Jos katselee vaikkapa korkealta kukkulalta notkelmassa kasvavaa tiheää metsää siten, että aurinko paistaa suoraan selän takaa, puustosta on vaikea erottaa yksityiskohtia: tummat varjot jäävät auringon valaisemien puiden taakse piiloon. 

Varjot ovat tosiaan aina tummia, mutta ne eivät aina ole samanvärisiä. Jos kävelee kuutamoiltana lumisella tiellä, jota valaisevat harvakseltaan sijaitsevat katulamput, lankeaa maahan kaksi varjoa. Toinen niistä on kellertävä ja toinen sinertävä. 

Värieron syynä on se, että Kuun valon langettamaa varjoa valaisee keltainen katulamppu. Katuvalojen luomia varjoja puolestaan valaisee Kuusta heijastunut auringonvalo. Se ei ole sinistä vaan valkoista, mutta silmä tulkitsee kontrastin takia näkemänsä sinertäväksi, ja maassa näkyy kaksi selvästi eriväristä varjoa.

Jos katsoo mustista ja valkoisista alueista rakentuvaa kuvaa, silmien alituinen liike saa aikaan niiden rajoilla nopeita muutoksia. Ne puolestaan synnyttävät näkökeskuksessa aaltoja, joiden jatkokäsittely muilla aivojen alueilla antaa mielikuvan liikkeestä.

Luonnossa on lukemattomia esimerkkejä siitä, miten saaliseläimet välttävät petoja sulautumalla ympäristöön. Usein on oleellista kyetä jäljittelemään tummia ja vaaleita alueita, pimeää ja valoisaa. 

"Näköhavainnon ensimmäinen askel on erottaa toisistaan tummat ja vaaleat alueet. Minkä tahansa näkemiseen liittyvän järjestelmän ongelmana on mielekkään järjestyksen luominen mutkikkaista valon luomista kontrasteista, jotta kohteen voisi tunnistaa. Yksi tehokas mekanismi saattaa olla hahmottaa yhtenäisiä valoisuuden muutoksia, joita väistämättä tapahtuu, kun jokin liikkuu taustaa vasten", toteaa tutkimusta johtanut Dirk Jancke.

Tutkijat osoittivat, että lähekkäisten alueiden valoisuudessa samanaikaisesti tapahtuvat päinvastaiset muutokset – pimeästä valoisaan ja valoisasta pimeään – saavat aikaan näkökeskuksen aktivoitumisen. Seurauksena on havainto liikkeestä.

Tutkimuksessa käytetyssä kokeessa näyttöruudulla oli pieniä harmaita neliöitä, joiden kirkkaus vaihteli tummasta vaaleaan ja takaisin. Samanaikaisesti mitattiin koehenkilöiden aivojen aktiivisuutta. Yllättävänä tuloksena oli, että aivot rekisteröivät neliöiden muuttumisen tummaksi aikaisemmin kuin niiden vaalenemisen. 

"Se osoittaa, että samanaikaisissa valoisuuden muutoksissa tapahtui aivoissa aikasiirtymä", päättelee Sascha Rekauzke. 

Jo aiemmin tiedettiin, että valoisan ja pimeän käsittelyssä on pieni, joidenkin millisekuntien suuruinen ero. Silmän valoherkkien solujen signaalit valon ja pimeän esiintymisestä etenevät aivoihin hieman eri tahtiin. 

Nyt selvisi, että aivot vahvistavat pienen aikaeron noin kymmeneen millisekuntiin. Siitä on seurauksena valoisuuden – tummien ja vaaleiden alueiden – havaitsemisessa esiintyvä aikasiirtymä, joka saa aikaan epäsymmetrisesti etenevän aktiivisuusaallon. Aivot tulkitsevat sen havainnoksi liikkeestä.

