Zaman nasıl ölçülür?

Gün uzunluğundan atom saatine..!

Saatin kaç olduğunu bilmek istiyorsak saatimize veya cep telefonu ekranımıza bakarız. Radyo, televizyon ve internet de bize o anki saati saniyesine kadar söyler. Ama gerçekte ne zaman ve saatin kaç olduğuna kim karar veriyor? Peki bu nasıl ölçülür?

1950’li yıllara kadar dünyanın dönüşü bir saniyelik referans miktarıydı.

Saati dünya ayarlıyor

1950’lere kadar gezegenimizin kendisi tüm zaman ölçümlerinin saatiydi; Dünyanın dönüşü referans olarak hizmet ediyordu. Bir saniye 86.400 olarak tanımlandı. Ortalama gün uzunluğunun bir kısmı. Kesin zamanı belirlemek için gökbilimciler, Dünya’nın tam olarak bir kez döndüğü zaman aralığını belirlediler. Günümüzde araştırmacılar hâlâ hem astronomik yöntemleri hem de yeni yöntemleri kullanarak Dünya’nın dönüşünü izliyor.

Halka lazerler

Ancak sorun, Dünya’nın dönüş hızının sabit olmamasıdır. Ayın gelgit kuvvetlerine, okyanusların ve atmosferin hareketlerine, Dünya’nın çekirdeğindeki akıntılara ve hatta depremlere bağlı olarak değişir. Bu nedenle dünyanın dönüşü modern dünyanın saati olarak yeterince kesin değildir. GPS navigasyon sistemi de dahil olmak üzere birçok teknik süreç, saniyenin kesirlerine kadar hassas ve senkronize zaman ölçümü gerektirir.

Saat olarak “kuantum sıçramaları

Peki daha kesin bir referansı nerede bulabilirsiniz? Bu konuda belirleyici fikir, 1930’larda atomların uyarılma durumlarını ölçme yöntemlerini araştıran ABD’li fizikçi Isidor Rabi’den geldi. Bir atomun fiziksel sabitini – bir atomun bir enerjik durumdan diğerine geçişini – referans olarak almayı önerdi. Bu “kuantum sıçraması”, bir atomun, örneğin radyasyon biçimindeki enerjiyi emdiği zaman meydana gelir. Bu uyarılma, atomun bir veya daha fazla elektronunun daha yüksek bir enerji seviyesine sıçramasına neden olur.

Önemli olan bu atomik hal değişimi için gereken enerjinin her atom tipine ve her enerji düzeyine özel olmasıdır. NASA’nın Jet Propulsion Laboratuvarı’ndan Eric Burt, “Bu yörüngeler arasındaki enerji farkının bu kadar kesin ve istikrarlı bir değere sahip olması, atom saatlerinin temel bileşenidir” diye açıklıyor. “Atom saatlerinin mekanik saatlerden çok daha iyi performans göstermesinin nedeni budur.”

Frekansa bağlıdır

İkincisinin temeli, sezyum atomlarının temel durumlarının iki aşırı ince durumu arasında değiştiği radyasyon frekansıdır.

Ancak atomik zaman ölçümü için başka bir bileşen daha gereklidir: Atomların durum değiştirmesini sağlamak için belirli bir frekansta radyasyon gereklidir. Ancak bu doğruysa atomlar, istenen kuantum geçişi için ihtiyaç duydukları enerji miktarını tam olarak emerler. Vurgu: Atomların kuantum sıçramasını yaptığı frekansı belirlerseniz, bunu bir zamanlayıcı olarak kullanabilirsiniz. Çünkü frekans, saniyedeki salınım sayısından kaynaklanmaktadır.

Tersine, saniyeyi bu sayıdaki salınımların gerçekleştiği zaman olarak tanımlayabiliriz – ve bu tam olarak Rabi’nin önerisiydi. Fizikçi, kararlı izotop sezyum-133’ün iki durum değişimini bu tür zaman ölçümü için özellikle uygun olarak sınıflandırdı. Rabi bunun için 1944’te Nobel Fizik Ödülü’nü aldı. Yirmi üç yıl sonra, 13 Ekim 1967’de Uluslararası Ağırlıklar ve Ölçüler Genel Konferansı onun tavsiyesine uydu. O zamandan bu yana, temel zaman birimi için referans artık astronomik parametreler değil, atomlardır.

