Dünyanın İlk Nükleer Saati Sonunda Çalışıyor!

Zamanı ölçmek için sabit bir ritme ihtiyaç duyulur. Güneş ve ayın düzenli hareketleri asırlar boyunca Dünya'daki yaşamın hızını belirlemiştir. Ancak binlerce yıldır insanlar, bir sarkaç salınımı veya suyun aktığı ve tütsünün yandığı süreler gibi daha kontrol edilebilir ve kesin yöntemler aramış ve bulmuştur. Günümüzdeyse çoğu elektrikli saat veya kol saati kuvars kristallerinin sabit titreşimlerini ölçer.

Ancak en iyi kalp pilleri bile bir süre sonra senkrondan sapmaya başlar; evrendeki sinsi kaos, sonunda herhangi bir zaman tutma sisteminin düzenini bozar. Örneğin, bir aylık değişen sıcaklıklar ve hareketler, bir kuvars saati 15 saniye saptırmaya yetebilir. Bu nedenle sabit bir "tik tak" arayışında olan bilim insanları, atomların minik ölçeklerinin ve değişmeyen fiziksel özelliklerinin zamanın daha küçük, daha kararlı aralıklara bölünmesine izin verdiği atom dünyasına odaklanmıştır. Günümüzde resmi uluslararası saatleri belirleyen atom saatleri şaşırtıcı derecede sağlamdır ve her 100 milyon yılda yalnızca yaklaşık bir saniye geri kalırlar!

Fizikçiler onlarca yıldır, bir atomun dış elektron kabuklarının ötesine ve çekirdeğindeki çok daha küçük, daha sıkı sarılmış atom çekirdeğine doğru daha da yakınlaşarak saati kirleten gürültüden kaçmaya çalışıyorlardı. Boulder, Colorado'da uluslararası bir ekip tarafından yaratılan ve Nature'da yayınlanan bir makalede ayrıntılı olarak anlatılan dünyanın ilk nükleer saati, henüz en iyi atomik ortağından daha doğru olmasa da teknolojisiyle yakında hassas zaman tutma kayıtlarını paramparça edebilir, GPS ve derin uzay navigasyonunu büyük ölçüde iyileştirebilir!

Bir atomun çekirdeğinde böylesine keskin ölçümler yapmak, fizikçilere fiziksel dünyanın engin, keşfedilmemiş alanlarına erişim sağlayabilir. Almanya, Heidelberg'deki Max Planck Nükleer Fizik Enstitüsü'nde fizikçi olan ve yeni araştırmaya dahil olmayan ancak Nature dergisinin aynı sayısında yayınlanan bir makalenin ortak yazarı olan José R. Crespo López-Urrutia, "Bu, doğanın temel yasalarına bakmak için gerçekten yeni bir pencere açacak." diyor.^[1]

Atom saatleri ve nükleer saatler temelde aynı prensiple çalışır. Atomlar, tam doğru vuruşu yapan fotonlarla, yani çok belirli bir enerji seviyesinde veya frekansta ışık dalgalarıyla karşılaştıklarında "uyarılabilir". Hangi küçük frekans aralığının işe yarayacağı hedeflenen atomun türüne bağlıdır, ancak belirli bir elementin tüm atomları için aynı bu değer aynıdır. Crespo López-Urrutia bunu şöyle açıklıyor:

Bir sezyum atomu veya bir sodyum atomu evrenin her yerinde aynıdır veya en azından şimdilik böyle olduğunu düşünüyoruz.

1940'larda bilim insanları bu kozmik sabitliğin, diğer fiziksel saatlerle ilişkilendirilen kaotik gürültü olmadan zamanı ölçmek için kullanılabileceğini fark ettiler. Fotonlar dalgalar halinde hareket eder ve frekansları, saniyede belirli bir noktadan kaç dalga döngüsünün geçtiğinin bir ölçüsüdür. Yani bilinen, sabit bir frekansa sahip bir lazer ışınını zamanın geçişini belirlemek için dalgalarını sayarak bir saate dönüştürebilirsiniz. Bilim insanları için bunu yapmanın en iyi yolu, ışının tam frekansını sabit bir zaman ölçümü olarak kullanarak ve onu ultra hassas bir lazerle vurarak bir atomu uyarmaktır.

İlk atom saati 1949'da inşa edildiğinden beri, bu süreç daha da karmaşık hale gelmişti. Dünyanın en hassas ve doğru atom saati olan Boulder'da bulunan JILA (Astrofizik Laboratuvarı Ortak Enstitüsü)'daki ultra soğuk stronsiyum saati, bir nanosaniyenin milyarda birini veya ondalık noktadan sonraki 18 basamağı sayabilen bir kronometre gibidir. Her 40 milyar yılda yalnızca bir saniye geri kalır.