Samankaltaiseen epäsymmetriaan perustuu myös äänen tulosuunnan havaitseminen. Eri suunnista tulevat ääniaallot osuvat korviin hieman eri aikaan ja sillä perusteella aivot "laskevat", mistä suunnasta ääni kuuluu.

Tutkimuksesta kerrottiin Ruhrin yliopiston uutissivuilla ja se on julkaistu Journal of Neuroscience -tiedelehdessä.

Kuva: Dirk Jancke/RUB

Kun kesäajan päätyttyä saamme sunnuntaiaamun iloksi jälleen pähkäillä, mitä kello oikeasti on, sopii teemaan Queenslandin teknillisessä korkeakoulussa Australiassa tehty tutkimus keinovalon ja liikalihavuuden yhteydestä.

Cassandra Pattinsonin johtama ryhmä tutki kahden viikon ajan 48 lasta, joiden ikä vaihteli kolmesta viiteen vuoteen. Tutkimuksessa tarkkailtiin unen määrää ja laatua, fyysistä aktiivisuutta ja altistusta valolle sekä toisaalta lasten painoindeksiä.

"Totesimme, että jo melko vähäinenkin altistus valolle aikaisin aamulla oli yhteydessä suurempaan painoindeksiin, kun taas lapset, jotka saivat suurimman annoksen valoa – sekä ulkona että sisällä – vasta iltapäivällä, olivat hoikempia”, toteaa Pattinson.

"Yllättäen fyysisessä aktiivisuudella ja lasten painolla ei ollut yhteyttä, mutta nukkumisajoilla ja valon määrällä oli. Ensimmäisen kerran valon osoitettiin vaikuttavan lasten painoon."

Tutkijaryhmän mukaan tablettien, älypuhelinten, televisioiden ja yölamppujen ansiosta nykypäivän lapset altistuvat valolle enemmän kuin yksikään aiempi sukupolvi. Samaan aikaan kun keinovalon määrä on lisääntynyt, liikalihavuudesta on tullut maailmanlaajuinen ongelma.

Jo ennestään on tiedetty, että valaistuksen määrällä, kestolla ja kellonajalla – olipa kyse sitten luonnollisesta tai keinovalosta – on vaikutuksia nisäkkäiden vuorokausirytmiin.

"Sisäisen kellon toiminta perustuu pitkälti valon määrään ja altistumisen ajankohtaan. Se vaikuttaa unirytmiin, painon nousuun ja laskuun, hormonaalisiin muutoksiin ja mielialaan", Pattinson listaa.

"Viimeaikaisissa tutkimuksissa on todettu, että aikuisilla altistuminen valolle iltamyöhällä saattaa liittyä painon nousuun, mutta asiaa ei ole tutkittu pienillä lapsilla: näyttää siltä, että vaikutus on päinvastainen. Kun aikuiset, jotka altistuvat suuremmalle valon määrälle aamuisin, ovat hoikempia, aikaisin valolle altistuvat esikouluikäiset ovat usein lihavampia."

Liikalihavuuteen vaikuttaviksi tekijöiksi on todettu ravinnon määrä, vähäinen liikunta, univaje ja vaihtelevat nukkuma-ajat. Nyt luetteloon voi siis lisätä valon.

"Eläimillä tehdyt tutkimukset ovat osoittaneet, että valon määrä ja sille altistumisen ajankohta ovat keskeisen tärkeitä aineenvaihdunnan toiminnan kannalta. Tuloksemme viittaavat siihen, että sama pätee meihin ihmisiin", Pattinson päättää.

Tässä valossa on perusteltua miettiä, onko kaksi kertaa vuodessa tapahtuvasta kellojen edestakaisin siirtelystä enemmän hyötyä vai haittaa.

Valotutkimuksesta kerrottiin Queenslandin teknillisen korkeakoulun uutissivuilla.

