Kiihtyvät aallot valottavat fysiikan suuria ongelmia

Taiteellinen näkemys aallosta, joka kohtaa eksponentiaalisesti kaarevan aika-avaruuden. Taiteellinen näkemys aallosta, joka kohtaa eksponentiaalisesti kaarevan aika-avaruuden. Kuva: Matias Koivurova

Tutkijat Tampereen yliopistossa ja Itä-Suomen yliopistossa ovat saavuttaneet virstanpylvään tutkimuksessa, jossa he johtivat uudenlaisen kiihtyviin aaltoihin soveltuvan aaltoyhtälön. Tutkijoiden kehittämä malli on osoittautunut odottamattoman hedelmälliseksi maaperäksi aaltomekaniikan tarkastelulle, jossa on suoria yhteyksiä kiihtyvien aaltojen, yleisen suhteellisuusteorian ja ajan suunnan eli eteenpäin kulkevan aikakäsityksen (the arrow of time) välillä.

Aina kun valo osuu aineeseen, valo näyttää hidastuvan. Tämä ei ole uusi havainto, ja standardiaaltomekaniikalla voi kuvata suurimman osan siihen liittyvistä arkisista ilmiöistä.

Esimerkiksi kun valo saapuu rajapinnalle, standardiaaltoyhtälö täyttyy pinnan molemmin puolin. Tällaisen ongelman analyyttiseksi ratkaisemiseksi etsitään ensin, miltä aalto näyttää eri puolilla, ja sitten käytetään sähkömagneettisia reunaehtoja yhdistämään nämä kaksi toisiinsa. Tätä kutsutaan paloittain jatkuvaksi ratkaisuksi.

Tulevan valon on kuitenkin koettava kiihtyvyys rajalla. Tähän mennessä asiaa ei kuitenkaan ole tarkasteltu tarkemmin.

– Löysin erittäin siistin tavan johtaa standardiaaltoyhtälö 1+1-ulottuvuuksissa. Tarvitsin ainoastaan oletuksen, että aallon nopeus on vakio. Sitten ajattelin itsekseni: entä jos se ei ole vakio koko ajan? Tämä osoittautui todella hyväksi kysymykseksi, sanoo yliopistotutkija Matias Koivurova Itä-Suomen yliopistosta tiedotteessa.

Olettamalla, että aallon nopeus voi vaihdella ajan myötä, tutkijat pystyivät kirjaamaan sen, mitä he kutsuvat kiihtyvän aallon yhtälöksi. Vaikka yhtälön kirjoittaminen oli yksinkertaista, sen ratkaiseminen oli toinen asia.

– Ratkaisussa ei tuntunut olevan mitään järkeä. Sitten minulle valkeni, että se käyttäytyy tavalla, joka muistuttaa relativistisia vaikutuksia, Koivurova kertoo.

Yhdessä Tampereen yliopiston apulaisprofessori Marco Ornigottin johtaman teoreettisen optiikan ja fotoniikan ryhmän kanssa tutkijat saivat lopulta tolkkua tilanteeseen. Odotetulla tavalla käyttäytyvien ratkaisujen saamiseksi tarvittiin vakio vertailunopeus – valon tyhjiönopeus. Koivurovan mukaan sen jälkeen kaikki alkoi käydä järkeen. Seuraavaksi tutkittiin formalismin yllättävän kauaskantoisia seurauksia.

Läpimurtotuloksessaan tutkijat osoittivat, että kiihtyvien aaltojen suhteen ajan suunta on hyvin määritelty; kyseessä on niin kutsuttu ajan nuoli. Kiihtyvän aallon yhtälö sallii nimittäin vain ratkaisut, joissa aika virtaa eteenpäin, mutta ei koskaan taaksepäin.

– Yleensä ajan suunta tulee termodynamiikasta, jossa kasvava entropia näyttää, mihin suuntaan aika liikkuu, Koivurova sanoo.

Jos ajan kulku kuitenkin kääntyisi, entropia alkaisi laskea, kunnes järjestelmä saavuttaisi alimman entropiatilansa. Silloin entropia olisi vapaa lisääntymään uudelleen.

Tämä on ero "makroskooppisen" ja "mikroskooppisen" aikanuolen välillä: vaikka entropia määrittelee suurten järjestelmien ajan suunnan yksiselitteisesti, mikään ei aseta yksittäisten hiukkasten ajan suuntaa.

– Silti odotamme yksittäisten hiukkasten käyttäytyvän ikään kuin niillä olisi kiinteä aikasuunta.

Koska kiihtyvän aallon yhtälö voidaan johtaa geometrisistä näkökohdista, se on yleinen ja ottaa huomioon kaiken aaltokäyttäytymisen maailmassa. Tämä puolestaan tarkoittaa, että ajan vakio suunta on myös melko yleinen luonnon ominaisuus.

