Herkesin zamanı bilmesi gerekiyor. 17. yüzyılda Hollandalı mucit Christiaan Huygens ilk sarkaçlı saati yaptığından beri de insanlar zamanı daha hassas bir şekilde ölçmeye çalışıyor. Zamanı doğru ayarlamak, demiryolu işletmekten borsada milisaniyelik işlemler yapmaya kadar pek çok açıdan önemlidir. Peki ama bir saniye nedir?
Bir saniye tanımını, bir dakikanın 60’da biri ya da bir saatin 3600’de biri biçiminde yapabilirsiniz. Tam olarak bir saat nedir? Yüzyıllar boyunca zamanı Dünya’nın dönüşünü temel alarak zamanı ölçtük. Bu insanlık tarihinin çoğu için zamanın geçişini işaretlemenin bir yolu olarak yeterliydi. Buna bağlı olarak gün, saat, dakika ve saniye kavramlarını geliştirdik.
Güneş’in doğudan doğup batıdan batması ve yeniden doğması bir gün kabul edildi. Bir gün ise 24 saate, bir saat 60 dakikaya ve bir dakika 60 saniye denk oldu. Ancak bir sorun vardı. Çeşitli etkenler yüzünden Dünya’nın dönüşü her 10.000 yılda 30 saniye kadar yavaşlar. Dünya’nın dönüşünün düzensizliği, bilim insanlarını zamanı ölçmek için yeni bir yol araştırmaya yöneltti.
Bu nedenle de günümüzde saatlerimiz, atom saatlerinden gelen sinyallere göre kendilerini kontrol ediyor. 2020 itibarıyla, uzaya her biri üç veya dört atom saati taşıyan 74 adet GPS uydusu fırlatıldı. Artık ulaşım ağları, elektrik hatları, telekomünikasyon ve haritacılıktan tarım, bankacılık, meteoroloji ve acil servislere kadar her şey uydu saatlerinin sağladığı zaman, konum ve navigasyon bilgilerine dayalı olarak işliyor.
Bir Saniye Aslında Nedir?
Günümüzde gündelik saatlerin çoğunda, çok yüksek frekansa ve kararlılığa sahip, küçük bir kuvars kristali parçası kullanılıyor. Geçtiğimiz yüz yılda bu saat tasarımında pek bir şey değişmedi. Ancak onları daha ucuz, daha tekrarlanabilir hale getirme konusunda daha iyi olduk. Bu kadar hassas bir şekilde disipline edilmiş osilatörler yapabilmemiz, frekans ve zamanı tüm fiziksel büyüklükler arasında en hassas şekilde ölçülen şey haline getiriyor.
1955 yılına kadar saatinizi düzenli astronomik olaylara göre kontrol ederek düzeltmeye devam etmeniz gerekiyordu. Artık saatleri atomların içindeki doğal salınımlara karşı disipline ediyoruz. Yani bir saniye hala saatini 3600’de biri. Ancak artık saati daha doğru biçimde tanımlamayı başarmış durumdayız.
Bu öncü saatinin zamanı tutmaya başladığı zamandan bu yana, fizikçiler dünyaya doğruluk seviyesi katlanarak artan saatlerden oluşan bir dizi armağan etti. 1955’te üretilen atom saatinin hassasiyeti, 300 yılda bir saniye seviyesindeydi. 1980’lere gelindiğinde, atom saatleri zamanı 300.000 yılda bir saniye hassasiyette tutuyordu. Günümüzün atom saatleri bundan çok daha doğru.
Atom saati, Sezyum atomlarındaki elektronların spin adı verilen bir kuantum özelliğinin ters dönme frekansını sayarak çalışır. Bu nedenle “Bir saniye nedir?” sorusunun cevabı “oda sıcaklığındaki uyarılmamış Sezyum-133 atomunun temel durumdaki iki enerji seviyesi arasındaki geçişe karşılık gelen, 9.192.631.770 döngülük radyasyon, tam olarak 1 saniyedir” biçiminde olacaktır.
