Beykozlu
New member
Çağdaş uygarlığının ölçü olmadan imkansız olacağı söylenir. Ve hepimiz aynı birimleri kullanmasaydık ölçüm anlamsız olurdu.
Bu nedenle, yaklaşık 150 yıldır, dünyanın metrologları, Fransız kısaltması BIPM tarafından bilinen ve merkezi Paris dışında olan Uluslararası Ağırlıklar ve Ölçüler Bürosu aracılığıyla ölçü birimleri için katı tanımlar üzerinde anlaştılar.
Günümüzde büro zaman, uzunluk, kütle, elektrik akımı, sıcaklık, ışığın yoğunluğu ve bir maddenin miktarını yöneten yedi temel birimi düzenlemektedir. Bu birimler birlikte bilim, teknoloji ve ticaretin dilidir.
Bilim adamları bu standartları sürekli olarak geliştirmektedir. 2018 yılında kilogram (kütle), amper (akım), kelvin (sıcaklık) ve mol (madde miktarı) için yeni tanımları onayladılar. Şimdi, köstebek dışında, tüm standartlar bire tabidir: zamana.
Örneğin metre, ışığın bir saniyenin 299.792.458’inde bir boşlukta kat ettiği mesafe olarak tanımlanır. Benzer şekilde, kilogramın yeni tanımı, birkaç paragraftan daha azıyla açıklanamayacak kadar karmaşık bir şekilde ikinciye dayanmaktadır.
Fizikçi ve BIPM’nin zaman ve sıklık danışma komitesinin başkanı Noël C. Dimarcq, “Artık tüm birimler özerk birimler değil, ancak hepsi ikinciye bağlı” dedi.
Bu, kavramsal olarak, beceriksizce olsa bile, ağırlık veya uzunluk gibi diğer birimleri saniye cinsinden ifade edebileceğiniz anlamına gelir.
“Manava gidiyorsunuz ve ‘Bir kilogram patates değil, birkaç saniye patates istiyorum’ diyorsunuz” dedi Dr. Dimarcq.
Ancak şimdi, yarım yüzyıldan fazla bir süredir ilk kez, bilim adamları ikincinin tanımını değiştirmenin sıkıntısı içindeler, çünkü yeni nesil saatler onu daha hassas bir şekilde ölçebilir.
Haziran ayında, BIPM’li metrologların yeni tanımı belirlemek için karşılanması gereken son bir kriter listesi olacak. Dr. Dimarcq, 2026’ya kadar çoğunun yerine getirileceğini ve resmi onayın 2030’a kadar gerçekleşeceğini beklediğini söyledi.
Dikkatli bir şekilde yapılmalıdır. Küresel ölçmenin mimarisi ikinciye bağlıdır, bu nedenle birimin tanımı değiştiğinde süresi de değişmemelidir.
Boulder’daki Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü veya NIST’in zaman ve frekans bölümü başkanı Elizabeth A. Donley, “Bu her 50 yılda bir olan bir şey gibi” dedi. Colo, BIPM’nin Dr. Dimarcq ile birlikte uluslararası danışma komitesindedir. “Dolayısıyla, haklı olmak istediğimiz büyük bir mesele ve bu yüzden çok fazla tartışma var. Mühlet için üzerinde çalışmak heyecan verici.”
Gündüz sezyum
NIST Boulder laboratuvarlarında sezyumun erken bir versiyonuyla çalışan bilim adamları 1959’da atom saati. Kredi… NIST
Evvel, insanlar zamanı göğe bakarak anlattı. Ancak 1967’den beri metrologlar, bunun yerine bir atomun içinde neler olup bittiğini ölçerek zamanı tanımladılar – sanki evrenin sonsuz kalp atışlarını saat gibi ayarlıyorlar.
The Great Read
Daha büyüleyici hikayeleri sonuna kadar okuyabilirsiniz.
Bu saatlerin uzunluğu, Dünya’nın güneş etrafındaki yörüngesinde nerede olduğuna bağlı olarak değişiyordu. 2000 yıldan biraz daha uzun bir süre önce, ayın hareketleri gibi şeyleri hesaplamak için sabit saatlere ihtiyaç duyan Yunan gökbilimciler, tek bir günün aynı uzunluktaki 24 saate bölünmesi gerektiği şeklindeki devrimci fikri geliştirdiler.
Aynı astronomik düşünce onları, altmışlık sistem olan 60’a kadar saymanın eski Babil yöntemini saate yamalamaya yöneltti. Tıpkı bir daireyi veya Dünya’nın küresini 60 parçaya ve sonra tekrar 60’a böldükleri gibi – 360 derece yaparak – saati de böldüler.
