Ultratarkka atomikello mittaa Maan painon

Atomikellot ovat maailman tarkimpia laitteita, ja niillä voidaan mitata muutakin kuin aikaa. Kaksi uutta atomikelloa mahdollistaa tarkkuudellaan Maan koostumuksen määrittämisen ja pimeän aineen etsimisen.

Atomikellot ovat maailman tarkimpia laitteita, ja niillä voidaan mitata muutakin kuin aikaa. Kaksi uutta atomikelloa mahdollistaa tarkkuudellaan Maan koostumuksen määrittämisen ja pimeän aineen etsimisen.

Burrus/NIST

Vaikka rannekellon sekuntiosoitin näyttää siirtyvän säännöllisesti eteenpäin, koneiston pienet virheet ja lämpötilan muutokset aiheuttavat sen, että käynti ei ole aivan tarkkaa.

Arjessa sekunnin keston vaihtelua ei huomaa eikä sillä ole suurta käytännön merkitystä – toisin kuin maailman täsmällisimmissä mittauslaitteissa, atomikelloissa.

Yhdysvaltojen mittaustekniikkaa kehittävä virasto National Institute of Standards and Technology (NIST) on rakentanut kaksi kaikkien aikojen tarkinta atomikelloa.

Tarkkuus riittää jopa niiden painovoimakentän pienten muutosten määrittämiseen, jotka nopeuttavat tai hidastavat minimaalisesti ajan kulkua, ja Maan muodon mittaukseen.

Atomit hienosäätävät kellon

Kaikki kellot mittaavat aikaa mekanismilla, joka saa aikaan tietyn ajan kestäviä heilahduksia. Heiluri tekee säännöllistä edestakaisliikettä, ja kvartsikide värähtelee vakiotaajuudella, kun sen läpi johdetaan sähkövirta.

Kellon tarkkuus paranee sitä mukaa kuin heilahdusten tai värähdysten määrä aikayksikköä kohti kasvaa.

Atomikelloissa tietokone laskee laserin tuottamat heilahdukset. Jotta laser varmasti saa aina aikaan saman taajuuden, sen tulilinjalle asetetaan tarkasti valittuja samanlaisia atomeja.

Kaikissa atomeissa on elektroneja, jotka kiertävät ydintä vakaita ratoja pitkin.

Sähkömagneettinen säteily, kuten valo, jolla on tietty taajuus, voi siirtää elektroneja radalta toiselle. Siirtyminen on mitattavissa atomin energiatason nousuna.

Elektronit siirtyvät kuitenkin vain siinä tapauksessa, että valon taajuus on juuri oikea.

Ytterbium tekee atomikellosta biljoonia kertoja aiempaa tarkemman

NISTin uudet kellot perustuvat ytterbiumatomiin, jossa energiatilan muutoksen taajuus on täsmälleen 518 295 836 590 863,6 värähdystä sekunnissa.

Atomikello on siis 518 biljoonaa kertaa niin tarkka kuin rannekello, jonka osoitin siirtyy sekunnin välein.

Mekaaniset kellot kärsivät usein koneiston valmistusvirheistä, ja kvartsikelloissa lämpötilan nousu laajentaa kidettä, mutta atomit säilyttävät saman taajuuden, vaikka kellon toimintaolosuhteet muuttuisivatkin.

Atomikellot tarkentavat GPS:ää

Nykyään tarkimmat atomikellot perustuvat cesiumin isotooppiin 133, jonka energiatila muuttuu 9 192 631 770 värähdyksen sekuntivauhtia, ja siksi tätä arvoa pidetään nykyisin sekunnin määritelmänä.

Ajan määritelmä on siten huomattavasti täsmällisempi kuin painon ja etäisyyden määritelmät. Atomikellot eivät olekaan vain maailman tarkimpia ajanmittauslaitteita, vaan ne ovat ylipäänsä täsmällisimpiä mittaamiseen käytettäviä välineitä.

Ilman atomikelloja ei pystyttäisi määrittämään pitkiä etäisyyksiä ja isojen taivaankappaleiden massaa nykyisellä tarkkuudella. Muun muassa kaikki GPS-paikannusjärjestelmän satelliitit sisältävät atomikellon.

Kun mobiililaite kysyy paikkatietoa GPS-paikannusjärjestelmältä, neljä Maata kiertävää satelliittia vastaa ilmoittamalla asemansa ja tarkan ajan, jossa signaali lähtee satelliitista.

Mobiililaite, kuten puhelin, laskee sitten etäisyytensä kuhunkin satelliittiin kertomalla signaalien matka-ajan niiden etenemisvauhdilla, joka on sama kuin valonnopeus eli noin 300 miljoonaa metriä sekunnissa.

Siksi paikannus menee jo sekunnin miljoonasosan kellovirheen takia noin 300 metriä metsään.

Kellon tarkkuus riippuu siitä, kuinka pieniä sekunnin murto-osia se voi mitata.

Atomikellot mittaavat sekunnin miljardisosia laskemalla taajuudeltaan hyvin säännöllisen laserin heilahdukset.