Ancak fizikçiler uzun zamandır daha iyisini hayal ediyorlardı: Ya bütün atomu değil de sadece atom çekirdeklerini uyarabilselerdi? Çekirdekler bir atomun kütlesinin %99,99'unu içerir ancak gerçekten çok küçüktür. Öyle ki eğer bir atom bir Amerikan futbolu stadyumu büyüklüğünde olsaydı, çekirdeği yalnızca bir bilye kadar olurdu. Bu kadar küçük ve ağır bir şeyi uyarmak, genellikle inanılmaz derecede belirli frekanslara hassas bir şekilde ayarlanmış fotonlar olarak verilecek binlerce veya milyonlarca elektron volt enerji gerektirir. Bu zorluk, bir nükleer saatin neden daha az kayabileceğini ve saniyede bir atom saatinden daha fazla "tik" atabileceğinin tam olarak nedenidir. Ne yazık ki, günlük hayatta kullanılan hiçbir lazer elementlerin büyük çoğunluğunda bir çekirdeği uyarmak için yeterli enerji üretemez.

Ancak bir istisna vardır: nadir radyoaktif izotop toryum-229. Bu izotop, uyarılmış bir duruma atlamak için yalnızca yaklaşık sekiz elektron volt enerji gerektirir ancak fizikçiler bunun nedenini henüz bilmiyorlar. Viyana Teknoloji Üniversitesi'nden fizikçi ve makalenin ortak yazarı Thorsten Schumm, "Bu geçiş enerjisi o kadar düşük ki nükleer fizikçiler bununla ne yapacaklarını bilmiyorlar." diyor.

Bu istisna nükleer saat üreticileri için altın bir fırsat doğurdu. Ancak toryum-229'un geçiş enerjisi teknik olarak ulaşılabilir olsa da, önce onu bulmaları gerekiyordu. Sadece çok küçük bir enerji aralığı çekirdeği harekete geçirebiliyordu ve bu aralığı daraltmak için yepyeni lazer sistemleri inşa etmek ve dünya çapındaki fizikçiler tarafından yıllarca süren akıllıca deneme yanılmalar gerekiyordu.^[2] Schumm, bu durumu şöyle açıklıyor:

Bu, samanlıkta iğne aramak gibi bir iş. Tabii bir samanlıkta iğne bulmak, büyüklük açısından bakıldığında bizim yaptığımızdan çok daha kolay.

Araştırmacılar ayrıca toryum-229 atomlarını sabit tutmanın bir yolunu bulmak zorundaydı. Birçok atom saati elektromanyetik alanlar kullanarak tek atomları vakumda askıya alırken, nükleer saat üreten fizikçiler aynı anda birçok çekirdeği vurabilirlerse başarı şanslarının daha yüksek olduğunu biliyorlardı. Schumm'un ekibi, on binlerce toryum-229 çekirdeğini şeffaf kristallere yerleştirdi ve böylece aynı anda daha fazla çekirdeğin lazerler tarafından vurulmasını ve bazılarının uyarılmış duruma geçme olasılığını artırdı.

Geçtiğimiz yıl, tüm bu gerekli keşifler nihayet bir araya gelmeye başladı. Schumm'un ekibi, Mayıs ayında toryum kristallerini ultra soğuk stronsiyum saatini çalıştıran fizikçi Jun Ye'nin Boulder'daki laboratuvarına gönderdi. Oradaki araştırmacılar, kalan olası frekansların aralığını kesin bir aralığa daraltabilecek gelişmiş bir lazer sistemi geliştirmişlerdi. Bu lazer sistemi ayrıca nükleer "tikleri" atom saatiyle senkronize ederek atom saatinin nükleer zamanla uyumlu kalmasını sağlayabiliyordu.

Boulder ve ekibi, özel lazer sistemini kristale doğru fırlatarak farklı frekanslarda tarama yaptı. Uyarılmış toryumdan gelen hafif, belirgin bir ultraviyole parıltı; başarılı bir nükleer geçişin tek işareti olacaktı. Ancak araştırmacılar haftalarca hiçbir şey göremediler. Colorado Boulder Üniversitesi'ndeki Ye'nin laboratuvarında lazer fiziği okuyan bir doktora öğrencisi olan Chuankun Zhang, ilk bulguyu şöyle aktarıyor:

Sinyalin ilk belirtisini gördüğümüzde vakit gece yarısına yakındı. Deneyden sonra kimse uyuyamadı.

