Modern dünyamız, vücudumuzdan bu yazıyı okuduğunuz cihaza ve Dünya gezegenine kadar her şeyi oluşturan maddenin minik yapı taşları olan atomların içinde saklı sırları açığa çıkaran saatlere bağımlıdır.
Bugün telefonunuzda, bilgisayarınızda veya akıllı saatinizde saate baktıysanız, atomların istikrarlı, değişmeyen vuruşlarıyla uyumlu hale gelmişsiniz demektir. Yol tarifi için GPS kullandıysanız veya uçakla seyahat ettiyseniz, atom saatleri sizi güvenli bir şekilde varış noktanıza ulaştırmaya yardımcı olmuştur. Bir hisse senedi satın aldıysanız veya sattıysanız, bu işlem atom saatine damgalanmıştır. Bir telefon görüşmesi yaptıysanız veya web’de arama yaptıysanız, atomlar tarafından senkronize edilen ağlara erişmişsiniz demektir.
Peki bu minik parçacıkları zamanı söylemek için nasıl kullanırız? Atomlara bakmak ve vuruşlarını çıkarmak için ışığı aşırı ve mükemmel bir hassasiyetle kullanmalıyız. Ve kuantum fiziğinin tuhaf ve harikulade dünyasına, dünyayı en küçük ölçeklerinde yöneten kurallara -atomun içi dahil- ustaca girmeliyiz.
Saat Tam Olarak Nedir?
Atom zamanını anlamak için öncelikle saatler hakkında biraz bilgi edinmemiz gerekir.
Bir saat, özünde iki bileşenin birleşmesidir: salınan veya sabit bir vuruşla tik tak eden bir mekanizma ve bu vuruşları sayan ve zamanı gösteren bir cihaz. Tarihin büyük bölümünde, salınan mekanizmalar insan yapımı nesnelerdi: bir büyükbaba saatinin sallanan sarkaçı; kol saatinizdeki veya dizüstü bilgisayarınızdaki kuvars kristali.
Ancak hiçbir iki sarkaç veya kristal tam olarak aynı değildir – bu nedenle ürettikleri zamanın tik takları da aynı değildir. İnsan yapımı saatler asla mükemmel bir şekilde senkronize olamaz.
Üretilen saatlerin ikinci bir sorunu daha vardır: Sürüklenirler. Bir zaman tik’i bir sonrakinden biraz farklıdır, bir sonrakinden biraz farklıdır, vb. İnsan yapımı saatler doğası gereği dengesizdir.
Atomlar ise tam tersine neredeyse “mükemmel” ritimler yaratabilirler. Atomların herhangi bir üretilmiş parçası yoktur ve zamanla aşınmaz veya yavaşlamazlar. Ve belirli bir türdeki tüm atomlar aynıdır.
Kuantum fiziği bize atomların belirli renk veya frekanslarda ışık dalgalarını emdiğini ve yaydığını söyler. Bu atom frekanslarına ayarlanmış ışık dalgaları, diğer herhangi bir saat türünden milyarlarca kat daha kararlı ve hassas zaman tik takları üretir.
Gerçekten de bildiğimiz kadarıyla, atom frekansları evrendeki en saf, en istikrarlı vuruşları sunar. Eğer uzak bir gezegende başka bir gelişmiş medeniyet evrimleşmişse, o da muhtemelen bizim yaptığımız gibi zamanı atomları kullanarak ölçüyordur.
Peki bu muhteşem atom saatleri nasıl çalışıyor?
Atomun İç Hayatı
Atomlar her yerimizde ve içimizdedir. Ancak vücudumuz gibi katı nesnelerdeki milyarlarca atomla bir arada bulunduklarında, atomlar kendi başlarına olduklarından çok farklı davranırlar. Bir saat yapmak için, önce tek tek atomları hemen hemen her şeyden ayırmalı ve izole etmeliyiz.
Daha sonra atomlarımızı ışığa batırırız. Işık, doğanın enerjiyi bir yerden bir yere gönderme yoludur. Uzayda hızla hareket ederken yükselen ve alçalan dalgalar şeklinde hareket eder, tıpkı okyanus boyunca hareket eden su dalgalarının dönüşümlü tepeleri ve çukurları gibi. Bir ışık dalgasının frekansı, bir saniyede tepeden çukura ve tekrar tepeye dönme sayısıdır.
Atomları bir saate dönüştürmek için herhangi bir ışığı kullanamayız: Atomların rezonans frekansı olarak bilinen özel bir frekansa ince ayarlanmış ışığa ihtiyacımız var. Işık frekansı rezonansa yakın olduğunda, atomlar ışığın enerjisinin bir kısmını emebilir ve iç enerji durumlarını değiştirebilirler — buna genellikle “kuantum sıçraması” denir.
