Viimeaikaisissa kokeissaan fyysikot ovat lähestyneet ja jopa haastaneet maailmankaikkeuden nopeusrajoituksia. On muun muassa osoitettu, että hiukkaset voivat teoriassa ohittaa valon, ja mitattu se äärimmäisen lyhyt aikaväli, jossa fotoni läpäisee vetymolekyylin.
Hiukkasen liikkeen nopeudelle asettaa fyysiset rajan niin sanottu Higgsin kenttä.
Kenttä on pingottunut avaruuteen eräänlaisena hämähäkinverkkona, johon hiukkaset ovat tarttuneet, ja antaa kaikille atomaarisille rakennuspalikoille massan. Mitä vahvemmin hiukkanen kiinnittyy kenttään, sitä raskaampi se on.
Atomiytimessä protoneja ja neutroneja muodostavat kvarkit kiinnittyvät massakenttään vahvasti, ja ne ovat raskaita. Elektronien ja neutronien kytkös on heikompi, ja ne ovat siksi kevyempiä.
Kytköksen vahvuus määrää hiukkasten huippunopeuden. Kosminen hämähäkinverkko tarttuu voimakkaimmin raskaisiin hiukkasiin ja upottaa niitä enemmän kuin kevyitä hiukkasia.
Koska valohiukkset, fotonit, ovat massattomia, ne eivät havaitse Higgsin kenttää. Siksi valo viilettää 299 792 458 m/s, joka on maailmankaikkeuden enimmäisnopeus. Erikoisessa kvanttimaailmassa hiukkaset voivat kuitenkin ohittaa valon niin sanotuissa kvanttitunneleissa.
1. Nopeimmat hiukkaset
Kokeissa rubidiumatomit ovat kulkeneet kvanttitunnelissa. Kuvassa aine on osittain sulanutta.
Hiukkaset suhahtavat oikotunnelin läpi
> 100 % valonnopeudesta
Osuessaan seinään pallo kimpoaa, mutta joissakin tapauksissa hiukkaset voivat mennä läpi. Ilmiötä kutsutaan kvanttitunneliksi, ja matka tunnelin läpi voi teoriassa kestää lyhyemmän ajan kuin hiukkaselta kuluisi saman matkan kulkemiseen tyhjiössä.
Ehkä hiukkasten on mahdollista ohittaa valo käyttämällä oikotienä kvanttitunnelia. Mahdollisuudesta on saatu toistaiseksi vahvinta näyttöä Kanadassa Toronton yliopistossa tehdyssä tutkimuksessa.
Kokeissa käytettiin ultrakylmiä rubidiumatomeja, jotka törmäsivät hitaasti 1,3 mikrometrin paksuiseen magneettiseen esteeseen. Osa atomeista läpäisi sen kvanttitunnelien kautta.
Este antaa atomeille vauhtia
1. Atomien pyöriminen yhdenmukaistui
Kaikki atomit pyörivät itsensä ympäri (nuoli). Noin 8 000 rubidiumatomia yhdensuuntaistettiin ultrakylmässä kaasussa niin, että pyörimisakselit kääntyivät täsmälleen samoin päin.
2. Kvanttitunnelit avasivat tien
Atomit törmäsivät sitten magneettiseen esteeseen. Valtaosa niistä kimposi niin kuin pallo seinästä, mutta jotkin niistä pääsivät esteen läpi niin sanottujen kvanttitunnelien kautta.
3. Pyöriminen osoitti atomien vauhdin
Mitä kauemmin läpikulku kestää, sitä enemmän atomien pyörimisakselin suunta muuttuu. Kun akselit määritettiin, kävi ilmi, että atomit läpäisivät esteen lyhyemmässä ajassa kuin matka olisi kestänyt ilman estettä.
Kvantti-ilmiöiden mittaamisessa on aina epävarmuustekijöitä, mutta kokeen tarkkuus riitti osoittamaan, että atomit kulkivat tunnelin läpi keskimäärin 0,61 millisekunnissa. Tutkimusryhmää johtaneen Aephraim Steinbergin mukaan atomeilta olisi kulunut enemmän aikaa saman matkan kulkemiseen tyhjiössä.
Kvanttitunnelin läpäisemiseen kuluva aika ei juuri pitene, vaikka esteestä tehdään paksumpi. Siksi Steinberg olettaa, että tarpeeksi paksun esteen läpäisevä kvanttitunneli saa atomit liikkumaan valoa nopeammin.
2. Ensimmäinen yhtäaikaismittaus
Italiassa sijaitseva Virgo-ilmaisin paljasti kahden neutronitähden yhteenörmäyksen painovoima-aallot.
Painovoima kilpailee valon kanssa
100 % valonnopeudesta
Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria sanoo painovoima-aaltojen vyöryvän avaruudessa täsmälleen valonnopeudella. Vuonna 2017 fyysikot onnistuivat ensimmäistä kertaa selvittämään oletuksen paikkansapitävyyttä.
Painovoima-aallot ovat avaruuden väreilyä, jota syntyy suurissa kosmisissa tapahtumissa – niin kuin silloin, kun kaksi Linnunradan neutronitähteä törmäsi 130 miljoonaa vuotta toisiinsa ja loi mustan aukon. Vaikka neutronitähtien läpimitta on vain 20 kilometriä, niiden massa on Aurinkoa suurempi. Kahden suurimassaisen tähden yhteentörmäys sai aikaan sekä painovoima-aaltoja että valoa gammapurkauksena.
Kun tuntomerkit saavuttivat Maan, voitiin ensimmäisen ja toistaiseksi ainoan kerran rekisteröidä molemmat yhtä aikaa. Painovoima-aallot havaittiin yhdysvaltalaisella ja eurooppalaisella ilmaisimella, ja gammapurkauksen vangitsi samanaikaisesti Nasan Fermi-satelliitti.
130 miljoonan vuoden takaisessa kosmisessa kolarissa syntyi valoa (gammapurkaus) ja painovoima-aaltoja.
Tutkijoiden hämmästykseksi painovoima-aallot saapuivat 1,7 sekuntia ennen gammapurkausta. Äkkiseltään vaikutti siltä, että painovoima-aallot olivat ohittaneet valon, mutta 130 miljoonan vuoden aikana syntyneen minimaalisen alle kahden sekunnin aikaeron epäiltiin johtuvan jostain muusta.
Joko painovoima-aallot saivat neutronitähtien törmätessä vähän etumatkaa syvemmältä lähteneeseen gammapurkaukseen tai valon etenemistä jarrutti hieman se tiheä kaasupilvi, joka levisi yhteentörmäyksessä. Einsteinin oletusta ei ole siis vielä osoitettu vääräksi.
3. Lyhin aika
Saksalaisella Petra III -röntgenlaserilla mitattiin aika, joka valohiukkaselta kuluu vetymolekyylin läpäisemiseen.
Valo viipyy vetymolekyylissä lyhimmän ajan
100 % valonnopeudesta
Nopeimmat kemialliset reaktiot tapahtuvat sekunnin miljardisosan miljoonasosissa. Kahden viime vuosikymmenen aikana on kehitetty lasereita, jotka välkkyvät niin nopeasti, että reaktioiden kesto voidaan mitata tapahtumahetkellä.
Saksassa on mitattu Frankfurtin Goethe-yliopiston professorin Reinhardt Dörnerin johdolla vielä lyhyempi aika. Siinä on kyse zeptosekunneista – sekunnin miljardisosan biljoonasosista.
Tutkimusvälineenä oli Hampuriin hankittu Petra III -röntgenlaser, jolla voitiin mitata, kauanko valohiukkaselta kuluu vetymolekyylin läpäisemiseen. Maailman pienimmän molekyylin läpimitta on 120 metrin biljoonasosaa, ja se sisältää kaksi protonia (sininen) ja kaksi elektronia.
