Önemli İcatlar - Atom Saati

Tarihte yapılan en hassas atom saati, saniyeyi yeniden tanımlamak üzere zamanı saymayı bekliyor. Zamanı atomların titreşiminden ölçen saat, 1018 saniyede bir saniye şaşıyor. Atom veya moleküllerin titreşimlerini kullanarak zamanı büyük bir hassasiyetle ölçen alet.

Zaman ölçümünde temel birim saniyedir. Saniye güneş gününün uzunluğuna bağlı olarak tarif edilmiştir.

Ancak ilmi çalışmalar için daha ileri bir hassasiyet gerekmektedir.

Atom saatinin esasını, atom ve moleküllerinin belirli frekanslarda enerji emerek veya yayarak, enerji alıp verebilecek duruma gelebilmeleri teşkil etmektedir.

Bir atom veya molekül sisteminden yüksek frekansta kararlı elektromanyetik dalgalar üreten ve maser adı verilen bu cihazlar üzerindeki çalışmalar 1940 yılında başlamıştır. 1949’da ABD’nin Milli Standartlar Bürosu, amonyak molekülünün özelliklerine bağlı olarak ilk saati imal etmiştir. 1955’te İngiltere’de, frekansı, saniyede 9.192.631.750 devir olan sezyum ışını kullanılarak atom saati yapılmıştır. Bu saatin hassasiyeti 1/1011 derecesinde olup, 1963 yılında milletlerarası zaman standardı olarak kabul edilmiştir.

1960 yılında ABD’de 1/1012 hassasiyetinde hidrojen ışın maseri geliştirilmiş olup, hassasiyeti 1/1014e yükseltmek için çalışmalar yapılmaktadır. 1/1014 hassasiyet üç milyon yılda bir saniyelik bir hataya karşılık gelmektedir.

Dünyanın en hassas saati, bir dakikanın altmışta biri

1950’lerde bilimsel amaçlarla kullanılan atom saatlerinin yeni kuşağı. Atom saatleri, atomların titreşim frekanslarını ölçen cihazlar. Örneğin, caeseium atomunun elektronları iki enerji hali arasında saniyede 9.192.631.770 (9 milyar 192 milyon 631 bin 770) kere gidip geliyor. Bu titreşim ölçümü, saniyenin de tanımı sayılıyor, 1 saniye caesium atomunun 9 milyar 192 milyon 631 bin 770 kez titremesi için geçen zaman aralığı olarak tanımlanıyor.

Atom saatlerinin hassasiyeti günlük hayatta kullanılan kol saatlerinden biraz daha yüksek. Bu saatler 30 milyon yılda bir saniye atıyor. Ancak, bununla yetinmeyen bilim insanlarının daha hassas saat yapma arzusu yeni ve daha gelişmiş saatlerin önünü açıyor.

‘

TİK-TAK’ SAYISINI ARTIR

Almanya’nın önde gelen bilim kurumlarından Max Planck Enstitüsü uzmanlarından Thomas Udem, daha yüksek hassasiyet için, saatin ‘tik-tak’larını artırmak gerekeceğini belirtiyor. Bu teze göre, akan giden zamanı dilimlere bölen ‘tik-tak’ların sayısı arttıkça, ölçülen zaman daha ince dilimlere bölünecek. ‘Tik-tak’lar arasındaki zaman kısaldıkça da ölçüm hassasiyeti yükselecek. Zamanı daha kısa dilimlere ayırma kavramı, insanoğlunun güneş saatinden kum saatine, sarkaçlara ve gelişmiş teknoloji kronometrelere uzayan serüveninin de temelinde yatıyor. Çağdaş caesium saatleri, saniyede 9 milyar titreşim ölçebiliyor.

BİR GÜN BİLE UZUN KALIR

Bilim insanları 1950’lerin caesium saatlerinden daha hassas saat arayışında ytterbium (Yb) ve strontium (Sr) gibi yeni elementleri değerlendiriyor. Strontium saniyede 429.228.004.229.952 (429 trilyon 228 milyar 4 milyon 229 bin 952) kez titriyor.

