Valikko
Tiede

Aika pilkotaan jo atto­sekunteihin

Kun aikaa pystytään mittaamaan yhä tarkemmin, on mahdollista nähdä vaikka atomin ytimeen.

Tehdään satatuhatta kertaa nykyistä nopeampi tietokone. Tuhotaan syöpäkasvaimia elektronikatapultilla. Saadaan uutta tietoa maapallon sisuksista.

Tätä ja paljon muuta edistävät ajan murskaajat. He tutkivat nopeita ilmiöitä huipputarkoilla kelloilla ja huippunopeilla ”video­kameroilla”.

Molemmat hyödyntävät lasertekniikkaa.

”Laserpulssien avulla pystytään tutkimaan tapahtumakulkuja atomeissa” sanoo erikoistutkija Thomas Fordell Mittatekniikan keskuksesta Mikesissä.

”Yksi laserpulssi käynnistää prosessin ja toinen havaitsee sen”, kertoo Fordell havaintotekniikasta.

”Mitä lyhyempiä pulsseja pystytään tuottamaan, sitä lähemmäksi päästään atomin ydintä. Nyt pystytään tutkimaan tapahtumia elektronikuorella.”

Ytimen prosessit ovat suuri­energisiä, ja suurienergiset il­miöt ovat tavallisesti myös nopeita.

Ajanmittauksen tarkentaminen on yksi Mikesin tehtävistä. Keskus rakentaa optista kelloa, jossa tikittää strontium-88-ioni.

Punainen “kellolaser” virittää ionin vain yhdellä taajuudella. Kun viritys havaitaan, tiedetään taajuus. Kun tiedetään taajuus, tiedetään aika.

Yksi sekunti on kulunut, kun laserin kenttä on värähtänyt 444 779 044 095 484,6 kertaa. Värähdyksen pituus eli mitattu ajanjakso on vähän yli 2,2 femtosekuntia. Femtosekunti on sekunnin tuhannesbiljoonas­osa.

Nykyiset cesiumkellot mittaavat vain noin yhden kymmenesmiljardisosasekunnin jaksoja.

Mikes tutkii myös, miten saadaan kahdessa paikassa sijaitsevat kellot käymään samaa aikaa.

”Jos tarkkuus on yksi sekunti, ajan siirto on helppoa”, kertoo Fordell. ”Nanosekuntiin ja sen alle pääseminen on jo paljon vaikeampaa, varsinkin jos signaalissa on suuria viiveitä, jotka voivat vaihdella.”

Ajan mittaamisessa, kuten kaikessa mittauksessa, tavoitellaan suurta tarkkuutta, resoluutiota ja täsmällisyyttä eli toistettavuutta.

Tarkkuus tarkoittaa maailman­ajan ja kellojen näyttämän ajan eroa. Kehittyneissä maissa aika saadaan nykyään pysymään muutaman nanosekunnin päässä maailmanajasta.

Resoluutio tuo ensimmäiseksi mieleen kuvat ja pituusyksiköt. Se kertoo, miten pienen pisteen kuva pystyy esittämään. Fysikaalisten tapahtumien tutkijat puhuvat aikaa mitatessaan vastaavasti aikaresoluutiosta.

Yhtä tärkeitä kuin nanometrit ovat nanosekunnit ja sitä ly­hyemmät ajat: nanosekunnin miljoonasosat eli femtosekunnit, femtosekunnin tuhannesosat eli attosekunnit ja attosekuntien tuhannesosat eli tseptosekunnit.

Laboratorioissa on saavutettu alle sadan attosekunnin resoluutioita. On syntynyt attosekuntifysiikka, nopeisiin prosesseihin keskittynyt tieteenala.

Professori Ferenc Krausz johtaa yhtä alan keskuksista, Max Planck -instituutin kvanttioptiikkayksikköä Garchingissa Münchenin lähellä.

Viimeksi Krauszin ryhmän tutkijat kertoivat tehneensä 3D-elokuvan, joka näyttää elektronien liikkeitä biomolekyylissä. He synnyttivät 28 femtosekunnin elektronipulssin.

Pulssit ovat kuin perättäisiä kuvia elokuvassa. Hidastamalla ja pysäyttämällä otoksia tutkijat näkevät, mitä reaktioissa tapahtuu.

Periaate on sama kuin suurnopeusvalokuvauksen pioneerin, englantilais-yhdysvaltalaisen Eadweard Muybridgen kokeissa Kaliforniassa vuonna 1878. Hän otti kahdellatoista kameralla kuvasarjoja laukkaavasta hevosesta. Taajuus oli noin 25 kuvaa sekunnissa eli sama kuin tavallisella elokuvalla ny­kyään.

Tutkimusta rahoitti osaval­tion entinen kuvernööri Leland Stanford. Hän perusti myöhemmin Stanfordin yliopiston.

Muybridgen kuvasarja todisti, miten hevosen jalat liikuvat laukassa. Ihmissilmän oli vaikea erottaa sitä luonnollisessa tilanteessa.

Nykytutkijat haluavat tietää, miten elektronit laukkaavat atomeissa ja molekyyleissä.

He ovat tutkineet voimakkaiden laserpulssien ja nanohiukkasten vuorovaikutusta. Tutkijat tekivät piidioksidista eli lasista pikkuruisia pallosia.

Pallosesta, johon valonsäde osui, kimposi elektroni. Tutkijat puhuvat katapultista, joka laukaisee elektronin. He uskovat, että tällainen katapultti voi tulevaisuudessa ampua syöpäsoluja kuoliaaksi.

Voimakkaiden valopulssien ja nanohiukkasten avulla voitaisiin myös rakentaa valoaalto-ohjattua elektroniikkaa. Se tekee operaatioita femtosekunneissa eli satatuhatta kertaa nopeammin kuin nykyiset tietokoneet.

Fordell mainitsee vielä yhden teknisen sovelluksen, Maan vetovoiman erojen mittaamisen.

Maan massajakauma vaikuttaa tarkkojen kellojen käyntiin. Aikaerot kertovat gravitaation vaihtelusta maapallolla. Vaihtelu puolestaan kertoo siitä, mitä maaperässä on. Myös merien massavirrat vaikuttavat vetovoimaan.

Ajan tarkka mittaaminen palvelee perimmäisten kysymysten tutkimusta. Sen avulla tarkastellaan aika-avaruutta ja fysikaalisten vakioiden pysyvyyttä.

Kuvitellaan, että kaksi erittäin tarkkaa kelloa käy eri tahdissa. Jos havaitaan, että ero niiden käynnissä muuttuu ajan mittaan, on syytä epäillä, että jokin fysiikan vakio ei olekaan vakio.

Nopeus lisää tietoa

 Aika pystytään jakamaan entistä pienempiin osiin.

 Välineenä käytetään voimakkaita laserpulsseja.

 Nopeiden pulssien avulla pystytään kuvaamaan hyvin nopeita tapahtumia vaikkapa atomin sisällä.

    Seuraa uutisia tästä aiheesta

  • Tiede
  • aika
  • mittaaminen

Kommentit

    Ei vielä kommentteja. Kirjoita ensimmäinen.

    Näytä lisää
    Luetuimmat
    1. 1

      Leipäjono kiemurteli Helsingissä yli kilometrin matkan Myllypurosta Kurkimäkeen

    2. 2

      Sompasaunassa on ahdasta, alastonta ja aitoa – ”Helsinki on paljon siistimpi kuin Tukholma”

    3. 3

      Adobe luopuu Flashista – ohjelmistoa käyttävillä kolme vuotta aikaa siirtää sisältönsä toiseen muotoon

    4. 4

      Pikkupojat surmasivat 4-vuotiaan leikkitoverinsa, väitti Ruotsin poliisi vuonna 1998 – ”Tapaus Kevinin” esitutkinta-aineisto tuli vihdoin julki, ja lähes kaikki siinä viittaa veljesten syyttömyyteen

    5. 5

      Villingin ”antiautoritäärisellä kesämökillä” kasvatetaan vihanneksia ja kerätään sadevettä – Helsingin kaupungin poistumiskehotus tuli talonvaltaajien mukaan yllätyksenä

    6. 6

      Kallion ydinbaareihin kuuluva Cafe Mascot suljettu toistaiseksi, asiasta ilmoitettiin maanantai-iltana Facebookissa: ”Sata tapahtumaa peruuntuu”

    7. 7

      Mitä postinjakajat tekevät tiistaisin, kun kirjeposti ei kulje? Luottamusmies pelkää, että keskiviikot venyvät ja posti myöhästyy

    8. 8

      Uudet ministerit kiersivät lakia vannoessaan tuomarinvalan – Apulaisoikeuskansleri: Ei vaikuta ministerien toimivaltaan

