Donna Strickland on vasta kolmas fysiikan Nobelin saanut nainen. Hänen edeltäjiään ovat vuonna 1963 palkinnon saanut Maria Goeppert-Mayer ja kaikkien (?) naisfyysikoiden esikuva, legendaarinen Marie Curie, joka sai palkintonsa vuonna 1903.

Meidän täytyy onnitella kaikkia naisfyysikoita, koska heitä on olemassa ... minulla on kunnia olla yksi heistä", totesi Strickland puhelun saadessaan.

Palkinto tulee juuri sopivasta CERNissä olevan pienen skandaalin jälkeen. Italialainen, hiukkastutkimuslaitoksen kanssa yhteistyössä oleva Alessandro Strumia oli todennut, että fysiikka on miesten tekemää, eikä naisilla siinä ole oikeastaan osaa. Hän sai luonnollisesti tästä typeryydestä punaisen kortin.

Naisasiaksi tätä Nobel-palkintoa ei kuitenkaan kannata kääntää, sillä kyse on isommasta asiasta.

Tai siis pienemmästä: voittajakolmikko on tehnyt tärkeää työtä pienten, lyhyiden ja hyvin voimakkaiden laserpulssien parissa. Tätä tekniikkaa käytetään nykyisin laajalti teollisuudessa ja lääketieteessä, ja se on avannut kokonaan uusia mahdollisuuksia näissä.

Tutkimus ei kuitenkaan liity musiikkiin vaan pyrkimyksiin ymmärtää klassisen fysiikan ja kvanttimaailman hämmentävää rajaa.

Kvanttimekaniikassa esimerkiksi "kappaleilla" havaitaan samanaikaisesti sekä hiukkasten että aaltojen ominaisuuksia, mutta makromaailmassa moiset kummallisuudet katoavat. Miksi?

Ehkä siksi, että ne eivät sittenkään katoa tyystin. Tuoreessa tutkimuksessa on onnistuttu saamaan aikaan kvanttikäyttäytymistä esineessä, joka on mahdollista nähdä paljain silmin – jos kohta juuri ja juuri.

"Tällaisten järjestelmien avulla on todennäköisesti mahdollista kehittää uutta kvanttitehostettua tekniikkaa, kuten huipputarkkoja ilmaisimia ja uudenlaisia muuntajia", arvelee tutkimusta johtanut Michael Vanner Lontoon Imperial Collegesta.

"Jännittävää on, että tarkastelemalla, miten kvanttisuperpositio toimii suuremmassa mittakaavassa, voimme myös testata kvanttimekaniikan äärimmäisiä rajoja."

Muurahaissumu eli Menzel 3 on eteläisellä taivaalla Kulmaviivoittimen tähdistön suunnassa noin 8 000 valovuoden etäisyydellä sijaitseva planetaarinen sumu. Se on syntynyt Auringon kokoluokkaa olevan tähden puhaltaessa uloimmat kerroksensa avaruuteen, jolloin jäljelle on jäänyt suunnilleen maapallon kokoinen valkoinen kääpiö.

Euroopan avaruusjärjestön Herschel-avaruusteleskoopilla tehtyjen infrapunahavaintojen perusteella Muurahaissumusta tulee lasersäteilyä. Vastaavanlaisia kohteita tunnetaan vain muutama, sillä avaruudessa lasersäteilyn synty edellyttää aivan tietynlaisia olosuhteita.

Mielenkiintoinen yhteensattuma on, että Muurahaissumun 1920-luvulla löytänyt ja luetteloinut Donald Menzel esitti aikoinaan, että tällaisissa kaasupilvissä voi esiintyä valon vahvistusta säteilyn stimuloidun emission avulla – eli lasersäteilyä. Silloin laseria ei ollut vielä saatu toimimaan laboratoriossakaan.

"Havaitsimme hyvin harvinaista laseremissiota, jonka selittyy vedyn rekombinaatiolla", kertoo tutkimusta johtanut Isabel Aleman.

Tällaista lasersäteilyä voi syntyä ainoastaan olosuhteissa, joissa tähden lähellä on hyvin tiheää kaasua. Havaintojen ja laskennallisten mallien vertailu osoittaa, että tiheyden on oltava noin 10 000 kertaa suurempi kuin yleensä planetaarisissa sumuissa ja myös Muurahaissumun ulommissa osissa.