Günün 24 saatinin (Latincede partes minutae primae olarak bilinir) ilk bölümü, onlara ortalama bir güneş gününün 1.440’ı olan dakikanın uzunluğunu verdi. İkinci bölüm (partes minutae secundae) onlara, bir günün 86.400’ü olan saniyenin süresini ve adını sağladı. Bu tanım aslında 1967’ye kadar geçerliydi. (Metropologların bile kullanmadığı kadar karmaşık olan efemeris zamanı denen bir şeye kısa bir sapma oldu.)
Ancak tanımda sorunlar vardı. Dünya günlük dönüşünde yavaş yavaş yavaşlıyor; günler biraz daha uzuyor ve astronomik saniye de öyle. Bu küçük farklılıklar toplanır. Tarihsel tutulmalardan ve diğer gözlemlerden elde edilen ekstrapolasyonlara dayanarak, Dünya bir saat olarak son 2.000 yılda üç saatten fazla zaman kaybetti.
Bu nedenle, astronomik hesaplamaya dayanan standart zaman birimi sabit değildir; bu, 20. yüzyılın ilk on yılında, Dünya’nın dönüşünün ne kadar düzensiz olduğunu keşfettikleri için metrologlar için giderek daha fazla dayanılmaz hale gelen bir gerçekliktir. Bilim sabitlik, güvenilirlik ve tekrarlanabilirlik ister. Zaman da öyle – ve 1960’ların sonlarında toplum, son derece kesin zamanlamalar talep eden radyo sinyallerinin frekanslarına giderek daha fazla bağımlı hale geliyordu.
Metrologlar atomik parçacıkların çok daha öngörülebilir hareketine yöneldiler. Atomlar asla yıpranmaz veya yavaşlamaz. Özellikleri zamanla değişmez. Onlar mükemmel saatler.
20. yüzyılın ortalarına gelindiğinde, bilim adamları sezyum 133 atomlarını gizli iç kenelerini ifşa etmeye ikna ettiler. Yaklaşık oda sıcaklığında sıvı olan gümüşi altın bir metal olan sezyum, ağır, yavaş atomlara sahiptir, bu da onları izlemenin nispeten kolay olduğu anlamına gelir.
Bilim adamları sezyum atomlarını bir vakuma koydular ve onları elektromanyetik alanın görünmeyen aralığındaki mikrodalgaların enerjisine maruz bıraktılar. Görev, hangi dalga boyunun veya frekansın mümkün olduğu kadar çok sezyum atomunu bir ışık paketi veya foton yayması için harekete geçireceğini bulmaktı. Fotonlar bir dedektör tarafından alındı ve sayıldı.
Yarışmayı kazanan dalga boyu, atomun doğal frekans rezonansı olarak belirlendi. Bunu, o tür atoma özgü bir ritimde çalışan bir sarkaç olarak düşünün.
Sezyum 133 durumunda, sıklık saniyede yaklaşık 9.2 milyar kenedir – kesin olarak 9.192.631.770. Deneyde kullanılan saniyenin uzunluğu, orijinal bilimsel deneylerin yapıldığı 1957’deki günün uzunluğuna dayanıyordu ve Dünya, ay ve yıldızların ölçümlerinden elde edildi. 1967’ye gelindiğinde, BIPM’deki metrologlar, sezyum 133’ün doğal frekans rezonansını saniyenin resmi uzunluğu olarak belirlemişlerdi.
Bu sezyum temelli tanıma rağmen, astronomik zaman ve atomik zaman hala ayrılmaz bir şekilde iç içedir. Birincisi, atom zamanının bazen astronomik zamana uyması için ayarlanması gerekir, çünkü Dünya hızını düzensiz bir oranda değiştirmeye devam ederken, atom zamanı sabit kalır. Atomik zaman astronomik zamandan neredeyse bir saniye daha hızlı olduğunda, zaman tutucular bir an için durdurur ve Dünya’nın yetişmesine izin verir – yıla bir artık saniye eklerler. Yani saniyenin süresi değişmezken, bir dakikanın süresi ara sıra değişir. 1972’de 10 artık saniyelik bir ilk eklemeden sonra, zaman tutucular artık her bir buçuk yılda bir atomik zamana bir artık saniye ekliyor.
Ek olarak, ne kadar tuhaf görünse de, en modern atomik saatlerimizle bile 1957 dönemi saniyelerini geride bırakıyoruz. Çünkü sezyum 133’ün doğal frekans rezonansı 1957’de ölçülmüş ve o yılki astronomik saniyenin süresine kilitlenmişti, bu daha önce saniye yeniden tanımlansa bile değişmeyecek bir gerçek.
Asal zaman için hazır değil
Kompozit bir görüntüde NIST’de bir yterrbium kafes atomik saati. Bireysel lazer ışını yollarını ortaya çıkarmak için lazerlerin önüne bir dizin kartı yerleştirildi. Kredi… N. Phillips/NIST
Bilim adamları optik atomik saatler adı verilen yeni araçlar geliştirdikleri için yeniden tanım yapılıyor. Bunlar sezyum saatlerine benzer ilkeler üzerinde çalışırlar, ancak çok daha hızlı doğal frekans rezonansına veya tike sahip atomları ölçerler. Bu frekanslar, mikrodalga aralığından ziyade elektromanyetik spektrumun görünür veya optik aralığındadır, dolayısıyla adı.
Her biri farklı bir atom veya iyonun – iterbiyum, stronsiyum, cıva, alüminyum ve daha fazlasının işaretlerini sayan birkaç optik saat türü vardır. Şimdiye kadar, yaklaşan yeniden tanımlama için açık favori olarak hiçbir tür ortaya çıkmadı.
NIST’in zaman ve frekans bölümünde fizikçi olan Judah Levine, “Optik saatler kesinlikle prime time için hazır değil” dedi. “Laboratuvar projeleridir.”
Bir kere, her ne kadar bu kadar küçük atomları incelemek için yapılmış olsalar da, çoğu ağırdır, yaklaşık olarak ağır bir yemek masası büyüklüğündedir. Bazıları bir laboratuvarı doldurur. Ayrıca çalıştırılmaları da zordur.
“Ne demek istediğimi anlıyorsan, masaya zincirlenmiş bir sürü uzman gerekiyor,” dedi Dr. Levine. “Öyle değil. sadece, bir düğmeye bas ve uzaklaş.”
Bugün tüm türlerin yaklaşık 20 veya 30 optik atomik saati var, dedi Dr. Donley.
Üçü Boulder’da. Tipik bir tanesi, zemin titreşimlerinden izole etmek için çelik bir levha üzerine yerleştirilmiştir. Dünyanın manyetik alanındaki bozulmalara karşı korumalıdır. Kalbinde, incelenmekte olan atom veya iyonu içeren, yaklaşık bir fit çapında bir vakum odası vardır. Bazı saatler tek bir iyon içerir. Diğerleri aynı türden binlerce atom içerir.
Lazerler masanın yan taraflarına monte edilmiştir. Atomları veya iyonları mutlak sıfıra yakın bir değere soğuturlar, onları yerinde yakalar ve yavaşlatırlar. Daha sonra lazerler atomları veya iyonları araştırır ve üzerlerine neredeyse saf bir ışık rengi yayarlar ve bilim adamları, enerjide istenen küçük kaymayı ortaya çıkaracak kesin dalga boyunu bulmak için ayarlarlar.
“Tıpkı bir çocuğun oyun alanında salıncakta ancak ebeveyninin itmeleri doğru ritme ulaştığında büyük bir yükseklik elde etmesi gibi, atomlar da ancak lazer rengi mükemmel bir şekilde ayarlanmışsa algılanabilir şekilde heyecanlanır”, Jeffrey A. Sherman, NIST’in zaman gerçekleştirme ve dağıtım grubundaki fizikçi, bir e-postada açıkladı.
İşin püf noktası, enerjideki değişimi ortaya çıkaran dalganın kesin frekansını belirlemek için lazerin rengini okuyabilmektir. İşte burada optik atomik saatin gizli silahı devreye giriyor. Saatin önemli bir bileşeni, femtosaniye-lazer frekans tarağı adı verilen ve keşfi 2005 yılında Nobel Fizik Ödülü’ne yol açan ikinci bir lazer türüdür. Bir saç tarağının dişleri gibi, tam olarak aynı miktarda aralıklı bir dizi ışık çivisine eşdeğer darbeli lazer.
Bu ışık tarağı, atomları veya iyonları heyecanlandıran saf renkli lazerlerin dalga boylarını okuyabilir. Dalgalar hızlıdır, ritimlerde veya frekanslarda hareket eder, sezyumu harekete geçiren mikrodalga enerjisinin yaklaşık 100.000 katıdır. Bu, optik atomik saatlerin zamanı sezyum saatlerinden çok daha hassas bir şekilde ölçmesini sağlar.
