Mittaamattoman mittaaminen
Aika on se ainoa resurssi, jota jokainen sivilisaatio on yrittänyt hallita, ja suurimman osan ihmiskunnan historiasta yritys oli yllättävän epätarkka. Maanviljelijän täytyi tietää vuodenaika, papin rituaalin hetki, merimiehen nousuveden aika. Kuitenkin työkalut, joilla näihin kysymyksiin vastattiin, vaihtelivat varjosta maassa tippuvaan vesiruukkuun. Ajanmittauksen tarina on tarina ihmiskunnan hitaasta kamppailusta liukkaan abstraktion kanssa yhä hienommiksi luvuiksi, siirtyen laitteista, jotka olivat tarkkoja lähimpään tuntiin, kelloihin, jotka eivät menetä sekuntiakaan maailmankaikkeuden elinaikana.
Seuraavassa on lyhyt historia tästä matkasta, muinaisen Egyptin aurinkokelloista nykypäivän laboratorioissa suriseviin optisiin hilakelloihin.
Varjot ja auringonvalo: Ensimmäiset kellot
Varhaisimmat ajanmittaajat katsoivat ylöspäin eivätkä alaspäin. Auringon kulkiessa taivaalla sen heittämä varjo pyyhkäisi maata pitkin ennustettavassa kaaressa, ja mikä tahansa korkea esine saattoi toimia osoittimena. Muinaiset egyptiläiset pystyttivät kohoavia obeliskejä jo noin 3500 eaa., ja niiden liikkuvat varjot jakoivat päivänvalon tunnistettaviin osiin. Noin 1500 eaa. mennessä egyptiläiset käyttivät kannettavia varjokelloja — vaakasuoraa tankoa, jossa oli kohotettu poikkipuu, joka heitti varjon merkitylle asteikolle.
Nämä laitteet kehittyivät aurinkokelloksi, jota kreikkalaiset ja roomalaiset hioivat ymmärtämällä, että varjonheittäjän eli gnomonin piti olla kulmassa taivaannapaa kohti, jotta tunnit pysyisivät tasaisina läpi vuoden. Aurinkokellot olivat tyylikkäitä eivätkä vaatineet huoltoa, mutta niillä oli kaksi ilmeistä vikaa: ne olivat hyödyttömiä yöllä ja avuttomia pilvien alla. Aika, kävi ilmi, ei voinut olla riippuvainen säästä.
Vesi, joka mittaa aikaa
Ratkaisu oli mitata jotain luotettavampaa kuin auringonvalo: veden tasaista virtausta. Vesikello eli klepsydra (kreikaksi "vedenvaras") ilmestyi ensimmäisen kerran Egyptissä Amenhotep III:n hallituskaudella 1300-luvulla eaa. Yksinkertaisimmassa muodossaan vesi tippui lähes vakionopeudella merkitystä astiasta, ja laskeva pinta osoitti kuluvia tunteja.
Eri kulttuurit veivät ideaa eri suuntiin. Kreikassa insinöörit lisäsivät kellukkeita, vaihteita ja kellotauluja, ja klepsydrasta tuli oikeussalien vakiovaruste, jossa se ajoitti puhujien puheita. Kiinassa teknologia saavutti huomattavia korkeuksia. Vuonna 1088 jaa. monitieteilijä Su Song viimeisteli yli kymmenen metriä korkean vesikäyttöisen tähtitieteellisen kellotornin, jossa oli ankkurikoneisto, joka vapautti vettä mitatuissa pulsseissa pyörittääkseen koneistoa — väitetysti käsitteellinen esi-isä myöhemmille mekaanisille kelloille.
Vesikellot vapauttivat ajanmittauksen auringosta, mikä mahdollisti tuntien laskemisen yön ja minkä tahansa sään läpi. Mutta vesi jäätyy, haihtuu ja virtaa nopeammin, kun astia on täynnä, kuin kun se on lähes tyhjä. Tarkkuus pysyi itsepintaisesti tavoittamattomissa.
Mekaaninen vallankumous
Ratkaiseva käänne tapahtui keskiaikaisessa Euroopassa. Joskus 1200-luvun lopulla tuntematon käsityöläinen — keksinnöllä ei ole yhtä nimettyä keksijää — keksi ankkurikoneiston, ja mekaaninen kello syntyi.
