Gyroskoopit, Bose-Einstein kondensaatti ja tieteen selitysvoima

Lasergyroskooppeja käytetään inertianavigoinnissa. Inertianavigointi on teknologia, jossa lähtien tarkasti tiedetystä lähtöpaikasta arvioidaan paikan muutosta kiihtyvyyden ja nopeuden avulla. Kiihtyvyyksien mittaamiseen voidaan käytää laitetta, jota sanotaan gyroskoopiksi. Inertiasuunnistuksessa paikan virhe kasvaa sitä suuremmaksi, mitä pidempään intergroidaan ja pienetkin virheet kertautuvat nopeasti, siksi paikka on välillä kalibroitava esimerkiksi satelliittipaikannusjärjestelmästä. Lyhytaikaisten muutosten laskemiseen inertianavigointi on kuitenkin lyömätön ja toimii myös tietyn aikaa ilman referenssijärjestelmää, esimerkiksi GPS:ää.

Lasergyroskooppi on hillittömän tarkkaa laite, siinä ei ole liikkuvia osia ja se on luotettava. Sitä käytetäänkin esimerkiksi lentokoneissa ja avaruusluotaimissa. Mutta silläkin on rajoituksensa.

Jonathan Dowling ja kumppanit Louisianan yliopistosta ovat kehittäneet ajatuksen gyroskoopista, joka perustuu kummalliseen Bose-Einstein kondensaattiin (BEC).

http://www.technologyreview.com/blog/arxiv/23827/

Se on aineen olomuoto, jossa atomit on jäähdytetty lämpötilaan, jossa ne jakavat saman kvanttimekaanisen identiteetin. Tämä tarkoitttaa sitä, että aineen jokainen atomi jakaa saman, alimman mahdollisen energiatilan, eikä niitä voi erottaa toisistaan. Tällaine aine alkaa makroskooppisesti noudattaa kvanttimekaniikan kummallisia lakeja, eli käyttäytyä kuin yksittäinen atomi jonka paikkaa ja nopeutta ei voida mitata tarkasti yhtä aikaa. Kummallisuus tunneteen nimellä Bose-Einstein kondensaatti.

Kuva: Wikimedia Commons: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bose_Einstein_condensate.png

Satyendra Nath Bose and Albert Einstein ennakoivat tämän aineen oudon olotilan olemasassaolon vuosina 1924–25, mutta sen valmistuksessa onnistuttiin vasta noin 15 vuotta sitten, jonka jälkeen sitä on tutkittu innokkaasti.

Dowling ja kumppanit ovat esittäneet, että käyttämällä Bose-Einstein kondensaattia ja sen kummallisia ominaisuuksia, voitaisiin valmistaa gyroskooppi, jonka tarkkuus ylittäisi monin verroin lasergyron ja jopa massa-interferometrin tarkkuuden. Tällainen gyroskooppi olisi ainakin teoriassa niin tarkka, että sen kalibroiminen referenssijärjestelmään olisi tarpeen enää hyvin harvoin.

Vaikka ko. keksintö odottaa vielä käytännön toteutustaan, on se esimerkki siitä, minkälaisiin asioihin tiede vielä tulevaisuudessa pystyy. Emme ole vielä lähelläkään tieteen rajoja, itse asiassa olemme vasta avaamassa niitä ovia, joiden takana ihmiselle avautuu maailmankaikkeuden todellisuus.

Kun James Clerk Maxwell oli saanut valmiiksi sähkömagneettista aaltoliiketta kuvaavat yhtälönsä 1800-luvulla, fysiikka oli valmis. Yhdessä Newtonin lakien kanssa uudet yhtälöt selittivät kaikki luonnonilmiöt täydellisesti. Lordi Kelvin totesikin lakonisesti, että fysiikkassa ei ole enää muuta tehtävää, kuin mitata joitakin numeroarvoja vähän tarkemmin.

Mikään ei olisi voinut olla kauempana totuudesta ja fysiikan ”valmis” maailmankuva romuttui 1900-luvun alussa suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan muuttaessa kaiken. Todellisuus ei ollutkaan eksakti ja tulevaisuus tietystä alkutilasta täysin ennustettavissa, kuten Newtonin ja Maxwellin teoriat olivat antaneet ymmärtää. Kvanttimekaniikan todellisuus oli outo ja maalaisjärjelle vieras. Atomit ja alkeishiukkaset eivät käyttäytyneet ennakoitavasti, vaan niiden käyttäytymiselle saatoi laskea ainostaan todennäköisyydet, ei varmoja arvoja.

Tätä fysiikan vallankumousta käytetään joskus argumenttina tiedettä vastaan. Sanotaan, että se osoittaa tieteen rajoitukset ja sen, että ihminen ei voi saavuttaa todellista tietoa maailmankaikkeudesta. Asia on kuitenkin täysin päinvastoin.

Nykyteknologia on jo mahdollistanut monien kvanttimekaniikan ilmiöiden hyödyntämisen, mutta se on vasta alkua. Kvanttimekaniikkaan perustuvat käytännön sovellukset tekevät vasta tuloaan. Seuraavan 50 vuoden aikana näemme teknologioita, joita vain tieteiskirjailijat ovat voineet kuvitella,  jos edes hekään. BEC-gyro on tästä vain yksi mahdollinen esimerkki.

Maailmankaikkeus avautuu ihmiselle tavalla, jota vielä 100 vuotta sitten ei osattu kuvitella. Fysiikka, evoluutioteoria ja tietotekniikka ovat muokanneet maailmankuvaamme suuntaan, joka jättää vain vähän tai ei ollenkaan tilaa yliluonnolliselle tai yliaistilliselle maailmalle.

Tieteen suurin voima on siinä, että tieteellinen metodi on uudistuva ja itsekorjautuva. On myös syytä muistaa, että vaikka Newtonin ja Maxwellin teoriat eivät kuvaakaan tätä maailmankaikkeutta sellaisena kuin nykyään tiedämme sen olevan, eivät ne silti ole ”vääriä”. Ne kuvaavat makroskooppista maailmankaikkeutta niin hyvin, että niitä kaytetään edelleenkin, koska niiden soveltaminen on helpompaa kuin kvanttimekaniikan tai suhteellisuusteorian. Makroskooppisista, ihmisen kokemusmaailmaan liittyvistä ilmiöistä ne antavat usein riittävän tarkan kuvan.

Usein jää myös huomaamatta, että fyysikot eivät vaitä yhtälöiden olevan sama kuin maailmankaikkeuden todellisuus (vaikka kaikenteorian kehittäminen onkin suuri unelma) vaan ne ovat vain työkalu. Jos työkalu toimii, se on tarkoitukseensa hyvä.

Nykyään tiedämme, että fysiikka on kaikkea muuta kuin valmis. Kaikkea ei osata selittää, ei ehkä koskaan. Mutta se ei tarkoita sitä, että kehitys olisi pysähtynyt tai että olisi olemassa luonnollisia prosesseja, jotka ovat lopullisesti ihmisen tavoittamattomissa. Historian valossa on syytä olettaa juuri päinvastaista.

Tieteen selitysvoima on tänä päivänä suurempi, kuin se on koskaan ollut.


Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *