Kellojen verkko

16.5.2023 klo 17.58, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Nathaniel Sherrill Sussexin yliopistosta Iso-Britanniasta puhui toissaviikolla Helsingin yliopiston fysiikan tutkimuslaitoksen seminaarissa atomikelloista. (Tieteellinen artikkeli aiheesta täällä.)

Atomikellojen idea on yksinkertainen. Jokainen atomi värähtelee ja lähettää valoa vain tietyillä sille ominaisilla taajuuksilla. Valon taajuus osataan mitata erittäin tarkasti, atomien tapauksessa miljardisosan miljardisosan tarkkuudella. Atomien värähtely on tarkin tapa mitata aikaa: ajan yksikkö sekunti on määritelty cesium-atomin lähettämän valon taajuuden avulla. Atomikello jätättää vain noin sekunnin kymmenessä miljardissa vuodessa, toisin sanoen sekunnin kymmenesmiljardisosan vuodessa.

Koska atomin lähettämän valon taajuus on tunnettujen fysiikan lakien mukaan aina sama, sen muutos on viesti tuntemattomasta. Niinpä atomikellot ovat uuden fysiikan herkkiä mittareita.

Atomit koostuvat protonien ja neutronien muodostamasta ytimestä sekä siihen sähkömagneettisen vuorovaikutuksen sitomista elektroneista. Siksi atomin taajuudet riippuvat neutronien ja protonien massojen suhteesta elektronin massaan sekä sähkömagneettisen vuorovaikutuksen voimakkuudesta. Koska eri atomiytimissä on eri määrä protoneita ja neutroneita, niiden taajuus riippuu näistä tekijöistä eri tavoin, joten erilaisten atomien mittaaminen antaa erilaista tietoa mahdollisista muutoksista.

Sherrill on mukana verkostossa QSNET, joka tarkkailee, muuttuvatko atomien taajuudet ajan myötä. Toistaiseksi QSNET on mitannut cesium-, strontium- ja ytterbium-atomeita, ja se on laajentamassa kokeita neljään muuhun atomiin.

Protonien, neutronien ja elektronien massat ja sähkömagnetismin voimakkuus voivat muuttua, jos ne vuorovaikuttavat jonkin kentän kanssa, joka muuttuu ajassa. Kaikkialla avaruudessa on Higgsin kenttä, joka antaa massat tunnetuille hiukkasille. (Paitsi kenties neutriinoille, niiden massojen alkuperästä ei ole varmuutta.) Jos Higgsin kenttä muuttuisi ajassa, niin myös hiukkasten massat muuttuisivat. Higgsin kenttä ei kuitenkaan nykyaikoina muutu mihinkään, vaan istuu paikoillaan.

On mahdollista, että on olemassa muita samantyyppisiä kenttiä, joiden kytkentä näkyvään aineeseen on heikompi, mutta jotka muuttuvat nopeammin. Yksi motivaatio on se, että tällainen kenttä voisi olla pimeää energiaa, jolla selitetään maailmankaikkeuden laajenemisen kiihtymistä. Myös pimeän aineen ehdokas nimeltä aksioni voi vaikuttaa hiukkasten massoihin.

Cesiumiin liittyy SI-yksikköjärjestelmässä hauska yksityiskohta. Jos huomattaisiin, että sen atomien lähettämän valon taajuus pienenee ajan myötä, olisi väärin sanoa että cesium-atomit värähtelevät hitaammin. Tämä johtuu siitä, että ajan yksikkömme perustuu niiden värähtelyyn. Sen sijaan pitäisi sanoa, että aika kulkee hitaammin. Asioiden muutosta voi mitata vain suhteessa muihin asioihin: koska ei ole mitään atomikelloja tarkempaa, kaikkia muita tapahtumia mitataan suhteessa niihin.

Toistaiseksi QSNET ei ole nähnyt mitään muutosta. Tämä rajoittaa sitä, miten vahvasti joku tuntematon kenttä voi vaikuttaa tunnettuihin hiukkasiin ja miten nopeasti se voi muuttua. Tulokset perustuvat kahden viikon mittaukseen. Mittausjakson pidentäminen ja eri atomien ottaminen mukaan parantaa tarkkuutta lähivuosina kymmenentuhatkertaiseksi.

Pidemmän aikavälin muutoksia on luodattu Maassa Oklossa, missä oli kaksi miljardia vuotta sitten luonnollisesti syntynyt ydinreaktori, jonka reaktiotuotteita voidaan nyt tarkastella. Taivaalla muutosta on etsitty miljardien valovuosien päästä tulevan valon aallonpituudesta. Tällaisten mittausten tarkkuus jää kuitenkin kauas siitä, mikä laboratorio-olosuhteissa saavutetaan.