Periaate oli nerokas. Putoava paino tarjosi tasaista voimaa, mutta temppu oli vapauttaa tämä voima hallituissa erissä sen sijaan, että se päästettäisiin kerralla valloilleen. Ankkurikoneisto käytti vaakasuoraa tankoa (foliot), jonka kummassakin päässä oli painot, jotka keinuttivat edestakaisin, kytkien ja vapauttaen hammaspyörän jokaisella heilahduksella. Jokainen värähtely antoi vaihteiston edetä yhden, mitatun askeleen. Tämä tik-tak — koneiston kuuluva tunnusmerkki — on väitetysti mekaanisen sivilisaation määrittelevä ääni.
Nämä varhaiset kellot, jotka asennettiin katedraali- ja kaupunkitorneihin 1300-luvun aikana, olivat nykystandardien mukaan karkeita, poiketen usein viisitoista minuuttia tai enemmän päivässä. Niissä ei usein ollut lainkaan kellotaulua, vaan ne olivat olemassa vain soittaakseen kelloa (sana clock juontuu latinan sanasta clocca, joka tarkoittaa kelloa). Silti ne edustivat jotain syvällistä: ensimmäistä kertaa kone mittasi aikaa omalla sisäisellä liikkeellään, täysin riippumatta auringosta, vedestä tai vuodenajasta.
Huygens ja heiluri
Lähes neljän vuosisadan ajan mekaaniset kellot pysyivät turhauttavan epätarkkoina, koska foliotilla ei ollut omaa luonnollista rytmiä — se heilahti niin nopeasti tai hitaasti kuin mekanismi sitä työnsi. Läpimurto tapahtui vuonna 1656, kun hollantilainen tiedemies Christiaan Huygens rakensi ensimmäisen käytännöllisen heilurikellon.
Huygens hyödynsi Galileon aiempaa havaintoa, että tietyn pituinen heiluri heilahtaa huomattavan vakiojaksolla riippumatta heilahduksen laajuudesta. Valjastamalla tämän luonnollisen säännöllisyyden kellon ajanmittauselementiksi Huygens muutti alaa lähes yhdessä yössä. Siinä missä parhaat mekaaniset kellot olivat erehtyneet monia minuutteja päivässä, hänen heilurikellonsa olivat pian tarkkoja noin viidentoista sekunnin sisällä — ja myöhemmät parannukset veivät virheen alle yhteen sekuntiin päivässä.
Harppaus oli huimaava: noin satakertainen parannus yhdellä iskulla. Heilurikellot pysyivät maailman tarkimpina ajanmittaajina seuraavat 270 vuotta, seisten observatorioissa ja määrittäen kansakuntien virallista aikaa.
Pituusasteongelma
Tarkat kellot eivät olleet pelkkä tieteellinen kuriositeetti; ne olivat avain aikakauden yhteen suureen käytännön haasteeseen — oman sijainnin löytämiseen merellä. Laivan leveysaste voitiin lukea auringon tai tähtien korkeudesta, mutta pituusasteelle ei ollut tällaista helppoa ratkaisua. Koska maapallo kääntyy 15 pituusastetta joka tunti, merimies, joka tiesi tarkan ajan kiinteässä vertailupisteessä ja vertasi sitä laivan paikalliseen keskipäivään, pystyi laskemaan, kuinka pitkälle itään tai länteen he olivat purjehtineet. Ongelma oli, ettei mikään kello pysynyt tarkkana keinuvalla, lämpötilanvaihtelulle ja suolasuihkeelle altistuneella laivalla. Heilurit olivat hyödyttömiä keinuvalla kannella.
Panokset olivat hengenvaaralliset. Laivat ajoivat karille ja omaisuudet upposivat vastauksen puutteessa, ja vuonna 1714 Britannian parlamentti tarjosi valtavan palkinnon luotettavasta ratkaisusta. Astu näyttämölle John Harrison, itseoppinut yorkshirelainen puuseppä ja kelloseppä, joka omisti elämänsä ongelmalle. Vuosikymmenten aikana hän rakensi sarjan merikronometrejä, huipentuen mestariteokseensa H4:ään, joka valmistui vuonna 1759. Kompakti ja jalokivimäinen, se käytti nopeasti lyövää tasapainopyörää, joka oli immuuni laivan liikkeelle. Vuoden 1761 matkalla Jamaikalle H4 menetti vain noin viisi sekuntia 81 päivän aikana — tarkkuus, joka vaikutti lähes ihmeelliseltä. Harrison oli ratkaissut pituusasteongelman ja teki siten mahdolliseksi seuraavien vuosisatojen luotettavan maailmanlaajuisen navigoinnin.