Pienemmässä mittakaavassa fuusiotutkimus kuitenkin etenee. Coloradon yliopistossa on tehty kokeita voimakkailla laserpulsseilla, jotka on kohdistettu mikroskooppisen pienistä, 200 nanometrin läpimittaisista langoista muodostuvaan kohtioon.

Tuloksena on ollut ennätyksellisen tehokas neutronien tuotto. Räjähdysmäisessä fuusiossa vapautui neutroneja 500 kertaa enemmän kuin vastaavissa kokeissa, joissa kohtiona on käytetty samankaltaista materiaalia, mutta yhtenäisenä kiinteänä kappaleena.

Tutkijat rakensivat ultralyhyitä pulsseja lähettävän laserlaitteiston itse. Kohdemateriaaliksi he valitsivat deuteroidun polyetyleenin. Siinä tavallisen polyetyleenin vetyatomit on korvattu raskaalla vedyllä eli deuteriumilla, jonka ytimessä on protonin lisäksi myös neutroni.

Tiuhaan ammutut laserpulssit saivat langat kuumenemaan hyvin nopeasti, jolloin ne vapauttivat deuteriumiin sitoutuneet neutronit.

Ultralyhyen aallonpituuden laserit ovat kriittisiä komponentteja muun muassa monissa tietoliikenteen ja teollisen tuotannon prosesseissa.

Niiden kehittäminen on johtanut fysiikan Nobelin palkintoihin, mutta siitä huolimatta niiden synty on silti yhä edelleen arvoitus: miten ihmeessä laser kykenee tuottamaan niin kirkkaan valonvälähdyksen?

Asiaa on tutkittu jo 1960-luvulta alkaen. Silti vasta nyt on ollut tullut mahdolliseksi todistaa laserpulssin syntyhetki ja nähdä kuinka se muodostuu kohinasta.

Stephen Hawking on puolestaan varoitellut, ettei ihmiskunnan pitäisi kuuluttaa olemassaoloaan kaikelle maailmankaikkeudelle: alienit voivat kuulla ja tulla käymään. Eivätkä välttämättä ystävällisin aikein.

David Kipping ja Alex Teachey ovat kehittäneet keinon pysyä piilossa avaruuden muukalaisilta, jopa kehittyneiltä sellaisilta. 

Liki kahdestatuhannesta tunnetusta eksoplaneetasta valtaosa on löydetty ylikulkutekniikalla eli tarkkailemalla tähtien kirkkauksia siltä varalta, että niiden editse kulkevat kiertolaiset himmentävät aavistuksen niiden valoa. On täysin mahdollista, että vieraat sivilisaatiot - mikäli sellaisia on - etsivät muita planeettakuntia samalla menetelmällä.

Sillä tavoin on helppo löytää planeettoja ja selvittää kiertävätkö ne tähteään elinkelpoisella vyöhykkeellä. Jos kiertävät, niiden pinnalla voi olla vettä nestemäisessä muodossa, ja se taas on oletusten mukaan keskeinen edellytys elämän synnylle ja kehittymiselle.

Kippingin ja Teacheyn kehittämällä menetelmällä on mahdollista piiloutua alieneiden etsintäyrityksiltä. Voimakkaalla lasersäteellä voidaan korvata valo, joka Auringon säteilystä hetkeksi vähenee, kun Maa kulkee kaukaiselta planeetalta katsottuna oman päivätähtemme editse.

Tutkijakaksikon mukaan näkyvän valon alueella toimiva 30 megawatin laser, joka sytytetään kerran vuodessa 10 tunnin ajaksi, riittäisi hämäämään mahdollisia avaruuden astronomeja. Moisen virityksen energiantarve olisi samaa luokkaa kuin Kansainvälisen avaruusaseman aurinkopaneelit keräävät vuoden aikana.

Niin sanottu "kromaattinen katve", joka kattaisi kaikki aallonpituudet, on paljon vaativampi. Se edellyttäisi laserjärjestelmää, joka kuluttaa energiaa 250 megawattia vuodessa.