Yeni zirvelere ulaşmak
Elizabeth A. Donley, NIST’in zaman ve frekans bölümü şefi, atomik jiroskop ile. Kredi… J. Burrus/NIST
Neden böyle bir hassasiyete ihtiyacımız var? Kısmen zaman sadece zaman olmadığı için; yerçekimi ve kütleye bağlıdır ve ondan etkilenir. Uluslararası bir standardın varlığının önerebileceğine rağmen, zaman sabit de değildir. Albert Einstein’ın genel görelilik kuramı, örneğin, bir gezegen gibi büyük bir cismin yakınındayken zamanın daha yavaş hareket ettiğini, çünkü yerçekiminin çekişiyle yavaşladığını tahmin ediyor.
Bunun anlamı, bir saatin tik takları çok az da olsa değişirse, saatin bulunduğu fiziksel koşullar da değişmiş olabilir. Dr. Donley, bu değişiklikleri okuyabilmenin, saatlerin karanlık madde veya yerçekimi dalgaları gibi varlıkları tespit edebilme olasılığını açtığını söyledi.
“Bunlar, optik saatlerle ilgili heyecan verici şeylerden biri olan temel fiziğin çok mükemmel testleri” dedi.
Bir deney zaten gerçekleştirilmiştir. 2015 yılında, NIST’deki fizikçiler, optik atomik saatlerini geliştirmenin ilk günlerindeydiler. Boulder’a yayılmış laboratuvarlarda bulunan saatler arasında saniyelerin biraz farklı ölçüldüğü gerçeği onları şaşırttı.
Sonra genel görelilik teorisini düşündüler. Bu optik saatler, yerçekimindeki küçük değişikliklere tepki verebilir mi?
Ulusal Okyanus ve Atmosfer İdaresi’nin bir parçası olan Ulusal Jeodezi Araştırması’nda fizikçi olan Derek van Westrum’dan araştırmasını istediler. 2015 ve 2018’de Dr. van Westrum, saatlerin yerleştirildiği laboratuvarlar arasındaki yükseklik farklarını ölçtü. Zaman gibi, yükseklik de yerçekimi ve kütle ile bağlantılıdır.
Deniz seviyesinden yüksekliği ölçen geleneksel yüzey tesviye teknikleri, saatlerin gerçekten de farklı yüksekliklerde olduğunu buldu. Biraz farklı zaman ölçümleri, yerçekimi alanındaki küçük değişiklikleri yakalıyordu. Diğerinden sadece bir santimetre daha yüksek olan bir saat daha hızlı çalışıyordu.
“Einstein’ın kütle ve yerçekiminin zamana ne yaptığına dair çılgın tahmininin aslında pratik bir uygulaması olması benim için inanılmaz,” dedi Dr. van Westrum kıkırdayarak.
Dünyanın farklı bölgelerine birkaç optik atomik saat yerleştirilebilseydi, jeodezistler aralarındaki tıklama farklarını ve dolayısıyla yükseklik ve yerçekimi alanındaki farklılıkları ölçebilirdi, dedi. Örneğin, taşan bir nehrin yakınında kurulan bir ağ, suyun nereye akacağını açıklayabilir ve bölge sakinleri için kaçış yollarını belirleyebilir.
Bu tür olasılıklar gelecekte yatmaktadır. Bugün fizikçiler hala optik saatlerin uzak mesafelerde birbirleriyle konuşmasını sağlamaya çalışıyorlar, bu da zaman tutma için bir zorunluluktur. Optik saatler, örneğin uydu zaman tutma henüz optik olmadığı için uydu sistemleri üzerinden verimli bir şekilde iletişim kuramaz.
Fizikçiler ilerleme kaydediyor. NIST’de geçen yıl Nature’da yayınlanan yakın tarihli bir deney, Boulder’daki üç saati hem optik fiber hem de hava yoluyla birbirine bağladı.
Ve bilim adamları yardım için önce daha çok gökleri arıyorlar. Ancak şimdi, gezegenlerin veya yıldızların hareketlerini takip etmek için değil, galaksimizin çok ötesinden gelen bilgileri kullanmak için.
İtalya ve Japonya’daki araştırmacılar, çok uzun temel interferometri kullanarak, yakın zamanda yaklaşık 5,500 mil arayla iki optik atomik saati bağlamaya çalıştılar. Deney, uzak uzaydan gelen radyo sinyallerini okuyan ve ardından bilgiyi atomik saatlere bağlayan birkaç anteni içeriyordu.
İşe yaradı ve bir an için yıldızlar aracılığıyla zaman ve uzay birleşti.
Bu nedenle, yaklaşık 150 yıldır, dünyanın metrologları, Fransız kısaltması BIPM tarafından bilinen ve merkezi Paris dışında olan Uluslararası Ağırlıklar ve Ölçüler Bürosu aracılığıyla ölçü birimleri için katı tanımlar üzerinde anlaştılar.
