Valon ja varjon vaihtelu helpottaa ympäröivän maailman hahmottamista – tai oikeastaan tekee sen ylipäätään mahdolliseksi. Jos katselee vaikkapa korkealta kukkulalta notkelmassa kasvavaa tiheää metsää siten, että aurinko paistaa suoraan selän takaa, puustosta on vaikea erottaa yksityiskohtia: tummat varjot jäävät auringon valaisemien puiden taakse piiloon. Varjot ovat tosiaan aina tummia, mutta ne eivät aina ole samanvärisiä.

Jos kävelee kuutamoiltana lumisella tiellä, jota valaisevat harvakseltaan sijaitsevat katulamput, lankeaa maahan kaksi varjoa. Toinen niistä on kellertävä ja toinen sinertävä. Värieron syynä on se, että Kuun valon langettamaa varjoa valaisee keltainen katulamppu. Katuvalojen luomia varjoja puolestaan valaisee Kuusta heijastunut auringonvalo. Se ei ole sinistä vaan valkoista, mutta silmä tulkitsee kontrastin takia näkemänsä sinertäväksi, ja maassa näkyy kaksi selvästi eriväristä varjoa.

Päiväsaikaan auringon synnyttämät varjot sen sijaan ovat todellisuudessakin sinisiä. Mistä niitä valaisevat vähäisempi valo on peräisin? Siniseltä taivaalta. Kun auringosta tuleva valkoinen, kaikista eri väreistä koostuva valo etenee Maan ilmakehässä, sinisen valon kulkusuunta muuttuu eniten, punaisen vähiten. Sinistä valoa leviää ympäri taivasta ja siksi sinitaivas on todellakin sininen. Samasta syystä nouseva ja laskeva aurinko on punainen: suuri osa sinisestä valosta on sironnut taivaalle.

Aurinkoisena päivänä varjot eivät välttämättä näytä sinisiltä, sillä valon ja varjon kirkkausero on niin suuri, että silmä ei erota sinistä väriä. Sinisten varjojen näkeminen on helpompaa lumen peittämässä talvimaisemassa ja erityisesti auringon ollessa matalalla – mikä Suomessa on sydäntalven päivinä vallitseva tilanne. Paitsi että yleensä aurinko on pilvien takana…

Jos aurinko kuitenkin sattuu paistamaan matalalta talviselta taivaalta, valo lankeaa maanpintaan hyvin viistossa kulmassa. Silloin lumi ei hohda yhtä kirkkaasti kuin keskellä aurinkoista kevättalven päivää. Matalalla olevan auringon valon väri on lisäksi hieman punertunutta, mikä entisestään lisää valon ja varjon kontrastia. Kun silloin tarkastelee hangen pinnalle heittyviä pitkiä varjoja, ne ovat voimakkaan sinisiä, lähes yhtä sinisiä kuin yllä kaartuva sininen taivas.

Aalto-yliopiston ja VTT:n tutkijat onnistuivat luomaan tyhjön kohinan virtuaalihiukkasista todellisia hiukkasia, kokeellisesti havaittavissa olevia fotoneita. Tyhjöllä näyttää olevan ominaisuuksia, joita ei ole aiemmin havaittu.

Kvanttimekaniikan lakien mukaisesti tyhjiö on kaikkea muuta kuin tyhjä: siellä on eräänlaista kohinaa, joka voidaan tulkita kvanttimekaniikan epätarkkuusperiaatteen mukaisesti energiaksi. Tässä tyhjiön kohinassa on hetkessä syntyvien ja kuolevien hiukkasten virtuaalisia pareja, jotka voidaan muuttaa havaittaviksi valohiukkasiksi.

PNAS-tiedelehdessä juuri julkaistussa artikkelissa Aallon ja VTT:n tutkijat kuvataan, miten hiukkaset saavaan ilmestymään tyhjästä peilikokeen avulla. Muuttamalla tyhjiössä olevan peilin paikkaa nopeasti, virtuaalihiukkaset saadaan muutettua todellisiksi, kokeellisesti havaittaviksi fotoneiksi.

"Jos toimimme riittävän nopeasti, voimme estää virtuaalihiukkasia yhdistymästä. Tällöin ne muuttuvat todellisiksi hiukkasiksi, jotka voidaan havaita", sanoo tohtori Sorin Paraoanu Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulusta.

Kokeessa tutkijat käyttivät suprajohtavien kvantti-interferenssilaitteiden (SQUID) ketjua. Nämä osat muistuttavat aivojen pienten magneettikenttien kuvantamiseen käytettäviä laitteita. Muuttamalla niiden läpi kulkevaa magneettikenttää, voidaan laitteen läpi kulkevan valon nopeutta muuttaa. Tyhjiön sähkömagneettisen kentän näkökulmasta katsottuna tällaisesta laitteesta heijastuva säteily näkee liikkuvan peilin.

"Vaihtelemalla nopeasti ketjun valon nopeutta voimme synnyttää mikroaaltofotoneja tyhjiön kvanttikohinasta", selittää tohtorikoulutettava Pasi Lähteenmäki.

Kvanttifysiikan ja -mekaniikan tutkimuksen tulevia kehitysnäkymiä ovat muun muassa keinotekoisen tapahtumahorisontin tuottaminen ja siitä lähtevän Hawkingin säteilyn havaitseminen suprajohtavissa piireissä. Nyt tehty havainto auttaa kosmologeja pääsemään hieman lähemmäs maailmankaikkeuden synnyn saloja ja edistää äärimmäisen tehokkaiden kvanttitietokoneiden kehittämistä.

Juttu perustuu Aalto-yliopiston tiedotteeseen.