"Toinen vaihtoehto on, että piilotamme ainoastaan ilmakehän aiheuttaman signaalin, jossa näkyy merkkejä biologisesta toiminnasta, kuten jälkiä hapesta. Silloin tarvittava laserteho olisi ainoastaan 160 kilowattia ylikulkua kohti. Maa näyttäisi vieraan sivilisaation silmissä planeetalta, jolla elämä ei ole koskaan saanut jalansijaa", arvioi Teachey.

Ongelmana on se, että laser pitäisi arvata suunnata kohti tähteä, jota vieraan sivilisaation asuttama planeetta kiertää. Ja siitä meillä ei ole aavistustakaan. Periaatteessa riittäisi kuitenkin pitää laser suunnattuna Maasta katsottuna täsmälleen poispäin Auringosta, koska sillä puolella taivasta sijaitsevilta eksoplaneetoilta katsottuna Maa näyttää kulkevan Auringon editse. 

Menetelmää voi käyttää myös vastakkaiseen tarkoitukseen eli kertomaan tarkoituksella olemassaolostamme. Laserin avulla olisi mahdollista muokata ylikulun aikana tapahtuvaa kirkkauden pienenemistä ja välittää sillä tavoin jopa informaatiota.

Ja jos ajatusta tarkastelee vielä yhdestä näkökulmasta, avaruuden muukalaiset ovat saattaneet saada saman idean. Kippingin ja Teacheyn mielestä SETI-tutkimusta kannattaisi laajentaa radioaallonpituuksien ”kuuntelusta” keinotekoisten ylikulkusignaalien etsintään.

Kosmisesta piilottelusta kerrottiin Royal Astronomical Societyn uutissivuilla ja tutkimus on julkaistu seuran Monthly Notices -tiedelehdessä.

Kuva: ESO/G. Hüdepohl

Miltä kuulostaisi laser, joka kuumentaa aineen Aurinkoa kuumemmaksi ainoastaan 20 kvadriljoonasosasekunnissa? Eikä kyse ole päivätähtemme pinnasta ja muutamasta tuhannesta asteesta, vaan Auringon keskuksesta ja miljoonista asteista.

Lontoon Imperial Collegen teoreetikot ovat kehittäneet huippunopean kuumennusmenetelmän, jolla lämpötila pystytään nostamaan kymmeneen miljoonaan asteeseen sekunnin miljoonasosan miljoonasosassa.

Nyt menetelmä pitäisi vain saada toimimaan muuallakin kuin supertietokoneen laskelmissa. Jos siinä onnistutaan, keksinnöllä voi olla suuri merkitys fuusiovoiman kehittämisessä. Se päihittäisi nopeudessa nykyiset menetelmät satakertaisesti.

Suurteholasereita on perinteisesti käytetty fuusiotutkimuksessa aineen kuumentamiseen. Tuoreessa tutkimuksessa tavoitteena oli löytää keino, jolla voitaisiin kuumentaa ioneja suoraan, sillä ne muodostavat suurimman osan aineesta.

Useimpia materiaaleja kuumennettaessa laserin energia nostaa ensin kohdeaineen elektronien lämpötilan. Vasta sitten elektronit alkavat kuumentaa ioneja, jolloin koko prosessi on paljon hitaampi verrattuna ionien suoraan kuumentamiseen.

Imperial Collegen tutkijaryhmä totesi, että kohdistettaessa suurteholaser tietynlaiseen aineeseen se saa aikaan sähköstaattisen shokkiaallon, joka kuumentaa ioneja.

"Tulos oli täysin odottamaton. Yksi fuusiotutkimuksen ongelmista on ohjata laserin energia oikeaan paikkaan oikealla hetkellä. Tällä menetelmällä energia saadaan suoraan ioneihin", kehuu Arthur Turrell.

Tavallisesti laserilla aikaansaadut sähköstaattiset shokkiaallot työntävät ioneja edellään, jolloin niiden nopeus kasvaa, mutta lämpötila ei nouse. Supertietokoneella tehdyn mallinnuksen avulla tutkijat totesivat, että jos aineessa on sopiva yhdistelmä ioneja, niiden nopeudet kasvavat eri tavoin.

Se saa aikaan kitkaa, joka puolestaan nostaa nopeasti ionien lämpötilaa. Laskelmien mukaan ilmiö on voimakkaimmillaan kiinteissä aineissa, joissa on kahdenlaisia ioneja, esimerkiksi muoveissa.