Mikrodalga alanındaki sezyum atomları

Peki atomik zaman ölçümü pratikte nasıl çalışıyor? Atom saatlerinin devreye girdiği yer burasıdır. Artık dünyadaki tüm saatler için referans niteliğindeler ve Koordineli Evrensel Zamanın (UTC) temelini oluşturuyorlar. Bu amaçla yaygın olarak kullanılan sezyum saatlerinde, sezyum-133 izotopunun atomları önce buharlaştırılır, ardından soğutulur. Daha sonra, özel mıknatıslar kullanarak, temel enerji durumlarının iki aşırı ince halinden birinde olanları filtrelersiniz. Bu atomlar bir ışın aracılığıyla boşluk rezonatörü olan bir vakum odasına yönlendirilir.

Gerçek ölçüm için sezyum atomlarından oluşan ışın mikrodalgalarla ışınlanır. Bu radyasyonun frekansı doğru rezonans noktasına ulaştığında, sezyum atomlarının maksimum sayısı enerji durumlarını değiştirir. Durum böyle olunca manyetik “ayıklama” ve özel dedektörler kullanılarak tekrar ölçülür. Sezyum-133 için bu rezonans frekansı saniyede 9.192.631.770 salınımdır. Dolayısıyla ikincisi, mikrodalgaların 9.192.631.770 salınımı tamamladığı süre olarak tanımlanır.

Atom ışınlarından çeşmelere

Bugüne kadar sezyum atom saatleri atom zamanını ölçmenin temelini oluşturuyor. Ancak pek çok resmi ölçüm merkezi artık bu teknolojinin daha gelişmiş bir versiyonunu, yani sezyum çeşme saatini kullanıyor.

Sezyum çeşme saatleri

Bu atom saatlerinde sezyum atomları bir lazer kullanılarak düşük sıcaklıklara soğutulur ve daha sonra alttan boşluk rezonatörüne beslenir. Bu, atomların aşağıdan yükselen ve daha sonra balistik bir eğriyle aşağıya inen bir çeşme oluşturmasına neden olur. Avantajı: Böyle bir çeşmede atomlar daha yavaş hareket eder ve bu nedenle klasik atom ışınlı sezyum saatine göre yaklaşık 50 kat daha uzun süre mikrodalga alanına maruz kalır. Bu, iki kuantum durumu arasındaki zamanı belirleyen geçişin klasik sezyum atom saatine göre daha kesin olarak belirlenmesine olanak tanır. Bir çeşme saati saniyenin katrilyonda biri kadar doğrudur.

Neden atom saatleri?
Son derece hassas zaman bilgilerine ve saatlere ihtiyaç duyduğunuz durumlar

Atom saatleri olmasaydı GPS olmazdı

Uydu navigasyonu yalnızca atom saatleriyle çalışır.

Atom saatlerinin önemli bir uygulama alanı GPS, Avrupa Galileo sistemi, Rus GLONASS veya Çin’in Beidou gibi uydu navigasyon sistemleridir. Bu sistemler sadece arabaların, gemilerin veya uçakların rotasını bulmasına yardımcı olmakla kalmıyor. GPS ölçüm verileri, örneğin tünel inşa ederken doğru yükseklik ve boyutları korumak amacıyla inşaat sektöründe de vazgeçilmezdir. Bilimde GPS sensörleri, diğer şeylerin yanı sıra, deprem bölgelerinde volkanları ve toprak altı kaymasını izlemek için kullanılır.

Atomik saatler tüm bu ölçümlerde çok önemli bir rol oynuyor; onlar olmasaydı uydu konumlandırma sürecinin tamamı işe yaramazdı. Dünya yüzeyindeki GPS alıcıları, çeşitli GPS uydularından gelen sinyalleri okuyup karşılaştırarak konumu belirler. Bu sinyallerin her biri, uydudan birkaç nanosaniyeye kadar iletim süresini gösteren bir zaman damgası içerir. GPS alıcısı daha sonra ışık hızında Dünya’ya iletilen sinyallerin geçiş süresini belirleyerek mevcut konumu hesaplar. Uyduların konumları bilindiği için bu onların Dünya üzerindeki konumlarını ortaya çıkarıyor.

Uydu konumlandırmanın ne kadar doğru olduğu, GPS sinyallerinin geçiş süresinin ne kadar hassas ölçülebildiğine bağlıdır. Bu nedenle navigasyon sistemindeki tüm uyduların kendi küçük atom saatleri vardır; bunlar genellikle sezyum veya rubidyum saatleridir. Uyduların yüksekliği ve uçuş hızı hareketlerini etkilediğinden, uydular yer istasyonlarından referans GPS atom zamanı ile düzenli olarak kalibre edilir. Bu, tüm GPS uydularının uyum içinde “işlemesini” sağlar.