Günümüzde büro zaman, uzunluk, kütle, elektrik akımı, sıcaklık, ışığın yoğunluğu ve bir maddenin miktarını yöneten yedi temel birimi düzenlemektedir. Bu birimler birlikte bilim, teknoloji ve ticaretin dilidir.
Bilim adamları bu standartları sürekli olarak geliştirmektedir. 2018 yılında kilogram (kütle), amper (akım), kelvin (sıcaklık) ve mol (madde miktarı) için yeni tanımları onayladılar. Şimdi, köstebek dışında, tüm standartlar bire tabidir: zamana.
Örneğin metre, ışığın bir saniyenin 299.792.458’inde bir boşlukta kat ettiği mesafe olarak tanımlanır. Benzer şekilde, kilogramın yeni tanımı, birkaç paragraftan daha azıyla açıklanamayacak kadar karmaşık bir şekilde ikinciye dayanmaktadır.
Fizikçi ve BIPM’nin zaman ve sıklık danışma komitesinin başkanı Noël C. Dimarcq, “Artık tüm birimler özerk birimler değil, ancak hepsi ikinciye bağlı” dedi.
Bu, kavramsal olarak, beceriksizce olsa bile, ağırlık veya uzunluk gibi diğer birimleri saniye cinsinden ifade edebileceğiniz anlamına gelir.
“Manava gidiyorsunuz ve ‘Bir kilogram patates değil, birkaç saniye patates istiyorum’ diyorsunuz” dedi Dr. Dimarcq.
Ancak şimdi, yarım yüzyıldan fazla bir süredir ilk kez, bilim adamları ikincinin tanımını değiştirmenin sıkıntısı içindeler, çünkü yeni nesil saatler onu daha hassas bir şekilde ölçebilir.
Haziran ayında, BIPM’li metrologların yeni tanımı belirlemek için karşılanması gereken son bir kriter listesi olacak. Dr. Dimarcq, 2026’ya kadar çoğunun yerine getirileceğini ve resmi onayın 2030’a kadar gerçekleşeceğini beklediğini söyledi.
Dikkatli bir şekilde yapılmalıdır. Küresel ölçmenin mimarisi ikinciye bağlıdır, bu nedenle birimin tanımı değiştiğinde süresi de değişmemelidir.
Boulder’daki Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü veya NIST’in zaman ve frekans bölümü başkanı Elizabeth A. Donley, “Bu her 50 yılda bir olan bir şey gibi” dedi. Colo, BIPM’nin Dr. Dimarcq ile birlikte uluslararası danışma komitesindedir. “Dolayısıyla, haklı olmak istediğimiz büyük bir mesele ve bu yüzden çok fazla tartışma var. Mühlet için üzerinde çalışmak heyecan verici.”
Gündüz sezyum
NIST Boulder laboratuvarlarında sezyumun erken bir versiyonuyla çalışan bilim adamları 1959’da atom saati. Kredi… NIST
Evvel, insanlar zamanı göğe bakarak anlattı. Ancak 1967’den beri metrologlar, bunun yerine bir atomun içinde neler olup bittiğini ölçerek zamanı tanımladılar – sanki evrenin sonsuz kalp atışlarını saat gibi ayarlıyorlar.
The Great Read
Daha büyüleyici hikayeleri sonuna kadar okuyabilirsiniz.
- Yüz yıl önce, İngiliz casusu Cruxy O’Connor, IRA’nın Amerikan topraklarına yönelik tek yetkili saldırısı olarak görünen şeye yakalandı.
- Viola Davis, kendi neslinin en büyük aktörlerinden biri olmak için özel zorluklarla dolu bir hayattan nasıl yararlandı.
- Masal sık sık tekrarlanır: Bir Shakespeare aşığı, New York’ta Ozan’a övgü olarak düzinelerce Avrupa sığırcıkını serbest bırakarak bir Kuzey Amerika istilası başlattı. Hikayenin önemli kısımları doğru değil.
Bu saatlerin uzunluğu, Dünya’nın güneş etrafındaki yörüngesinde nerede olduğuna bağlı olarak değişiyordu. 2000 yıldan biraz daha uzun bir süre önce, ayın hareketleri gibi şeyleri hesaplamak için sabit saatlere ihtiyaç duyan Yunan gökbilimciler, tek bir günün aynı uzunluktaki 24 saate bölünmesi gerektiği şeklindeki devrimci fikri geliştirdiler.
