, uute tehnoloogiate supikatlad

Suured teaduskeskused ja suureksperimendid sunnivad eri valdkondade spetsialiste intensiivsele koostööle. Suureksperimentideks tuleb sageli luua unikaalne tark- ja riistvara. Seda kõike üle kogu maailma laiali pillutatud laborite, ülikoolide, tehnoloogiakeskuste ja ettevõtete koostöös. Kuidas kasvab sellest kõigest välja innovatsioon? Võtame paar konkreetset näidet. Eelmisel aastal pälvisid Nobeli füüsikaauhinna gravilainete avastajad. Gravilaine on kujuteldamatult raskesti mõõdetav loodusnähtus, mis levib meieni kaugetest universumi sügavustest, miljonite valgusaastate kauguselt. Gravilainete tekitaja oli kahe musta augu ühinemine suuremaks mustaks auguks. Tegu on kõige võimsama loodusnähtusega, mida inimkond mõõtnud on. Kahekümne millisekundi jooksul oli ühinevate mustade aukude kiirgusvõimsus suurem kui kõigi nähtavas universumis olevate tähtede oma kokku! Sellest hoolimata on neid laineid üliraske mõõta. Kujutlege, et nihutate Maad lähima tähe Proxima Centauri suhtes umbes juuksekarva paksuse võrra. Just nii väikse efekti tekitasid mainitud gravilained. Tunnistan, et mulle tundub selline mõõtmine seniajani uskumatu. Füüsikud ja insenerid võtsid appi kõige tundlikuma mõõtmisseadme, interferomeetri. Kulus siiski 35 aastat ja rohkem kui 2 miljardit eurot, enne kui jõuti esimesest kontrollseadmest (1980) gravilainete mõõtmiseni (2015). Tehti läbi kujutlematu tehniline progress. Kas seda tehti selleks, et rahuldada füüsikute uudishimu? Või on sellest kasu ka igapäevaelus? Esitaksin küsimuse hoopis teistpidi ühe teise näite varal.

Mida oli vaja leiutada selleks, et teha üks iPhone?

Just nii küsis majandusteadlane Mariana Mazzucate. Millised olid need peamised tehnoloogiad, mis tegid võimalikuks iPhone’i loomise?⁴ Kui oli analüüsitud paljudelt inseneridelt saadud arvamusi, tõusid esile kaksteist peatehnoloogiat: 1) väiksed mikroprotsessorid, 2) odavad mälukaardid, 3) liikumatud mäluseadmed, 4) vedelkristall-ekraanid ja 5) liitiumpatareid, 6) kiire Fourier’ teisenduse algoritm, 7) internet, 8) HTTP ja HTML, millel põhineb WWW, 9) mobiilsidevõrgud (GSM+), 10) globaalne positsioneerimissüsteem GPS, 11) puutetundlik ekraan ja 12) Siri, häälaktiveeritav tehis­intelligentne agent. Suure üllatusega tõdes Mazzucato, et need pärinevad uurimistöödest, mis on ajendatud kas puhtast teaduslikust uudishimust või utoopilistest insenertehnilistest probleemiasetustest. Neist kaks, WWW ja puutetundlikud ekraanid, pärinevad Šveitsist Genfist, maailma suurimast osakestefüüsika laborist CERNist. Kõik ülejäänud tehnoloogiad pärinevad Ameerika Ühendriikide militaarprojektidest, nn sinitaeva inseneeriast (blue sky research),⁵ kus inseneridele ja teadlastele oli antud närida tol hetkel lootusetult lahendamatu probleem. Lahendajatele antakse väga suur vabadus mängida ümber eesmärgile jõudmise viisid ja vahel isegi eesmärgid.

Tagasi gravilainete juurde. Praegu on võimatu hinnata, milline on gravilainete eksperimendi suurim panus tuleviku argiellu. Mõnekümne aasta pärast ehk oskame sellele küsimusele vastata. Väike panus on aga juba antud – neile paljudele ettevõtetele, kes saavad ülikeerukate katseseadmete väljatöötamisel unikaalse kogemuse ja oskused. Hüppame mõttes Eestisse. Skeptik võib väita, et kirjeldatud alus- ja rakendusteaduse ning tippinseneeria sümbioos esineb vaid suurtes riikides ja laborites, meil väikses Eestis ei olevat selleks võimalusi ja oskusi. Vale puha. Just väikses riigis ei tohi endale lubada väikest mõtlemist.