QSNETin koe on samaa hiukkasfysiikan halpalaaria, josta kirjoitin edellisessä merkinnässä, eli hinta mitataan miljoonissa. Toisaalta kokeella ei ole varmaa kohdetta, eli ei ole taetta, että mitään näkyy vaikka tarkkuus paranee. Voi sanoa, että tämä havainnollistaa sitä, miten hyvin ymmärrämme maailmankaikkeutta, ja miten suurella tarkkuudella hiukkasfysiikan Standardimalli ennustaa hyvin erilaisten havaintojen tuloksia. Tieteen edistys ei rakennu aiemman päälle kuin torni, vaan tieto muodostaa verkon, jossa yksi säie ei ratkaise, jonka osat tukevat toisiaan.

17 kommenttia “Kellojen verkko”

  1. Antti sanoo:

    ” Higgsin kenttä, joka antaa massat tunnetuille hiukkasille. (Paitsi kenties neutriinoille, niiden massojen alkuperästä ei ole varmuutta.)”

    Onko neutroonien massasta tulossa aihetta tai tai ovatko tutkijat päässeet lähemmäs selitystä mistä niiden massa
    voisi tulla.jos higgs ei sitä selitä ?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Olen kirjoittanut neutriinoista hieman merkinnöissä, jotka on linkattu tuossa virkkeessä.

      Neutriinoiden massoja on tutkittu paljon. Tavallisin selitys on se, että neutriinoilla on massaa omasta takaa. Tämä ei ole mahdollista muille Standardimallin hiukkasille kuin Higgsille ja neutriinoille, ja neutriinoillekin vain jos niitä on enemmän kuin kolme tunnettua lajia, aiheesta hieman täällä: https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kauneusvirheen-korjaaminen/

      Voi olla, että palaan vielä neutriinoiden massoihin.

  2. Pauli sanoo:

    Jatketaan ajatusleikkiä atomin sisäisen värähtelyn ja pimeän energian välisestä yhteydestä:
    Jos osa massasta on sitoutuneena atomiytimen sisäiseen värähtelyyn, niin miten hyvin ja millä mekanismeilla se voisi välittyä viereisiin atomiytimiin? Onko atomin ydin täydellinen termospullo? Painavatko alkuräjähdyksestä asti yksin seilanneet vety-ytimet saman verran kuin vaikka Auringon sisällä olevat seurallisemmat sisaruksensa?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      En ole varma mitä massaa tarkoitat. Atomiytimien massasta joitakin prosentteja on sidosenergiaa – tämä on se osa, joka voidaan vapauttaa ydinreaktioissa. Silloin kun atomiytimet ovat lähellä, niiden sisärakenteet tosiaan puhuvat toisilleen (eli ydin ”vuotaa” jos sitä kysyt), tämä tunnetaan nimellä ydinvuorovaikutus (tai ydinvoima).

      Tämä ei kyllä liity pimeään energiaan.

      Vety-ytimien (eli protonien) massa on tunnetun fysiikan mukaan sama kaikkialla. Jos pimeän energian kenttä vaikuttaisi protonien massoihin, ne voisivat periaatteessa olla hieman erilaisia tähdissä ja vapaana avaruudessa, koska pimeän energian kenttä voisi olla erilainen. Ainakin sähkömagnetismin voimakkuuden kohdalla tällaista ilmiötä on tutkittu, kenties myös elektronin ja protonin massan suhteen kohdalla.

  3. Merry sanoo:

    Eikö atomi menetä energiaa, kun se lähettää valoa, kuten tässä kerrottiin? Mitä tapahtuu, kun atomi menettää tällä tavoin kaiken energiansa?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Menettää. Atomilla on perustila, jossa se ei enää voi lähettää valoa. Sekunnin määrittely perustuukin juuri sellaisen valon aallonpituuteen, jota cesium-atomi lähettää siirtyessään perustilaan tilasta, jolla on hiukan isompi energia.

      Kysymys siitä, miten atomi voi olla stabiili, oli muuten keskeinen kehitettäessä kvanttimekaniikkaa viime vuosisadan alkupuolella.

  4. Joksa sanoo:

    Miten oikeastaan on mahdollista sanoa cesium-kellon jätättävän lainkaan, eikö olekaan niin että aika hidastuu sen verran kuin cesium-kello ’jätättää’? Onko jollain käytössään tätä parempi absoluuttinen aika vai muuttuuko cesium-atomin rakenteessa jokin ajan myötä?
    Cesium-atomien värähtelyyn perustuen varmaan voidaan määrittää mistä aikaskaalamme on alkanut, mutta voidaanko tuon ajankohdan katsoa mitenkään aidosti määrittävän ajan alkamista?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Mitataan cesium-atomien lähettämän valon taajuutta tai yhtäpitävästi aallonpituutta eri aikoina. Jos se on erilainen eri aikoina, taajuus on muuttunut, eli ajan yksikkö on muuttunut. En tunne koejärjestelyjen yksityiskohtia.

      Ajan yksikön valinta ei liity ajan alkuun millään tapaa.

      1. Joksa sanoo:

        Sekunti määritellään SI:ssä tiettynä määränä (9 192 631 770) cesium 133-atomin häiritsemättömän perustilan ylihienorakennesiirtymää. Kun tuo määrä värähdyksiä tulee täyteen niin kulunut aika on sekunti. Ajanmittausjärjestelmässä on siis loogisesti mahdotonta että cesium 133-atomin värähtelytaajuus muuttuisi, aika on siis se joka joustaa jos muutosta tapahtuu.

        Cesium-kellon jätättämisasian taustaa tarkemmin tuntematta sen voisi arvailla voivan johtua vaikkapa siitä että olosuhteet maan päällä eivät aivan täysin vastaa häiritsemätöntä perustilaa. Olisiko jollain mahdollisesti tarkempaa tietoa?

        Atomikellojen taajuusmuutoksia tutkittaessa tarvittanee aikareferenssi johon hypoteesina olevat muutostekijät eivät vaikuttaisi. Ei oikein riittänyt sinni kahlata tietoa alkuperäisestä selosteesta.

  5. Joksa sanoo:

    Edelleen tarkentaen, SI sekunti määrittää standardi itseisaikaa maassa, pätee maan lähiympäristössä mittakellojen kanssa samassa liike- ja gravitaatiotilassa. UTC perustuu 260 atomikellon keskiarvoon 49 paikassa, USA:n standardiajan määrityksessä käytetään myös vetymaserkelloja (Hart-Davis 2011). Varmaan melko mielenkiintoinen prosessi tuollaisen määrän eri paikoissa sijaitsevien atomikellojen reaaliaikaisen keskiarvon muodostaminen.

    Termi ’jätättäminen’ antaa ymmärtää että virhe voi olla vain käyntiä hidastava, onko niin että cesium-kello ei voi edistää? Virheen lähteen etsimminen liittyy blogin aiheeseen, voisi kai johtua myös kvanttiepämääräisyyksistä tai satunnaisiin gravitaatiohäiriöihin tms?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kyllä cesium-kellot voisivat myös edistää. Virheiden hallinta on toki keskeinen osa mittausta. Kellojen tarkkuus on lähellä kvanttikohinan rajaa, mutta en osaa kommentoida asiaa tarkemmin. Vaikka Maan gravitaatiosta johtuva taajuuden muutos on selvästi mittaustarkkuuden rajoissa, luulen että sen muutos ajassa on niin pieni, että sillä ei ole merkitystä.

      Sivumennen muuten mainittakoon, että hiukkasfyysikot (eivät myöskään tähän tutkimukseen osallistuneet teoreeti) eivät käytä SI-järjestelmää, eli heidän yksikköjärjestelmässään cesium-atomin taajuus voi pienentyä.

      1. Eusa sanoo:

        Jos Cesiumin virityksen emission ja mittausabsorption väli on sen verran pitkä, että gravitaatio ehtii vaikuttaa, voihan mitata sekä ylös että alas suuntautuen.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          En ymmärrä mitä tarkoitat. Gravitaation muutos ei kuitenkaan liene mittauksessa merkittävä.

  6. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Siis ajan mittaus perustuu stabiilin Cs-133-isotoopin värähtelytaajuuteen. Jos tähän jokin kenttä tai muu tekijä vaikuttaa, niin kuinka se voisi olla vaikuttamatta mittalaitteen atomien värähtelytaajuuksiin?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Koska eri atomien koostumus on erilainen, niiden taajuus muuttuisi eri tavalla.

  7. Esa Könönen sanoo:

    Tiedän, ehkä kysymykseni Syksylle ovat ”booring” koska en ole kosmologi eikä minun kykyni ”opistoinssinä” riitä näihin juttuihin alkuunkaan. Esimerkiksi mikään syvällisempi matematiikka on minulle täysin mahdotonta. Mutta ehkä voisit vastata tavallaan ”tavisjärjellä” kahteen minua ihmetyttävään asiaan. Älä siis todellakaan vastaa liiaan monimutkaisesti. Kyssäri yksi: Josssain joku väitti että tämän universumin rajat katoavat yli valon nopeuden johtuen oudosta ”pimeästä energiasta”. Ok…univesrumi laajenee selkeästi oikeiden havaintojen kautta. Mutta eihän valon nopeutta voi mikään ylittää ? Toinen kyssäri on tämä: kun tuota tyhjyyttä syntyy tyhjyyteen ja universumi laajenee koko ajan, niin miksi väitetään että sitä tyhjyyttä tyhjyteen tulee vain galaksien väliseen avaruuteen ? Miksei minun keittiöön ?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      En välttämättä vastaa kysymyksiin, jotka ovat liian kaukana merkinnän aiheesta. (Tämä myös kommenttina kysymyksiin, joita ei ole julkaistu.)

      Sanon vain lyhyesti, että maailmankaikkeus laajenee eri tahdilla eri paikoissa (Linnunradan sisällä ei ollenkaan). Toisekseen, maailmankaikkeuden laajeneminen ei välitä informaatiota: olipa laajeneminen kiihtyvää tai ei, tarpeeksi kaukana olevat pisteet etääntyvät toisistaan nopeudelle, joka on valoa nopeampi.

      Ei tästä tämän enempää.

Vastaa käyttäjälle Syksy Räsänen Peruuta vastaus

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *