Zamanın Mutlaklığı: Atom Saati ve Hassasiyetteki Son Nokta

Fizikte zaman nedir?

Öncelikle bu soruyu ele alarak başlayalım. Fizikte zaman, olayların ve süreçlerin sıralanabilmesi için kullanılan bir ölçüttür. Zaman, belli bir başlangıç noktasından itibaren geçen süreyi ifade eder. Farklı disiplinlerde farklı anlamlara sahip olabilir, ancak fizikte zaman, bir olayın gerçekleştiği anlardan birini ifade eder. Fiziksel olaylar, belirli bir zaman dilimi içinde gerçekleşir ve zaman, bu olayların ölçülmesinde kullanılır.

Peki ya zamanı ileri veya geri yönlendirmek mümkün mü?

Zaman kavramının ileri veya geri yönde ilerleyebilmesi, genellikle fiziksel olayların doğasına bağlıdır. Örneğin, termodinamikte, bir sistemin entropisi zamanla artar ve sistemin geçmişi ile geleceği arasında bir fark vardır. Buna karşılık, bazı teorik fiziksel modellerde, zaman değişmez bir süreklilik olarak kabul edilir ve geriye doğru zaman akışı mümkün değildir.^[1]

Zamanın ne olduğunu az çok anladığımıza göre sıra atom saatlerinde.

İlk olarak şu soruyla başlayalım: Atom saati nedir ve neden gerekli?

Zamanın ölçümünde hassasiyet son derece önemlidir. Küresel iletişimi koordine etmekten finansal işlemleri senkronize etmeye kadar, modern yaşamın birçok yönü doğru zamanın ölçülmesine dayanır. Bu hassasiyetin merkezinde ise atom saatleri yer alır. Bilimsel bir dehanın eseri olan bu cihaz, zamanı eşi görülmemiş bir hassasiyetle izleme yeteneğimizi devrim niteliğinde değiştirmiştir.^[2]

Peki atom saatleri nasıl çalışır?

Atom saatindeki salınım veya osilasyon, atomun çekirdeği ve elektronları arasında gerçekleşir. Çekirdek ve elektronlar arasında geçen zamanın izini sürmek için salınımları kullanırlar. Atomdaki salınım frekansı, çekirdeğin kütlesi ve ağırlığına ve çekirdekteki pozitif yük ve onu çevreleyen elektron bulutu arasındaki elektrostatik yaya bağlıdır. Atomik bir saatte, atomların doğal salınımları dedelerimizin köstekli saatlerindeki sarkaç gibi davranır. Bununla birlikte, atomik salınımların çok daha yüksek bir frekansı olduğu ve çok daha kararlı oldukları için, atomik saatler konvansiyonel saatlerden çok daha hassastır. Birçok farklı atom saati türü bulunur; ancak genellikle aynı temel çalışma prensibini kullanırlar.

Daha detaylı ve derinlemesine girersek sezyum atomlarının atom saati için kullanışlı bir hale getirilmesi süreci genel olarak şöyledir;

Bir grup atom sağ, sol, ön, arka, yukarı ve aşağı bölgelerine yerleştirilen altı adet lazer tarafından oluşturulan optikal kapanda lazer ışığına maruz bırakılırlar. Lazer ışınlarının momentumundan dolayı atomlar birbirine sıkıca yaklaşır ve bundan dolayı neredeyse hiçbiri titreşim yapamaz. Bu durumda atomların sıcaklıkları mutlak sıfıra (-273.15 ⁰C) ulaşır. Çünkü sıcaklığın sebebi olan titreşim hareketi artık yoktur. Bu işlemden sonra atomlar üst ve alt lazerlerin yardımıyla oluşturulan mikrodalga çemberinde aşağı-yukarı yönlü hareket ederler. Bu işlem sonunda atomlar belli bir enerji seviyesine ulaşmış olurlar. Buradan sezyum atomları ısıtılıp gaz haline geçirilir ve yüksek vakum gücüne sahip bir tüpe aktarılırlar. Burada atomlar istenilen enerji durumundaki atomları ayrıştıracak bir manyetik alan temelli bir sistem ile ayrıştırılırlar. Bir sonraki adımda ise atomların doğru frekanstaki bir mikrodalga ile uyarıldığında enerji seviyesinin değişmesi ilkesi temel alınarak tam olarak 9.192.631.770 Hertz frekansı dışında salınım yapan tüm atomların enerji seviyelerini değiştiren yoğun mikrodalga ışınlarının olduğu bir sisteme geçerler. Tüpün en sonunda ise enerji seviyeleri değiştirilmiş bütün atomları ayıklayan bir başka manyetik alan vardır. Tüpün en sonundaki bir dedektör ise atomların titreşim frekanslarının hangi aralıkta olduğuna dair bir çıktı verir. Bu verilerden yola çıkılarak bir kristal osilatörün 9.192.631.770 Hertz frekansında olmayan atomları belirlemesiyle manyetik alanda küçük değişiklikler yapılarak 9.192.631.770 Hertz frekansındaki atomlar elde edilir. Uluslararası SI birim sisteminde sezyum 133 atomunun 9.192.631.770 kez titreşim üretme süresi 1 saniye olarak kabul edilir. Bundan dolayı her 9.192.631.770 titreşimde bir saniye geçtiğine dair sinyal verilir.^[3]

Atom Saatleri Nerelerde Kullanılır?

Atom saatlerinin etkisi laboratuvarın sınırlarının ötesine uzanır. Küresel konumlandırma sistemlerinin senkronizasyonundan temel fizik deneylerinde hassas ölçümlerin yapılmasına kadar, atom saatleri geniş bir uygulama yelpazesinde kritik bir rol oynarlar.

Finans alanında, atom saatleri işlem zaman damgaları sağlayarak milisaniyeler içinde gerçekleştirilen işlemleri kolaylaştırır. Ayrıca, atom saatleri modern telekomünikasyon ağlarının omurgasını oluşturarak, veri iletiminin çok büyük mesafelere eşsiz bir hassasiyetle senkronize edilmesini sağlar.^[2]

Atom saati ilk kez kim tarafından geliştirildi?

Zamanı ölçmek için atomlardan yararlanma fikri, ilk olarak 1800’lerin sonlarında Lord Kelvin ve James Clerk Maxwell tarafından ileri sürülmüştü. Isidor Rabi, elektronlar ile atom çekirdeği arasındaki manyetik etkileşimlerden yararlanılarak atom saatinin geliştirilebileceğini ortaya koydu. İlk atom saati ise 1949 yılında Harold Lyons tarafından geliştirildi.^[4]

Son olarak atom saati hakkında kendi düşüncelerimle bir özet yapmak isterim;

Modern hayatımızın birçok alanında, zaman hassasiyetinin zirvesinde olan atom saatlerini kullanırız. Bu hassas ölçümü yapmak için sabit bir frekansta salınan atomların titreşimleri ölçülür ve bu işlemde lazerler kullanılır. Atom saatleri; askeriye, televizyon yayınlarında dalga frekanslarının ayarlanması, GPS gibi küresel navigasyon uydu sistemlerinde ve birçok alanda kullanılır.