Kyllä voi, mutta ei hätää, Albert Einstein on edelleen oikeassa: valon nopeus on ehdoton kattonopeus informaation siirtymiselle. Valo etenee tyhjiössä 299 792 kilometrin sekuntinopeudella, mutta valolla on tämän ryhmänopeuden eli energian siirtymisnopeuden lisäksi myös vaihenopeus. Ja se voi vaihdella.

Vaihenopeus kertoo, millä nopeudella jokin valoaallon osa, esimerkiksi aallonharja, etenee. Se puolestaan riippuu väliaineesta. Esimerkiksi vedessä valoaallot lytistyvät kasaan ja aallonharjat lähestyvät toisiaan. Silloin valon vaihenopeus pienenee. 

Väliaineen taitekerroin ilmoittaa, kuinka paljon vaihenopeus siinä muuttuu: mitä suurempi kerroin, sitä enemmän vauhti hidastuu. Veden taitekerroin on noin 1,3 ja esimerkiksi ikkunalasin 1,5. 

Tyhjiön taitekerroin on yksi, joten siinä valon vaihenopeus on suurin mahdollinen. Paitsi että… Entä jos taitekerroin on pienempi kuin yksi – tai peräti nolla?

Silloin tapahtuu kummia. Valoaallon vaiheet eivät enää olekaan etenevässä liikkeessä, joten valo ei kulje aaltona. Jos aineen taitekerroin on nolla, valon vaiheet muuttuvat pysyviksi ja aallonpituus kasvaa äärettömäksi.  

Eric Mazurin johtama tutkijaryhmä on kehittänyt metamateriaalin, jonka taitekerroin todella on nolla eli valoaallon vaihe voi periaatteessa kulkea siinä äärettömän nopeasti.  

Tällaista pysyvää aaltoa on mahdollista käsitellä aivan toisella tavalla kuin "tavallista" valoa. Ja mikä tärkeintä, valoa manipuloitaessa energiaa ei häviä. Uudella materiaalilla voi olla suuri merkitys kvanttitietokoneiden kehittelyssä.

Tulevaisuudessa elektroniikka korvautuu yhä yleisemmin fotoniikalla, missä elektronien tilalla on valo ja sen hiukkaset eli fotonit. Esimerkiksi tietokoneissa valon avulla on mahdollista siirrellä tietoa paljon nopeammin kuin perinteisten elektronisten komponenttien avulla. Ongelmana on kuitenkin valon kimurantti luonne.

"Valo ei pidä puristelusta tai muokkaamisesta, mutta uuden metamateriaalin avulla on mahdollista manipuloida mikrosirusta toiseen kulkevaa valoa: puristaa sitä kasaan, taivuttaa, kiertää ja pienentää valonsäteen läpimittaa makroskaalasta nanoskaalaan", kuvailee Mazur.

"Optisten piirien käyttöä rajoittaa tavallisten piiaaltoputkien heikkous ja tehottomuus energian säilyttämisessä", toteaa Yang Li, joka oli mukana Mazurin tutkijaryhmässä. 

"Nollakertoimen metamateriaali tarjoaa ratkaisun sähkömagneettisen energian säilymiseen erilaisissa aaltoputkirakenteissa, koska sen korkea sisäinen vaihenopeus mahdollistaa esteettömän valon etenemisen."

Uusi metamateriaali rakentuu polymeeriin upotetuista piipilaririveistä, jotka on peitetty ohuella kultakalvolla. Sitä voidaan käyttää piistä valmistetuissa aaltoputkissa, jotka ovat liitettävissä optisiin piireihin.

"Uusi tekniikka voisi parantaa kvanttibittien välistä lomittumista, sillä valoaallot leviävät käytännössä äärettömän pitkiksi, jolloin kaukana toisistaan sijaitsevat hiukkasetkin voisivat lomittua", arvioi tutkijaryhmään kuulunut Philip Munoz.  

