AURINGOSTA ATOMIKELLOON Yleensä puhutaan erikseen ajanmittauksesta ja ajanlaskusta. Ajanmittaus käsittää tunnit ja lyhyemmät ajan osaset, joiden mittaamiseen tarvitaan mekaanisia laitteita. Ajanlasku taas tarkoittaa päivien, kuukausien ja vuosien laskemista. Sen tuotteita ovat kalenterit, joista voimme seurata näiden ajanjaksojen kulkua. Ajanmittaus perustuu jonkin säännöllisen ilmiön havainnoimiseen. Tähtitaivaan ilmiöt ovat kautta ihmiskunnan historian muodostaneet luonnollisen kellon, jonka avulla on voitu ajoittaa niin päivän askareet kuin vuotuiset juhlatkin. Lyhyiden ajanjaksojen mittaaminen auringon ja kuun avulla on kuitenkin hankalaa, joten ajanmittauksen kehittymisen edellytys oli muiden mahdollisimman säännöllisesti toistuvien ilmiöiden löytyminen. ajan virtaa Maahan pystytetty tikku oli yksi varhaisimpia tapoja seurata ajan kulkua. Seuraamalla tikun heittämän varjon liikettä oli mahdollista määritellä melko tarkasti, miten suuri osa päivästä oli kulunut ja miten paljon työtä oli jäljellä ennen pimeää. Ideasta kehittyi aurinkokello, jonka avulla oli mahdollista seurata varjon etenemistä kahteentoista sektoriin eli tuntiin jaetulla asteikolla. Tunti ei kuitenkaan ollut vakioyksikkö. Riippumatta vuodenajasta, päivä jaettiin aina 12 tuntiin, joten kesällä tunnit olivat pidempiä kuin talvella. Ainakin assyrialaiset, babylonialaiset ja egyptiläiset käyttivät sopivien kappaleiden varjoa ajan mittaamiseen. Tällaiseksi ajanmittaamisen välineeksi kävi esimerkiksi torni, pylväs, obeliski, korkea rakennus tai vuorenhuippu. Tiedettiin, että 1
kappaleen varjo oli pisin aamulla, lyhyempi päivällä ja piteni taas illalla auringon laskiessa länteen. Aurinkokellojen lisäksi ajan kulumista voitiin seurata vesikelloista, jotka mittasivat aikaa myös pilvisellä säällä ja yöllä. Vanhimmat vesikellomallit ovat peräisin Egyptistä noin 3400 vuoden takaa. Ensimmäiset vesikellot olivat yksinkertaisia: vedellä täytettyyn maljaan oli tehty pieni aukko, josta vesi virtasi tipoittain ulos. Vedenpinnan korkeuden muutos ilmaisi ajan kulumista. Aurinkokellon ja vesikellon lisäksi ajanmittaukseen kehitettiin muitakin välineitä. Hiekkakellot keksittiin lasinvalmistustaidon myötä noin 1500 eaa. Tiimalasit olivat hämmästyttävän täsmällisiä. Niiden ympärille syntyi kokonainen tieteenala, joka tutki muun muassa eri hiekkalajien ominaisuuksia. Veden ja hiekan lisäksi myös tulta käytettiin ajan mittaamiseen. Kiinassa ja Japanissa käytettiin suitsukkeita, jotka paloivat hyvin tasaisesti. Joissain suitsutuskelloissa tuoksu vaihtui tietyssä kohtaa, jolloin tarkkanenäiset saattoivat haistaa kellonajan. Öljykello puolestaan oli öljylamppu, jossa öljyn palaminen kesti tietyn ajan. Öljysäiliön kyljessä oli tuntiasteikko, josta ajan kulkua seurattiin. Kynttiläkellon kyljessä oli myös asteikko. Kynttilän vahaan saatettiin lisäksi valaa metallikuulia, jotka putosivat kynttilän palaessa metallilautaselle ja äänellään kertoivat ajan kulumisesta. Kynttiläkelloja käytettiin jo 600-luvulla. Tiimalasi mittaa aikaa hiekan virtaamisen avulla. Suomen Kellomuseo Osiin paloiteltu aika Aurinkokello ei toiminut yöllä eikä pilvisellä säällä, ja tiimalasi sekä vesikello vaativat jatkuvaa seurantaa. Koska varhaisimmat ajanmittauksen välineet eivät aina olleet luotettavia, niiden rinnalle etsittiin uusia tapoja seurata ajan kulumista. Ensimmäiset mekaaniset kellot rakennettiin viimeistään 1200-luvulla. Arabit ovat saattaneet valmistaa mekaanisia kelloja jo 700-luvulla, mutta varmuutta tästä ei ole. Toisen tarinan mukaan munkki nimeltä Gerbert suunnitteli ja rakensi ensimmäisen mekaanisen kellon vuonna 995 saksalaisessa luostarissa. Hänestä tuli myöhemmin paavi Sylvester II. Paavien taustalle haluttiin aina liittää merkittäviä urotekoja, joten tarinan todenperäisyyttä on epäilty. Mekaaniset kellot ovat kuitenkin saattaneet saada alkunsa juuri luostareissa, sillä luostarielämä 2
säännöllisine jumalanpalveluksineen ja rukoushetkineen helpottui aikaisempaa luotettavampien ajannäyttäjien myötä. Keskiajan kuluessa sekä luostareissa että kaupungeissa ajanmittauksen ja kellojen tarve lisääntyi, mutta suurimmalle osalle ihmisistä tuntien tarkka mittaaminen ei vielä pitkään aikaan ollut tarpeellista. Peltoa kyntäneelle talonpojalle riitti hyvin, että silmäämällä aurinkoa sai tietää milloin työt sopi lopettaa. Suuri muutos oli, että mekaaniset kellot rekisteröivät ajan pieninä askelina, mikä oli seurausta säätäjän keksimisestä. Se muutti kellon jatkuvan liikkeen jaksoittaiseksi. Toisin oli tiimalasissa, jossa ajan kuluminen näkyi soljuvana virtana. Varhaisissa kelloissa säätäjänä toimi aluksi heilahduspalkki ja myöhemmin heiluri. Aika siis pilkottiin pieniin yksiköihin, mikä vaikutti ajattelutapaan. Aika hahmotettiin annoksina, ei enää virtana tai toistuvina sykleinä. Parhaiden kellojen käyntipoikkeama oli neljännestunti vuorokaudessa, mutta kello, joka heitti tunnilla vuorokaudessa, ei ollut mitenkään poikkeuksellinen. laivat kartalle, junat aikatauluun Kellon keksimisestä lähtien kellosepät ja tiedemiehet ovat pyrkineet kohti entistä tarkempaa ajanmittausta. Kelloseppien tekemät keksinnöt ovat jatkuvasti parantaneet kellojen tarkkuutta. 1700-luvulla tarkkaa kelloa tarvittiin purjehtimiseen. Kyseinen vuosisata oli tutkimusmatkojen aikaa, jolloin kartoitettiin suuria alueita eri puolilla maailmaa. Laivaliikenne lisääntyi, kun siirtomaavallat laivasivat tuotteita alusmaistaan. Aikaisemmin tarkka paikanmääritys oli ollut laivoille lähes mahdoton tehtävä. Leveysaste määriteltiin auringon sijainnista, mutta pituusastetta ei voitu ilman kiintopisteitä määrittää. Pituusaste selvisi kun laskettiin ero laivan paikallisajan ja viimeisen lähtösataman ajan välillä. Tehtävään tarvittiin erityisen tarkkaa kelloa, muutoin laivan sijainti saattoi heittää useilla kilometreillä. Englantilainen John Harrison (1693 1776) kehitti kronometriksi kutsutun kellon, jonka avulla pituusasteen määrittäminen onnistui helposti. Merikronometria käytettiin laivojen sijainnin määrit- Kellon koneisto hammaspyörineen. Suomen Kellomuseo, Ulla Paakkunainen 3
