fysiikka

Onnittelusoitto fysiikan tämän vuoden Nobel-palkinnosta lähti kolmelle lasertutkijalle

Ti, 10/02/2018 - 14:21 Toimitus
Nobel-puhelin

Tutkijapiireissä odotetaan tällä viikolla soittoa Tukholmasta, ja niinpä Nobel-säätiö julkaisi tänään twitter-tilillään kuvan puhelimesta, mistä soitto lähtee tai soitot lähtevät. Puhelin soi tänään puoleltapäivin Tukholman aikaa kolmessa paikassa: onnittelusoiton saivat Arthur Ashkin, Gérard Mourou ja Donna Strickland.

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.

Palkinto siis jaettiin kolmen kesken. 

Puolet yhdeksän miljoonan Ruotsin kruunun (heikon kruunun vuoksi vain noin 870 000 euroa) saa Arthur Ashkin ja toisen puolen jakavat Gérard Mourou ja Strickland.

Jo 96-vuotias konkari, amerikkalainen Ashkin on kehittänyt optisia puristimia, tai laserpinsettejä, jotka pitävät atomeja, hiukkasia ja molekyylejä kiinni lasereilla. Näiden avulla voidaan tutkia ja käsitellä muun muassa viruksia, bakteereita ja muita eläviä soluja ilman, että ne vahingoittuvat. 

Hän on tehnyt tätä tutkimustaan ennen kaikkea (nykyisin Nokian omistuksessa olevassa) Bell-laboratoriossa ja Lucent Technologies -yhtiössä.

ENSTA ParisTechissä, Ranskan kansallisessa edistyneiden tekniikoiden tutkimuskeskuksessa työskentelevä Mourou ja hänen kanadalainen oppilaansa Strickland keksivät puolestaan tavan synnyttää hyvin lyhyitä ja kirkkaita laserpulsseja, jotka ovat erityisesti käytössä silmäkirurgiassa.

Jokainen silmälaseistaan laserleikkauksella eroon päässyt voi siis ajatella lämmöllä Mourouta ja Stricklandia – sekä tämänvuotista fysiikan Nobelia yleisesti.

Suorana labrasta tällä viikolla: Joakim Riikonen ja nanomateriaalit

Ti, 11/28/2017 - 09:36 Jari Mäkinen

Viime viikolla Pariisi, tällä viikolla Kuopio! Tiedossa kiinnostava viikko nanomateriaalien ja Joakim Riikosen seurassa Itä-Suomen yliopistossa.

Joakim (eli Twitterissä @JoakimRii) toimii yliopistotutkijana Itä-Suomen yliopiston Sovelletun fysiikan laitoksella Kuopiossa.

Hänen tutkimuksensa keskittyy erityisesti äärimmäisen pieniä rakenteita sisältäviin nanohuokoisiin materiaaleihin ja niiden monimuotoisiin sovelluksiin. Tutkimuksissa selvitetään muun muassa miten näitä materiaaleja voidaan hyödyntää tehostamaan lääkeaineiden vaikutusta, keräämään arvokkaita metalleja tai puhdistamaan jätevesiä.

Jälkimmäiseen liittyen Joakim on mukana myös  -tiimissä, mikä osallistui taannoiseen Helsinki Challenge -kilpailuun ja pääsi hienosti semifinaaliin. Tiimin esittelyvideo on alla.

Joakimin viikon twiitit ovat tässä alla Storify-koosteena.

Video: Katso tämä erinomainen animaatio, jos ajan ja avaruuden luonne ihmetyttää

Eurooppalainen hiukkastutkimuskeskus CERN ja TED-Ed ovat tuottaneet pienen sarjan aivan erinomaisia fysiikan perusasioita esitteleviä videoita.

Tässä sarjan ensimmäisessä animaatiossa fyysikot Andrew Pontzen ja Tom Whyntie (Giant Animation Studiosin piirtäminä) kertovat aika-avaruudesta ja sen olemuksesta. 

Alla ovat sarjat loput osat, joista yhdessä kyse on valon nopeudesta ja toisessa nivotaan aina-avaruus sekä painovoima yhteen.

Videot sopivat erinomaisesti myös niille, jotka tietävät tai olettavat tietävänsä mistä oikein on kyse...

Tiedetuubi suosittelee!

Avainsanat

Video: Näin tehdään timanttipuristuksella mahdotonta metallivetyä

Metallinen vety on omituinen idea vuodelta 1935. 

Vety kun normaalisti on eriste, mutta metallisena se johtaisi sähköä erinomaisesti. Sen avulla voisi tehdä esimerkiksi suprajohteita, jotka toimisivat huoneenlämmössä. Lisäksi siihen on puristuneena pieneen tilaan paljon energiaa, joten sitä voisi käyttää superpolttoaineena. Ja ellei muuta, niin metallivety on tieteellisesti erittäin kiinnostava aine, koska sitä ei ole koskaan nähty aikaisemmin.

Teorian mukaan sitä tosin olisi erimerkiksi jättiläisplaneettojen ytimissä ja kenties maapallonkin keskellä – mutta nyt sitä on siis pystytty tekemään laboratoriossa.

Harvardin yliopiston tutkijaryhmä kertoo tuoreessa Science-lehdessä tästä onnistumisestaan. Artikkelin luonnos on ollut luettavissa jo lokakuusta arXiv.org -palvelussa.

Professorit Thomas Cabot ja Isaac Silvera sekä tohtoritutkija Ranga Dias ovat tutkineet vedyn muuttamista metalliseksi jo pitkään. 

He puristivat hyvin pientä määrää vetyä kahden timantin välissä 495 gigapascalin paineella, eli paineella, joka on selvästi suurempi kuin vallitsee maapallon ytimessä. Näin suuressa paineessa kiinteä atomaarinen vety – siis "tavallinen" jäätynyt vety – muuttuu metallin omaiseksi, koska sen molekyylirakenne murtuu.

Sen jälkeen, kun vety on muuttunut metalliseksi, on se teorian mukaan hyvin pysyvä. Eli kun painetta vähennetään, se pysyy metallina samaan tapaan kuin timantit pysyvät timantteina sen jälkeen, kun ne ovat syntyneet hiilestä erittäin suuressa paineessa ja lämpötilassa.

Näin metallista vetyä voitaisiin käyttää suprajohteena melkeinpä missä vain ilman suuria ja hankalia jäähdytyslaitteita. Suuren energiatiheytensä ansiosta se voisi toimia myös polttoaineena esimerkiksi raketeissa tai lentokoneissa, joissa pieneen tilaan olisi hyvä saada pakattua mahdollisimman paljon energiaa.