Näiteks Soome, maailmamastaabis väike riik, on väga aktiivselt osalenud paljudes suurtes rahvusvahelistes teaduseksperimentides. Soome ettevõtted on hinnanud ülikõrgelt sealt saadud kaudset tulu: teadus-, arendus- ja projektijuhtimise kogemusi ning loodud rahvusvahelisi suhtevõrgustikke. Eestis on juba praegu palju edulugusid, mis on alguse saanud alus- ja rakendusteaduse, tippinseneeria ja -disaini ning ettevõtlike inimeste koostööst. Oleme vahest nendega lugudega liigagi harjunud, et neid tähele panna.

Alusteadus ja Eesti i-telefonid

Kas mäletate meie elektroonilise ID-kaardi saamislugu? Mulle meenub, et sattusin umbes aastal 1996 Tartu ülikoolis ühte seminari, kus kohtusid Eesti krüptograafiateadlased, matemaatikud ja elektroonikaspetsialistid. Arutasid seda, kuidas internetikrüptograafiat turvalisemalt realiseerida. Tollal tundusid need ideed ilusa utoopiana, millest ainult mõni hull teadlane võib unistada. Läks mööda „kõigest“ paarkümmend aastat ja tänu nende „hullude“ inimeste julgetele ideedele on Eesti maailmas üks juhtivaid e-riike.

Tasub meenutada Skype’i ja kõike sellele järgnenut. On uskumatu, et Eestist on välja kasvanud neli iduettevõtet, mille väärtus ületab miljard dollarit: Skype, Playtech, TransferWise ja Taxify. Eesti iduettevõtted koguvad käesoleval aastal Allan Martinsoni hinnangul ca 314 dollarit iga elaniku kohta.⁶ Euroopa Liidus on vastav arv keskmiselt 30 dollarit, Ühendkuningriigis 120, Rootsis 136, Ühendriikides 250 ja maailma tippriigis Iisraelis 368. On see siis juhus, et samal ajal on Eesti oma teadusnäitajatelt „uue“ Euroopa (ELiga liitunud endised idabloki riigid) tipus? Ja et Tartu ülikool on sama piirkonna tugevaim ülikool nii mitmegi edetabeli järgi? Kuigi meie iduettevõtteid on süüdistatud liigses IT-kesksuses, leiab nende seast ka palju muudki: Skeleton (superkondensaatorid), Elcogen (kütuse­elemendid), Starship (inseneeria + IT) jpt.

Eesti + CERN + ESA + … = ?

Kas Eesti peab panustama rahaliselt näiteks Euroopa Kosmoseagentuuri (European Space Agency, ESA) või CERNi? Antud juhul räägime kuni miljoni euro suurusest aastamaksust iga sellise organisatsiooni kohta. On seda liiga palju? Mida me vastu saame? Minu arvamus on, et peame panustama. Seda ainult juhul, kui meil on tegusaid teadlasi ja arendajaid, kes oskavad nende organisatsioonide potentsiaali ära kasutada. Meil on näiteid koostööst ESA ja CERNiga. Meie teadlased osalevad edukalt paljudes sealsetes teaduseksperimentides. Meie kõrgharidus saab neist kasu, meenutan siinkohal tudengisatelliiti ESTCube. Kasu on saanud ka ettevõtlus. CERNi sidemetega kõrge energia füüsika laborist KBFIst on alguse saanud mitu edukat ettevõtet. Nende seas on näiteks keeleõppe keskkond Lingvist, millega liitub praegu ainuüksi Hiinas ligi 50 000 kasutajat päevas, ja teisel pool maakera, Ühendriikides, on paljud koolid lisanud selle oma õppekavasse.