Hiukkasten ollessa lomittuneita voidaan yhtä hiukkasta tutkimalla saada tietoa myös muiden hiukkasten vastaavista ominaisuuksista. Kuulostaa tieteistarinoinnilta, mutta kvanttimekaniikassa esiintyy arkimaailmaan verrattuna omituisia ilmiöitä.

Uudesta metamateriaalista kerrottiin Harvardin yliopiston uutissivuilla ja tutkimus on julkaistu Nature Photonics -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Peter Allen/Harvard SEAS  

Litteät linssit ovat olleet Tiedetuubissa esillä aiemminkin, mutta nyt kehitetyssä optiikassa on luovuttu perinteisestä lasistakin. NASAn JPL:ssä (Jet Propulsion Laboratory) ja Caltechissa (California Institute of Technology) on kehitelty lattalinssi, jolla valoa voidaan manipuloida aiemmin hankalina tai peräti mahdottomina pidetyillä tavoilla.

Uudenlainen optiikka perustuu piistä tehtyihin nanopilareihin, jotka muodostavat hunajakennomaisen rakenteen. Tällainen "metapinta" muuttaa sen läpi kulkevan valon suuntaa ja ominaisuuksia.

Pyyhkäisyelektronimikroskoopilla tarkasteltuna optinen metapinta muistuttaa kaadettua metsää, josta on vain kannot jäljellä. Jokaisen "piikannon" tai pilarin poikkileikkaus on ellipsin muotoinen. Muuttamalla pilarien läpimittaa ja asentoa on mahdollista muokata pinnan läpi kulkevien valoaaltojen vaihetta ja polarisaatiota.

Jos valoaallot ovat samassa vaiheessa, niiden muodostama valonsäde on voimakkaampi. Siihen perustuu esimerkiksi laserin teho. Toisaalta vaiheen muuttaminen vaikuttaa valonsäteen taittumisen määrään ja sitä kautta esimerkiksi kameroissa kuvan tarkentumiseen.

Valon polarisaatio on puolestaan tärkeä tekijä monissa optiikan sovelluksissa, joista tutuimpia ovat aurinkolasit ja 3D-elokuvien katsomiseen tarvittavat lasit.

Lattalinsseillä voidaan myös muokata valonsäteen muotoa. Esimerkiksi puolijohdelaserien synnyttämä lasersäde on poikkileikkaukseltaan yleensä elliptinen, mikä vaikeuttaa sen käyttöä erilaisissa sovelluksissa. Säteen pyöristämiseen on tarvittu kalliita optisia järjestelmiä, mutta uusilla metapintalinsseillä se onnistuu paljon edullisemmin. 

Lattalinsseille löytyy potentiaalisia sovelluskohteita mikroskoopeista näyttöihin ja erilaisista ilmaisimista kameroihin. Optiikan koko ei ole enää rajoittava tekijä, sillä metapinnan muodostaman linssin paksuus on alle sadasosa hiuksen paksuudesta.

"Nykyisin optiset järjestelmät tehdään osa kerrallaan ja ne kootaan usein käsityönä", toteaa tutkimusryhmää johtanut Andrei Faraon. 

"Kehittämämme uusi tekniikka muistuttaa hyvin paljon puolijohdesirujen tulostamista piikiekoille, joten sillä voidaan valmistaa kerralla miljoonia järjestelmiä esimerkiksi mikroskooppeihin tai kameroihin."

Tutkimusryhmä on aloittanut jo yhteistyön alan teollisuuden kanssa. Tarkoituksena on kehittää metapintoja, joita voidaan käyttää kaupallisissa laitteissa, kuten pienikokoisissa kameroissa. 

Uudenlaisesta optiikasta kerrottiin JPL:n uutissivuilla.

Kuva: Amir Arbabi/Faraon Lab/Caltech

Nelisensataa vuotta sitten elänyt kuuluisa fyysikko Sir Isaac Newton on tunnettu tarinasta omenan putoamisesta ja siitä, että se – ainakin tarinan mukaan – sai Newtonin keksimään painovoiman. Jo tätä ennen Newton oli ennättänyt kuitenkin tekemään pari pientä mullistusta optiikan alalla: hän rakensi ensimmäisen käyttökelpoisen peilikaukoputken vuonna 1668 ja pohdiskeli, että valkoinen valo koostuu itse asiassa kaikista väreistä. Hän näytti, että prismassa valo hajoaa eri väreiksi, koska eri värit taipuvat lasissa eri tavoilla.

Nyt toinen britti, taiteilija Chris Wood, on ottanut lasinpalaset ja niistä heijastuvat sekä niissä taipuvat valonsäteet ilmaisunsa välineiksi. Tuloksena on kaleidoskooppimaisia, geometrisia värien ja valojen pintoja, joissa optiikan lait hämärtyvät varjoihin ja leikkautuvat vaaleaan pintaan.

Tavallisten lasipintojen lisäksi väri- ja lasitaiteilijaksi itseään nimittävä Wood käyttää puoliläpäiseviä pintoja ja pinnoitettuja laseja, jotka heijastavat vain tiettyjä aallonpituuksia. Toisessa ääripäässä ovat vedellä täytetyt viinilasit, jotka tuottavat myös paljon jännittäviä optisia ilmiöitä.

Lisää kuvia ja taustaa on Chris Woodin nettisivuilla. Sieltä teoksia voi myös ostaa, joskin vastaavanlaisia värien ja valojen leikkejä on helppoa luoda myös itse kotioloissa. Itse tekemällä ne ovat lisäksi hauskempia ja opettavaisempia.

Marraskuun lopussa Oulussa osana kaupungin valofestivaalia järjestetään sissivalaisutempauksia. Ensimmäiset sissivalaisutapahtumat Suomessa olivat Jyväskylässä ja Helsingissä vuonna 2008, ja useamman kotimaisen tapahtuman jälkeen nyt valosissit suuntaavat Ouluu 22.11. ja Oulunsaloon 23.11. Yllä olevassa kuvassa ovat valosissit toimessa Salossa vuonna 2011.

”Sissivalaisu on sotaa huonoa valaistusta ja turhaa valon käyttöä vastaan", sanoo Oulun yliopiston arkkitehtuurin osaston yliopisto-opettaja Henrika Pihlajaniemi. "Ennen kaikkea se on luova tapa lisätä tietoisuutta valosta ja valon käytöstä. Tarkoituksenamme on tuoda esille valon ja valaistussuunnittelun merkitystä ja saada asukkaat kiinnostumaan omasta ympäristöstään".

Guerrilla- eli sissivalaisu on toimintatapa, jonka on kehittänyt Social Light Movement -liike. Oulussa yliopiston lisäksi sitä on edistämässä Oulun kaupunki.

Oulun yliopiston arkkitehtuurin osasto on tutkinut kaupunkivalaistuksen kehittämistä Valosta vetovoimaa -hankkeessaan. Tänä syksynä järjestettiin myös valaistusaiheinen ideakilpailu arkkitehtuurin opiskelijoille yhteistyössä uuden Oulun juhlavuoden kanssa. Tuomaristossa oli mukana englantilainen Sharon Stammers Social Light Movement -liikkeestä.

Kilpailun tavoitteena oli parantaa uudella valaistuksella ja valotaideteoksilla Oulun pimeän ajan ilmettä ja pohtia valon käyttöä osana kaupunkikuvaa. Palkittuja kilpailuehdotuksia toteutetaan Valoa Oulu -festivaaleissa marraskuussa ja ehdotuksista järjestetään Oulun paikalliskeskuksia kiertävä näyttely.

Ideakilpailuun osallistui 11 ehdotusta, joista parhaana palkittiin Juha Nissisen teos ”Starry Night”. Voittajatyötä pidettiin runollisena ehdotuksena palauttaa tähtitaivas Oulun Hupisaarille. Kaikkiaan kilpailu nosti esille monia Oulun valaistuksessa pohdittavia asioita, joihin halutaan jatkossa kiinnittää huomiota.

