Bir gün 24 saat, bir saat 60 dakika ve bir dakika 60 saniyedir. Bu durumda, bir saniyenin bir günün tam olarak 1/86.400’ü olduğunu hesaplarız.. Ancak zamanı tanımlamak bu kadar basit değildir. Bugün bir saniyeyi sabit bir zaman dilimi olarak kabul etsek de, bu küçük birim tarih boyunca birkaç kez yeniden tanımlanmıştır.
Bir saniye, başlangıçta bir günün uzunluğuna göre tşekillendi. İnsanlar güneşin gökyüzündeki hareketini gözlemliyor ve onun tepe noktasından geçişini esas alarak zamanı ölçmeye çalışıyordu. Bu amaçla güneş saatleri gibi araçlar kullanılıyordu.
Ancak güneş saatlerinin bazı dezavantajları vardı. En bariz sorun, güneş görünmediğinde bu tür saatlerin çalışmamasıdır. Daha az bilinen bir diğer sorun ise, Dünya’nın günlük dönüşüne, yani astronomik zamana dayalı ölçümlerin aslında düşündüğümüz kadar kesin olmamasıdır.
Dünya’nın dönüşü sabit değildir. Zaman zaman hızlanır ya da yavaşlar. Bu dalgalanmaların bazıları mevsimsel değişimlerden kaynaklanırken, bazıları da gezegenin eriyik çekirdeğindeki hareketlerden ötürü on yıllar boyunca öngörülemez biçimde değişir.
Ayrıca gelgitlerin ileri geri hareketi, uzun vadede Dünya’nın dönüşünü yavaşlatır. Peki, bir günün uzunluğu bu kadar değişkense zamanı nasıl hassas biçimde ölçeceğiz?
Zamanı Ölçmek Kolay Değildir?
16. yüzyılda insanlar bu soruna teknolojik çözümler aramaya başladı ve ilk tanıdık mekanik saatler ortaya çıktı. Zaman ölçümünün kalbi, güneşin konumunu takip etmekten, sabit frekansta titreşim üreten bir düzenek oluşturmaya ve bu titreşimleri belirli sayılarda bir saniyeye denk saymaya doğru kaydı.
Bu dönemin en erken mekanik örnekleri sarkaçlı saatlerdi. Bu saatler, yıl boyunca ortalama astronomik saniyeye karşılık gelecek şekilde belirli bir frekansta çalışacak biçimde yapılmıştı. Takip eden yüzyıllarda bilim insanları daha hassas osilatörler geliştirdi. Yaylar, dişliler ve diğer mekanizmalarla pek çok farklı zaman ölçüm sistemi ortaya çıktı.
1940’lara gelindiğinde, kuvars kristalli saatler yeni standart hâline gelmişti. Bir kuvars parçasına elektrik gerilimi uygulandığında titreşmeye başlar ve bu titreşimin frekansı son derece hassas biçimde ayarlanır. Bu hassasiyet gündelik kullanım için yeterlidir.
Ancak internet, GPS sistemleri gibi ileri teknolojik alanlarda bu düzeyde doğruluk yeterli değildir. Ayrıca her kuvars kristali benzersizdir ve çevresel koşullara bağlı olarak titreşim frekansı hafifçe değişir. Bu da zaman ölçümünde sorunlara yol açar. Gerçek anlamda doğru saatler için, fiziksel koşullardan etkilenmeyen bağımsız ve değişmeyen bir referans gerekir. İşte burada atom saatleri devreye girer.
Bir Saniye Aslında Nedir?
Atomlar yalnızca belirli enerji düzeylerinde var olur ve bir düzeyden diğerine yalnızca sabit miktarda enerji alarak ya da yayarak geçiş yapar.. Bu enerji belirli bir frekansa karşılık gelir ve bu frekans zaman ölçümünde referans olarak kullanılır.
İlk pratik atom saati 1955’te kullanıldı. Bu saat, sezyum atomlarının mikrodalga enerjisiyle gerçekleştirdiği geçişlerin sayısını bir astronomik saniye boyunca ölçüyordu. 1967 yılında uluslararası bilim camiası, bu ölçümü temel alarak saniyeyi yeniden tanımladı. Artık Uluslararası Birim Sistemi’ne göre bir saniye, sezyum atomunda gerçekleşen 9.192.631.770 titreşimin süresi olarak tanımlanıyor.
Bu tarihten itibaren astronomik saniye değişmeye devam ederken, atomik saniye sabit kaldı. Dünya’nın dönüş hızındaki dalgalanmalar nedeniyle, birkaç yılda bir “artık saniye” eklenmesi gerekiyor. Bu ekleme, atomik zamanla Dünya’nın dönüşünü uyumlu tutmak için yapılıyor.
Ancak bilim insanları, saniyenin bu tanımıyla yetinmiş değil. Mevcut tanım, saniyeyi bir katrilyonda bir saniyelik (10⁻¹⁵ s) bir doğrulukla belirleyebiliyor. Yine de dünya genelinde araştırma ekipleri, çok daha hassas optik atom saatleri üzerinde çalışıyor.
Bu saatler, sezyum yerine stronsiyum veya iterbiyum gibi elementlerin görünür ışıkla uyarılan daha yüksek enerjili atomik geçişlerini kullanıyor. Bu da doğruluğu 100 kat artırabiliyor.
Neden Bu Kadar Doğru Saatlere İhtiyacımız Var?
Zaman ölçümleri bu kadar hassaslaştığında, yalnızca doğruluk değil, aynı zamanda bilimsel fayda da artar. Örneğin Einstein’ın genel görelilik kuramına göre, kütleçekimi uzay-zaman dokusunu bozarak zamanın akışını etkiler. İşte bu ultra hassas saatler sayesinde, biz de bu bozulmaları doğrudan ölçebiliyoruz. Nitekim optik atom saatleri hâlihazırda Dünya’nın çekim alanındaki küçük farkları tespit etmekte kullanılıyor.
Bu gelişmeler sıradan insanlar için belki doğrudan bir anlam ifade etmez. Ancak bilim insanları, saniyenin daha hassas tanımlanmasının karanlık madde araştırmalarında, yerçekimi dalgalarındaki değişimlerin izlenmesinde ve temel fizik yasalarının daha iyi anlaşılmasında kritik bir rol oynayacağını düşünüyor.
Görüldüğü gibi, “bir saniye nedir?” sorusuna kesin ve evrensel bir yanıt bulmak, yüzyıllar süren bir çabanın ürünü oldu—ve bu arayış henüz bitmiş değil.
Kaynaklar ve İleri Okumalar:
- Scientists Want to Change How Long the Second Is. Yayınlanma tarihi: 26 Nisan 2022; Kaynak site: Popular Mechanics. Bağlantı: Scientists Want to Change How Long the Second Is
- Boulder Atomic Clock Optical Network (BACON) Collaboration*. Frequency ratio measurements at 18-digit accuracy using an optical clock network. Nature 591, 564–569 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03253-4
- Takamoto, M., Ushijima, I., Ohmae, N. et al. Test of general relativity by a pair of transportable optical lattice clocks. Nat. Photonics 14, 411–415 (2020). https://doi.org/10.1038/s41566-020-0619-8
Matematiksel