Kuidas maksimeerida kasu, mida Eesti ühiskond saab sellisest koostööst? Selleks tuleb koostisosadeks lahutada see võlukokteil, mis tekitab läbimurdelist innovatsiooni. Näikse, et kokteili tähtsad koostisosad on piirideta teaduslik- ja insenerimõtlemine, tippteaduslik võistlev keskkond, rahvusvahelised sidemed ja spetsialistide mobiilsus ning tihedalt koos töötavad teoreetikud, eksperimenteerijad, insenerid, IT-spetsialistid, disainerid. Piirideta mõtlemine on vajalik, aga tippteadusele omane konkurents sunnib teadlasi-arendajaid-insenere jõudma lõpuks pilvedest tagasi maa peale. Eesliiniteaduses ja inseneerias tuleb lasta mõttel väga vabalt lennata, aga teisalt on teadlasel alati kuklas vasardamas mõte: „Keegi teine võib minust ette jõuda!” Tuleb õppida, teha tööd, luua sidemeid, vahetada ideid, teha koostööd.

Mida vajame, et meilt tuleksid uued „i-seadmed“ ja vahel potsataks siia ka mõni Nobel? Eesti teadussüsteem on juba üsna efektiivne ja teadus on liikunud kukesammul kõrgema kvaliteedi poole. Meenutan hiljutist Jüri Alliku toodud näidet: analüüsifirma Clarivate avaldas novembris edetabeli, mis koondab endasse umbes 3500 kõige mõjukamat loodus- ja sotsiaalteadlast. Eestlasi pääses sinna seitse, võrdlusena: Venemaalt kolm ning Lätist-Leedust mitte ühtegi teadlast. Samuti on Eesti ülikoolid edetabelite järgi Ida-Euroopas parimate hulgas ja mõnes vallas (nt IT alal) astuvad kandadele Lääne-Euroopa esiliigale. Muide, ääremärkusena tuletan meelde ka meie head põhiharidussüsteemi, kõrgel tasemel teaduse populariseerimist ja ühiskonna suurt usku teadusse-tehnoloogiasse. Selles oleme ELis teisel kohal, kohe Rootsi järel. Eestis usub teadusse ja tehnoloogia ühiskondlikku kasusse 91% inimestest, Rootsis 93%. Tabeli lõpust leiame Rumeenia, 68%-ga.⁷ Kõik see süstib usku, et suudame teadus-ja arendustöös teha suuri asju.

Pilved siniteaduse taevas

Siiski pole Eesti teaduse-arenduse taevas päris sinine. Kõrgharidus ja teadus vajavad suuremat stabiilsust. Liigne projektipõhisus (75% teadusrahast jagatakse lühiajalistele projektidele) raiskab teadlaste ja teaduskorraldajate aega taotlustele ja aruandlusele.⁸ Teadlaskarjääri ebamäärasus peletab noorteadlasi riikidesse, kus on stabiilsem karjäärisüsteem. Samal põhjusel ei julge siia tööle tulla head välisteadlased. Kui tahetakse pürgida nutika majandusega riikide hulka, siis on praegused avalikud investeeringud kõrgharidusse ja teadusse-arendusse liiga väikesed. Investeeringud sinna on kukkumas kaugele allapoole riigi strateegilisest plaanist, 1% SKTst. Näiteks 2016. aastaks olid teadus-arendustegevuse investeeringud langenud lausa hirmuäratavalt allapoole 0,5% SKTst!

Meenutuseks, et ülal nimetatud edukates iduettevõtlusega riikides (UK, USA, Rootsi, Iisrael) on see üle 1% SKTst. Olen sattunud suhtlema mitme investoriga, kes haldavad teadusmahukasse majandusse investeerivaid multimiljardilisi fonde. Ühe Eesti nõrkusena on nad välja toonud riigi vähesed investeeringud teadus-arendustegevusse. See on tähtsamaid näitajaid, mille järgi nad oma fondide sihtriike valivad. Eesti teoreetilisem alusteadus saab riikliku „dieediga“ ehk kuidagi hakkama, kuna teoreetiline teadus on odavam. Suureks kannatajaks on eksperimentaal- ja rakendusteadus, millel on projektipõhises keskkonnas niigi raske ellu jääda. Edu saavutamise ajaskaalad on seal lihtsalt palju pikemad kui tüüpilise teadusgrandi pikkus Eestis. Loomulikult on kulud aparatuurile ja materjalidele suuremad kui teoreetikutel paberile-pliiatsile.