Ekip, sabahın erken saatlerini sonuçlarını doğrulamakla geçirdi. Sabah saat 4 civarında, sonuç gün gibi ortadaydı: Zhang ve ekibi toryum-229 çekirdeklerini başarıyla uyarmış ve frekans ölçümlerini JILA'nın atomik zaman tutucusuyla senkronize ederek dünyanın ilk nükleer saatini yaratmıştı! Ne yazık ki şu anda bu saat hassasiyet açısından dünya rekorunun gerisinde kalıyor çünkü stronsiyum saatinin 18 hanesine kıyasla sadece 12 haneli bir frekans ölçümü yapabiliyor. Crespo López-Urrutia, sadece 12 hanelik bir doğruluğa ulaşıldı diye üzülmek yerine nükleer bir saatin çalıştırılabilmiş olmasına odaklanmak gerektiğini söylüyor ve ekliyor:

Elimizdeki teknik sorunların birkaç yıl içinde üstesinden gelinebileceğinden eminler ve bundan sonra nükleer saat, hassasiyet ve doğruluk açısından atom saatini geçecek. 20 veya hatta 21 basamağa ulaşan ölçümler mümkün olabilir.

Kaliforniya Üniversitesi, Los Angeles'taki ekibiyle birlikte geçiş frekansını daraltmak ve toryum kristalleri yetiştirmek için çalışan fizikçi Eric Hudson' göre bu "Harika bir çalışma.". Hudson, ekibin çekirdekleri elektromanyetik alanlarla havaya kaldırmak yerine yerinde tutan kristal tabanlı veya "katı hal" bir saat yaratmasını çalışmanın en heyecan verici yanı olarak görüyor ve ekliyor:

Bu, laboratuvardan gerçek dünyaya çıkabilen çok daha taşınabilir ve sağlam bir saati mümkün kılabilir.

Bu tür taşınabilir nükleer saatler, GPS uydularına veya uzay aracı navigasyon sistemlerine girebilir. GPS uyduları, bir sinyalin iletim süresindeki küçük farklılıkları ölçerek bir cihazın konumunu üçgen şeklinde modeller. Teknoloji şu anda askeri olmayan uygulamalar için birkaç metreye kadar doğruluğa sahiptir. Schumm, bunun otonom arabalar veya görme engelli veya az gören kişilerin yön bulmasına yardımcı olabilecek konumlandırma teknolojisi için çok yanlış olduğunu söylüyor:

Konumlandırmayı santimetre veya milimetre seviyesine getirmek için acil bir ihtiyaç var çünkü bu, bir şeylerin daha iyiye gitmesini sağlayabilecek bir değişim.

Daha temel bir düzeyde, nükleer saatler bizi çevreleyen görünmeyen kuvvetleri ve parçacıkları incelemek için tamamen yeni bir yol sağlıyor. Atomik saatler tarafından ölçülen frekanslar elektronların sarsılmasından kaynaklanıyor, yani iyi anlaşılmış elektromanyetik kuvvet tarafından yönetilirler. Ancak bir nükleer saatin tik takları, çekirdekleri birbirine bağlayan güçlü kuvvetin gizemli alanından gelir.^[3] Zhang bunu şöyle açıklıyor:

Fizikçiler genellikle bu iki kuvvetin zaman içinde sabit kaldığını varsayarlar, ancak bunun doğru olup olmadığını kesin olarak test edemediler.

Ancak bir atomik ve bir nükleer saatin çıktılarını karşılaştırarak, prensipte bu iki kuvvetin gerçekten değişmez olup olmadığını izleyebilirler. Ayrıca bu nükleer sondanın, evrendeki maddenin yüzde 85'ini oluşturmasına rağmen hâlâ belirsizliğini koruyan karanlık madde hakkında bir şeyler ortaya çıkarması da mümkün. Schumm bu konuda şunları söylüyor:

Karanlık maddeyle ilgili en büyük zorluk, bildiğimiz şeylerle etkileşime girmemesi. Bu yüzden henüz başarılı dedektörler üretemiyoruz.

Ancak karanlık madde çekirdekle atomun bir bütün olarak etkileşime girdiğinden farklı bir şekilde etkileşime girerse, bu farklılıklar nükleer ve atom saatleri arasındaki karşılaştırmalarda ortaya çıkabilir. Crespo López-Urrutia, şöyle düşünüyor:

Henüz iyi açıklanmamış veya kökeni bilinmeyen tüm bu kuvvetler, saatlerin frekanslarının karşılaştırılmasıyla ortaya çıkabilir.

Eğer bu saatlerin hızları farklı çıkarsa, mutlak doğrulukta bir kronometre arayan bilim insanları, aslında böyle bir şeyin olmadığını keşfedebilirler!