STRONTİUM TEMEL ALINACAK

Strontium elementinden atom saati üretmenin iki yolu var, ya tek bir atomun titreşimleri sayılacak, ya da birden çok atom aynı anda sayılacak. Tek atom kullanmanın avantajı, tek atomu, titreşim frekansını bozan elektromanyetik alandan korumak daha kolay. Dezavantajı ise, bu derece yüksek bir frekansta tek bir atomun hareketliliğini ölçmek daha zor. Çok atomlu düzenekte ise, ölçüm kolaylaşırken, elektromanyetik alanın etkisinden dolayı ölçümün kesinliğinden yitiriliyor.

YUMURTA KUTUSU DÜZENEĞİ

Tokyo Üniversitesi’nden Hidetoshi Katori, tekli ve çoklu atom düzeneklerinin avantajlarını birleştiren bir sistem geliştirdi. Katori, 6 lazer ışını kullanarak elektromanyetik dalgalar yaratıyor. Bu sistem her bir strontium atomunu tek tek destekleyen enerji kaynakları yaratıyor. Düzenek, yumurtaların taşınmasında kullanılan yumurta kutularını andırıyor. Her bir atom kendi yuvasında elektromanyetik dalgalardan korunuyor. Bu şekilde çoklu atom düzeneğinde dahi atomlar elektromanyetik dalgalardan etkilenmiyor.

Daha önce bu sisteme benzer sistemler yapılmış, fakat atomları koruması gereken lazerlerin titreşimi bozduğu görülmüştü. Katori, lazerlerin frekanslarını düzeneğin üst ve altını eşit derecede etkileyecek şekilde ayarladı. Bu şekilde lazerlerin titreşime etkisi sabitlendi. Katori’nin atom saati zamanı 10-18 kat hassasiyetinde ölçüyor. Diğer bir deyişle, 1018 saniyede bir saniye şaşıyor.

14 milyar yıl boyunca 1 saniye bile şaşmayan inanılmaz saat

University of New South Wales'ten profesör Victor Flambaum, saati şöyle tanımlıyor: "Bu saat, bugünkü en iyi atom saatlerinden yaklaşık 100 kat daha güçlü." "(Bu saat), bilim adamlarının temel fizik teorilerini eşi görülmemiş bir doğrulukta test etmesine izin verebilir ve uygulamalı fizik araştırmaları için eşsiz bir araç sunabilir."

Araştırma takımının iyon saati, atom çekirdeği etrafında dönen bir nötronu esas alıyor ve 19 ondalık haneye kadar isabetli sonuç veriyor. Flambaum, elektronları lazer yoluyla yönlendirmenin atom çekirdeği etrafında dönen nötronu bir saat sarkacı olarak kullanmaya izin verdiğini ve yüksek bir doğruluk sağladığını söylüyor.

Nükleer Saat Fizikte Çığır Açacak

Bilim insanları, en doğru zaman hesabını yapacak nükleer bir saat geliştirmek için çalışmalara başladı. Nükleer saatin, evrenin yaşına denk gelen 14 milyar yılda saniyenin sadece 10’da biri kadar yanılma hatası bulunacak.

Uluslararası üç bilimsel kurumun yer aldığı projenin gerçeğe dönüştürülmesi halinde, fizikteki en temel teoriler daha iyi incelenebilecek. Physical Review Letters dergisinde yayımlanacak araştırmaya göre, nükleer saatin hassasiyeti, tek bir toryum iyonunun çekirdeğine dayanacak.

Nükleer saatin zaman ayarı, bugün Küresel Konum Sistemleri’nin (GPS) temelini oluşturan atomik saatlerden 100 kat daha doğru olacak. İletişimde çığır açabilecek nükleer saat, aynı zamanda fizikteki temel ölçüm deneylerinde de büyük bir atılım sağlayabilir.