Vety muuttuu metalliseksi kuvasarjassa, missä paine kasvaa vasemmalta oikealle mentäessä.

Näin siis teorian mukaan: Harvardin tutkijaryhmä ei ole onnistunut vielä mittaamaan synnyttämäänsä metallista vetyä, vaan siinä kuvataan aineen syntyneen ja hehkutetaan millaista se mahdollisesti on. 

Tämän vuoksi monet pitävät sitä ennenaikaisesti julkaistuna ja puolivalmiina. 

Kiinnostavinta metallisessa vedyssä on sen sähkönjohtokyky, mitä olisi ollut hyvä mitata jo kunnolla. Nyt tutkijat ovat vain arvelleet sitä aineen valonheijastuskyvyn perusteella.

Ennen metalliseksi muuttumistaan vety käy läpi varsin omituisia vaiheita. Kun normaalisti vety on läpinäkyvää, se muuttuu voimakkaasti puristettaessa ensin lähes mustaksi ja imee itseensä melkein kaiken siihen osuvan valon. Paineen kasvaessa valonheijastuskyky kasvaa ja lopulta metallinen vety heijastaa hyvin valoa, kuten kiiltävät metallit yleensä.

Amerikkalaisryhmä onkin arvioinut metallisuutta "vain" valonheijastuskykyä havaitsemalla, ei suoraan mittaamalla. Keino voi olla toimiva, mutta se on epäsuora, eikä sitä ole voitu vielä varmistaa.

Silti löytö on erittäin kiinnostava ja lupaava, mutta vaatii lennokkaan lehdistötiedotteen tekemisen lisäksi vielä hieman lisätutkimusta.

Video: Kuinka lasia leikataan ruokaöljyllä

Onko joskus tullut vastaan tilanne, jossa lasipurkin tai -pullon kaulaosuus ehkä haittaa käyttöä, tai astia on muuten vain liian korkea? Tai pitäisikö pinnasta saadakin vino? Tässä on oiva keino hoitaa ongelma ohuen öljypinnan avulla!

Keksitkö, miksi tämä toimii? Katso ensin video ja vasta sitten selitys alta.

Lämmön kulkeutuminen aineesta toiseen on mielenkiintoista, usein hyvin hyödyllistäkin. Tästä ovat esimerkkeinä vaikkapa ilman käyttö eristeenä ikkunoissa ja villapuseroissa, sekä juottokolvin tai paistinpannun nopea lämpeneminen.

Videolla on kysymys samasta asiasta, lämmön siirtymisestä.

Niksin idea on, että kuuma metallipuikko kuumentaa öljyä roimasti. Lämpötilaero lasin pinnassa saa sen halkeamaan juuri oikealta kohdalta. Mitä pienempi öljyn kosketuspinta lasiin on, sen tarkempi tuloksesta tulee.

Toisella videolla leikkaaminen tapahtuu pistämällä öljy purkin sisälle. Sekin toimii, mutta rajasta tulee selvästi epätasaisempi. Syy on pienemmässä tilavuudessa, mikä johtaa nestepinnan nousuun ja aaltoiluun leikkauksen aikana. Myös paksumpi öljykerros voi haitata.

Tärkeintä osaa tempussa näyttelee joka aineelle ominainen suure, ominaislämpökapasiteetti. Vedellä se on 2,1–2,5 kertaa öljyä suurempi, riippuen mitä öljyä käytetään. Tämä tarkoittaa, että veteen joutuu upottamaan tuplasti enemmän energiaa, jotta sen lämpötila nousee yhtä paljon kuin öljyllä. Metallipuikko siis lämmittää eritoten öljykerrosta, joka siirtää energian tehokkaasti lasiin.

Vesi toimii tempussa tukipintana, jonka päällä leikkaava kuuma öljy kelluu, ja toisaalta pitää lasipurkin alaosan viileänä. Öljyn yläpuolella saman asian hoitaa Ilma.

Ponnahtavaa maitoa

Ti, 06/14/2016 - 09:09 Jari Mäkinen
Ponnahtavaa maitoa

Miltä näyttääkään, kun pisara putoaa nesteen pintaan? Tältä. Eikä kyseessä ole mikä tahansa neste, vaan viskositeetilaan hyvin kiinnostava maito.

Päivän kuvaPaljain silmin katsottaessa pisaran putoaminen nesteeseen tapahtuu niin nopeasti, ettei siitä oikein näe mitään. Sen sijaan suurnopeuskameralla kuvattuna liike saadaan pysäytettyä, ja tuloksena on muun muassa tämä päivän kuva: pisara, joka on ilmassa, ja sen alla jännittävä nestepatsas sekä rengasmaisia aaltoja.

Kun pisara putoaa nesteeseen, saa se itse asiassa aikaan aaltoliikkeen, rengasmaisesti ympäristöön leviäviä aaltoja, joiden keskipisteessä on yksi erityisen korkea aalto – niin korkea, että se yläosa ponnistaa niin ylös, että se irtoaa nesteestä. Tuloksena on pisara ja sen alla nestepatsas.

Kannattaa kiinnittää huomiota myös pisaran muotoon: se ei ole normaalin, putoavan pisaran muotoinen, vaan pallo, koska itse asiassa tässä kuvan ottamisen hetkellä se on painoton. Pisara kun on fysikaalisesti katsottuna vapaassa heittoliikkeessä ja siksi se muotoutuu pintajännityksen vuoksi hyvin täsmälleen pallon muotoiseksi aivan kuten nesteet avaruudessa.

Kun pisara putoaa takaisin alas, on tuloksena uusi patsas, tosin jo huomattavasti matalampi. Se tuskin enää saa pisaraa irtoamaan kokonaan patsaasta.

Se, miten nestepatsas muodostuu, riippuu (paitsi painovoiman suuruudesta) niin myös ja ennen kaikkea nesteestä sekä siitä, kuinka liikkuvaa se on. Siis mikä on sen viskositeetti. Mitä jähmeämpää se on, sitä matalampi on rengasaaltojen keskelle muodostuva patsas ja sitä epätodennäköisempää on se, että siitä irtoaa pisara samaan tapaan kuin kuvassa.

Nesteiden viskositeetin ja käyttäytymisen tutkiminen ei tuota vain jännän näköisiä kuvia, vaan sillä on myös suoria käytännön sovelluksia; esimerkiksi mustesuihkuprintterit ja polttomoottorien sisällä tapahtuva palaminen ovat suoria nesteiden käyttäytymisen tutkimuksen sovelluskohteita.

Kuva: fdecomite / flickr

Maan ydin on yllättäen kuorta nuorempi

La, 05/28/2016 - 00:20 Jarmo Korteniemi

Tanskalainen tutkijaryhmä päätti ottaa mittaa urbaanista suhteellisuusteoreettisesta legendasta. Osoittautui, että kerrankin uskomus vähätteli todellista ilmiötä. Aikaero pinnan ja ytimen välillä on luultua suurempi.

Planeetan osaset, aina alkuaineista lähtien, ovat eri-ikäisiä. Molekyylejä ja mineraaleja hajoaa jo muodostuu koko ajan. Maan ydinkin on rakentunut yllättävän vastikään, kuten taannoin kirjoitimme. Mutta nuo kaikki ovat vain sivuseikkoja.

Tässä jutussa on kysymys jostain rakennuspalikkojakin perustavammasta: Painovoimasta ja aika-avaruuden vääristymistä.

Kuuluisan fyysikon, Richard Feynmanin, kerrotaan sanoneen luennollaan joskus 1960-luvulla jotakuinkin seuraavaa: "Gravitaatiopotentiaalin vuoksi Maan ytimen pitäisi olla päivän tai pari pintaa nuorempi".

Feynman tarkoitti sitä, että yleisen suhteellisuusteorian mukaan kellot käyvät sitä hitaammin, mitä suuremmassa gravitaatiokuopassa (eli painovoimapotentiaalissa) ne kulloinkin ovat. Tai siis näyttävät käyvän hitaammin muualta tiirailevan havaitsijan silmin. Omasta mielestään kukin kello käy toimii aivan normaalisti.

Maan ytimessä ollaan keskellä planeetan aiheuttamaa painovoimakuoppaa. Me pinnalla elelijät taas kekkaloimme kuopan rinteellä, mutta planeetta estää meitä tippumasta syvemmälle kuoppaan.

Päivän tai pari. Yksi tai kaksi päivää.

Suunnan voi todeta oikeaksi, jos tuntee jonkin verran suhteellisuusteoriaa. Lukuarvon suuruutta ei kuitenkaan tiettävästi ole aiemmin tarkistettu (tai ainakaan tarkistuslaskuja ei ole julkistettu). Lainausta on käytetty populaaritieteessä, luennoissa ja muuallakin. Luultavasti näin on käynyt Feynmanin tutkijan maineen vuoksi – anekdoottia käyttäneet ovat luottaneet siihen, että kuuluisuus teki laskunsa oikein.

Mutta kun ei tehnyt, ja väite menee päin prinkkalaa. Tämän huomaisi, jos asian tarkistaisi. Tämän todistamiseen liittyvistä laskuista selviäisi lukiofysiikalla tai viimeistään yliopiston fuksikurssien jälkeen.

Kyse on vuosista, ei päivistä.

Yllä Auringon ja Maan aiheuttamat aika-avaruuden vääristymät visualisoituna kaksiulotteisella verkolla.

 

Nyt tanskalaistutkijat laskivat, miten paljon gravitaatio todella hidastaa aikaa aivan lähiympäristössämme.

Maapallon pinnalla ja ytimellä on 2,5 vuoden ikäero. Se on kertynyt planeetan 4,5 miljardin vuoden eliniän aikana. Auringolla ero on isomman massan ja ytimen tiheyden aiheuttamasta kuopasta johtuen suurempi, peräti 39 000 vuotta.

Pinnalla oleva kello käy koko ajan nopeampaa kuin ytimeen upotettu kello. Erot kasvavat koko ajan.

Eron voisi määrittää mille tahansa kappaleelle, jonka massan jakautuminen ja läpimitta voidaan arvioida riittävän tarkasti.

Asia voidaan viedä ajatustasolla äärimmäisyyksiin. Keskelle mahdollisimman tyhjää avaruuden aluetta jätetty kello kävisi siis jokseenkin niin nopeasti kuin se tässä universumissa tiettävästi voisi. Todellisilla syrjäseudulla, kuten vaikkapa kaukana jättimäisistä galaksijoukoista, pimeästä aineesta ja jopa satunnaisista tähdistä, keskellä ei mitään, gravitaatiopotentiaali olisi minimissään. Toisessa ääripäässä olisivat ylitiheät neutronitähdet: Sellaisen ytimeen sijoitettu kello näyttäisi ulkopuoliselle tikittävän tuskallisen hitaasti. (Ajatusta jatkaen mustan aukon keskellä olevassa singulariteetissa aika jopa pysähtyisi – mutta jätetään sellaiset sikseen, muutoin mennään nykyfysiikan tuntemuksen ulkopuolelle.)

Asian todenperäisyydestä ei oikeastaan ole kiistaa. Yleiselle suhteellisuusteorialle ei vielä ole löytynyt haastajaa, joka selittäisi maailman toimintaa yhtä hyvin ja lisäksi vielä selittäisi aiemmassa teoriassa esiintyvät puutteetkin.

Periaatteessa lasketun ikäeron voisi kuitenkin tarkistaa analysoimalla radioaktiivisten aineiden ja niiden hajoamistuotteiden suhteita eri syvyyksillä. Mitä syvemmällä gravitaatiokuopassa aine on, eli mitä hitaammin kellon aika on kulkenut, sitä pienempi osa emoaineesta on ehtinyt hajota. Ytimessä pitäisi siis olla radioaktiivista ainetta hieman suurempi prosenttiosuus jäljellä, sillä radioaktiivinen puoliintumisaika on vakio ajan suhteen. Ikäero on kuitenkin hyvin marginaalinen atomien elinikään nähden, ja puoliintumisaikakin on tilastollinen suure, joten tulokset hukkuisivat auttamatta taustakohinaan. Ja onhan näytteen saaminen planeetan ytimestäkin myös himpun verran vaikeaa.

Feynmanin sanomiset olivatkin palturia

Tanskalaistutkijat julkaisivat laskunsa, jotta muut tieteentekijät, opettajat ja oppilaat muistaisivat, kuinka helppoa auktoriteettiin on luottaa turhaan ja kuinka helposti myös kuuluisuudet tekevät virheitä. Tutkijat yrittävät nostaa kollegojensa terveen skeptisyyden ja tieteellisen selkärangan esiin. Mitään väitettä ei kannata sokeasti uskoa, jos sen voi itse tarkistaa. Auktoriteettiusko ei kuulu tieteen ihanteisiin. Päinvastoin.

Varmaa tosin ei ole, oliko virhe todella Feynmanin vai kenties luennon puhtaaksikirjoittajan tekemä. Tätä ei enää voida tarkistaa. Yhtä kaikki, Feynmanin suuhun on pistetty päiviä vuosien sijasta, ja siellä ne pysyvät.

Feynman itse tokaisi huomattuaan jonkun muun kuuluisuuden tekemät virheet: "Siitä lähtien en ole juuri 'asiantuntijoista' piitannut vaan laskenut kaiken itse."

Tutkijoiden laskuharjoitusmainen artikkeli ilmestyi juuri European Journal of Physics -lehdessä, jonka tarkoituksena on parantaa fysiikan tuntemusta ja käyttötottumuksia korkeakoulutuksessa. Asiasta kirjoittivat aiemmin NewScientist ja ScienceAlert.

Mullistava Teraloop taitaa olla megaluokan floppaus

Ti, 04/12/2016 - 09:00 Jarmo Korteniemi
Teraloopin kineettinen energiavarasto. Kuva: Teraloop

Paljon kiinnostusta ja innostusta herättänyt startup-yhtiö Teraloop väittää keksineensä ratkaisun suurten energiamäärien jatkuvaan varastointiin. Jos tämä pitää paikkansa, yksi suurimmista uusiutuvien energialähteiden ongelmista voi olla pian historiaa. Jos taas ei, on pettymys suuri – ja veronmaksajien rahoja voi valua hommassa hukkaan aivan turhaan.

Idea on yksinkertainen: Ylijäämäenergia varastoidaan jopa useiden päivien ajaksi suuren massan liikkeeseen ympyräradalla.

Kallioon louhittava rata on suojassa ulkomaailman häiriöiltä, ja liikettä vastustava kitka minimioidaan magneettilevitaation avulla. Teraloopin laitteistolla päästään 500 megawatin tehoon ja varastoitavaksi energiamääräksi kaavaillaan 16 gigawattituntia. Skaalattavuus pyöreästi 100 kertaa suuremmaksikin olisi yrityksen väitteiden mukaan myös mahdollista.

Teraloop ilmoittaa saaneensa tukea valtiolta: sekä Fortum että TEKES ovat sen rahoittajien joukossa, minkä lisäksi VTT on Teraloopin yhteistyökumppani. Verorahojen mennessä yrityksen kehittelyyn on oleellista tietää mistä hommassa oikein on kyse.

Projektista ei kuitenkaan ole kerrottu juuri mitään konkreettista julkisuuteen. Se, mitä on kerrottu, pisti muutamien fysiikan ja tekniikan ammattilaisten hälytyskellot soimaan.

Riippumaton työryhmä innostui tekemään laskelmia idean toimivuudesta. Jättimäisen junan 1300 metrin sekuntivauhti ja 70 g:n kiihtyvyys eivät kuulosta realistisilta.

Mikäli tiistaiaamuna julkaistut laskelmat pitävät kutinsa, Teraloopin ehdottama systeemi on erittäin vaikea toteutettava, ehkä jopa käytännössä mahdoton.

Ongelmana luonnonlait

Teraloopin ainoassa toistaiseksi julkisessa patenttihakemuksessa puhutaan 70 miljoonan kilogramman massasta. Siis 70 000 tonnia, eli vastaa noin tuhatta tyypillistä VR:n veturia. Laitteistoa voi siis hyvinkin kutsua massajunaksi.

Jotta junan liikkeeseen saadaan varastoitua luvattu täysi 16 GWh:n kapasiteetti, se täytyy kiihdyttää huimaan vauhtiin. Huippunopeus olisi lähes 1300 metriä sekunnissa, eli liki nelinkertaisesti äänen nopeus ilmassa.

Yliääninopeudesta johtuvien shokkiaaltojen vuoksi voitaneen olettaa, että junatunneli pumpataan ilmasta tyhjäksi. Tuo, tai suuren nopeuden saavuttaminenkaan, ei kuitenkaan ole muuta kuin vain ratkaistavissa oleva tekninen haaste. Todellinen ongelma on nimittäin kaareva rata, eikä sitä niin vain ratkaistakaan.

Massajunaa on tarkoitus pyörittää ympyräradalla, jonka leveys on 5 kilometriä ja kokonaispituus vajaat 16 km. (Skaalaus on toki mahdollista, mutta mikäli radasta tulee merkittävästi pidempi, siihen kuluu enemmän rahaa ja materiaaleja. Pienempi rata taas kasvattaa nopeutta ja ongelmien suuruusluokkaa, mikäli varastointikapasiteetti halutaan pitää samana.)

Huippunopeudella kulkiessaan juna pyrkii puskemaan itseään ulkokaarretta kohti 70 g:n kiihtyvyydellä. Tuo on samaa luokkaa kuin jyrkkää rataa kiertoradalta Maahan palaavilla aluksilla. Miehittämättömillä siis – ihminen ei tuota mitenkään kestäisi.

Ympyräradalla huristelevan massajunan suunta muuttuu jatkuvasti, mutta juna haluaisi jatkaa viivasuoraan. Ilmiö tunnetaan kansankielessä nimellä keskipako(is)voima. Jos junassa olisi 80 kg massainen matkustaja (joka vielä selviää kiihtyvyydestä), hänestä tuntuisi tuolloin että painaakin 5600 kg!

Ainoa mikä pitää junan irti tunnelin seinästä on magneetit. Työryhmän laskelmien mukaan tarvitaan 3 T (teslan) suuruinen magneettikenttä, jotta vehje pysyy radallaan ja irti seinistä. Hieman voimakkaampi kuin magneettikuvauslaitteiden kenttä, mutta ulottuvuuden täytyy kattaa koko 16 km pituinen juna. Pahaksi onneksi kaikki tunnetut kestomagneetit kuitenkin tuhoutuisivat sellaisessa kentässä.

Korvaajaksi kelpaavat sähkömagneetit, mutta riittävä määrä taas painaisi monin verroin itse junan verran. Kentän luominenkin vaatisi lähes yhtä paljon energiaa kuin mitä junaan on tarkoitus varastoida.

Sekä junan nopeus, magneettikenttä, että kiihtyvyys antavat osviittaa siitä, että jotain on nyt pielessä. Joko tietoisesti tai vahingossa. On vaikea sanoa, kumpi on pahempi vaihtoehto.

Vaikka startup-yritysten kuuluukin lupailla rahoittajille kuu taivaalta, rajansa kaikella. Voiko todella olla niin, että valtiolta rahoitusta saanut projekti osoitetaan käytännössä mahdottomaksi lukiotason fysiikalla? Uutta tietoa: Vihreän Langan saaman tiedon mukaan TEKES on myöntänyt Teraloopin kehittämiseen enintään 260 000 euron laina. Myöntö perustuu arvioon, jonka mukaan Teraloop on toteuttamiskelpoinen hanke.

Voi vain toivoa, että ideaa kriittisesti katsonut työryhmä on väärässä. Mutta silloin Teraloopilla pitäisi olla jokin vielä julkistamaton patenttiässä tai muutama hihassaan.

Emme useista yrityksistä huolimatta saaneet yrityksen johtavia edustajia kiinni arvioiden paikkansapitävyyden varmistamiseksi tai lausunnon saamiseksi.

Entä jos laite hajoaa?

Teraloopin massajunan onnettomuus voisi ainakin teoriassa olla tuhoisa.

Täydessä energialastissa ollessaan junan liike-energia vastaa noin 14 TNT-kilotonnia, eli pyöreästi Hiroshiman atomipommia. Massajunan 'raiteilta' suistuminen siirtäisi energian suoraan ympäröivään kallioon.

Syntyvän maanjäristyksen voimakkuus olisi magnitudiltaan noin 4. Ero ydinlatinkiin tai maanjäristykseen olisi, ettei tärähdyskohta missään nimessä olisi pistemäinen. Energiamäärä jakautuisi räjähdysten sarjana pitkin koko tunnelia.

Patenttihakemuksessa puhutaan myös skaalattavuudesta useiden terawattituntien varastointiin. Sellaisen massajunan seinään ajo vastaisi muutamien megatonnien ydinräjähdystä, ja saisi aikaan mag 7 maanjäristyksen.

Uutta tietoa 12.4.2016 klo 14.30: Kävimme lyhyen sähköpostikeskustelun Teraloopin Chief Operations Officerin kanssa. Ensimmäinen vastaus (alla) oli ilmeisesti täsmälleen sama valmiiksi muotoiltu vastaus kuin minkä Vihreä Lankakin sai, mutta lopulta saimme kysymyksiimme suorat vastaukset: Yhtiö ei halua kommentoida haettujen tai jo myönnettyjen patenttien määrää tai laatua, tai laskuissa käytettyjen suureiden totuudenmukaisuutta tai realistisuutta, eikä antaa käyttöömme edes vihjeitä realistisempia tuloksia tuottavista arvoista. "This information is unfortunately confidential", vastasi yhtiön edustaja ykskantaan.

*

Tiedetuubi raportoi tässä asiasta yht'aikaisesti Vihreän Langan kanssa.

Juttu pohjautuu kuuden fysiikan ja tekniikan alan ammattilaisen blogeissaan (Zygomatica, PassiiviIdentiteetti, Gaia, Kaikenhuippu, Palautekytkentöjä) julkistamiin laskelmiin.

Alla Teraloopin edustajan viesti, joka summaa yhtiön suhtautumisen kritiikkiin varsin hyvin. Ensin suomeksi käännettynä, sitten alkuperäiskielellä englanniksi.

Lähettäjä: Philippe Pepin
Vastaanottaja: Jarmo Korteniemi

Hei, Jarmo

Ensinnäkin, kiitoksia mielenkiinnostanne projektiamme kohtaan; olemme tyytyväisiä huomatessamme yleisön kiinnostuvan Teraloopista. Haluamme kuitenkin nyt selkiyttää eron useissa lehdissä julkaistun käsitteellisen käyttökelpoisuuden, sekä julkaisemattoman tavoitteellisen suorituskyvyn välillä.

Teraloopin menetelmän käyttökelpoisuutta on tutkittu pitkäaikaisesti Teknologian tutkimuskeskuksessa (VTT), joka teki tarkan käyttökelpoisuustutkimuksen luonnossuunnitelmastamme. Tuloksena saadut käyttökelpoisuusraportit osoittavat suurta potentiaalia, mutta kommentoijien pitäisi ymmärtää, että lopullinen kaupalllistettu tuote, joka on suunniteltu parametreiltään ja suorituskyvyltään optimaaliseksi eikä maksimaaliseksi.

Jatkuva kehityksemme ei ole julkista emmekä vastaa spekulaatioihin massan emmekä magneettisten tai sähköisten systeemien rakenteiden osalta. Korostamme kuitenkin, että turvallisuus ja joustavuus [sietokyky?] ovat avainasemassa suunnittelutyössämme.

Toivomme, että Suomen riippumaton teknologiayhteisö tukee tässä tilanteessa suomalaista innovaatiota; teemme jatkuvaa tilannekatsausta saatavilla olevista resursseistamme ja odotamme innolla päästäksemme työskentelemään kyvykkäiden yksilöiden ja organisaatioiden kanssa, siirtyessämme eteenpäin etenemissuunnitelmamme mukaisesti.

Ystävällisin terveisin,
Philippe

==========

From: Philippe Pepin
To: Jarmo Korteniemi

First of all, we thank you for your interest in our project; we are pleased to note the public interest towards Teraloop. We would like to take this opportunity however to disambiguate between the conceptual feasibility, published in a number of journals, and our target performance parameters, which are not published.

The feasibility of Teraloop’s system has been the subject of a long term evaluation by Teknologian tukimuskeskus VTT, who conducted a rigorous feasibility study of our concept design. The resulting feasibility reports show great potential but commentators should understand that a final commercialised product will have design parameters selected for optimal, rather than maximum, performance.

Our continued developments are not in the public domain and we will not respond to speculation as to the configurations of mass, magnetic or electrical systems. However we do emphasise that security and resilience are key considerations during our development.

We hope that the independent tech community in Finland will take the opportunity to be supportive of a Finnish innovation; we are continually reviewing our available resources and look forward to working with talented individuals and organisations as we progress through our development roadmap.

Kind regards,
Philippe

 

Päivitys 12.4.2016 klo 11.50: Korjattu muutamia typoja ja lisätty selittäviä lauseita.

Otsikkokuva: Teraloop

Maxwellin demoni paljastettu

Pe, 01/15/2016 - 14:17 Jari Mäkinen


Maxwellin demonina tunnettu ajatuskoe on jälleen yksi erinomainen esimerkki siitä, kuinka tyhjänpäiväiseltä vaikuttavalla pohdiskelulla on yllättäviä käytännön sovelluksia. Tässä tapauksessa 1800-luvun lopun pirulaisella kuvitettu mielikuvitustilanne auttaa kehittämään tulevaisuuden mullistavaa tietokonetta.


Skotlantilainen fyysikko James Clerk Maxwell tunnetaan työstään sähkön ja sähkömagneettisuuden parissa, mutta hän pohti myös laajemmin fysiikkaa. Yksi hänen miettimistään aiheista oli entropia.

Lämpödynamiikan toinen pääsääntö sanoo, että suljetussa systeemissä epäjärjestys, eli entropia kasvaa koko ajan. Konkreettisesti tämä näkyy esimerkiksi kotona siten, että jos siellä ei siivoa säännöllisesti, paikat menevät vähitellen sekaisin ja lopulta tavarat ovat sikin sokin joka puolella. 

Oikeasti luonnossa tapahtuu myös samaa: kun esimerkiksi suljettuun säiliöön suihkutetaan kylmää kaasua, se levittäytyy lopulta joka puolelle ja lämpötilaerot tasaantuvat.

Maxwell mietti juuri tällaista suljettua kaasusäiliötä, ja pyrki löytämään tapauksia jolloin entropia ei kenties lisääntyisi. Siis lämpödynamiikka ei toimisi kuten teoria sanoo. Paras tapa testata teoriaa on yleensä koettaa löytää tapauksia, joissa se ei toimisi.

Vuonna 1867 esittelemässään ajatuskokeessa Maxwell kuvitteli kaasusäiliön, joka jaettiin kahtia väliseinällä ja seinään oli laitettu pieni luukku. Sitä vartioi pikku olento, jota Maxwell kutsui demoniksi, pikku pirulaiseksi. Se pystyy luukkua avaamalla ja sulkemalla erottelemaan hitaat kylmät ja nopeat lämpimät hiukkaset omille puolilleen ja luomaan näin lämpötilaeron, vastoin termodynamiikan oppeja.

Otsikkokuvassa oleva sarjakuva esittää miten autonominen demoni toimii: 
1. Kun demoni havaitsee elektronin tulevan saarekkeelle, se
2. vangitsee elektronin positiivisella varauksella.
3. Kun demoni huomaa elektronin poistuvan saarelta, se palauttaa
4. negatiivisen varauksen.
Piirros: Jonne Koski.

Kaasusäiliöissä ei luonnollisestikaan ole demoneita, mutta nyt Aalto-yliopiston tutkijat ovat onnistuneet rakentamaan sellaisen nanoteknologian avulla. Autonominen nanotekninen Maxwellin demoni tekee mahdolliseksi termodynamiikan mikroskooppisen tutkimisen, ja tämä osana tohtorikoulutettava Jonne Kosken väitöskirjaa oleva löytö on sen verran merkittävä, että sen tulokset julkaistiin juuri Physical Review Letters -tiedejulkaisussa.

"Rakentamamme järjestelmä on yhden elektronin transistori, joka muodostuu pienestä metallisaarekkeesta, joka on yhdistetty kahteen johtimeen suprajohtavista materiaalista tehdyillä tunnelikytkennöillä", selittää akatemiaprofessori Jukka Pekola.

"Järjestelmään kytketty demoni on myös yhden elektronin transistori, joka seuraa järjestelmän elektronien liikettä. Kun elektroni tulee saarekkeelle, demoni vangitsee sen positiivisella varauksella; kun elektroni lähtee saarekkeelta, demoni hylkii sitä negatiivisella varauksella ja pakottaa sen liikkumaan ylämäkeen, mikä laskee järjestelmän lämpötilaa."

Demonista tekee autonomisen eli omavaraisen se, että se hoitaa sekä mittaamisen että palautteen antamisen ilman ulkopuolista apua.

Lämpötilamuutokset kertovat demonin ja järjestelmän välisestä korrelaatiosta, eli periaatteessa siitä, mitä demoni tietää järjestelmästä. Tutkimus ei olisi ollut mahdollinen ilman Aalto-yliopiston Kylmälaboratoriossa saavutettavia olosuhteita.

"Työskentelemme äärimmäisen matalissa lämpötiloissa, joten systeemi on eristetty niin hyvin, että äärimmäisten pienten lämpötilanmuutosten rekisteröinti on mahdollista", Pekola kuvailee.

"Elektroninen demoni reagoi ja antaa palautteen nopeasti, alle mikrosekunnin viiveellä, ja sillä voidaan tehdä lukemattomia toistokokeita, kun taas maailmalla molekyyleistä demoneita tehneet kollegat joutuvat tyytymään joihinkin satoihin toistoihin."

Tutkimus on puhdasta perustutkimusta, mutta sen tulokset ovet erittäin kiinnostavia myös käytännön sovellusten kannalta. Sen avulla voidaan esimerkiksi päästään lähemmäksi ns. palautuvaa laskentaa hyödyntävää tietokonetta. Palautuva laskenta, eli reversible computing, tekee muun muassa mahdolliseksi tietokoneiden paremman energiatehokkuuden.

Lisäksi siitä on mahdollisesti apua vallankumouksellisten kvanttitietokoneiden kehittämisessä.

"Koska työskentelemme suprajohtavien virtapiirien kanssa, pystymme valmistamaan kvanttitietokoneiden kubitteja", kertoo Pekola. 

"Seuraavaksi haluammekin tarkastella näitä samoja ilmiöitä kvanttitasolla."

Linkki artikkeliin:
J. V. Koski, A. Kutvonen, I. M. Khaymovich, T. Ala-Nissilä and J. P. Pekola "On-chip Maxwell’s demon as an information-powered refrigerator"

Juttu perustuu Aalto-yliopiston tiedotteeseen.

Fysiikan Nobel meni luolamiehille

Ti, 10/06/2015 - 20:53 Jari Mäkinen

Tämän vuoden fysiikan Nobel annettiin kahdelle neutriinotutkijalle, joiden työkalut ovat valtavia, syvällä kallioperässä olevia tutkimuslaitteita, joiden kohteina ovat pienenpienet alkeishiukkaset, neutriinot.

Neutriinot ovat pitkään massattomaksi oletettuja hiukkasia, joita syntyy ällistyttävän paljon koko ajan joka puolella erilaisten ydinreaktioiden oheistuotteina. Miljardeja sellaisia lentää itse asiassa lävitsemme joka sekunti, eikä niistä ole meille mitään haittaa – itse asiassa ne vuorovaikuttavat kaiken aineen kanssa niin vähän, että niiden havaitseminen on hyvin hankalaa. 

Siihen tarvitaankin suuria, varsin omalaatuisia havaintolaitteita, ja jotta kaikki häiriötekijät voitaisiin karsia pois havainnoista, täytyy havaintolaitteet sijoittaa syvälle maaperään, kallion keskelle.

Juuri tällaista ollaan kaavailemassa myös Suomeen, Pyhäsalmen kaivokseen, missä voitaisiin tutkia tarkemmin ja paremmin myös tämänvuotisten nobelistien havaitsemaa omituista neutriino-oskillaatiota.

Kyse on siitä, että neutriinot muuttavat luonnettaan samalla kun ne lentävät valon nopeudella avaruuden halki. Tämä antaa viitteen siitä, että neutriinoilla olisi hyvin, hyvin pieni massa, mikä vaikuttaa kuvaamme koko maailmankaikkeudesta.

Ja ravistaa koko fysiikkaa.

Valontuikahduksia

Yllä oleva kuva on japanilaisen Super-Kamiokande -neutriino-observatorion sisältä Tokion luoteispuolelta. 

Kyseessä on kilometrin syvyydessä sijaitseva noin 41 metriä korkea ja 40 metriä leveä sylinteri, jonka sisällä on 50 000 tonnia äärimmäisen puhdasta vettä. Kun neutriinot kulkevat veden läpi, pienenpieni osa niistä törmää vesiatomiin ja synnyttää heikon välähdyksen valoa. Näitä tuikahduksia havaitaan 11 000 säiliön seinillä olevilla ilmaisimilla.

Kuvassa huoltohenkilöt liikkuvat tyhjennetyn ilmaisimen sisällä kumiveneellä, koska näin he eivät vaurioita herkkiä lasista tehtyjä ilmaisimia.

Tämä on ollut japanilaisen Takaaki Kajitan työväline ja hänen kanssaan palkinnon jakava kanadalainen Arthur B. McDonald on tehnyt tutkimustaan toisella vastaavalla, Sudburyn lopetetussa nikkelikaivoksessa olevalla neutriinohavaintolaitteella. 

Kajita julkaisi vuonna 1998 tutkimuksen, jonka mukaan Maan ilmakehässä kosmisten säteiden ja ilman molekyylien välisten törmäysten vuoksi syntyvät neutriinot muuttuvat ominaisuuksiltaan ennen osumistaan maan uumenissa olevaan Super-Kamiokanden ilmaisimeen.

Samaan aikaan Sudburyssä, Kanadan Ontariossa, McDonald työryhmineen havaitsi samanlaista tapahtuvan neutriinoissa, jotka ovat peräisin Auringosta. He julkaisivat havaintonsa vuona 2001.

Kummassakin tapauksessa kyse oli niin sanotusta neutriino-oskillaatiosta, missä neutriinot muuttuvat toisenlaisiksi.

Tämän ymmärtämiseksi täytyy kuitenkin katsoa hieman historiaan.

Hiukkanen, jota ei voi havaita?

Maailmankaikkeudessa on vain valoa sekä muuta sähkömagneettista säteilyä kuljettavia fotoneita enemmän kuin neutriinoita. Niitä syntyi valtavasti jo maailmankaikkeuden alussa, big bangissä, mutta niitä sikiää lisää koko ajan joka puolelta mitä erilaisimmista ydinreaktioista.

Jopa meistä ihmisistä sinkoaa ulos koko ajan uusia neutriinoja, sillä muun muassa kaliumin hajoaminen synnyttää niitä noin 5000 kappaletta sekunnissa. 

Lisäksi niitä syntyy huimasti ydinreaktoreissa sekä Auringossa, josta pelkästään tulee Maahan noin 70 miljardia hiukkasta neliösentille.

Vaikka neutriinoja on näin paljon, on niiden erittäin huonon vuorovaikutuksen vuoksi niitä hankala havaita, ja niiden olemassaolosta saatiin vinkkiä vasta vuonna 1930. Silloin itävaltalainen fyysikko Wolfgang Pauli päätteli niiden olemassaolon epäsuorasti, sillä useat havaitut reaktiot voitiin selittää vain siten, että niistä vapautuisi tuntematon, neutraali ja hyvin kevyt tai massaton hiukkanen. 

Pauli kertoi ajatuksistaan ensimmäistä kertaa joulukuussa 1930 kollegoilleen lähettämässään kirjeessä, jonka hän aloitti sykähdyttävästi sanoilla “Hyvät radioaktiiviset rouvat ja herrat”.

Kirjeensä lopussa hän totesi, että “olen tehnyt kauhean teon. Olen päätellyt olemassa olevaksi hiukkasen, jota ei voi havaita.”

Pauli sai tästä kauheasta teostaan Nobelin vuonna 1945.

Pian tämän jälkeen italialainen Enrico Fermi kehitti teorian, missä Paulin hiukkanen oli mukana ja hän nimesi hiukkasen neutriinoksi. 

Neutriino saatiin nalkkiin

Vasta 1950-luvulla saatiin ensimmäiset havainnot, jotka voitiin tulkita neutriinojen aiheuttamiksi. Kun ydinvoimaloita alettiin rakentaa ja ydintekniikan kanssa tehtiin kokeita paremmin ja tarkemmin kuin koskaan, tuli neutriino väistämättä esiin. 

Olennaisin oli kesäkuussa 1956 tehty havainto, missä fyysikot Frederick Reines ja Clyde Cowan löysivät selvästi neutriinon aikaan saamia jälkiä kokeissaan. He lähettivät löydöstä sähkeen heti Paulille, joka luonnollisesi oli harmissaan siitä, että hänen salahiukkasensa oli saatu havaittua. Tai kenties ei ollut.

neutriinojen tarkempi olemus on kuitenkin ollut hämärän peitossa viime vuosikymmeniin saakka. Niihin liittyi myös monia perustavaa laatua olleita (ja olevia) kysymyksiä, kuten se, että vaikka Auringosta tulee valtavasti neutriinoja, on niitä havaittu vain noin kolmannes teoreettisesti lasketusta.

Yksi ratkaisu tähän voisi olla se, että neutriinot muuttuvat toisenlaisiksi. Teorian mukaan on kolmenlaisia neutriinoja: elektronineutriinoja, muonineutriinoja ja tau-neutriinoja, joilla kullakin on hiukkaskartalla omat varaukselliset versionsa, eli elektroni, muoni ja tau. 

Aurinko synnyttää teorian mukaan vain elektronineutriinoja, mutta jos osa niistä muuttuisi Auringosta lähtönsä jälkeen muunlaisiksi, selittyisi kahden kolmanneksen vajaus tällä. 

Kun maanalaiset neutriino-observatoriot alkoivat olla tarpeeksi suuria ja tarkkoja 1990-luvun lopussa, tuli neutriinojen ongelmaan myös lisävaloa.

Ne hyvin harvat neutriinot, jotka törmäävät havaintolaitteissa olevassa nesteessä oleviin atomeihin tai elektroneihin, syntyy nopea, sähköisesti varattu hiukkanen, joka puolestaan synnyttää niin sanottua Cherenkovin säteilyä. Se on aavemaista, heikkoa sinertävää valoa, joka syntyy kun hiukkanen kulkee valoa nopeammin. 

Kyllä: valoa nopeammin. Tämä tapahtuu silti Einsteinin suhteellisuusteorian mukaan, vaikka se sanoo, ettei mikään koskaan voisi kulkea valoa nopeammin. Olennaista onkin se, että valon nopeus vedessä on vain 75% siitä mitä se on tyhjiössä, ja siten pikavauhtia kulkeva hiukkanen voikin kulkea vedessä nopeammin kuin valo – mutta silti hitaammin kuin valo tyhjiössä.

Kun tätä Cherenkovin valoa analysoidaan tarkasti, voidaan päätellä millainen neutriino sen sai aikaan ja mistä se on peräisin.

Neutriinohavaintoja liukuhihnalta!

Super-Kamiokande oli huima askel eteenpäin neutriinojen tuntemuksessa, koska kahden ensimmäisen toimintavuotensa aikana se onnistui saamaan viitisentuhatta havaintoa. Laite havaitsee neutriinoja, jotka tulevat sen yläpuolelta ilmakehästä kosmisten säteiden törmätessä ilman kaasumolekyyleihin. Samoin se havaitsee neutriinoja suoraan altaan, maapallon toiselta puolelta – maapallon kiviaines ei neutriinoja paljoa hetkauta.

Nopeasti ajatellen havaintoja pitäisi tulla yhtä paljon ja samanlaisia ylä- ja alapuolelta, mutta näin ei ollut: maapallon toiselta puolelta havaittiin olennaisesti enemmän muonineutriinoja. 

Elektronineutriinojen määrä oli se mitä teoriat ennustivat ja tau-neutriinojen määrästä ei voitu sanoa mitään varmaa, koska niitä ei voitu havaita. Jos siis alun perin muonineutriinoja on saman verran ala- ja yläpuolella, niin oli todennäköistä, että alapuolelta tulevat voisivat muuttua tau-neutriinoiksi, koska matkaa on riittävästi. 

Tosin myös Sudburyn havainnoissa tosin tiedetään varsin hyvin millaisia neutriinoita lähtöpaikassa on, sillä Aurinko tuottaa vain elektronineutriinoita. Sudburyssä käytetään myös puhtaan veden sijaan ns. raskasta vettä, jolloin se pystyy havaitsemaan kaikkia neutriinotyyppejä. Raskaassa vedessä on hapen lisäksi tavallisen vetyatomin sijaan deuterium, eli vedyn raskaampi isotooppi. Se tekee havainnoista tarkempia (ja samalla vaikeampia tulkita).

Siten siellä tehdyistä havainnoista voitiin nähdä selvästi, että Auringon neutriinoista elektronityyppisiä oli olennaisesti arveltua vähemmän. Havaintomäärän kasvaessa kävi yhä ilmeisemmäksi, että osan neutriinoista on täytynyt muuttua matkallaan Auringosta Maahan toisenlaisiksi. Itse asiassa kaksi kolmasosaa neutriinoista muuttuisi 150 miljoonaa kilometriä pitkällä matkallaan toiseksi lajiksi.

Kun Sudburyn havainnot osuivat aika tarkalleen yksiin neutriino-oskillaation ennustamien määrien kanssa, oli asia aika saletti.

Hiukkasen kvanttifysiikkaa

Tällä tosin oli se mullistava seuraus, että teoreetikoiden mukaan muuttuminen toiseksi on mahdollinen vain jos neutriinolla on massa. 

Tämä tulee siitä, että kvanttimaailmassa hiukkanen voidaan käsittää joko aaltona tai pienenpienenä kappaleena, hiukkasena. Tietyn määrän energiaa sisältävä hiukkanen vastaa tiettyä aallonpituutta. Niinpä elektroni-, muoni- ja tau-neutriinot voidaan käsittää omanlaatuisina aaltoinaan.

Kun aallot etenevät tasatahtiin, ei neutriinon eri persoonallisuuksia voi erottaa toisistaan, mutta mitä pitempään aallot matkaavat, sitä enemmän ne menevät epätahtiin. Vaihe-eron mukaisesti aallot voivat vaikuttaa toisiinsa, oskilloida keskenään, ja lopulta aallot ovat erilaisia ja siten neutriinot ovat eri tyyppisiä.

Tässä massa tulee kuvaan, sillä sen mukaisesti neutriinojen aallot muuttuvat – hyvin, hyvin, hyvin vähän, mutta silti, ja etenkin pitemmillä matkoilla käy juuri näin. Kun neutriinon massa, jos ja kun se on olemassa, on äärimmäisen pieni, ja erot massoissa ovat erittäin pieniä, ovat eroavaisuudetkin hyvin pieniä. Mutta kuten on huomattu, havaittavia.

Teorian mukaan pari tuhatta kilometriä on matka, jonka kuluessa muuttuminen saattaisi tapahtua. Siksi Laguna-ilmaisimen Pyhäsalmi olisi erinomainen paikka ilmaisimelle, koska siellä on tarkoitus havaita Euroopan hiukkastutkimuskeskuksessa CERNissä noin 2300 kilometrin päässä synnytettyjä neutriinoja: kun tiedetään tarkasti millaisia neutriinoja lähtöpisteessä on ja kuinka paljon, niin tätä neutriino-oskillaatiota on helpompi tutkia.

Fyysikoille hommia

Se, että neutriinoilla on pieni massa, saa aikaan monennäköistä harmia. Ensinnäkin kosmologeille tämä tarkoittaa sitä, että maailmankaikkeuden massa-arvio on pielessä. Vaikka neutriinon massa olisi lähes nolla, se ei ole nolla, ja koska neutriinoita on niin paljon, tulee niistä yhdessä arvioiden mukaan yhtä paljon “lisää” massaa maailmankaikkeuteen kuin kaikista näkyvistä tähdistä.

Tämä saattaa selittää osan havaituista kummallisuuksista maailmankaikkeuden laajenemistahdissa, mutta siihen vaikuttaa moni muukin asia.

Fyysikkojen parinkymmenen vuoden ajan rakentama ns. Standardimalli myös vaatii viilausta. Malli koettaa selittää paitsi hiukkaset, niin myös niiden väliset voimat ja vaikutukset, ja nyt massattomaksi oletettu neutriino ei olekaan massaton.

Mistä sen massa tulee? Mitkä on eri neutriinotyyppien massat? Miksi ne ovat niin äärimmäisen kevyitä? Onko niillä omat antihiukkasensa, kuten muilla? Ja miksi neutriinot vaikuttavat muutenkin niin erilaisilta kuin muut hiukkaset?

Vastauksista näihin perustavaa laatua oleviin kysymyksiin tullaan varmasti jakamaan monta Nobelia tulevaisuudessa.

Alla on Tiedetuubin video Suomeen suunniteltavasta Laguna-ilmaisimesta ja siinä selitetään varsin paljon myös neutriinojen omituisuuksia: