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

      Onneton autoverodraama on osoitus poliittisen pelisilmän puutteesta

    2. 2

      CIA:n tiedusteluraportti: Suomi tavoitteli Karjalan palautusta kunnostamalla tarpeettoman Saimaan kanavan

    3. 3

      Rocktähtien sanat kovenevat Trumpia kohtaan – Bruce Springsteen ryhtyi julistamaan presidentin vastaista ”uutta vastarintaa”

    4. 4

      Aikuiset ovat nykyään aivan kuin teinejä

    5. 5

      Superbakteereita vastaan täytyy keksiä aivan uusia keinoja tai taistelu on hävitty: ”Meidän täytyy taas tottua siihen, että lapset kuolevat”

    6. 6

      Ministeri Berner: Liikenneverkko­yhtiön valmistelu keskeytetään, autoverosta ei luovuta

    7. 7

      Trump uhkaa tuhota Britannian varalaskupaikan

    8. 8

      CNN otti Trumpin virkaanastujaisista uskomattoman kuvan – yleisön voi laskea vaikka yksitellen

    9. 9

      Trump aloitti suurten lupaustensa lunastamisen – veti Yhdysvallat vapaakauppa­sopimus TPP:stä

    10. 10

      Italian lumivyöryn alta elossa löytyneet koiranpennut valavat uskoa pelastustoimiin – samaan aikaan syytökset viranomaisia kohtaan kiihtyvät

    11. Näytä lisää
    1. 1

      CNN otti Trumpin virkaanastujaisista uskomattoman kuvan – yleisön voi laskea vaikka yksitellen

    2. 2

      Trump uhkaa tuhota Britannian varalaskupaikan

    3. 3

      Aikuiset ovat nykyään aivan kuin teinejä

    4. 4

      23-vuotias Ville haluaa ryhtyä talonmieheksi, hankkia koiran ja lopettaa Subutexin käytön – odotellessaan paikkaa katkolle hän ehti jo retkahtaa ja kadota

    5. 5

      Superbakteereita vastaan täytyy keksiä aivan uusia keinoja tai taistelu on hävitty: ”Meidän täytyy taas tottua siihen, että lapset kuolevat”

    6. 6

      Trump suuttui median uutisoimasta vaatimattomasta yleisömäärästä – ilmakuvat näyttävät karun totuuden virkaanastujaisista

    7. 7

      Nuoren naisen katoaminen kuohuttaa Islannissa – Murhamysteeriin liittyy grönlantilainen kalastusalus, veritahra vuokra-autossa ja 20 kiloa hasista

    8. 8

      Satatuhatta suomalaista matkailijaa tuo joka vuosi tuliaisina superbakteerin – Ihmiskunta voi pian joutua elämään ilman antibioottien turvaa

    9. 9

      Merenrantaan hamuava suuryritys saa Helsingiltä erityiskohtelua – Luonnonsuojelija: Suosiiko Jussi Pajunen tytärtään?

    10. 10

      Saako säästöille nyt mistään tuottoa? Asiantuntijat kertovat, miten sijoittaminen kannattaa aloittaa

    11. Näytä lisää
    1. 1

      Trumpin kannattaja: ”Te siellä Suomessa puhutte enää islamia”

    2. 2

      CNN otti Trumpin virkaanastujaisista uskomattoman kuvan – yleisön voi laskea vaikka yksitellen

    3. 3

      Trump suuttui median uutisoimasta vaatimattomasta yleisömäärästä – ilmakuvat näyttävät karun totuuden virkaanastujaisista

    4. 4

      Poliisi epäilee Helsingissä ”kaikkien aikojen korruptiotapausta” – Helsingin opetusviraston turvallisuuspäällikkö vangittu

    5. 5

      Olivia Oras ryhtyi instaamaan, sai tuhansia seuraajia ja vietti 16-vuotiaana vip-elämää – mutta alkoi pelätä imeytymistä someen ja palasi kotiin

    6. 6

      Miehen epäillään tunkeutuneen sikalaan ja paritelleen karjun kanssa Oulun seudulla

    7. 7

      Ruokatrendit, kuten sushi, veganismi ja pienoluet, ovat esittämistä, jolla hyväosaiset tekevät eroa muihin, sanoo tutkija – ja hänellä on lukuja todisteeksi

    8. 8

      Tältä me näytämme aamulla bussissa ja metrossa – Akseli Valmusen kuvareportaasi

    9. 9

      Helsinkiä riivaa huutava pula nuorista miehistä – katso HS:n koneesta, puuttuuko kotikulmiltasi naisia vai miehiä

    10. 10

      Muutin 41-vuotiaana vanhempieni luokse ja toivon, että oma lapseni voi keski-ikäisenä kivuta syliini itkemään

    11. Näytä lisää