Rezonansın günlük bir örneğini oyun alanında bulabilirsiniz. Bir çocuğu yalnızca maksimum yüksekliğe ulaştığında bir salıncakta iterseniz, çocuk daha da yükseğe sallanacaktır. Bunun nedeni, itme hızınızı salıncağın doğal rezonans frekansına ayarlamış olmanızdır. Öte yandan, rastgele aralıklarla iterseniz, salıncak daha yükseğe gitmeyecek ve hatta durabilir.
Başka bir bilindik örnek, bir opera sanatçısı ve bir şarap kadehidir. Şarkıcının sesinden gelen ses dalgaları kadehin doğal rezonans frekansına ulaştığında, kadeh hızla çok fazla enerji emebilir ve parçalanabilir.
Daha metaforik bir şekilde ifade etmek gerekirse, bir fikrin içimizdeki bir şeyle uyum içinde olduğunu hissettiğimizde o fikir yankılanır deriz.
Şimdi merak ediyor olabilirsiniz, atom saatindeki sabit tik tak sesi neyin sağladığını ve rezonans ve enerji durumları hakkındaki tüm bu konuşmaların zamanı söylemekle ne ilgisi olduğunu?
Atom saatinde tik tak eden şey, atomlara enerji vermek için kullanılan ışık dalgalarıdır. Işık frekansını atomların rezonans frekansına doğru ayarladıkça, giderek daha fazla atom ışıktan enerji emecek ve kuantum sıçraması yapacaktır.
Kaç atomun enerji emdiğini ölçerek, ışık frekansının rezonans frekansına ulaştığını veya en azından çok yaklaştığını tespit edebiliriz. Sonra rezonans ışığının tepelerini ve çukurlarını sayar ve bu sayıları zaman tiklerine dönüştürürüz.
Bir saniyeyi saymak için kaç tane tepe ve çukur döngüsü saymamız gerekir? Kullandığımız atom türüne bağlıdır, çünkü her birinin farklı bir içsel rezonans frekansı vardır. Saatlerde sıklıkla kullanılan bir atom için – sezyum – cevap 9.192.631.770 döngüdür. Aslında, 1967’de, dünyanın zaman tutucuları resmi uluslararası saniyeyi, sezyum rezonans frekansına ayarlanmış ışığın tam olarak o sayıda döngüsünün bir dedektörden geçmesi için gereken süre olarak tanımladılar.
Zamanı Tutmak İçin Neden Atomlardan Faydalanıyoruz?
Dünya çapındaki insanlar zamanı nasıl bir arada tutuyor? Atomik saatler kullanıyorlar. Bu dikkat çekici cihazlar, atomların kalbinde gizli frekansları kullanarak şaşırtıcı derecede istikrarlı, doğru zaman tik takları üretiyor; diğer tüm saat türlerinden çok daha iyi. Bu animasyon, zamanı tutmak için neden atomları kullandığımızı ve bunların hepimizi nasıl ritimde tuttuğunu açıklıyor.
Atom Saati Çağı
Atomların kendileri mükemmel olduğundan, bir atom saatinin doğruluğu yalnızca lazerlerinin, elektroniklerinin ve diğer bileşenlerinin ne kadar iyi olduğuna bağlıdır. 1949’da Washington, DC’deki Ulusal Standartlar Bürosu’nun (şimdiki adıyla NIST) laboratuvarında çalışan bilim insanları tarafından icat edilen ilk atom saati, mevcut elektronik saatlerden pek de iyi değildi. Ancak atom saatleri şaşırtıcı bir oranda gelişti ve dünyamızı dönüştürdüler.
Günümüzün en iyi atom saatleri, diğer tüm saat türlerinden milyarlarca kat daha doğru ve hassastır. 13,8 milyar yıl önce Büyük Patlama’dan beri çalışıyor olsalardı, bir saniyeden daha az kaybeder veya kazanırlardı.
Geçtiğimiz 75 yılda bilim insanları ve mühendisler zaman tutma, navigasyon, telekomünikasyon, bilimsel keşif ve sayısız başka kullanımlar için atom saatleri inşa ettiler. Yeni saat türleri yakında önceki nesillerin sadece hayal edebildiği yetenekleri açabilir.
Bu web sitesi atom zamanı boyunca bir tur sunuyor. Farklı atom saatlerinin nasıl çalıştığını, atom saatlerinin bize zamanı nasıl söylediğini , bu olağanüstü teknolojinin tarihini ve atom saatlerinin hem teknolojide hem de bilimde nasıl derin ve bazen beklenmedik ilerlemelere yol açtığını öğrenmek için okumaya devam edin.
https://www.nist.gov/atomic-clocks/how-do-atomic-clocks-work