telyssä lähes 200 vuotta, minkä jälkeen sen tilalle tulivat ensin radio ja sitten satelliittipaikantimet. Aina 1800-luvun loppupuolelle saakka jokainen paikkakunta eli vielä omaa paikallisaikaansa, joka saatiin auringosta keskipäivän hetken mukaan. Yhteisen ajan tarve kasvoi rautatieliikenteen myötä. Esimerkiksi vuonna 1870 Yhdysvaltojen halki matkustaessa piti kelloa siirtää 200 kertaa. Kanadalainen rautatieinsinööri Sandford Fleming (1827 1915) ehdotti maapallon jakamista 24 aikavyöhykkeeseen ja jako tehtiin vuonna 1884. Suomessa ensimmäinen rautatieyhteys avattiin Helsingistä Hämeenlinnaan vuonna 1862. Rautatien myötä Helsingin paikallisaika levisi vähitellen muillekin paikkakunnille. Virallisesti koko maassa siirryttiin paikallisajoista yhteiseen aikaan vasta vuonna 1921, jolloin Suomessa otettiin käyttöön Itä-Euroopan vyöhykeaika. Tuolloin kelloja siirrettiin vappuyönä eteenpäin 20 minuuttia ja 10,9 sekuntia. Viimeisen sekunnin metsästys Mekaanista kelloa kehitettiin tarkemmaksi ja tarkemmaksi vuosisatojen mittaan. Todellinen harppaus kellojen tarkkuudessa tapahtui, kun keksittiin kvartsikellot. Kvartsikellojen käyntiä säätelevät kvartsikiteet. Sähköjännitteen avulla kide saadaan värähtelemään sille ominaisella vakiotaajuudella. 1970-luvun puolivälissä muotiin tulivat digitaalinäytöt. Kvartsikellojakin tarkempi atomikello keksittiin 1940-luvulla. Atomikellojen kehittyessä yhä tarkemmiksi luovuttiin myös sekunnin määrittelystä tähtitieteen avulla. Vuonna 1967 sekunti määritettiin cesiumatomin värähtelyn avulla niin, että yksi sekunti on 9 192 631 770 cesiumatomin tietyssä energiatilan muutoksessa syntyvän säteilyn värähtelyjaksoa. Siinä missä ensimmäiset kellot saattoivat heittää päivässä useita tunteja, tekevät nykyiset atomikellot kolmessa miljardissa vuodessa vain yhden sekunnin virheen. Atomikellon tarkkuutta ei ehkä tarvitse arkielämässä, mutta fyysikot tarvitsevat äärimmäistä mittaustarkkuutta tutkimuksissaan. Aika jaksottaa länsimaisen ihmisen päivää tarkemmin ja tiukemmin kuin koskaan ennen. Eri puolilla maailmaa useat atomikellot mittaavat cesiumatomien värähtelyä ja pitävät virallista aikaa 4
yhtenäisenä. Tämä on niin sanottua koordinoitua yleisaikaa (UTC, Coordinated Universal Time). Ajan mittaamiseen etsitään myös koko ajan yhä tarkempia menetelmiä. Koordinoitu yleisaika poikkeaa hieman Maan kiertokulkuun perustuvasta ajasta, sillä Maan kierto hidastuu koko ajan Kuun ja Maan keskinäisen vetovoiman johdosta. Hidastumisen aiheuttamaa virhettä korjataan lisäämällä karkaussekunti koordinoituun yleisaikaan aina tarvittaessa. Hidastuminen ei ole vakionopeuksista, joten karkaussekuntejakaan ei käytetä säännöllisesti. Fyysikoiden käyttämillä laitteilla voi mitata häviävän pieniä ajanjaksoja. Pienimmät tiedemiehillä käytössä olevat aikayksiköt ovat niin pieniä, ettei niillä ole useimmille ihmisille kuin korkeintaan teoreettista merkitystä. Fysiikassa yksi sekunti on pitkä aika. Kvartsikelloa edeltänyt äänirautakello mittasi aikaa ääniraudan värähtelystä. Suomen Kellomuseo, Ulla Paakkunainen 5