Aynı astronomik düşünce onları, altmışlık sistem olan 60’a kadar saymanın eski Babil yöntemini saate yamalamaya yöneltti. Tıpkı bir daireyi veya Dünya’nın küresini 60 parçaya ve sonra tekrar 60’a böldükleri gibi – 360 derece yaparak – saati de böldüler.
Günün 24 saatinin (Latincede partes minutae primae olarak bilinir) ilk bölümü, onlara ortalama bir güneş gününün 1.440’ı olan dakikanın uzunluğunu verdi. İkinci bölüm (partes minutae secundae) onlara, bir günün 86.400’ü olan saniyenin süresini ve adını sağladı. Bu tanım aslında 1967’ye kadar geçerliydi. (Metropologların bile kullanmadığı kadar karmaşık olan efemeris zamanı denen bir şeye kısa bir sapma oldu.)
Ancak tanımda sorunlar vardı. Dünya günlük dönüşünde yavaş yavaş yavaşlıyor; günler biraz daha uzuyor ve astronomik saniye de öyle. Bu küçük farklılıklar toplanır. Tarihsel tutulmalardan ve diğer gözlemlerden elde edilen ekstrapolasyonlara dayanarak, Dünya bir saat olarak son 2.000 yılda üç saatten fazla zaman kaybetti.
Bu nedenle, astronomik hesaplamaya dayanan standart zaman birimi sabit değildir; bu, 20. yüzyılın ilk on yılında, Dünya’nın dönüşünün ne kadar düzensiz olduğunu keşfettikleri için metrologlar için giderek daha fazla dayanılmaz hale gelen bir gerçekliktir. Bilim sabitlik, güvenilirlik ve tekrarlanabilirlik ister. Zaman da öyle – ve 1960’ların sonlarında toplum, son derece kesin zamanlamalar talep eden radyo sinyallerinin frekanslarına giderek daha fazla bağımlı hale geliyordu.
Metrologlar atomik parçacıkların çok daha öngörülebilir hareketine yöneldiler. Atomlar asla yıpranmaz veya yavaşlamaz. Özellikleri zamanla değişmez. Onlar mükemmel saatler.
20. yüzyılın ortalarına gelindiğinde, bilim adamları sezyum 133 atomlarını gizli iç kenelerini ifşa etmeye ikna ettiler. Yaklaşık oda sıcaklığında sıvı olan gümüşi altın bir metal olan sezyum, ağır, yavaş atomlara sahiptir, bu da onları izlemenin nispeten kolay olduğu anlamına gelir.
Bilim adamları sezyum atomlarını bir vakuma koydular ve onları elektromanyetik alanın görünmeyen aralığındaki mikrodalgaların enerjisine maruz bıraktılar. Görev, hangi dalga boyunun veya frekansın mümkün olduğu kadar çok sezyum atomunu bir ışık paketi veya foton yayması için harekete geçireceğini bulmaktı. Fotonlar bir dedektör tarafından alındı ve sayıldı.
Yarışmayı kazanan dalga boyu, atomun doğal frekans rezonansı olarak belirlendi. Bunu, o tür atoma özgü bir ritimde çalışan bir sarkaç olarak düşünün.
Sezyum 133 durumunda, sıklık saniyede yaklaşık 9.2 milyar kenedir – kesin olarak 9.192.631.770. Deneyde kullanılan saniyenin uzunluğu, orijinal bilimsel deneylerin yapıldığı 1957’deki günün uzunluğuna dayanıyordu ve Dünya, ay ve yıldızların ölçümlerinden elde edildi. 1967’ye gelindiğinde, BIPM’deki metrologlar, sezyum 133’ün doğal frekans rezonansını saniyenin resmi uzunluğu olarak belirlemişlerdi.
Bu sezyum temelli tanıma rağmen, astronomik zaman ve atomik zaman hala ayrılmaz bir şekilde iç içedir. Birincisi, atom zamanının bazen astronomik zamana uyması için ayarlanması gerekir, çünkü Dünya hızını düzensiz bir oranda değiştirmeye devam ederken, atom zamanı sabit kalır. Atomik zaman astronomik zamandan neredeyse bir saniye daha hızlı olduğunda, zaman tutucular bir an için durdurur ve Dünya’nın yetişmesine izin verir – yıla bir artık saniye eklerler. Yani saniyenin süresi değişmezken, bir dakikanın süresi ara sıra değişir. 1972’de 10 artık saniyelik bir ilk eklemeden sonra, zaman tutucular artık her bir buçuk yılda bir atomik zamana bir artık saniye ekliyor.