"Kaksi ionilajia toimivat kuin tulitikut ja tikkuaski; kumpiakin tarvitaan", selittää tutkimukseen osallistunut Mark Sherlock. "Nippu tulitikkuja ei syty itsekseen – tarvitaan kitkaa, jota syntyy, kun tikut raapaistaan askin kylkeen."

"Itsessään oli jo yllätys, että kohteena käytettävällä materiaalilla oli niin suuri merkitys", lisää ryhmään kuulunut Steven Rose. "Aineissa, joissa on ainoastaan yhtä ionilajia, ilmiötä ei esiinny lainkaan."

Kuumeneminen tapahtuu huippunopeasti, koska kohdemateriaali on hyvin tiheää. Ionit puristuvat yhteen lähes kymmenkertaiseen tiheyteen tavalliseen kiinteään aineeseen verrattuna. Sähköstaattisen shokkiaallon aiheuttama kitkaefekti on silloin paljon voimakkaampi kuin esimerkiksi harvemmassa kaasussa. 

Jos menetelmä saadaan toimimaan myös käytännön tasolla, se olisi kaikkien aikojen nopein kuumennuskeino suurelle hiukkasmäärälle.

"Kun atomit törmäävät toisiinsa LHC-kiihdyttimen kaltaisissa laitteissa, tapahtuu vielä nopeampia lämpötilan muutoksia, mutta törmäykset tapahtuvat yksittäisten hiukkasten välillä", toteaa Turrell. 

Tutkimuksesta kerrottiin Lontoon Imperial Collegen uutissivuilla ja se on julkaistu Nature Communications -tiedelehdessä.

Kuva: NASA/LMSAL

Kun Wilhelm Röntgen 120 vuotta sitten löysi röntgensäteilyn, hän tuskin osasi kuvitellakaan, kuinka merkittävän keksinnön tuli tehneeksi. Puhumattakaan lordi Kelvinistä, jonka mukaan "Röntgensäteily tulee osoittautumaan huijaukseksi". Voiko enää enempää olla väärässä?

Nyt röntgensäteilyn avulla on jälleen tehty tieteenhistoriaa. 

Kun kaksi fotonia törmää samanaikaisesti yksittäiseen atomiin, tuloksena on yksi fotoni, jolla on suurempi energia. Ilmiö havaittiin ensimmäisen kerran näkyvällä valolla jo 1960-luvulla, mutta röntgensäteilyn alueella se ei ole onnistunut, koska käytettävissä ei ole ollut riittävän tehokasta röntgensäteilyn lähdettä. Nyt on.

Kokeessa käytettiin Kaliforniassa sijaitsevan Kansallisen kiihdytinlaboratorion röntgenlaseria. Aparaatilla on pituutta toista kilometriä, joten niitä ei maailmasta edelleenkään löydy montaa: toinen on Japanissa.

Röntgenlaserin säteily keskitettiin ainoastaan sadan nanometrin läpimittaiseksi pisteeksi. Säteilyteho oli hiuksen läpimittaa vastaavalla alueella hetkellisesti yhtä suuri kuin maapallon valaistulle puoliskolle lankeavan auringonvalon energia. 

Huipputeho oli tarpeen, jotta kaksi fotonia saatiin törmäämään täsmälleen oikeaan aikaan yhteen aineen atomeista. "Silti tapahtuman todennäköisyys oli pienempi kuin jättipotin voittaminen lotossa", arvioi tutkimusryhmää johtanut Matthias Fuchs.

Odotettu ilmiö tuotti kuitenkin odottamattoman tuloksen. Törmäyksen seurauksena syntyneen fotonin energia ei ollut läheskään niin suuri kuin oli laskettu. Näyttääkin siltä, että tällaisen törmäyksen fysiikkaa ei vielä tunneta kunnolla. 

"Nyt tehty koe oli vasta alkua", toteaa Fuchs. "Jos uudet käsityksemme tästä perusilmiöstä varmistuvat tulevissa testeissä, niillä voi olla merkittävä vaikutus suurilla röntgentehoilla tehtäviin kokeisiin ja ne saattavat johtaa uudenlaisiin aineen tutkimusmenetelmiin."

Tutkimuksesta kerrottiin EurekAlert!-tiedesivustolla ja se on julkaistu Nature Physics -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Wilhelm Röntgen