Nükleer saat projesi, ABD’nin Georgia Teknoloji Enstitüsü ve Nevada Üniversitesi ile Avustralya’nın New South Wales Üniversitesi tarafından yürütülüyor. Araştırma ekibinde yer alan Georgia Teknoloji Enstitüsü’nden Alex Luzmich, RedOrbit sitesine, “Günümüzdeki birçok uygulama için atomik saatler yeterince doğruluk sağlıyor. Ancak çok daha kesin ölçümler sunan bir saat deneyleri bir adım ileriye taşıyabilir” yorumunu yaptı.

Yüksek frekanslı Lazer
Atomik saatlerin zaman hassasiyetini, atomlardaki elektronların lazerle oluşturulan titreşimleri sağlıyor. Ancak bu atomlar manyetik ve elektrik alanların etkisinde kalabiliyor. Bu durum, atomik saatlerin çok düşük bir oranda, 14 milyarda 4 saniye sapmasına neden olabiliyor.

Atomun çekirdeğinde daha yoğun bulunan ve elektronlardan ağır olan nötronlar ise manyetik ve elektrik alanlardan neredeyse hiç etkilenmiyor. Bu sayede, nükleer saatlerdeki yanılma oranının 14 milyar yılda saniyenin sadece 10’da birine indirilmesi hedefleniyor.

Araştırma ekibinde yer alan Corey Campbell, “Nötronlar atomun çekirdeğinde çok daha yoğun ve birbirlerine yakın bulunuyor. Bu sayede dış düzensizlikler bu parçacıkların titreşimlerini neredeyse hiç etkileyemiyor” dedi.

Soğutucu İyon
Bilim insanları, toryum 229 iyonunu daha yüksek enerji seviyesine taşımak için, yüksek enerjili lazer kullanacak. Yüksek enerjili lazerin frekansının çok net belirlenebilmesi sayesinde, zaman çok daha kesin ölçeklerde tutulacak.

Nükleer saatin sürekli çalışır halde kalabilmesi için çok düşük sıcaklıklarda muhafaza edilmesi gerekiyor. Normalde bu işlem için lazer soğutma kullanılıyor. Ancak nükleer saatte lazerin zaman hesabı yapacak olması nedeniyle araştırmacılar toryum 229’un yanına daha ağır olan toryum 232 iyonu ekleyecek. Soğutulacak olan toryum 232, buzdolabı görevi görerek diğer iyonun soğumasını sağlayacak.

Araştırmacılar, nükleer saatin, atomik saatten 100 kat daha doğru zaman hesabı yapacağını tahmin ediyor. Projenin başarıya ulaşması halinde, nükleer ve atomik saatler aynı fizik deneylerinde karşılaştırma yapmak için de kullanılabilecek.

Atom Saatleri
Bilim adamları, atomların çok uzun zaman durağan kalabilen rezonanslara sahip olduklarını anladıklarında, hidrojen veya sezyum atomunun daha hassas saatler için potansiyel birer sarkaç olabileceğini buldular. 1930 ve 40′larda radar ve yüksek frekanslı radyo iletişimleri, atomlarla etkileşime girecek elektromanyetik mikrodalgaların üretilebilmesini olanaklı kılmıştır. 1949′da ABD’de NIST laboratuvarlarında amonyağa dayanan ilk atom saati yapılmıştır. 1957′de ise yine NIST, ilk sezyum atom saatini gerçekleştirmiş ve 1967′de atomun doğal frekansı, yeni uluslaraarası zaman birimi olarak tanınmıştır. Buna göre, 1965 yılına kadar bir yılın 31 556 925.974 7′de biri olarak kabul edilen saniye sezyum atomunun rezonans frekansının 9 192 631 770 salınımına eşittir. Bu, sezyum atomunun ileri geri titreşim yapması için geçen süreye karşılık gelir.

DEVAMI Zaman ölçü birimleri ve ölçüm aletleri

Atom saati,

atomların rezonans frekanslarını sayarak zamanı ölçen bir saat çeşididir. 3 milyon yılda 1 saniye hata yapmalarının ihtimali sadece %22,522dir.