Vakiotaajuuden varmistamiseen fyysikot käyttävät atomeja, jotka säätävät laseria.

© Merete Obæk/Oliver Larsen

Kun atomia ympäröiviin elektroneihin osuu tietyntaajuinen valo, ne nousevat korkeammalle energiatasolle. Muutos voidaan mitata, ja tällä tavalla tutkijat saavat tietää, onko taajuus oikea.

Monissa atomikelloissa käytetään radioaktiivista cesiumin isotooppia 133. Siksi sekunnin kesto määritetään nykyään siitä taajuudesta, jolla cesium muuttaa energiatilaa – 9 192 631 770 värähdystä sekunnissa.

Maan painovoimakenttä mitataan

Vaikka yleiset cesiumatomikellot ovat luotettavia, NISTin uudet ytterbiumkellot – Yb-1 ja Yb-2 – ovat niitä 50 000 kertaa tarkempia. Itse asiassa uutuudet ovat niin herkkiä, että pienetkin Maan painovoimakentän muutokset häiritsevät niiden toimintaa.

Maan painovoiman ja kellojen mittaaman ajan välinen suhde määräytyy Albert Einsteinin yli 100 vuotta sitten kehittämän suhteellisuusteorian mukaan. Sen perusteella aika kuluu hitaammin, kun painovoima on suuri.

Siitä huolimatta, että kellojen herkkyys tuo mukanaan koko joukon uusia virhelähteitä, jotka pitää ottaa huomioon, tutkijat ovat jo kääntäneet ongelman parhain päin.

Maahan ei ole täydellisen pyöreä pallo, vaan pinnanmuodot vaihtelevat korkeista vuoristoista syviin laaksoihin, mikä heijastuu puolestaan painovoimaan.

Se riippuu nimittäin muun muassa etäisyydestä Maan keskipisteeseen. Korkean vuoren laella painovoima vaikuttaa hiukan heikommin kuin juurella.

Myös kallioperän tiheydellä on merkitystä painovoimalle paikallisesti. Voima on sitä suurempi, mitä tiheämpää aine alueella on. Vaihtelu on niin pientä, että ihmiset eivät huomaa sitä, mutta atomikelloista se on luettavissa selvästi.

Nature-tiedelehden julkaisemassa artikkelissa Yb-1:n ja Yb-2:n takana olevat tutkijat ehdottavat ytterbiumkellojen sijoittamista eri puolille maapalloa, jotta niiden ajanmittausten välisistä eroista voitaisiin kartoittaa Maan painovoimakenttä.

Kaikkia maanosia koskevat tiedot auttaisivat geologeja määrittämään eri seutujen kallioperän tiheyden ja sitä kautta paljastamaan vaikkapa arvokkaiden mineraalien tai harvinaisten maametallien esiintymiä.

Kellot jäljittävät gravitaatioaaltoja

Siinä vaiheessa, kun ensimmäiset atomi­kellot suunniteltiin, fyysikot eivät osanneet edes aavistaa, miten tärkeän osan ne saavat nykyaikaisen navigaation kehityksessä. Ja tänään heidän on yhtä vaikea sanoa, mihin atomikelloja käytetään 50 vuoden kuluttua.

Tutkijat pitävät kuitenkin mahdollisena, että atomikelloille löytyy käyttöä yhdessä viime aikojen suurimmista fysiikan kokeista. Vuonna 2017 LIGO-tutkimushankkeen perustajat saivat Nobelin palkinnon siitä, että he todistivat laitteistolla gravitaatio­aaltojen olemassaolon.

Kyse on avaruudessa etenevistä aalloista, joita syntyy, kun kaksi hyvin suurimassaista järjestelmää, kuten mustaa aukkoa, törmää toisiinsa.

Gravitaatioaaltojen ilmaisimet ovat valtavia laitteistoja, joiden kilometrien pituiset osat rekisteröivät nanometreissä mitattavat Maan muodon muutokset silloin, kun gravitaatioaallot läpäisevät sen.

Avaruuden taipumisen sijasta atomikellot voivat mitata ajan taipumista, kun aallot muuttavat vähän paikallista painovoimaa.

Kelloja on edullista käyttää, joten Yb-1:llä ja Yb-2:lla voidaan mitata paljon gravitaatioaaltoja, jotka sisältävät usein ainutlaatuista tietoa maailmankaikkeuden nuoruudesta.

Pimeän aineen jäljillä

Toinen kellojen käyttökohde on pimeän aineen metsästys. Fyysikoiden paras kaikkeuden pienimpien rakennuspalikoiden kuvaus – standardimalli – selittää vain murto-osan universumin aineesta.

Laskelmien mukaan 85 prosenttia kaikesta massasta johtuu pimeästä aineesta, jota ei siis voida havaita suoraan.

Sitä ei ole vielä löydetty, mutta sen tiedetään vaikuttavan ympäröivään painovoimakenttään. Ehkä Yb-1 ja Yb-2 johtavat pimeän aineen jäljille.