Bir Saniyenin Tanımı Bir Kere Daha Değişmek Zorunda Gibi Gözüküyor
Dünyanın dört bir yanına dağılı birkaç düzine yüksek seviyeli optik atomik saat vardır. Ancak farklı laboratuvarlarda bulunan, farklı optik atomik saatler birbirinden farklı okumalar yapabiliyor. Bu Albert Einstein’ın genel görelilik teorisi ile ilgili bir sorun. Çünkü saatlerin deniz seviyesine göre yükseklikleri ölçtükleri zamanı etkileyebiliyor. Saat ne kadar yüksek olursa, zaman da o kadar hızlı geçiyor.
Peki zamanı daha kesin bir şekilde ölçmemize olanak tanıyan daha iyi saatler yapabilir miyiz? Bilim insanları, saniyenin uluslararası tanımının daha kesin hale getirilecek şekilde yeniden tanımlanıp tanımlanamayacağını düşünüyor. Ancak bunu başarmak ve zamanı tam olarak ölçmek için optik atom saatlerine ihtiyacımız var.
2024 yılı başında Çinli araştırmacılar stronsiyum ve ultra kararlı lazerler kullanarak dünyada türünün ikinci örneği olan bir optik atomik saat inşa ettiler. Bu saat 7,2 milyar yıl boyunca hatasız çalışma potansiyeline sahip. Günümüzde en hassas atomik saat ABD’deki Colorado Üniversitesi’nde yer alıyor. Son başarılarıyla Çin, dünyada hassas zaman ölçümü yapan ikinci ülke oldu.
Neden Bu Kadar Doğru Saatlere İhtiyacımız Var?
Zaman ölçümleri bu kadar hassas olduğunda yararlı farklılıklar ortaya çıkabiliyor. Örneğin, Einstein’ın genel görelilik teorisine göre kütleçekimi uzay-zamanı bozar. Bu tip saatler yardımı ile biz de bu bozulmayı ölçebiliriz. Aslına bakarsanız, optik saatler Dünya’nın çekim alanındaki farkı tespit etmek için zaten kullanılıyor.
Bu bizler gibi sıradan insanlar için pek bir şey ifade etmeyecektir. Ancak bilim insanları, bir saniyenin daha doğru bir şekilde yorumlanmasının, karanlık maddeye ve yerçekimi dalgalarındaki değişimlere yönelik araştırmalardaki sorunları çözmemize yardımcı olacağını söylüyor. Daha doğru saatlerle belki yerkabuğu hareketini daha etkili bir biçimde ölçebiliriz. Volkanik patlamaları bile önceden tahmin edebiliriz. Gördüğünüz gibi “bir saniye nedir?” sorusuna cevap vermemiz hiç de kolay olmadı.
Kaynaklar ve İleri Okumalar:
- China creates atomic clock that will run error-free for 7.2 billion years. Yayınlanma tarihi: 29 Ocak 2024. Kaynak site: Popular Mechanics. Bağlantı: China creates atomic clock that will run error-free for 7.2 billion years
- 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
- Ruxandra Bondarescu, Andreas Schärer, Andrew Lundgren, György Hetényi, Nicolas Houlié, Philippe Jetzer, Mihai Bondarescu, Ground-based optical atomic clocks as a tool to monitor vertical surface motion, Geophysical Journal International, Volume 202, Issue 3, September 2015, Pages 1770–1774, https://doi.org/10.1093/gji/ggv246
Size Bir Mesajımız Var!
Matematiksel, 2015 yılından beri yayında olan ve Türkiye’de matematiğe karşı duyulan önyargıyı azaltmak ve ilgiyi arttırmak amacıyla kurulmuş bir platformdur. Sitemizde, öncelikli olarak matematik ile ilgili yazılar yer almaktadır. Ancak bilimin bütünsel yapısı itibari ile diğer bilim dalları ile ilgili konular da ilerleyen yıllarda sitemize dahil edilmiştir. Bu sitenin tek kazancı sizlere göstermek zorunda kaldığımız reklamlardır. Yüksek okunurluk düzeyine sahip bir web sitesi barındırmak ne yazık ki günümüzde oldukça masraflıdır. Bu konuda bizi anlayacağınızı umuyoruz. Ayrıca yazımızı paylaşarak veya Patreon üzerinden ufak bir bağış yaparak da büyümemize destek olabilirsiniz. Matematik ile kalalım, bilim ile kalalım.
Matematiksel