    9. 9

      Ruokatoimittaja ja viestintäyrittäjä Elina Jyväs kuoli 40-vuotiaana

    10. 10

      Talonvaltaajien tukikohdakseen ottama saaristohuvila oli partiolaisten leiripaikka, kunnes Helsinki kaksinkertaisti vuokran – nyt sama huvila on vuokrattu rutkasti halvemmalla

    11. Näytä lisää
    1. 1

      Sompasaunassa on ahdasta, alastonta ja aitoa – ”Helsinki on paljon siistimpi kuin Tukholma”

    2. 2

      Ruokatoimittaja ja viestintäyrittäjä Elina Jyväs kuoli 40-vuotiaana

    3. 3

      Kontulan koti­hälytykset työllistävät poliisia eniten: ”Päiväsaikaan on rauhallista, kun ne kovimmat jätkät nukkuu” – HS:n hakukone kertoo, mikä työllistää poliisia kotikulmillasi

    4. 4

      Sylki paljastaa, että nykyihminen on joskus paritellut tuntemattoman ihmislajin kanssa

    5. 5

      Kallion ydinbaareihin kuuluva Cafe Mascot suljettu toistaiseksi, asiasta ilmoitettiin maanantai-iltana Facebookissa: ”Sata tapahtumaa peruuntuu”

    6. 6

      Pikkupojat surmasivat 4-vuotiaan leikkitoverinsa, väitti Ruotsin poliisi vuonna 1998 – ”Tapaus Kevinin” esitutkinta-aineisto tuli vihdoin julki, ja lähes kaikki siinä viittaa veljesten syyttömyyteen

    7. 7

      Vanhat hääperinteet tuntuvat yhä useammista vaivaannuttavilta – Suvi Sahakarin häissä morsiamen sijaan ryöstettiin kakkulapiot

    8. 8

      Kookosrapua ei kannata kutsua juhliin – jättimäinen otus tyhjentää pöydän ja vie kissankin

    9. 9

      Posti lopetti kirjeiden jakamisen tiistaisin – ”En näe, että tässä tulisi ongelmaa täyttää postilain asettamaa laatuvaatimusta”

    10. 10

      Vasta joka kolmannella on eurooppalainen sairaanhoitokortti – moni myös ajattelee virheellisesti, että Suomen valtio järjestää kotiinkuljetuksen vakavan sairastumisen jälkeen

    11. Näytä lisää
    1. 1

      Ole oma kesäheilasi: Näin masturboit, jos sinulla on penis

    2. 2

      Pikkupojat surmasivat 4-vuotiaan leikkitoverinsa, väitti Ruotsin poliisi vuonna 1998 – ”Tapaus Kevinin” esitutkinta-aineisto tuli vihdoin julki, ja lähes kaikki siinä viittaa veljesten syyttömyyteen

    3. 3

      Joka kolmas muistisairaus voitaisiin ehkäistä korjaamalla elintapoja – tutkijat tunnistivat yhdeksän vaaran paikkaa, jotka altistavat dementioille eri elämänvaiheissa

    4. 4

      Lilli Pukka, 28, on ollut ilman parisuhdetta 10 vuotta ja järjestää ”mää-juhlat” juhlistaakseen sitä – tyytyväiset sinkut voidaan kuitenkin kokea itsekkäinä tai jopa uhkana, sanoo asiantuntija

    5. 5

      Australialaisnainen soitti hätänumeroon Yhdysvalloissa, paikalle tullut poliisi ampui hänet – omaiset vaativat vastauksia surmasta

    6. 6

      Ruokatoimittaja ja viestintäyrittäjä Elina Jyväs kuoli 40-vuotiaana

    7. 7

      ”Naamat” on kuin tuhannen ihmisen kotibileet – Tältä näyttää festivaalilla, joka suututti Sami Hedbergin managerin ja jonka liput myytiin loppuun ennen kuin esiintyjiä oli edes julkistettu

    8. 8

      Asuntopula ajaa nuoria aikuisia Inarin metsiin – Kaisa Tikka peseytyy purossa ja käyttää jääkaappinaan kivenkoloa

    9. 9

      Maistamaan pakottaminen vain pahentaa lapsen nirsoilua, ja sipulin piilottaminen ruokaan on epäreilua – lastenpsykiatri neuvoo, miten valikoivan lapsen voi saada syömään

    10. 10

      Jos alamme tuomita toisiamme kuvottavien mutta yksityisiksi tarkoitettujen sanomisten vuoksi, olemme matkalla takaisin keskiajalle

    11. Näytä lisää