Toinen mallin ominaisuus on, että sen avulla voidaan analyyttisesti mallintaa aaltoja, jotka ovat jatkuvia kaikkialla, jopa rajapintojen yli. Tällä puolestaan on joitakin merkittäviä vaikutuksia energian ja liikemäärän säilymiseen.

– Fysiikassa AbrahaminMinkowskin väittely on hyvin tunnettu. Siinä kiistellään siitä, mitä tapahtuu valon liikemäärälle, kun valo tulee väliaineeseen. Minkowskin mukaan vauhti kasvaa, kun taas Abrahamin mielestä se laskee, Ornigotti selittää.

On olemassa kokeellisia todisteita, jotka tukevat molempia osapuolia.

– Olemme osoittaneet, että aallon näkökulmasta sen liikemäärälle ei tapahdu mitään, eli aallon liikemäärä säilyy entisellään, Koivurova jatkaa.

Se, mikä mahdollistaa liikemäärän säilymisen, ovat relativistiset vaikutukset.

– Havaitsimme, että voimme antaa aallolle 'itseisajan', joka on täysin analoginen itseisajan kanssa yleisessä suhteellisuusteoriassa, Ornigotti sanoo.

Koska aallon kokema aika poikkeaa laboratorioajasta, tutkijat havaitsivat, että kiihtyvät aallot kokevat myös ajan laajentumisen ja pituuden supistumisen. Koivurova huomauttaa, että juuri pituussupistuminen saa näyttämään, että aallon liikemäärä ei säily väliaineen sisällä.

Kehitetty lähestymistapa vastaa standardiformulaatiota useimmissa ongelmissa, mutta sillä on tärkeä laajennus: ajallisesti vaihtelevat materiaalit. Ajallisesti vaihtelevan väliaineen sisällä valo kokee äkillisiä ja yhtenäisiä muutoksia materiaalin ominaisuuksissa. Tällaisten materiaalien sisällä olevat aallot eivät ole ratkaisuja vakioaaltoyhtälöön.

Kiihtyvän aallon yhtälö tulee mukaan kuvaan tässä. Sen avulla tutkijat voivat analyyttisesti mallintaa tilanteita, jotka olivat aiemmin vain numeerisesti saatavilla.

Sellainen on esimerkiksi eksoottinen hypoteettinen materiaali, jota kutsutaan epäjärjestyneeksi fotoniaikakiteeksi. Viimeaikaiset teoreettiset tutkimukset ovat osoittaneet, että mainitun materiaalin sisällä etenevä aalto hidastuu eksponentiaalisesti, mutta samalla sen energia kasvaa eksponentiaalisesti.

– Lähestymistapamme osoittaa, että havaittu muutos pulssin energiassa johtuu pulssin kokemasta kaarevasta aika-avaruudesta. Tällaisissa tapauksissa energiansäilymistä rikotaan paikallisesti, Ornigotti selittää.

Tutkimuksella on laajoja jokapäivisiä optisia vaikutuksia, mutta se vaikuttaa myös yleisen suhteellisuusteorian laboratoriokokeisiin. Samalla se selittää, miksi ajalla on ensisijaisesti tietty suunta. Tutkimus Time-variable media, relativity, and the arrow of time julkaistiin 19. lokakuuta Optica-lehdessä.

Aamuset-kaupunkimedia (AKM)

Henkilöauto ulos tieltä Liedossa, toinen ajokaista suljettuna Aurantiellä

Henkilöauto ajo ulos Liedossa Aurantiellä tiistaina aamupäivällä. Pelastus- ja tutkintatoimet ovat kesken.

VATT: Osa-aikatyötä tekevien työttömien määrä ei romahtanut suojaosien poiston jälkeen

VATT:n tutkijat kävivät läpi kansallisen tulorekisterin, Finanssivalvonnan ja Kelan tietoja, ja huomasivat, ettei osa-aikaisesti työtä tekevien työttömien määrä ole romahtanut työttömyysturvan ja asumistuen suojaosien poistamisen jälkeen. Data näyttää, että osa-aikatyötä tekevien määrä on edelleen selkeästi korkeampi kuin ennen suojaosien voimaantuloa vuonna 2014.

Rakennuksen vieressä paloi nuotio Kaarinassa, pelastuslaitos sammutti

Rakennuksen vieressä paloi maanantaina illalla Piispanristintiellä Kaarinassa nuotio, jonka pelastuslaitos sammutti.

Karhunaukion monitoimitalon liikennesuunnitelmat kaupunkiympäristölautakunnassa

Suunnittelualue punaisella ja monitoimitalon korttelit YO-1 -merkinnällä opaskartalla.

Kaupunkiympäristölautakunnan hyväksyttäväksi esitetään tiistaina suunnitelmat Karhukadun ja Itäkaaren osan uusista liikennejärjestelyistä Karhunaukion monitoimitalon saavutettavuuden varmistamiseksi sekä näihin liittyvät nopeusrajoitusmuutokset koko Huhkolan alueella että Pormestarinkadun alkuosalla.

Turun kaupunki tukee järjestöjä vuosittain lähes kymmenellä miljoonalla eurolla

Turun kaupungin avustusta voi hakea esimerkiksi hyvinvoinnin ja terveyden edistämiseen, kulttuurin ja liikuntamahdollisuuksien toteuttamiseen tai nuorten toimintaan.

Turun telakalla laskettiin neljännen Icon-aluksen köli

Icon 4 -aluksen köli laskettiin maanantaina Pernossa.

Meyer Turun telakalla juhlittiin maanantaina 8. syyskuuta neljännen Icon-sarjan risteilyaluksen kölinlaskua. Royal Caribbean -varustamolle rakennettava laiva, työnimeltään Icon 4, on edennyt rungonkoontivaiheeseen.

Kaupunginhallitus hyväksyi uudet johtoryhmät ja päätöksenteon menettelytapaohjeen

Kaupunginhallitus asetti kolme uutta yhteisvaikuttavaa johtoryhmää kahden vuoden toimikaudeksi. Jokaiseen johtoryhmään nimettiin viisi luottamushenkilöä. Ryhmissä työskentelee kaupungin johtoa ja asiantuntijoita.

Jyrsintä- ja päällystystyö sulkee ajokaistan Pernontiellä ja Ankkurikylänkadulla

Pernontiellä tehdään jyrsintä- ja päällystystyötä Heinikonkadun ja Gotlanninkadun välillä 9.–21. syyskuuta. Yksi ajokaista on pois käytöstä työmaan kohdalla.

Syyskesäinen lämpö jatkuu vielä alkuviikolla – sadevaroituksia osaan maata

Lämpötila on lähipäivinä suuressa osassa maata jopa kuusi astetta korkeampi kuin syyskuussa tyypillisesti tähän aikaan. Helleraja ylittyi tänään iltapäivällä Salossa.

Naapparit valtaavat Raision kirjaston

Raision Kirjastotalossa pidetään uuden kirjan Naapparit karkuteillä julkistamistilaisuus lauantaina 13. syyskuuta kello 11 alkaen. Koko perheen tapahtumassa on kaikenlaista puuhailtavaa perheen pienimmille.

Tupakankäry toi pelastuslaitoksen asunnon ovelle Ispoisissa

Naapurit havaitsivat maanantaina illalla jonkinlaista käryä asunnosta Rätiälänkadulla Ispoisissa ja soittivat hätäpuhelun, kun eivät saaneet ketään avaamaan ovea.

Pakina: Naapureita vältellen

Syksy on saapunut. Otan kolme askelta kotipihalla ja viima on värjännyt nenänpäästäni punaisen. Iltapäivällä hikoilen kuin pieni sika. Trenssitakki on liikaa, mutta pelkkä pitkähihainen aamulla auttamatta liian vähän.

Muiden rahoituslaitosten myöntämien kulutusluottojen keskikorot laskeneet

Uusia vakuudettomia kulutusluottoja nostettiin vuoden toisella neljänneksellä muista rahoituslaitoksista 67 miljoonan euron edestä, mikä on 40 prosenttia enemmän kuin vuosi sitten vastaavana aikana. Uusien vakuudettomien kulutusluottojen sovittu vuosikorko oli 8,03 prosenttia ja todellinen vuosikorko 12,52 prosenttia, kun vuosi sitten vastaavana aikana sovittu vuosikorko oli 8,71 prosenttia ja todellinen vuosikorko 13,50 prosenttia.

Korona- ja kausi-influenssarokotukset alkavat Varsinais-Suomessa syys–lokakuussa

Koronarokotukset alkavat Varsinais-Suomessa syyskuussa. Ne etenevät syksyn aikana THL:n määrittelemien kohderyhmien mukaisesti. Riskiryhmien influenssarokotukset alkavat loka–marraskuussa. Kaikki lisätiedot rokotuksista löytyvät verkkosivuilta varha.fi/influenssa ja varha.fi/korona.

Jari Paasikivi valittu Turun uudeksi joukkoliikennejohtajaksi

Jari Paasikivi.

Turun seudun joukkoliikennettä luotsaamaan valittiin diplomi-insinööri Jari Paasikivi . Paasikivellä on kokemusta joukkoliikenteen järjestämisestä ja kehittämisestä sekä kunnallisella että yksityisellä sektorilla. Tehtävän hakuaika päättyi 23. heinäkuuta.

Farmari-Volvo törmäsi pyöräilijään Länsikeskuksessa, poliisi pyytää ilmoittautumaan

Lounais-Suomen poliisi selvittää maanantaina 1. syyskuuta tapahtunutta liikenneonnettomuutta, jossa autoilija törmäsi suojatietä polkupyörällä ylittäneeseen poikaan Länsikeskuksessa.

Pukkilan korttelille LEED Platinum -sertifikaatti

Pukkilan vanhalle tehdasalueelle rakentunut viiden kerrostalon ja pysäköintihallin muodostama kokonaisuus on saanut LEED Platinum -ympäristösertifikaatin.

Pukkilan vanhalle tehdasalueelle kortteli 88:aan rakentunut viiden kerrostalon ja pysäköintihallin muodostama kokonaisuus on saanut LEED Platinum -ympäristösertifikaatin. Kohde on EU-taksonomian mukainen.

Hirvionnettomuudet lisääntyneet viime vuosina – eniten onnettomuuksia syyskuussa

Hirvionnettomuuksien määrä on kääntynyt kasvuun Suomessa. Viime vuonna sattui yli 1 600 hirvionnettomuutta, kun edellisvuonna niitä sattui noin 1 500. Etenkin syys-lokakuussa autoilijoiden on syytä olla valppaana, kun hirvet ovat aktiivisimmillaan ja keliolosuhteet muuttuvat haastavammiksi.

Urheilu

Turkulaiset salibandyjoukkueet uuden edessä

TPS:n ja FBC Loiston keskinäisestä taistosta on lupa odottaa entistä tasaisempaa. Kauden ensimmäistä derbyä joudutaan odottamaan lokakuun alkuun.

TPS ja Loisto lähtevät F-liigan kauteen muuttuneessa tilanteessa

TPS:n Mika Suoraniemi luottaa kauden kynnyksellä ympärillään oleviin

Mika Suoraniemi on toiminut TPS:ssä muun muassa pelaajana, juniorivalmentajana, pelaajatarkkailijana ja nyt urheilutoimenjohtajana.

Liiga-kausi käynnistyy huomenna 9. syyskuuta, kun kiekko putoaa Hämeenlinnassa jäähän HPK–TPS-ottelun alkamisen merkiksi. Myös pitkän päivätyön TPS:ssä eri rooleissa tehneelle Mika Suoraniemelle uusi kausi on uuden alku. Alkava kausi on Suoraniemen ensimmäinen TPS:n urheilutoimenjohtajana.

Otteluanalyysi: Onni Helén ja Elmer Vauhkonen sulattivat EIF:n puolustuksen

Onni Helén iski kaksi maalia.

TPS pudotti EIF:n kyydistä toisen puoliajan alussa ja eteni 4–0-voittoon jalkapalloilun Ykkösliigan ottelussa Kupittaalla. TPS vankisti asemaansa sarjan kärjessä. FC Lahti, joka on pelannut ottelun vähemmän, vaanii kuitenkin kolmen pisteen päässä.

Jussi Niska jatkaa Interin väreissä

Jussi Niska.

FC Inter on käyttänyt Jussi Niskan viime kaudella solmitussa jatkosopimuksessa olleen optiovuoden, jonka myötä Niska nähdään turkulaisten riveissä myös kaudella 2026.

Otteluanalyysi: Pikkuhuuhkajat aloitti karsinnat vakuuttavasti

Mika Lehkosuon valmentamat pikkuhuuhkajat aloittivat EM-paikan metsästyksen odotetulla voitolla.

Suomen alle 21-vuotiaiden jalkapallomaajoukkue aloitti EM-karsinnat odotetulla voitolla San Marinosta, kun karsinnat Kupittaalla torstaina alkoivat. Pikkuhuuhkajilla oli ennen karsintojen alkua vain kolme harjoitusta alla, mutta se ei ottelussa pahemmin näkynyt. Toki San Marino ei myöskään ollut merkittävä mittari joukkueen todellisesta iskukyvystä. Isompia haasteita Mika Lehkosuon valmennettaville on luvassa myöhemmin syksyn aikana, muun muassa marraskuussa, kun Suomi saa Kupittaalla Romanian vieraakseen.

Interin Eero Vuorjoki pikkuhuuhkajiin

Eero Vuorjoki.

Interin maalivahti Eero Vuorjoki on nimetty Suomen alle 21-vuotiaiden jalkapallomaajoukkueen kokoonpanoon. Pikkuhuuhkajat aloittaa matkansa kohti kesän 2027 EM-kisoja syyskuussa. Suomi kohtaa 4. syyskuuta Kupittaalla San Marinon kello 17 alkavassa ottelussa. 9. syyskuuta on edessä vierasottelu Kyprosta vastaan.