Tähän mennessä lyhin aika mitattiin lähettämällä valohiukkanen vetymolekyylin läpi ja tutkimulla syntyneitä aaltoja (interferenssikuviota).
Molekyyliä ammuttiin yksittäisillä röntgenfotoneilla. Fotoni (keltainen nuoli) kulki molekyylin läpi valonnopeudella ja potkaisi peräjälkeen kummankin elektronin kahta protonia ympäröivästä elektronipilvestä (harmaa).
Pilven ulkopuolella elektronit muuttuivat aalloiksi, jotka osuivat toisiinsa kuin renkaat vedessä ja muodostivat interferenssikuvion (punainen). Tästä voitiin määrittää tarkasti, kuinka pitkä aika kului siitä, että fotoni osui ensimmäiseen elektroniin, siihen, että se osui toiseen.
Mittausten mukaan röntgenfotoni läpäisi vetymolekyylin 247 zeptosekunnissa eli sekunnin miljardisosan biljoonasosassa. Sitä lyhyempää aikaa ei ole mitattu koskaan.
4. Hitain valo
Fotonien aaltomuotoa (vas.) on muutettu ja samalla on pienennetty valonnopeutta tyhjiössä.
Muutetut valohiukkaset jäävät jälkeen
99,999 % valonnopeudesta
Valonnopeutta tyhjiössä on tapana pitää vakiona, mutta kokeissa on saatu valohiukkaset liikkumaan 0,001 prosenttia normaalia hitaammin.
Kun valo liikkuu läpinäkyvässä väliaineessa, kuten lasissa tai vedessä, valoaallot taittuvat ja niiden vauhti pienenee suhteessa tyhjiössä esiintyvään huippunopeuteen 299 792 458 m/s. Esimerkiksi vedessä valon nopeus on 224 844 344 m/s.
Tanskalainen fyysikko Lene Hau yhdysvaltalaisesta Harvardin yliopistosta aiheutti vuonna 1999 sensaation, kun hän laski valoaaltojen nopeuden 17 metriin sekunnissa lähettämällä ne ultrakylmän kaasun läpi. Suurin tutkimushaaste on kuitenkin valon nopeuden pienentäminen tyhjiössä, ja siinä ovat tähän mennessä onnistuneet parhaiten skotlantilaisen Glasgow'n yliopiston tutkijat Jacquiline Romero ja Daniel Giovannini.
Tutkijat tuottivat parittaisia valohiukkasia ja erottivat ne prismalla ennen lähettämistä tyhjiöön metrin pituiselle kilparadalle. Toinen fotoni kulki sille muotoa muuttavan reikälevyn kautta. Tämä on mahdollista siksi, että fotoni on kvanttimekaniikan erikoisten lakien vuoksi sekä hiukkanen että aalto.
Aalto muistutti tikkataulua (vas.), ja muuttuneet fotonit menettivät 0,001 prosenttia nopeudestaan eli ne kulkivat kilparadan päähän hitaammin kuin muuttumattomat fotonit (oik.).
Kokonaisuudessaan valopulssi viiletti radan päästä päähän tavallisella tyhjiössä esiintyvällä valon enimmäisnopeudella. Giovannini vertaa hitaita fotoneja pyöräilijöihin, jotka Ranskan ympäriajossa jäävät pääjoukosta hidastamatta menoa.
5. Nopein ääniaalto
Kahden timanttikärjen välissä vetyä voidaan puristaa niin paljon, että siitä tulee kiinteää vetymetallia.
Äänen nopeus huipentuu vetymetallissa
0,012 % valonnopeudesta
Ääni leviää panemalla atomit värähtelemään. Ääni etenee hitaasti kaasuissa, nopeammin nesteissä ja nopeimmin kiinteissä aineissa. Mitä kovempaa ja jäykempää aine on, sitä vauhdikkaammin ääni liikkuu siinä. Ennätys on mitattu timantissa: 12 000 m/s.
Lontoon Queen Mary -yliopiston professori Kostya Trachenko on määrittänyt teoreettisesti, että äänellä on valon tavoin enimmäisnopeus, joka ei ole ylitettävissä. Käsitys perustuu äänen nopeuden mittaamiseen 130 kiinteässä aineessa. Tutkimusten mukaan nopeus riippuu aineen muodostavien atomien massasta.
Ääniaallot etenevät sitä nopeammin, mitä kevyempiä atomit ovat. Siksi äänen nopeus on suurimmillaan – 36 000 m/s – kiinteässä vetymetallissa, joka koostuu maailmankaikkeuden kevyimmistä atomeista.
Vetymetallia yritetään valmistaa painamalla vetyä kokoon timanttipuristimella. Jos sitä saadaan aikaan, päästään tutkimaan kokeellisesti äänen huippunopeutta.
6. Hitaimmat atomit
ISS:n kylmäatomilaboratoriossa atomien lämpötila voidaan laskea lähelle nollapistettä.
Atomien liike melkein lakkaa
0,00000667 % valonnopeudesta
Lämpö syntyy atomien liikkeestä. Mitä hitaammin atomit liikkuvat, sitä kylmempää kaasu on.
Absoluuttisessa nollapisteessä eli –273,15 asteessa atomien pitäisi klassisen fysiikan mukaan olla liikkumattomia lukuun ottamatta niiden pyörimistä, mutta kvanttimekaniikka kuvaa toisen tapahtuman.
Kaasun atomien nopeus pienenee vähitellen lämpötilan laskiessa 200:aan asteen miljoonasosaan, jossa niiden nopeus on 20 cm/s eli 0,00000667 prosenttia valonnopeudesta.
Kun jäähtyminen jatkuu, atomit menettävät hiukkasominaisuutensa ja muuttuvat yhteiseksi kvanttiaalloksi, atomipilveksi, joka leviää kuin renkaat vedessä. Kyse on Bosen–Einsteinin kondensaatista.
Tila on olemassa vain millisekunteja, sillä painovoima saa atomipilven vajoamaan koekammion pohjalle, jossa se lämpenee. Siksi absoluuttista nollapistettä on vaikea tutkia maapallolla. Tästä syystä kokeita on alettu tehdä Kansainvälisellä avaruusasemalla, ISS:llä.
Jähmeistä atomeista tulee jääkylmä pilvi
1. Lasersäteet jähmettävät liikkeet
Magneettikenttä leijuttaa atomikaasua tyhjiökammiossa. Lasersäteet jarruttavat atomeja ja laskevat niiden lämpötilan sadan asteen miljoonasosan päähän nollapisteestä. Kylmä kaasu johdetaan kammion yläosan niin sanottuun atomisiruun.
2. Radioaallot poistavat lämpimät atomit
Radioaallot työntävät kaasun lämpimimmät atomit pois ikään kuin puhaltamalla kuumaa juomaa. Tällöin lämpötila laskee vain muutaman asteen miljardisosan päähän nollapisteestä ja kaasu muuttuu Bosen–Einsteinin kondensaatiksi kutsutuksi atomipilveksi.
3. Painoton laajeneminen jäähdyttää pilveä
Sirun magneettinen ote heikkenee, ja atomipilvi laajenee painottomuudessa. Jäähtyminen jatkuu kuin kaasussa, joka suihkuaa sumutinpullosta. Laajeneminen johtaa kylmyysennätykseen 20 asteen biljoonasosaa nollapisteen yläpuolella.
Vuonna 2020 päästiin 200:n asteen biljoonasosan päähän nollapisteestä Nasan niin sanotussa kylmäatomilaboratoriossa. Seuraavana tavoitteena on 20 asteen biljoonasosaa nollapisteen yläpuolella viiden sekunnin ajan. Silloin voitaisiin tutkia, kuinka ultrakylmät atomit käyttäytyvät aivan absoluuttisen nollapisteen tuntumassa.
