En Duyarlı Atom Saati

Görünümleriyle, oturma odanızın duvarında ya da yatağınızın başucunda görmek isteyeceğiniz türden değiller.  Zaten fiyatları da evinizi değil herhalde mahalleyi satın alacak kadar olmalı. Ancak,  geri kaldıydı, ileri gittiydi derdi yok. Saatinizin Dünyamız ve Güneşimiz yokolduktan çok sonra dahi doğru zamanı göstereceğinden emin olabilirsiniz. Çünkü ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) tarafından geliştirilmiş olan iterbiyum (ytterbium) temelli iki atom saatinin “tıkları” arasındaki mutlak eşitliğin, evrenin bugünkü yaşı kadar (yaklaşık 14 milyar yıl) bir süre boyunca şaşmayacağı belirtiliyor.

Atom saatleri, en duyarlı zaman ölçme araçları. Atomların elektromanyetik alan ortamında titreşimiyle  ya da salınımıyla (temel enerji düzeyinden bir üst enerji düzeyine çıkıp geri dönüş) kalibre ediliyorlar. Genelde lazer ışınlarıyla yavaşlatılarak soğutulan atomlar, üzerlerine elektromanyetik tayfın mikrodalga ya da görünür ışık (lazerle) dalga boylarında “enerji aşısı” yapılarak daha üst enerji düzeylerine yükseltiliyorlar. Bu etki kesildiğinde atomlar bir mikrodalga fotonu yayınlayarak eski enerji düzeylerine geri dönüyorlar. Çok kez tekrarlanan kalibrasyon deneyleri sonunda uyarıcı elektromanyetik dalga frekansı le atomların salınım süreleri eşitleniyor ve bu frekansla sürekli olarak atomların salınım sürelerinde ortaya çıkabilecek küçük sapmalar belirlenebiliyor. Bu sapmaların değerine kadar küçük olursa atom saatinin “kararlılığı” yani duyarlık ölçüsü o derece yüksek oluyor. Kararlılık, atom saatinin (atomların salınım sürelerine göre ayarlanmış) bir “tık”ının süresiyle, öteki tık sürelerinin birbirine eşit olması demek.  Salınımları ölçülen atomların sayısı ne kadar çoksa, kalibrasyondaki duyarlılık ve saatin kararlılığı da o ölçüde artıyor..

Uluslararası standartlar kurumunca zaman ölçüsü olarak kabul edilmiş saniyenin standardı da bir sezyum 133 atomunun 9 milyar 192 milyon 631 bin 770 kez salınımı için geçen süreye karşılık geliyor. Uluslararası standart zaman da dünya üzerindeki 50 ayrı laboratuvarda bulunan 200 atom saatince ölçülen zamanın ortalaması alınarak belirleniyor.

Atom saatleri için belirlenmiş uluslararası kararlılık standardı, bir gün içinde saniyenin ancak milyarda biri kadar bir sapma. NIST araştırmacılarının Science dergisine yaptıkları açıklamaya göreyse, Enstitü’deki iki iteryum atom saatinin kararlılık derecesi, bir kentilyonda ikiden daha az (kentilyon  1000 katrilyona yani 1’in arkasına dizilmiş on sekiz sıfırdan oluşan sayı). Anlamı, bu saatlerin gerçek zamandan toplam bir saniye sapmaları için evrenin yaşı kadar zaman geçmesi gerekecek.

Bu kararlılık düzeyine erişmek için NIST’in iterbiyum saatleri,  10 mikrokelvin dereceye, yani mutlak sıfır derecenin (yaklaşık -273⁰ C) 1 derecenin 10 milyonda biri yakınına kadar soğutulmuş (ne kadar soğuk olurlarsa o kadar hareketsiz olurlar ve ölçümleri kolaylaşır) ve bir optik kafes (lazer ışığıyla oluşturulmuş  bir kuyu) içine hapsedilmiş 10 000 kadar iterbiyum atomunun  (ölçülen atom sayısı  ne kadar çok olursa saatin duyarlılığı o ölçüde artıyor) ölçümüne dayanıyor.  Başka bir lazerse saniyede 518 trilyon atım yaparak atomlarda iki enerji düzeyi arasında geçişleri tetikliyor.  İterbiyum saatlerinin kararlılığının sağladığı bir yarar da, atom salınım sürelerinin ortalamasını almak için gereken süreyi bir saniyeye kadar kısaltması. Bundan önceki en iyi saatte (NIST-F1 sezyum fıskiyesi saati) bu süre beş günü buluyordu.

Peki  zaman ölçümünde bu kadar duyarlılık neden bu kadar önemli? Günlük yaşamımızda “yuvarlamalara” alışık değil miyiz, saniyenin trilyonlarda birindeki hatalar neyi değiştirir ki? Elbette günlük yaşamımız için pek bir şey değiştirmiyor; ama bilim için bu duyarlılık çok önemli. Gerçek zamandaki bu ufacık sapmalar, örneğin çok büyük mesafelerin, uç büyüklükte ve küçüklükte değerlerin söz konusu olduğu kozmolojide önemli ölçülere tırmanıyor. Ayrıca kütleçekiminin mikrodüzeylerdeki etkisi, manyetik alanların, sıcaklık derecelerinin maddenin davranışı üzerindeki etkilerinin incelenmesinde de duyarlılık önemli.