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

      Eurojackpotin 87 miljoonaa menikin kolmen pelaajan porukalle – kuponkia säilyttänyt ei tarkistanut riviä heti kaverinsa kehotuksesta huolimatta

    2. 2

      Kätilöopisto on sairastuttanut kymmeniä ihmisiä, kertovat kätilöt – migreenikohtauksia, ihottumaa, astmaa, jatkuva elohiiri raajoissa

    3. 3

      Munkkiniemessä ei jaettu postia liki kahteen viikkoon, mutta Posti väitti kaiken olevan kunnossa – Nyt ääni muuttui kellossa: ”Nöyrimmät pahoittelut asiakkaille”

    4. 4

      Kun pienten tyttöjen isä nukkui viiden tunnin päiväunia, se ei ollut merkki väsymyksestä vaan aivosyövästä – Kirsi Karhusen mies sai Suomen parasta saattohoitoa, mutta moni muu ei saa

    5. 5

      Haluatko päästä vauhdilla juoksukuntoon? Valmentaja antaa kymmenen vinkkiä harjoitteluun tauon jälkeen

    6. 6

      Kävely on hyväksi aivoille, koska se pumppaa verta päähän – pyöräilyllä ei ole samaa vaikutusta

    7. 7

      Taru Tujunen eroaa Kelan hallituksesta – Tujusen viestintätoimisto sai töitä Kelalta

    8. 8

      Riehuja epäiltynä seitsemästä rikoksesta Kivenlahdentien Hesburgerin parkkipaikalla – Törmäili ryöstämällään autolla terassiin, pahoinpiteli autoilijan ja pyrki poliisin kimppuun

    9. 9

      Kuukautisaktivismi on iso juttu maailmalla, ja nyt se on tullut Suomeenkin – tietokirjailija kehittelee menkkajäätelöä ja kehottaa naisia puhumaan aiheesta

    10. 10

      Villit huhut samuraimiekan kanssa riehuvasta koiransilpojasta leviävät Vantaalla – kaupan edessä ollut koira sai haavan ilmeisesti ryöstön yhteydessä

    11. Näytä lisää
    1. 1

      Kun pienten tyttöjen isä nukkui viiden tunnin päiväunia, se ei ollut merkki väsymyksestä vaan aivosyövästä – Kirsi Karhusen mies sai Suomen parasta saattohoitoa, mutta moni muu ei saa

    2. 2

      Neljä kuppia kahvia, ei edes pullollista energiajuomaa – suurselvitys tarkisti kofeiinin terveydelliset riskirajat

    3. 3

      Syövän on epäilty johtuvan stressistä, ujoudesta, jopa kielteisistä ajatuksista – laaja kartoitus murtaa sairastuneille haitallisia myyttejä

    4. 4

      HS:n lukijat ehdottavat: Nämä suomalaiset tuotteet kuuluisivat bisnesmokien museoon

    5. 5

      Tuhkarokko leviää nyt ympäri Eurooppaa – Suomessa valmiuksia on lisätty uudella lailla

    6. 6

      Kaksi eläkeläistä ja suojana 12 poliisia – saksalaispariskunta antoi oikeistopopulismille kasvot, eivätkä kaikki pitäneet siitä

    7. 7

      Joutsenlaulun Vain elämää -versio soi myös radiossa vastoin Jussi Hakulisen tahtoa – ”Sanoin, että laittakaa radio kiinni”

    8. 8

      Brigitte Macron ”neuvoo ja valmentaa” presidentiksi pyrkivää miestään – lukiolaispojan ja opettajan skandaalisuhteesta syntyi Ranskan seuratuin pari

    9. 9

      Taka-Töölön 80-vuotias klassikkoravintola säästyi perikadolta – Nina Kaukonen osti ravintolan, jossa Matti Pellonpää kävi suihkussa ja Supo vahti Salman Rushdieta

    10. 10

      Punkki puri Jussi Kaijalaa ja se muutti hänen elämänsä – ”Vian epäiltiin jo olevan korvien välissä”

    11. Näytä lisää
    1. 1

      Maailman vaarallisin tulivuori oireilee uhkaavasti – Kun Campi Flegrei taas räjähtää, vaarassa on miljoonia ihmisiä

    2. 2

      Ammattikoulutuksen tila on kelvoton – poikani lukujärjestys on tyhjä ja hän joutuu lorvimaan kotona

    3. 3

      Oudot tuntemukset juoksulenkillä paljastuivat syöväksi – Entinen huippu-urheilija Kirsi Valasti uskoo, että liikunnan tuoma kehotietoisuus pelasti hänet

    4. 4

      Bostonin maratonin voittajan uurteiset reisilihakset hämmästyttävät: ”En ole nähnyt koskaan mitään vastaavaa”

    5. 5

      ”Se on kuin jokin uskonto: usein kun suomalainen lähtee töistä, hän ei enää vastaa puhelimeen” – USA:ssa uraa tehnyt Tero Kuittinen hämmästelee suomalaista keskustelua työuupumuksesta

    6. 6

      Kolmentuhannen euron lasku kuoleman jälkeen yllätti omaiset

    7. 7

      Selvitys: Lähes kolmannes pohjoiskorealaisista käyttää huumeita – metamfetamiini on monille jo arkipäiväistä

    8. 8

      Ravitsemusterapeutti kärsi vuosia kipeästä vatsasta ja ilmavaivoista – Sitten ystävä kertoi ruokavaliosta, joka toi helpotuksen

    9. 9

      Onko tässä Helsingin pienin ja kallein vuokrayksiö? 10 neliömetriä, 1 941 euroa kuukaudessa

    10. 10

      Nyt on hyvä aika päivittää televisio – alle kuukauden päästä kanavasi voivat pimentyä

    11. Näytä lisää
    Uusimmat
    1. Juuri nyt
    2. HS:n päätoimittaja paljastaa, kuinka lapsinäyttelijän ura teki hänestä toimittajan – HSTV näyttää loppuun­myydyn Musta laatikko -esityksen Kansallisteatterista suorana kello 19
    3. Riehuja epäiltynä seitsemästä rikoksesta Kivenlahdentien Hesburgerin parkkipaikalla – Törmäili ryöstämällään autolla terassiin, pahoinpiteli autoilijan ja pyrki poliisin kimppuun
    4. Aikuinen nainen puolustaa päätöstään kohdata 12-vuotias tyttö vapaaottelu­kehässä: ”Hän on mielestäni varsin vahva lapsi”
    5. Isot ilmalaivat tekevät paluuta 80 vuotta Hindenburgin täystuhon jälkeen – katso video zeppeliinin tulimerestä
    6. Eurojackpotin 87 miljoonaa menikin kolmen pelaajan porukalle – kuponkia säilyttänyt ei tarkistanut riviä heti kaverinsa kehotuksesta huolimatta
    7. Hollywood-näyttelijä Tom Hardy juoksi kiinni mopovarkaan, ja tästä syystä se on niin täydellistä
    8. 70 000 euron potilasmaksurahat kavaltanut Husin työntekijä tuomittiin 11 kuukauden ehdolliseen vankeusrangaistukseen
    9. Kävely on hyväksi aivoille, koska se pumppaa verta päähän – pyöräilyllä ei ole samaa vaikutusta
    10. Taru Tujunen eroaa Kelan hallituksesta – Tujusen viestintätoimisto sai töitä Kelalta
    11. Villit huhut samuraimiekan kanssa riehuvasta koiransilpojasta leviävät Vantaalla – kaupan edessä ollut koira sai haavan ilmeisesti ryöstön yhteydessä
    12. Näytä lisää