Kvartsi: Aika ilman vaihteita
Seuraava vallankumous hylkäsi mekaanisen liikkeen kokonaan. Vuonna 1927 insinöörit Warren Marrison ja J. W. Horton Bell Telephone Laboratoriesissa rakensivat ensimmäisen kvartsikellon. Kun sähkövirta johdetaan kvartsikiteen läpi, se värähtelee erittäin vakaalla taajuudella — ominaisuus nimeltä pietsosähköisyys. Laskemalla nämä värähtelyt elektronisesti kello pystyi pitämään aikaa ilman heiluvaa heiluria ja kuluvaa koneistoa.
Kvartsikellot ohittivat nopeasti hienoimmat heiluri-instrumentit, ja 1900-luvun puoliväliin mennessä niistä oli tullut uusi laboratoriostandardi. Niiden todellinen voitto oli kuitenkin miniatyrisointi. 1970-luvulle mennessä kvartsikoneistot olivat halpoja ja tarpeeksi pieniä mahtuakseen rannekelloon, tuoden ajanmittauksen, joka oli tarkempi kuin mikään 1800-luvun observatoriokello, tavallisten ihmisten ranteisiin. Kvartsikello ranteessasi tänään on suora jälkeläinen tuosta vuoden 1927 läpimurrosta.
Atomiaika
Jopa kvartsilla on rajansa, sillä kiteet vaihtelevat hieman lämpötilan ja ikääntymisen myötä. Lopullisen vertailukohdan täytyi tulla luonnosta itsestään — atomien muuttumattomasta käyttäytymisestä. Vuonna 1955 Louis Essen ja Jack Parry Yhdistyneen kuningaskunnan kansallisessa fysikaalisessa laboratoriossa rakensivat ensimmäisen tarkan cesium-atomikellon. Se mittasi aikaa cesium-133-atomien resonanssitaajuudella, jotka absorboivat ja lähettävät mikroaaltosäteilyä taajuudella, joka on niin johdonmukainen, että se on olennaisesti fysiikan lakien määräämä.
Atomikello oli niin paljon parempi kuin mikään sitä ennen, että se pakotti ajan uudelleenmäärittelyn. Vuosituhansien ajan sekunti oli määritelty maapallon pyörimisen perusteella — murto-osa päivästä. Mutta maapallo on hutera, vähitellen hidastuva ajanmittaaja. Joten vuonna 1967 kansainvälinen yhteisö määritteli virallisesti SI-sekunnin uudelleen täsmälleen 9 192 631 770:ksi cesium-133-atomin säteilyn värähtelyksi. Ensimmäistä kertaa ajan perusyksikkö irrotettiin taivaista ja ankkuroitiin atomiin.
Atomiajan tarkkuus muokkasi pian myös muita yksiköitä. Vuonna 1983 metri määriteltiin uudelleen matkaksi, jonka valo kulkee tyhjiössä 1/299 792 458 sekunnissa. Koska valonnopeutta käsitellään nyt luonnon kiinteänä vakiona, etäisyys itsessään määritellään ajan avulla. Tämä vakio on todella valtava — valo kulkee noin 1,08 miljardia km/h (Valon nopeus tyhjiössä mihin kilometriä tunnissa) eli noin 671 miljoonaa mph (Valon nopeus tyhjiössä mihin maili/tunti) — minkä vuoksi murto-osa yhdestä sekunnista riittää kattamaan kokonaisen metrin ja paljon muuta.
Tulevaisuus: Kellot maailmankaikkeuden ikää varten
Ajanmittaus ei pysähtynyt cesiumiin. Nykyajan eturintama kuuluu optisille hilakelloille, jotka vangitsevat tuhansia atomeja — usein strontiumia tai ytterbiumia — laservaloverkkoon ja lukevat niiden värähtelyjä optisilla eikä mikroaaltotaajuuksilla. Koska ne tikittävät satoja tuhansia kertoja nopeammin kuin cesium, niitä voidaan mitata huikealla tarkkuudella.
Parhaat näistä kelloista ovat niin vakaita, etteivät ne saavuttaisi eivätkä menettäisi yhtään sekuntia miljardeihin vuosiin — pidempään kuin maailmankaikkeuden nykyinen ikä. Tällainen tarkkuus ei ole turhaa esittelyä. Se on tarpeeksi tarkka havaitsemaan Einsteinin ennustaman ajan pienen hidastumisen, kun kello nostetaan vain muutaman senttimetrin korkeammalle maan painovoimassa, avaten oven kellojen käyttämiselle antureina geologiassa, navigoinnissa ja perusfysiikassa. Sekunnin tuleva uudelleenmäärittely, joka perustuu optiseen siirtymään cesiumin sijaan, on laajalti odotettavissa tulevina vuosina.
Varjosta aikavyöhykkeeseen
Obeliskin varjosta vangittujen atomien hilaan ajanmittauksen kaari on taipunut hellittämättä kohti tarkkuutta. Jokainen harppaus — koneisto, heiluri, kronometri, kvartsi, atomi — toi maailman tiukempaan synkroniaan. Tämä tarkkuus on näkymätön tukirakenne nykyaikaisen elämän alla: se koordinoi satelliitteja, leimaa rahoituskauppoja ja pitää internetin tahdissa mantereiden yli.
Se on myös jonkin sellaisen taustalla, jota käytät joka päivä. Hyvin järjestetyt aikavyöhykkeet, joiden avulla voit aikatauluttaa puhelun maapallon toiselle puolelle tai ehtiä lennolle maailman toiselle laidalle, ovat mahdollisia vain siksi, että voimme kaikki olla samaa mieltä, sekunnin murto-osan tarkkuudella, siitä mitä kello todella on.
Usein kysytyt kysymykset
Mikä oli ensimmäinen ajanmittaukseen käytetty laite?
Varhaisimmat ajanmittaajat perustuivat varjoon. Muinaiset egyptiläiset obeliskit, jotka pystytettiin jo noin 3500 eaa., heittivät liikkuvia varjoja, jotka jakoivat päivän, ja noin 1500 eaa. mennessä egyptiläiset käyttivät kannettavia varjokelloja. Nämä kehittyivät aurinkokelloksi, jota kreikkalaiset ja roomalaiset hioivat. Niiden rajoitus oli ilmeinen: ne toimivat vain päivänvalossa ja kirkkaalla taivaalla.
Kuka keksi heilurikellon?
Hollantilainen tiedemies Christiaan Huygens rakensi ensimmäisen käytännöllisen heilurikellon vuonna 1656, hyödyntäen Galileon havaintoa, että heiluri heilahtaa vakiolla jaksolla. Se paransi tarkkuutta noin satakertaisesti, monista minuuteista päivässä sekunteihin, ja heilurikellot pysyivät maailman tarkimpina ajanmittaajina yli 250 vuotta.
Miten kellot auttoivat merimiehiä löytämään sijaintinsa?
Koska maapallo pyörii 15 pituusastetta joka tunti, merimies, joka tietää tarkan ajan kiinteässä vertailupisteessä, voi verrata sitä laivan paikalliseen keskipäivään laskeakseen pituusasteen. John Harrisonin merikronometri H4, valmistunut vuonna 1759, piti ajan tarpeeksi tarkasti merellä ratkaistakseen tämän "pituusasteongelman", menettäen vain noin viisi sekuntia 81 päivän matkalla.
Miten sekunti määritellään nykyään?
Vuodesta 1967 lähtien SI-sekunti on määritelty täsmälleen 9 192 631 770:ksi cesium-133-atomin lähettämän säteilyn värähtelyksi. Tämä korvasi vanhemman maapallon pyörimiseen perustuneen määritelmän, joka oli liian epäsäännöllinen. Ensimmäisen tarkan cesium-atomikellon rakensivat Louis Essen ja Jack Parry vuonna 1955.
Mikä on koskaan tehty tarkin kello?
Tarkimmat kellot nykyään ovat optisia hilakelloja, jotka vangitsevat atomeja, kuten strontiumia tai ytterbiumia, laservaloon ja lukevat niiden optisen taajuuden värähtelyjä. Parhaat niistä ovat tarpeeksi vakaita, etteivät ne saavuta eivätkä menetä yhtään sekuntia miljardeihin vuosiin — pidempään kuin maailmankaikkeuden ikä.