GPS Gibi Pek Çok Teknolojide Kullanılan Atomik Saatlerin Çalışma Prensibi
ilgili başlık şunu anlatıyordu
sezyum 133 atomunun 9.192.631.770 kere titreşmesi, tam olarak 1 saniyede meydana gelmektedir.
sezyum 133 atomu atom saatlerinde ölçü birimi olarak kullanılmaktadır. bu atom saniyede tam 9.192.631.770 titreşim yapmaktadır. bu özelliği bize, 1 saniyeyi 9 milyarda bir hassaslığında ölçme imkanı verir. bu atomun titreşim saysı o kadar hassastır ki, atom saatinin 30 milyon yılda ancak 1 saniye kadar şaşma ihtimali bulunmaktadır.
öncelikle atomik saat nedir? nasıl titrer ve nerede kullanılır?
atomlardaki elektronlar belirli enerji seviyelerinde bulunurlar. bu elektronların seviyelerini uyararak değiştirmek mümkündür. işte bu enerji değişimi sırasında da ışıma yaparlar. atom saatleri tam da bu noktada bu ışımaları oluşturan fotonların frekansına denk gelmektedir. yani ışığı oluşturan en küçük parçacık olan fotonun frekansını ölçünce enerji değişimi frekans olarak ölçülebilir hale gelir.
atom saatleri de içerdekileri elektronların eşsiz enerjilerinden dolayı, tasarlanmış bir osilatör içerisinde uyarıldıkları elektronların enerji değişimlerinden dolayı titrerler ve ortaya her atoma özgü farklı bir frekansa sahip fotonlar yayarlar. bu fotonların frekansı da bize "tick" sayısını verir. bu tick, sezyum-133 atomu için (sezyum atomonun izotopu) sı sistemine göre 1 saniye olarak kaydedilmiştir.
atomik saatler ne işe yararlar?
şimdi, kütle çekimini bilmeyenimiz yoktur herhalde? işte, klasik fizikteki kütle çekim kanunu (newton), albert einstein tarafından yayınlanan 1905 yılındaki bilmem kaçıncı khk ile görelilik kuramı kapsamında "kütleçekimsel zaman genişlemesi" olarak revize edildi. peki bu ne anlama geliyor? şöyle ki; interstellar filminden de öğrendiğimiz üzere: "uzay-zamanda büyük kütleli cismin yanına yaklaşırsanız zaman yavaşlıyor." konuyu daha da açacak olursak: "bak güzel kardeşim, deniz seviyesine güzel bir isviçre saati koy ve aynı anda o isviçre saatinden bir tane de dünya'nın en yüksek noktası olan everest'e koy. sonra bu saatleri unut ve 100.000 yıl sonra geri gel. saatleri kıyasla. göreceksin ki dağdaki saat yaklaşık 2.8 saniye daha ilerde olacak." yani ne oldu? dünya'ya daha yakın olan saat yavaşlarken, dünya'dan daha uzak olan saat hızlandı.
peki bunun günümüzle ne alakası var?
çok alakası var dostum... sen yandex'e konum yazıyorsun, yandex seni hedefe götüremiyor, neden? hiç düşündün mü bunu? bazen iki sokak aşağısını gösteriyor, bazen ebesinin nikahına götürüyor çünkü yandex'in verileri aldığı gps everest'de değil; 25.000 km yukarda, yani dünya'dan bir hayli uzakta bulunuyor. gps için saat 40 mikro saniye daha hızlı akıyor. işte bu 40 mikro saniye bir şekilde düzeltilemezse 15-20 km'ye yakın farklara sebebiyet verebiliyor. hadi düzeltildi ama pazardan aldığın kalitesiz atomla düzeltildi diyelim... sezyumunu düşük koyduğun zaman meretin sana 2-3 km'ye mal oluyor...
tek dert senin yandex mi? hayır. işte gps ile çalışan nükleer başlıkların, balistik füzelerin, uçak rotalarının ve bilimum zaman-mesafe ile ilgili olan her şeyde bu ölçüm oldukça büyük önem taşıyor.
peki atom saatleri nasıl çalışıyor?
çok basit... alıyorsun atomu, koyuyorsun bir asilatörün içerisine. soğuttukça soğutuyorsun. -273 c'e getirdin mi? heh, işte tam bu noktada şekildeki gibi bu eksenlerle basıyorsun ışını ve bir anda buharlaştırıyorsun.
tam bu noktada da çıkan fotonların frekansını manyetik bir alanda yakalıyorsun ve böylece elektronların enerji titreşimlerini rezonans ölçümüyle nümerik hale getiriyorsun.
çok titremek neden çok önemli?
yukarıda anlattığım görelilik teorisine göre dünya'ya ayrı mesafelerde bulunan noktaların zaman kavramı her zaman farklıdır. yani yükseklik farkı oldukça zaman aynı olmayacaktır. işte titreşim ne kadar frekanslı olursa kütleçekimsel zaman genişlemesi de o kadar hassas ölçülebilecektir...
niçin sezyum-133 ekşi'de başlığı açılacak kadar popüler?
çünkü sezyum atomunun 40 izotopu bulunuyor ve en stabil olan izotopu sezyum-133'dür.yıllarca bir bozunuma uğramaz, camı çatlamaz, askerde kantinlerde satılan saatler gibi su geçirmez...
peki bu canavar atomlar nelerdir ve nerede bulunurlar?
bu atomlar genelde izotopturlar. laboratuvar şartlarında üretilirler. değişik yöntemlerle de atomik saat haline getirilirler. aşağıda bazı atom izotoplarını ve saniyedeki titreşim değerlerini göreceksiniz:
sezyum-133 (bilinen 40 izotopu var, bilinen en uzun yarı ömürlü olanı bu) -> 9.192.631.770
rubidyum-87 (32 izotopu var, stabil değil, 30 günde bozunur) -> 6.834.682.610
hidrojen-112 (3 izotopu var, dr. manhattan) -> 1 420 405 751
stronsiyum-87 (çok hassas saatler yapılmaya başlandı)--> 429 228 004 229 873 (nasıl? okuyabildin mi? evet, 429 trilyon.)
peki en hassası nedir?
son yapılan çalışmarda bu rekor iterbiyum'a ait. iterbiyum atomu saniyede 518 295 836 590 863 (518 trilyon) defa titreşiyor. (ilgili ekşi başlığındaki sezyum-133'ten tam 56 bin kat daha yüksek bir frekansa sahip.)
peki bu iterbiyum hassasiyeti ne anlama geliyor?
senden (1 cm) yukarda bulunan bir nesneyle olan arandaki kütleçekimsel zaman genişlemesini ölçebileceği manasına geliyor. düşün, gps hiç hata yapmayacak hem de 22 milyar yıl boyunca...
yani evrenin doğuşunda bu saat çalışsaydı (13.7 milyar yıl önce), bu saat hala doğru zamanı gösteriyor olacaktı...