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

      Nimetön vihapuhe tekee Suomesta Neuvostoliiton – valhesivuston ylläpitäjäksi paljastui hyvämaineisen lakifirman asianajaja

    2. 2

      Leena Saarinen sai kahdet näyttävät potkut, kunnes osui yrityksellään kultasuoneen – nyt Härkis on miljoonabisnes

    3. 3

      Teimme koiramessujen kunniaksi pienen visan: Tunnistatko omistajan koiraa katsomalla?

    4. 4

      Netissä on levinnyt jo vuoden ajan teoria, jonka mukaan Suomea ei ole olemassa – haastattelimme sen aloittajaa

    5. 5

      Onko 5 000 euroa vuodessa liikaa pikkulapsen harrastuksesta?

    6. 6

      Näin saat kodin järjestykseen – yli 50 täsmävinkkiä kaaoksen taltuttamiseen

    7. 7

      Uusi sormi pääsee ydinliipaisimelle – Eurooppa on pian Trumpin ja Putinin välissä

    8. 8

      Nettisivu paljastaa, onko tuttusi Tinderissä – käyttäjät järkyttyivät

    9. 9

      Saara Aalto lähtee jopa suosikkina X Factor -finaaliin – näin finaali etenee

    10. 10

      Tampere jyräsi betonilla Tammelan puutalot – kaitafilmi näyttää 1960-luvulla kadonneen Tampereen

    11. Näytä lisää
    1. 1

      Netissä on levinnyt jo vuoden ajan teoria, jonka mukaan Suomea ei ole olemassa – haastattelimme sen aloittajaa

    2. 2

      Perheen isä kuuli järkyttävän uutisen työvuorossa – Vuosaaren palossa kuolleiden läheiset ja naapurit saavat kriisiapua

    3. 3

      Palovaroittimet olivat jatkuva huolenaihe Vuosaaren palotalossa – Poliisi vahvistaa: turmakodissa ei ollut hälytintä

    4. 4

      Nimetön vihapuhe tekee Suomesta Neuvostoliiton – valhesivuston ylläpitäjäksi paljastui hyvämaineisen lakifirman asianajaja

    5. 5

      Kuvataiteilija ratkaisi Penrosen laattojen matemaattisen ongelman piirustuspaperilla ja taskulaskimella

    6. 6

      Leena Saarinen sai kahdet näyttävät potkut, kunnes osui yrityksellään kultasuoneen – nyt Härkis on miljoonabisnes

    7. 7

      Äiti ja kolme lasta kuolivat tulipalossa Vuosaaressa – ”Helsingin mittakaavassa todella vakava suuronnettomuus”

    8. 8

      Tähtitieteilijä Anne Liljeström ei ole nainen eikä mies

    9. 9

      Trumpin kannattajat kehottavat boikotoimaan uutta Tähtien sota -elokuvaa

    10. 10

      Mieheni ylennettiin reservissä – posti toi kutsun Ritarihuoneen tilaisuuteen juhlan jälkeen

    11. Näytä lisää
    1. 1

      Poikamme päätti kestää kiusaamisen ja homottelun – vanhojentanssien jälkeen hän viimein romahti

    2. 2

      Tähtitieteilijä Anne Liljeström ei ole nainen eikä mies

    3. 3

      Netissä on levinnyt jo vuoden ajan teoria, jonka mukaan Suomea ei ole olemassa – haastattelimme sen aloittajaa

    4. 4

      Avarat kaula-aukot ja erottuvat nännit kohahduttivat Linnassa – Stylisti: ”Kaula-aukko voi olla antavakin, jos se on kaunis ja diskreetti”

    5. 5

      Tuhannet koulutetut karkaavat Suomesta ulkomaille joka vuosi, ja entistä harvempi aikoo palata – ”Tämä on hirveän hälyttävä tulos”

    6. 6

      HS seurasi pikkujoulujen viettoa Tallinnan-laivalla: ”Mennään hyttiin pussailemaan?” – ”Mennään vaan”

    7. 7

      44 vuotta vanhan elokuvaklassikon raiskauskohtaus järkyttää maailmaa – Miksi vasta nyt?

    8. 8

      Satavuotiaan Suomen juhlalikööriksi valittiin virolainen Vana Tallinn – Alkon hallintoneuvoston johto parahti: ”Ei voi olla totta”

    9. 9

      Suomalaiskenraalien suku vaikeni suuresta salaisuudesta – ”Ryssiä ollaan”

    10. 10

      Ylen päätoimittajan mukaan ohjaaja Susanna Kuparinen loukkasi Sipilän vaimoa – Kuparinen: ”Järkytyin ihan hirveästi”

    11. Näytä lisää