Ek olarak, ne kadar tuhaf görünse de, en modern atomik saatlerimizle bile 1957 dönemi saniyelerini geride bırakıyoruz. Çünkü sezyum 133’ün doğal frekans rezonansı 1957’de ölçülmüş ve o yılki astronomik saniyenin süresine kilitlenmişti, bu daha önce saniye yeniden tanımlansa bile değişmeyecek bir gerçek.
Asal zaman için hazır değil
Kompozit bir görüntüde NIST’de bir yterrbium kafes atomik saati. Bireysel lazer ışını yollarını ortaya çıkarmak için lazerlerin önüne bir dizin kartı yerleştirildi. Kredi… N. Phillips/NIST
Bilim adamları optik atomik saatler adı verilen yeni araçlar geliştirdikleri için yeniden tanım yapılıyor. Bunlar sezyum saatlerine benzer ilkeler üzerinde çalışırlar, ancak çok daha hızlı doğal frekans rezonansına veya tike sahip atomları ölçerler. Bu frekanslar, mikrodalga aralığından ziyade elektromanyetik spektrumun görünür veya optik aralığındadır, dolayısıyla adı.
Her biri farklı bir atom veya iyonun – iterbiyum, stronsiyum, cıva, alüminyum ve daha fazlasının işaretlerini sayan birkaç optik saat türü vardır. Şimdiye kadar, yaklaşan yeniden tanımlama için açık favori olarak hiçbir tür ortaya çıkmadı.
NIST’in zaman ve frekans bölümünde fizikçi olan Judah Levine, “Optik saatler kesinlikle prime time için hazır değil” dedi. “Laboratuvar projeleridir.”
Bir kere, her ne kadar bu kadar küçük atomları incelemek için yapılmış olsalar da, çoğu ağırdır, yaklaşık olarak ağır bir yemek masası büyüklüğündedir. Bazıları bir laboratuvarı doldurur. Ayrıca çalıştırılmaları da zordur.
“Ne demek istediğimi anlıyorsan, masaya zincirlenmiş bir sürü uzman gerekiyor,” dedi Dr. Levine. “Öyle değil. sadece, bir düğmeye bas ve uzaklaş.”
Bugün tüm türlerin yaklaşık 20 veya 30 optik atomik saati var, dedi Dr. Donley.
Üçü Boulder’da. Tipik bir tanesi, zemin titreşimlerinden izole etmek için çelik bir levha üzerine yerleştirilmiştir. Dünyanın manyetik alanındaki bozulmalara karşı korumalıdır. Kalbinde, incelenmekte olan atom veya iyonu içeren, yaklaşık bir fit çapında bir vakum odası vardır. Bazı saatler tek bir iyon içerir. Diğerleri aynı türden binlerce atom içerir.
Lazerler masanın yan taraflarına monte edilmiştir. Atomları veya iyonları mutlak sıfıra yakın bir değere soğuturlar, onları yerinde yakalar ve yavaşlatırlar. Daha sonra lazerler atomları veya iyonları araştırır ve üzerlerine neredeyse saf bir ışık rengi yayarlar ve bilim adamları, enerjide istenen küçük kaymayı ortaya çıkaracak kesin dalga boyunu bulmak için ayarlarlar.
“Tıpkı bir çocuğun oyun alanında salıncakta ancak ebeveyninin itmeleri doğru ritme ulaştığında büyük bir yükseklik elde etmesi gibi, atomlar da ancak lazer rengi mükemmel bir şekilde ayarlanmışsa algılanabilir şekilde heyecanlanır”, Jeffrey A. Sherman, NIST’in zaman gerçekleştirme ve dağıtım grubundaki fizikçi, bir e-postada açıkladı.
İşin püf noktası, enerjideki değişimi ortaya çıkaran dalganın kesin frekansını belirlemek için lazerin rengini okuyabilmektir. İşte burada optik atomik saatin gizli silahı devreye giriyor. Saatin önemli bir bileşeni, femtosaniye-lazer frekans tarağı adı verilen ve keşfi 2005 yılında Nobel Fizik Ödülü’ne yol açan ikinci bir lazer türüdür. Bir saç tarağının dişleri gibi, tam olarak aynı miktarda aralıklı bir dizi ışık çivisine eşdeğer darbeli lazer.
Bu ışık tarağı, atomları veya iyonları heyecanlandıran saf renkli lazerlerin dalga boylarını okuyabilir. Dalgalar hızlıdır, ritimlerde veya frekanslarda hareket eder, sezyumu harekete geçiren mikrodalga enerjisinin yaklaşık 100.000 katıdır. Bu, optik atomik saatlerin zamanı sezyum saatlerinden çok daha hassas bir şekilde ölçmesini sağlar.