Kokkuvõtte asemel

Vajame lennukat mõtlemist, avatud meelt ja koostööd. Riigis tuleb vähendada projektipõhisust ja bürokraatiat. Vajame akadeemilist vabadust toetavat teadlaste karjäärimudelit, mis võimaldab teadlaste liikumist teadusasutuste vahel. Vajame riigi ja ettevõtete investeeringute olulist suurendamist teadus- ja arendustegevusse. Vajame, et Eesti tippteadlased ja -spetsialistid oleksid ka rahaliselt motiveeritud õpetama. Vajame rohkem teadlasi kõigis sektorites – Eestis on elaniku kohta kaks korda vähem teadlasi kui Soomes. Vajame tõhusat osalemist tipptasemel rahvusvahelistes teadusprojektides ja -keskustes. Vajame viljakat pikaajalist strateegilist koostööd ülikoolide ja ettevõtete vahel. Teadussüsteemis tuleb läbi mõelda, kuidas tagada strateegiline rahastus pikaajalistele teaduseksperimentidele ja tippteadust tegevatele tippkeskustele. Nagu mainitud, tippteadus ei teki üleöö.

Eesti Teadusagentuur, Archimedes ja teised avaliku sektori rahavoogude suunajad võiksid oma tegevuse tõhustamisel piiluda meie enda ideelabori Guaana⁹ poole. Nende idee on arendada välja läbipaistev, avatud ja kiire grandiraha jagamise keskkond. Esimene suurem rahvusvaheline grandikonkurss on tehtud ja, muide, taotluse sisseandmisest rahastusotsuseni kulus üks kuu. Rahastusskeemide osas tuleks mõelda „kastist välja“. Peale standardgrantide vajame innovaatilisi grante, mis toetaksid teadlaste liikumist sektorite vahel: teadusest riigihaldusse, ettevõtlusse, meditsiinisüsteemi jne ja sealt jälle tagasi. Miks mitte mõelda ka veel kaugemale: pere­grant (grant teadlastest elukaaslastele), seeniorigrant (Lääne-Euroopas on jalaga segada teadlastest noori pensionäre, kes on veel täiesti kõbusad, mobiilsed ja omavad väga head koostöövõrgustikku), ettevõtlusse suundumise grant, teadusse tagasipöördumise grant, praktiseeriva arsti grant jne.

Need on vaid mõned ääretingimused, et meie kõrgharidus ja teadus õitseksid ning see õitseng valguks ka ülikoolidest välja. Need on vajalikud selleks, et meie alus- ja rakendusteadus ja arendus saaksid paremini koos töötada ülikooliväliste tegelaste, ettevõtjate, arstide, ametnikega. Ja siis, kui me oleme kõik selle ellu viinud, siis ühel ilusal hommikul ärkab alusteadlane, ringutab ja talle tuleb pähe üks läbimurdeline idee. Ning ta ei löögi käega, vaid otsib üles oma seitse sõpra ja viib oma idee ellu.

1 Viini füüsik Ludwig Boltzmann (1844–1906) mõtles välja, kuidas jaotub energia aatomite seltskonnas. Boltzmanni konstant näitab, kuidas on osakeste süsteemi temperatuur seotud nende energia. Niinimetatud Boltzmanni ajud on kosmilises ruumis juhuslikest aine- ja väljafluktuatsioonidest tekkinud teadvusega olend.

2 Laserinterferomeetri-gravitatsioonilainete observatoorium, mille kaks keskust on USAs. The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), veebileht: http://ligo.org/

3 Friedrich Wilhelm Ostwald (kutsutud lihtsalt Wilhelm Ostwald, lt: Vilhelms Ostvalds) (1853–1932) oli baltisaksa keemik, füüsik ja filosoof, füüsikalise keemia rajajaid. Pälvis 1909. aastal Nobeli keemiaauhinna oma töö eest keemilise tasakaalu ja reaktsioonikineetika vallas.

4 Tim Harford, The iPhone at 10: How the smart­phone became so smart – BBC World Service, 26. XII 2016.

5 https://en.wikipedia.org/wiki/Blue_skies_research

6 https://www.facebook.com/allan.martinson/posts/10160461299890156

7 Ülevaade uuringutest, mis käsitlevad Eesti elanike suhtumist teadusesse. SA Eesti Teadusagentuur, koostaja: Kadri Raudvere. Tartu 2016.

8 Kogumik „Eesti teadus 2016“, Eesti Teadusagentuur.

http://www.etag.ee/wp-content/uploads/2014/01/TA_teaduskogumik_veeb-1.pdf

9 https://www.guaana.com