Tarkempaa aikaa etsimässä

Kalle Pusa

Näytöllä värisee suttuinen kuva pisteestä. Se on vangittu strontium-ioni, jonka värähtelyihin Suomen tarkin kello perustuu.

Itse kello sijaitsee ympärillämme pienessä kellarihuoneessa. Kello koostuu joukosta laatikoita, antureita ja kapseleita, joiden tarkoitus on mitata strontium-ionin ulkoelektronin kvanttisiirtymiä.

Huoneeseen koottu optinen atomikello on yksi noin sadasta kellosta maailmassa, jotka käyttävät valoon perustuvaa tekniikkaa mittauksiin.

Kello määritellään jaksollista signaalia tuottavaksi laitteeksi, jonka toistuvaa ilmiötä voi laskea. Optiset atomikellot ovat uusimpia kelloja jatkumossa, joka alkoi aikanaan muinaisen Egyptin vesikelloista. Optiset atomikellot perustuvat näkyvän valon värinään, kun taas aikaisemmat atomikellot perustuvat mikroaaltosäteilyn värinään. Koska valo värisee huomattavasti korkeammilla taajuuksilla, ovat optiset kellot sekä stabiilimpia että tarkempia.

”Optiset atomikellot ovat sata kertaa tarkempia kuin aikaisemmat atomikellot”, kertoo kellon rakentanut erikoistutkija Anders Wallin Teknologian tutkimuskeskus VTT:n Mittatekniikan keskus MIKESistä.

”Kello mittaa kahdeksantoista numeron tarkkuudella, kun aikaisemmin päästiin vain 16 numeroon.”

Korkeuserojakin voi mitata tarkemmin optisten kellojen avulla

MIKESin kello on hyvin herkkä instrumentti, jonka tarkkuuteen vaikuttaa moni muuttuja, mukaan lukien lämpösäteily. Sen vaikutuksesta mittaukseen Wallinin tiimi on juuri julkaissut tutkimuksen.

Huoneenlämmön lisäksi mittaukseen vaikuttaa esimerkiksi vajaan kilometrin päässä jyrisevä metro.

”Jarruttavan ja kiihdyttävän metron magneettikenttä on niin voimakas, että meidän on täytynyt kehittää magneettisuojat kelloon”, Wallin sanoo ja näyttää kiiltävää metallinpalaa kellossa.

Optiset kellot mahdollistavat muun muassa gravitaatiokenttien tarkemman mittauksen. Suhteellisuusteorian mukaan kellot tikittävät hieman eri tahdissa eri korkeuksilla, koska maan vetovoima vaihtelee. Erot ovat astronomisen pieniä, mutta tarkkailemalla eri korkeuksilla sijaitsevien optisten kellojen eritahtista tikitystä, voi niitä mitata. Näitä eroja tarkastelemalla voi mitata korkeuseroja kahden maantieteellisesti hyvin kaukana toisistaan sijaitsevan pisteen välillä.

”On pitkään epäilty, että Amerikan ja Euroopan mantereiden välinen korkeusero on itse asiassa jopa puoli metriä suurempi kuin on laskettu. Optisilla kelloilla voi tämän selvittää”, Wallin kertoo.

Optisten kellojen on tarkoitus määritellä uudestaan sekunti

Vuonna 2022 SI-järjestelmää ylläpitävä Kansainvälinen paino- ja mittatoimisto (BIPM) julisti, että tavoitteena on saada uusi standardi sekunnille vuoteen 2030 mennessä. Standardi on määrä määrittää juuri optisten kellojen avulla, joiden mittaukset ovat jo toissijainen standardi sekunnille.

Optisten kellojen avulla määritelty sekunti olisi sata kertaa nykyistä tarkempi. Sekunnin uudelleenmäärittely ei muuttaisi sen mittaa vaan sen tarkkuutta. Muutos ei vaikuttaisi mitenkään arkielämään, mutta SI-järjestelmän pohja sen sijaan tarkentuisi satakertaisesti.

Wallin on oikea henkilö selittämään tämän, sillä juuri Teknologian tutkimuskeskus VTT:n alainen MIKES vastaa siitä, että Suomen viralliset suureet täyttävät kansainväliset SI-standardit.

MIKES auttaa siis varmistamaan, että suomalaisissa laboratorioissa kilogramma on aina sama kuin Ranskassa ja Saksassa. Ja ampeeri on ampeeri ja kelvin kelvin. Tieteessä hyvin pienillä eroilla voi olla valtava merkitys, joten tarkkuutta tarvitaan.

Ja kaikista tarkin on sekunti.

”Pituuden standardit ovat tarkkoja yhdeksään tai kymmeneen numeroon”, Wallin selittää. ”Sen sijaan huonokin atomikello on tarkka 12 numeroon.”

Tästä syystä SI-standardit standardisoitiin kokonaan sekuntia vasten. Tämä prosessi päättyi vuonna 2019, jonka jälkeen kaikki SI-suureet, moolia lukuun ottamatta, ovat perustuneet johonkin sekunnin johdannaiseen. Esimerkiksi metri määritellään siksi pituudeksi, jonka valo kulkee tyhjiössä 1/299 792 458 sekunnissa.

Luonnonvakioihin perustuvat suureet ovat ikuisia

Aikaan perustuvat määreet ovat huomattavasti tarkempia, mutta varjopuolena niitä on hankalampi ymmärtää kuin aikaisempia mittoja.

”Aikanaan kilogramma perustui Pariisissa säilytettävään fyysiseen standardikilogrammaan, johon verrattiin muihin maihin lähetettyjä kopioita. Koululaisetkin ymmärsivät tämän. Nykyään fysiikan opettajien täytyy osata kertoa, että kilogramma määritellään antamalla Planckin vakiolle tarkka sekuntiin ja metriin perustuva arvo”, Wallin kertoo.

Vaikka selitys on hankalampi, kestää se paremmin aikaa. Aikanaan Suomeen tuodun standardikilogramman kopion massa on muuttunut vuosien saatossa kymmeniä mikrogrammoja. Luonnonvakioihin perustuvat suureet ovat sen sijaan ikuisia.

Sekuntiin sidotut määreet mahdollistavat myös sen, että standardit ovat riippumattomia, ja kuka tahansa kykenee niitä teoriassa ylläpitämään. Enää ei tarvitse rampata Pariisissa vertailemassa kilogrammojen painoja.

”Jos osaa rakentaa tarkan kellon, niin voi sen avulla määritellä itsenäisesti sekunnin."

Ja sekunnin avulla voi määritellä taas kilon, metrin, kelvinin sekä muut aikaan perustuvat standardit.

”Sekunti on keittokirja muille yksiköille”, Wallin kertoo.

Tieteen nopea kehitys hidastaa standardointia

Optiset kellot ovat kehittyneet 2000-luvun aikana valtavasti ja tuottavat luotettavia mittauksia. Kehittyneet lasermenetelmät, Nobel-palkinnon ansainnut taajuuskampa sekä uudet tavat vangita ja jäähdyttää atomeita ovat mahdollistaneet jopa kaupalliset optiset kellot. Japanissa toimii jo yritys, joka myy optista atomikelloa kolmen miljoonan euron hintaan.

Sinänsä uuden standardin voisi pian jo määritellä. Ongelma on vain se, että pitäisi valita, mitä alkuainetta käytetään.

”On olemassa oikeastaan viidestä kuuteen tapaa saada aikaan riittävän tarkka kello. Strontium-ionin käyttäminen on vain yksi niistä.”

Pelkästään mahdollisia alkuaineita on lähes kymmenen, mukaan lukien strontium, ytterbium, alumiini, magnesium, kalsium, rubidium ja elohopea. Viime syksynä Espoossa vieraili saksalaisten tutkijoiden rakentama siirrettävä kello, joka perustui ytterbiumiin.

”Ja onpahan esitetty myös villejä ajatuksia thoriumin ydintransitioihin perustuvasta kellosta.”

Ja juuri tässä piilee standardisoinnin ongelma. Kukaan ei halua julistaa uutta standardia, joka on jäljessä parhaimmista kelloista jo syntyessään.

”En oikein usko, että 2030 meillä on uutta sekuntia. Tällä hetkellä on liian paljon hyviä ajatuksia, kuinka rakentaa entistä tarkempi kello. Puhutaan jo 19–20 numeron tarkkuuksista”, Wallin sanoo.

Tavoitteena pitkäikäinen ja elegantti standardi

Tulevan standardin tulisi olla pitkäikäinen, mutta ihanteellisesti myös elegantti. Vaikka standardiin voisi valita strontiumin, indiumin, ytterbiumin tai jonkin toisen sopivan alkuaineen, valinta olisi aina mielivaltainen.

Esimerkkinä käsitteellisesti elegantista standardista Wallin antaa sähkövirran suureen, ampeerin, joka perustui aikaisemmin sähkövirran luomiin johdinvoimiin.

”Nykyään ampeeri määritellään alkeisvarauksen ja sekunnin avulla. Määritelmä on elegantti, sillä siinä käytetään luonnonvakioita.”

Mielivaltaisen atomin tai ionin avulla määritellyn sekunnin sijasta on ehdotettu käytettäväksi maailmankaikkeuden yleisintä alkuainetta, vetyä.

”Käsitteellinen ideaali pohjautuisi juurikin vetyyn ja Rydbergin luonnonvakioon. Siinä ei olisi mitään mielivaltaista”, Wallin sanoo.

Tässä tavoitteessa on ongelma, jonka myös Kansainvälinen paino- ja mittatoimisto BIPM on tunnistanut.

”Kukaan ei vielä tiedä, kuinka Rydbergin vakio realisoitaisiin samalla tarkkuudella kuin nykyiset optiset kellot jo toimivat. Tämä saattaa jopa olla mahdotonta”, Wallin sanoo.

Riippumatta valitusta standardista, ei Wallinin ryhmän työ valu hukkaan. Vaikka standardi perustuisi johonkin toiseen ioniin tai tekniikkaan, MIKESin strontiumkellon taajuuden ja tulevan standardikellon taajuuden jakolasku tuottaisi suhdeluvun. Suhdeluku huomioitaisiin mittauksissa ja näin Suomessakin voitaisiin ylläpitää uutta sekunnin määritelmää.

BIPM:n on tarkoitus järjestää Pariisissa teknisten asiantuntijoiden kokous tulevana syksynä sekunnin määritelmästä. Tähän Wallinkin osallistuu.

Syksyn kokouksen jälkeen päätös lopullisesta suunnitelmasta siirtyy kansallisten mittausjärjestöjen johtajien päätettäväksi.

Vuosi 2030 lähestyy nopeasti ja tieteellinen konsensus puuttuu.

Kello tikittää.