Yeni zirvelere ulaşmak
Elizabeth A. Donley, NIST’in zaman ve frekans bölümü şefi, atomik jiroskop ile. Kredi… J. Burrus/NIST
Neden böyle bir hassasiyete ihtiyacımız var? Kısmen zaman sadece zaman olmadığı için; yerçekimi ve kütleye bağlıdır ve ondan etkilenir. Uluslararası bir standardın varlığının önerebileceğine rağmen, zaman sabit de değildir. Albert Einstein’ın genel görelilik kuramı, örneğin, bir gezegen gibi büyük bir cismin yakınındayken zamanın daha yavaş hareket ettiğini, çünkü yerçekiminin çekişiyle yavaşladığını tahmin ediyor.
Bunun anlamı, bir saatin tik takları çok az da olsa değişirse, saatin bulunduğu fiziksel koşullar da değişmiş olabilir. Dr. Donley, bu değişiklikleri okuyabilmenin, saatlerin karanlık madde veya yerçekimi dalgaları gibi varlıkları tespit edebilme olasılığını açtığını söyledi.
“Bunlar, optik saatlerle ilgili heyecan verici şeylerden biri olan temel fiziğin çok mükemmel testleri” dedi.
Bir deney zaten gerçekleştirilmiştir. 2015 yılında, NIST’deki fizikçiler, optik atomik saatlerini geliştirmenin ilk günlerindeydiler. Boulder’a yayılmış laboratuvarlarda bulunan saatler arasında saniyelerin biraz farklı ölçüldüğü gerçeği onları şaşırttı.
Sonra genel görelilik teorisini düşündüler. Bu optik saatler, yerçekimindeki küçük değişikliklere tepki verebilir mi?
Ulusal Okyanus ve Atmosfer İdaresi’nin bir parçası olan Ulusal Jeodezi Araştırması’nda fizikçi olan Derek van Westrum’dan araştırmasını istediler. 2015 ve 2018’de Dr. van Westrum, saatlerin yerleştirildiği laboratuvarlar arasındaki yükseklik farklarını ölçtü. Zaman gibi, yükseklik de yerçekimi ve kütle ile bağlantılıdır.
Deniz seviyesinden yüksekliği ölçen geleneksel yüzey tesviye teknikleri, saatlerin gerçekten de farklı yüksekliklerde olduğunu buldu. Biraz farklı zaman ölçümleri, yerçekimi alanındaki küçük değişiklikleri yakalıyordu. Diğerinden sadece bir santimetre daha yüksek olan bir saat daha hızlı çalışıyordu.
“Einstein’ın kütle ve yerçekiminin zamana ne yaptığına dair çılgın tahmininin aslında pratik bir uygulaması olması benim için inanılmaz,” dedi Dr. van Westrum kıkırdayarak.
Dünyanın farklı bölgelerine birkaç optik atomik saat yerleştirilebilseydi, jeodezistler aralarındaki tıklama farklarını ve dolayısıyla yükseklik ve yerçekimi alanındaki farklılıkları ölçebilirdi, dedi. Örneğin, taşan bir nehrin yakınında kurulan bir ağ, suyun nereye akacağını açıklayabilir ve bölge sakinleri için kaçış yollarını belirleyebilir.
Bu tür olasılıklar gelecekte yatmaktadır. Bugün fizikçiler hala optik saatlerin uzak mesafelerde birbirleriyle konuşmasını sağlamaya çalışıyorlar, bu da zaman tutma için bir zorunluluktur. Optik saatler, örneğin uydu zaman tutma henüz optik olmadığı için uydu sistemleri üzerinden verimli bir şekilde iletişim kuramaz.
Fizikçiler ilerleme kaydediyor. NIST’de geçen yıl Nature’da yayınlanan yakın tarihli bir deney, Boulder’daki üç saati hem optik fiber hem de hava yoluyla birbirine bağladı.
Ve bilim adamları yardım için önce daha çok gökleri arıyorlar. Ancak şimdi, gezegenlerin veya yıldızların hareketlerini takip etmek için değil, galaksimizin çok ötesinden gelen bilgileri kullanmak için.
İtalya ve Japonya’daki araştırmacılar, çok uzun temel interferometri kullanarak, yakın zamanda yaklaşık 5,500 mil arayla iki optik atomik saati bağlamaya çalıştılar. Deney, uzak uzaydan gelen radyo sinyallerini okuyan ve ardından bilgiyi atomik saatlere bağlayan birkaç anteni içeriyordu.
İşe yaradı ve bir an için yıldızlar aracılığıyla zaman ve uzay birleşti.