”Valolla korostettavia oululaisia asioita ja kohteita olivat kilpailutöissä vesi ja tuuli, pohjoinen tähtitaivas, pitkä talvi ja puuttuva aurinko, kalastaminen ja lohien vaellus, teatteri ja kirjasto”, kuvaa Henrika Pihlajaniemi.

Tule mukaan valosissiksi!

Jokainen sissivalaisutapahtuma noudattaa Social Light Movementin guerrilla-tapahtumien muotoa ja tapahtumat myös dokumentoidaan huolellisesti "ennen" ja "jälkeen" kuvin. Kuvat julkaistaan heti tapahtuman jälkeen näillä nettisivuilla.

Hankkeen järjestäjät toivottavatkin kaikki tervetulleiksi mukaan seuramaan ja kuvaamaan sissivalaisuiskuja. Lähtöpaikat ja –ajat ovat:

Valon ja varjon vaihtelu helpottaa ympäröivän maailman hahmottamista – tai oikeastaan tekee sen ylipäätään mahdolliseksi. Jos katselee vaikkapa korkealta kukkulalta notkelmassa kasvavaa tiheää metsää siten, että aurinko paistaa suoraan selän takaa, puustosta on vaikea erottaa yksityiskohtia: tummat varjot jäävät auringon valaisemien puiden taakse piiloon. Varjot ovat tosiaan aina tummia, mutta ne eivät aina ole samanvärisiä.

Jos kävelee kuutamoiltana lumisella tiellä, jota valaisevat harvakseltaan sijaitsevat katulamput, lankeaa maahan kaksi varjoa. Toinen niistä on kellertävä ja toinen sinertävä. Värieron syynä on se, että Kuun valon langettamaa varjoa valaisee keltainen katulamppu. Katuvalojen luomia varjoja puolestaan valaisee Kuusta heijastunut auringonvalo. Se ei ole sinistä vaan valkoista, mutta silmä tulkitsee kontrastin takia näkemänsä sinertäväksi, ja maassa näkyy kaksi selvästi eriväristä varjoa.

Päiväsaikaan auringon synnyttämät varjot sen sijaan ovat todellisuudessakin sinisiä. Mistä niitä valaisevat vähäisempi valo on peräisin? Siniseltä taivaalta. Kun auringosta tuleva valkoinen, kaikista eri väreistä koostuva valo etenee Maan ilmakehässä, sinisen valon kulkusuunta muuttuu eniten, punaisen vähiten. Sinistä valoa leviää ympäri taivasta ja siksi sinitaivas on todellakin sininen. Samasta syystä nouseva ja laskeva aurinko on punainen: suuri osa sinisestä valosta on sironnut taivaalle.

Aurinkoisena päivänä varjot eivät välttämättä näytä sinisiltä, sillä valon ja varjon kirkkausero on niin suuri, että silmä ei erota sinistä väriä. Sinisten varjojen näkeminen on helpompaa lumen peittämässä talvimaisemassa ja erityisesti auringon ollessa matalalla – mikä Suomessa on sydäntalven päivinä vallitseva tilanne. Paitsi että yleensä aurinko on pilvien takana…

Jos aurinko kuitenkin sattuu paistamaan matalalta talviselta taivaalta, valo lankeaa maanpintaan hyvin viistossa kulmassa. Silloin lumi ei hohda yhtä kirkkaasti kuin keskellä aurinkoista kevättalven päivää. Matalalla olevan auringon valon väri on lisäksi hieman punertunutta, mikä entisestään lisää valon ja varjon kontrastia. Kun silloin tarkastelee hangen pinnalle heittyviä pitkiä varjoja, ne ovat voimakkaan sinisiä, lähes yhtä sinisiä kuin yllä kaartuva sininen taivas.