Yhteen kietoutuneet atomit pysyvät ajassa

Nykyaikainen atomikello jää jälkeen vain sekunnin 300 miljoonassa vuodessa. Jos se olisi alkanut käydä maailmankaikkeuden syntyhetkellä 13,8 miljardia vuotta sitten, se näyttäisi tätä nykyä alle minuutin verran väärin. Tarkkuus on enemmän kuin riittävä tavallisten ihmisten arjessa, mutta fyysikoiden mukaan siinä on vielä parantamisen varaa.

Ongelmallista on vain se, että kellot ovat saavuttaneet sen rajan, jonka atomien oma epätarkkuus aiheuttaa. Atomien heilahtelua ohjaavat nimittäin kvanttimekaniikan erikoiset säännöt, joiden mukaan atomien heilahtelu ei ole koskaan tunnettavissa täysin tarkasti.

Hiljattain on kuitenkin keksitty keino tehdä atomikelloista entistä tarkempia. Siinä käytetään hyväksi kvanttimekaniikan sitä erikoisuutta, että atomit voivat lomittua, jolloin ne toimivat yksikkönä.

Periaate tekee atomikelloista niin tarkkoja, että ne olisivat jääneet jälkeen alle 0,1 sekuntia, jos ne olisivat käyneet alkuräjähdyksestä asti. Tällainen tarkkuus saattaa auttaa fyysikoita vihdoinkin ratkaisemaan yhden kosmologian suurimmista arvoituksista: mitä pimeä aine on?

Valo saa elektronit hyppäämään

Kaikkien kellojen toiminta perustuu heilahduksiin, jotka kestävät tietyn ajan. Vanhoissa heilurikelloissa on niveleen kiinnitetty varsi, jonka alapäässä on paino. Kun varsi on heiluriliikkeessä, edestakainen matka kestää sekunnin.

Jos varren pituus ja siinä olevan painon massa ovat täsmälleen oikeat, heilahdusaika on aina sama, eikä kello edistä eikä jätätä.

Todellisuudessa heilurikellon käynti kärsii aina varren ja painon valmistusvirheistä ja koneiston kulumisesta.

Atomikelloissa käytetään hyväksi sitä, että atomit saavat laserin heilahtelemaan paljon heilurin liikettä suuremmalla tarkkuudella.

Atomi koostuu ytimestä, joka sisältää protoneja ja neutroneja, ja joukosta elektroneja, jotka kiertävät ydintä. Elektronit liikkuvat ytimen ympäri vakailla radoilla, joita kutsutaan atomiorbitaaleiksi ja jotka määräytyvät elektronien energiatasosta.

Kun elektronia ammutaan atomikellossa laserilla, se hyppää toiselle energiatasolle – toisin sanoen toiselle ydintä kiertävälle radalle. Elektroni haluaa kuitenkin mielellään palata omalle energiatasolleen ja hyppää pian takaisin.

On mahdollista mitata, milloin elektroni hyppää takaisin, ja siten käyttää hyppyä laserin taajuuden hienosäätöön niin, että siitä tulee vakio. Elektroni hyppää nimittäin vain siinä tapauksessa, että siihen osuva säteily on tietyntaajuista.

Kyseinen taajuus toimii atomikellon heilurina. Nykyaikaisissa atomikelloissa, jotka perustuvat alkuaine ytterbiumiin, heiluri heilahtaa 518 biljoonaa kertaa sekunnissa.

Kellot ovat saavuttaneet luonnollisen rajan

Ensimmäinen atomikello valmistui vuonna 1949, ja sen jälkeen atomikelloista on tehty aina vain tarkempia.

Itse asiassa parhaat atomikellot ovat nykyään jo niin hyviä, että ne ovat saavuttaneet niin sanotun standardikvanttirajan. Se tarkoittaa, että perusluonteiset luonnonlait estävät suuremman tarkkuuden.

Kvanttimekaniikassa, joka kuvaa atomaarisen mittakaavan tapahtumia, fyysikot joutuvat aina elämään pienessä epävarmuudessa. Se johtuu pohjimmiltaan siitä, että ei voida tietää samanaikaisesti, missä hiukkanen täsmälleen on ja minne se on menossa.

Vaikka elektronien energiatasoa muuttava taajuus tiedetään hyvin tarkasti, se on mahdollista tuntea vain usein kokeiden keskiarvona. Ei siis voida olettaa, että yksittäisessä muutoksessa taajuus on tarkalleen keskiarvo, vaan tiedetään ainoastaan, että keskiarvo pätee, kun muutoskertoja on monta.

Tilanne vertautuu siihen, että vanhanaikaisen kellon heiluri heilahtaa keskimäärin kerran sekunnissa, vaikka jokin heilahdus voi kestää puoli ja jokin toinen heilahdus puolitoista sekuntia.

Jos sekunti yritettäisiin mitata tarkasti heilurikellojen avulla, niitä tarvittaisiin käymään monta vierekkäin, jotta saataisiin määritetyksi heilahdusten keskiarvo. Samaan tapaan rakennetaan nykyaikaiset atomikellot: kerralla ammutaan tuhansia atomeja, ja sitten lasketaan keskiarvo.

Ongelma piilee siinä, ettei voida tietää varmasti, ovatko atomit juuri kyseisellä kerralla heilahtaneet liian nopeasti tai hitaasti. Virheen todennäköisyys pienenee kuitenkin sitä mukaa kuin ammuttavien atomien määrä kasvaa. Sanotaan, että tilastollinen hajonta pienenee – mutta se ei painu koskaan nollaan.

Laser kietoo atomit yhteen

Ajatusta lukuisien heilurikellojen heilahdusten keskiarvosta voidaan kehittää vielä eteenpäin: annetaan heilureiden tukea toisiaan.

Kun kaikkien heilureiden väliin asetetaan tanko, ne voidaan pakottaa heilumaan samalla taajuudella, koska ne heilurit, jotka heiluvat hieman liian hitaasti, hidastavat nopeammin heilahtavia – ja päinvastoin. Samaan tapaan Massachusettsin teknillisen korkeakoulun fyysikot ovat liittäneet atomikellossa 350 ytterbiumatomia yhteen niin, että ne auttavat toisiaan pysymään ajassa.

Atomeja ei tietenkään voida yhdistää toisiinsa tangolla. Sen sijaan on käytetty hyväksi sitä, että atomit voivat esiintyä niin sanotussa lomittuneessa tilassa, jossa ryhmän muodostavat atomit toimivat yksikkönä. Kun atomit ovat lomittuneet, epätarkkuus pienenee, sillä niiden heilahdukset yhdenmukaistuvat niin kuin heilurikellorivin tapauksessa.

Käytännössä atomien spiniä, joka rinnastuu lähinnä sisäiseen pyörimismäärään, puristetaan laserilla. Kun atomien spin on painettu kokoon, on todennäköisempää, että sillä atomilla, joka on painettu yhteen spiniltään tietynsuuntaisen atomin kanssa, on samansuuntainen spin.

Tuloksena on, että epätarkkuus pienenee ja kello tarkentuu. Itse asiassa ”lomittunut” atomikello, joka on vasta prototyyppi, on noin 600 kertaa niin tarkka kuin perinteiset atomikellot. Kellon mittausvirhe olisi alle kymmenesosasekunti niiden 13,8 miljardin vuoden aikana, jotka maailmankaikkeus on ollut olemassa.

Pimeä aine saa kellot näyttämään väärin

Suuri tarkkuus avaa fyysikoille uusia mahdollisuuksia tutkia universumin arvoituksellista pimeää ainetta, jota on havainnoitu vain painovoimavaikutuksen kautta. Painovoima ja kellojen mittaama aika liittyvät nimittäin tiiviisti yhteen, koska aika kuluu hitaammin painovoiman suurentuessa.

Kun mitataan galaksien pyörimistä ja verrataan mittaustuloksia tietoihin galaksien sisältämän aineen määrästä, lukuja ei saada sopimaan toisiinsa. Laskelmat täsmäävät vain, kun oletetaan, että kaikissa universumin galakseissa on ainetta, jota ei voida erottaa muusta kuin ympäristöön vaikuttavasta painovoimasta.

Pimeää ainetta ei ole vielä havaittu Maan lähellä, mutta ultratarkat atomikellot voivat muuttaa tilanteen.

Kun pimeä aine kulkee kellon läpi ja vaikuttaa siihen, ajanmittaukseen syntyy pieni havaittava virhe. Mitä heikommin pimeä aine vaikuttaa ympäristöön, sitä pienempi virhe on – ja sitä tarkemmat kellot sen havaitseminen vaatii.

Useiden yhdysvaltalaisten yliopistojen ja laboratorioiden tutkimusryhmä koettaa mitata pimeää ainetta kuvatulla tavalla.

Tutkijat käyttävät GPS-satelliitteja sen minimaalisen aikaeron mittaamiseen, joka syntyy, kun pimeä aine on ohittanut satelliiteista vasta yhden. Vaikka satelliitit varustetaan atomikelloilla, ne eivät ole vielä niin tarkkoja, että ne voivat paljastaa pimeän aineen.

Tutkijat uskovat kuitenkin, että tuloksia saadaan, kun tulevaisuudessa mittauksia voidaan tehdä erittäin tarkoilla satelliittien ja maapallolla toimivien laboratorioiden atomikelloilla. Uudet ”lomittuneet” atomikellot saattavat hyvinkin ratkaista maailmankaikkeuden pimeän aineen arvoituksen.