Atomlardaki elektronlar belirli enerji seviyelerinde bulunur ve enerji soğurarak ya da enerji yayarak bu seviyeler arasında geçiş yapar. Atom saatleri, frekans standardı olarak atomlar tarafından yayılan fotonların frekanslarını kullanan saatlerdir. Bu saatler günümüzün en hassas zaman ölçme aletleridir.
İlk atom saati, 1949’da Amerikan Ulusal Standart ve Teknoloji Enstitüsü’nde geliştirilmişti ve oda sıcaklığında çalışan bir amonyak mazeri (mikrodalga lazeri) içeren bu cihazın hassasiyeti düşüktü. Ancak zaman içerisinde büyük çoğunluğu düşük sıcaklıklarda çalışan, çok daha hassas atom saatleri geliştirildi. En son geliştirilen stronsiyum atom saati o kadar hassastır ki, Büyük Patlama’dan beri (yaklaşık 14 milyar yıldan beri) çalışıyor olsaydı bugün zamanı 1 saniyeden daha az bir hata ile gösteriyor olurdu.
Günümüzde pek çok standart enstitüsü atom saatleri ağlarına sahiptir ve bu saatler her gün 10-9 saniye hassasiyetle senkronize edilir. 1967 yılından beri sezyum-133 atomlarının iki enerji seviyesi arasındaki geçiş frekansı 9.192.631.770 Hz (s-1) olarak tanımlanıyor. Başka bir deyişle sezyum-133 atomları tarafından yayılan ışığın elektrik ve manyetik alanları saniyede 9.192.631.770 kez salınır. Bu zaman standardına sezyum standardı denir.
Atom Saatleri Nasıl Çalışır?
Atom saatinde akrep, yelkovan ve sayılı ya da sesli hiçbir gösterge bulunmaz. Bu nedenle zamanı göstermez. Vakum pompaları ve elektronik devreleriyle atom saati, saatten çok, karmaşık bir laboratuvar aygıtına benzer.
Tüm atomlar elektronların çekirdek çevresinde yörünge değiştirmesine bağlı olarak enerji yayımlar ya da soğururlar. Bir elektron yüksek enerjili bir yörüngeden düşük enerjili bir yörüngeye geçerse, elektromanyetik bir ışınım salar. Bu ışınımın frekansı enerji değişimiyle orantılı olarak artar. Benzer biçimde, bir elektronu, düşük enerji düzeyinden yüksek enerji düzeyine çıkarmak için, elektronun dışından bir elektromanyetik ışınla beslenmesi gerekir. Enerji farkı, ışınımın frekansıyla orantılıdır.
Atomdaki enerji düzeyleri, sıcaklık, basınç ya da çekimden etkilenmez. Bu nedenle standart frekansları belirlemede kullanılmaya çok elverişlidir. Alkali metaller, sezyum, rubidyun ve hidrojen gibi elementler bu iş için çok kullanışlıdır. Bu atomların dış yörüngelerinde tek elektron bulunur.
Atom Saatleri Nerelerde Kullanılır?
Atom saatlerinden çeşitli teknolojilerde ve bilimsel çalışmalarda yararlanılır. Örneğin konum belirlemek için kullanılan GPS uydularında hassas atom saatleri vardır. Bunun yanı sıra başta görelilik kuramı olmak üzere zamanın hassas bir biçimde ölçülmesinin gerekli olduğu bilimsel çalışmalarda da atom saatleri kullanılır. Örneğin, Albert Einstein’ın genel görelilik kuramının en önemli sonuçlarından biri, zamanın akış hızının kütle çekim kuvvetinden etkilenmesidir. Dolayısıyla, yeryüzünde farklı yüksekliklerdeki saatler farklı hızlarda çalışır. Dünya gibi küçük gezegenlerin etraflarındaki zayıf kütle çekim alanlarında bu etkiyi sıradan saatlerle ölçmek çok zordur. Ancak stronsiyum atom saatlerinin yüksekliğini sadece 2 santimetre değiştirerek zamanın akış hızında meydana gelen değişiklikleri gözlemlemek mümkün.
Araştırmacılar, saniyede yaklaşık 500 trilyon kez tik taklayan bu saatler üzerinde 15 yıldır çalışıyor. En son üretilen iterbiyum saatinin daha öncekilerden en önemli farkı, mekanizmasında yeni bir ısı kalkanının kullanılması. Araştırma ekibi birkaç yıl önce geliştirdikleri bu ısı kalkanıyla iterbiyum atomlarını çevresel etkenlerden daha korunaklı hale getirdiler.
Bilim insanları yeni geliştirilen atom saati sayesinde 1 santimetrelik yükseklik farklarından kaynaklanan kütle çekimsel zaman genişlemesini bile ölçebilecek. Kütle çekimi farklarını bu derece hassas hesaplayabilen yeni saat, jeodezi (Dünyanın geometrik şeklini ve yerçekimini ölçen bilim dalı) alanında oldukça kullanışlı olacak. Dünyanın homojen bir yapısı olmadığı için kütle çekim kuvveti de homojen olarak dağılmıyor. Dünyadaki yer çekimi farklılıklarını hassas bir şekilde ölçmeye imkân tanıyan bu yeni teknoloji sayesinde depremler sonucu yeryüzünün derinliklerinde oluşan değişiklikler, dünyanın içyapısının akışkanlığı ve viskozotesi gibi değerler ölçülebilecek. Volkanların yakın çevresinin incelenmesi sonucu magmanın yer altındaki hareketlerinin ölçülmesi bile mümkün olabilecek.
Yeni geliştirilen atom saatinin bir diğer kullanım alanı da karanlık madde araştırmaları olabilir. Karanlık madde, elektromanyetik dalgalarla etkileşime girmediği için, teleskoplar veya diğer ölçüm aletleri ile doğrudan gözlemlenemiyor. Fakat evrendeki toplam maddenin yaklaşık %85’ine yakının oluşturan bu madde, gök cisimlerinin uzaydaki hareketlerini etkileyebiliyor. Bilim insanları, karanlık maddenin de sahip olduğu kütle sayesinde kütleçekimsel zaman genişlemesine yol açabileceğini öngörüyor. Yeni atom saati bu genişlemeyi hassas bir biçimde ölçmek için kullanılabilir.
Bu atom saatinin bulunduğu uzay aracı uzayda dolaşırken yoğun miktarda karanlık maddenin yanına yaklaştığında zaman daha yavaş akacak. Oluşacak zaman farkı çok küçük olmasına rağmen hassas atom saatlerinin kullanılması ile bu farklılıkların ölçülebileceği düşünülüyor.
Laboratuvar ortamında kurulan bu atom saatlerinin çalışabilmesi için çok sayıda lazere ihtiyaç duyuluyor. Saatleri geliştirmeye devam eden bilim insanları ileride taşınabilir bir versiyonunu yapı dünyanın değişik yerlerindeki kütleçekim farklılıklarını ölçmeyi planlıyor.
Kaynaklar: http://www.bilimgenc.tubitak.gov.tr/makale/atom-saatleri
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0738-2
