İnsanlık tarihinin büyük bir kısmında, Dünya’nın uzaydaki yerini kullanarak zaman tuttuk. Önce Dünya’daki bir günü, sonrasında ise bir yılı saniyelere böldük. Bu zaman aralığı, Dünya’nın yeriyle belirlendi. Sonrasında ise atom saatleri çıkageldi.
Aşırı ince geçiş ismini taşıyan ve mikrodalga yayıp soğuran bir işlemle sezyum elementinin atomlarını inceleyen araştırmacılar, titreşen kuvars kristallerinin yardımıyla çok hassas şekilde süre tutabiliyor. Bilim insanlarının yaptığı zaman ölçümünün temelini oluşturan bu yöntem, 1967 yılında saniyenin daha doğru tanımlanmasını sağlamış.
Fakat yarım asırdır ne bu tanımlama, ne de tanımlama yapılırken kullanılan atom saatlerinin ayarı değişmiş. Söz konusu saatler, dinozorlar yok olduğundan beri bir saniye bile sapmazdı. Şimdiyse süre tutmaktan daha fazlasını yapabilen, daha iyi atom saatleri geliştirildi. Üstelik bu saatler, fizik biliminde muhteşem araçlar haline gelebilir.
İki farklı araştırma grubu, beş gün önce yayımlanan çalışmalarında bu saatlerin içerisinde meydana gelen ve çözümü zor olan fiziksel süreçleri ölçebilen saatler geliştirdiklerini aktarıyor. Araştırma takımları, elde ettikleri sonuçları 16 Şubat’ta Nature bülteninde iki ayrı makale halinde yayımladı. Bu yeni saatler, Albert Einstein’ın tahminlerinden biri olan kütleçekim kaynaklı zaman genleşmesini de şimdiye kadarki en küçük ölçekte ölçebiliyor.
Bu gibi son teknoloji atom saatlerinde sezyum veya kuvars kullanılmıyor. Saatlerin temelinde, süper soğutulmuş strontiyum atomlarından meydana gelen krep benzeri yapılar bulunuyor. Saati kullananlar, görünür ışık yayan bir lazer yardımıyla bu atomları kontrol edebiliyor. Dolayısıyla saatlere “optik saat” adı veriliyor.
Böyle bir optik saat de Madison – Wisconsin Üniversitesinde bulunuyor. Bu saat altı strontiyum krepini (aslında altı küçük saati) aynı yapı içerisinde barındırabiliyor. (Bu rakamın özel bir tarafı yok; daha fazla saat eklenip çıkarılabilir. Madison – Wisconsin Üniversitesinde fizikçi olan Shimon Kolkowitz, “Altı keyfi bir rakam” diyor.)
Madison’daki bu saat, 300 milyar yılda sadece bir saniye sapıyor; yani evrenin yaşının 20 katından daha fazla bir sürede. Bu bir dünya rekoru olsa da, kendisi en güçlü saat değil. ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) ile Boulder – Colorado Üniversitesinin ortak projesi Ortak Laboratuvar Astrofiziği Enstitüsünde (JILA) yer alan başka bir saat, onu geride bırakıyor.
Aynı cihazda birden fazla “saat” bulunması, zaman tutmak yönünden kullanışlı olmayabilir. (Mesela hangi saati takip edeceksiniz?) Fakat saatlerin birbirleriyle karşılaştırılmasını sağlıyor. Bu saatler çok ama çok kesin olduklarından, bazı çok hassas fiziksel süreçleri ölçebiliyorlar. Örneğin Boulder’da çalışan grup, cihazın içerisindeki zaman genleşmesini test edebiliyor.
JILA ve NIST’te yüksek lisans öğrencisi olan Tobias Bothwell, “Bu şimdiye kadar uzak mesafelerdeki ayrı saatleri karşılaştırarak bulduğunuz bir şeydi” diyor.
Görelilik kuramına göre siz ışık hızına yaklaştıkça ne kadar hızlı giderseniz, zaman da o kadar yavaşlıyor. Kütleçekimsel alanlar da aynı yavaşlamaya sebep olabiliyor: Alan ne kadar kuvvetliyse, zaman genleşmesi o kadar büyük oluyor. Örneğin Dünya’yı düşünelim. Dünya’nın merkezine ne kadar yakın olursanız, Dünya’nın kütleçekimi de sizi o kadar aşağı doğru çeker ve daha fazla zaman genleşmesi yaşarsınız.
Aslında, tepenizdeki kuşlara göre zamanı daha yavaş yaşıyorsunuz. Ayağınızın altındaki şeyler de zamanı sizden daha yavaş tecrübe ediyor. Dünya’nın çekirdeği, esasında Dünya’nın kabuğundan 2,5 yıl daha eski. Bu miktar kulağa fazla gibi gelebilir ancak gezegenimizin 4,6 milyar yıllık tarihine baktığımızda, zaman kovasında bir damla bile sayılmaz. Fakat bilim insanları gama ışınlarından Mars’a gönderilen radyo sinyallerine ve atomik saatlere kadar her şeyi kullanarak, bu türden ince farklılıkları onlarca yıldır ölçüyor.
1971 yılında iki bilim insanı, yanlarına atomik saatleri de alarak yolcu uçaklarına binmiş ve bu saatlerin her birini dünya çapında farklı yönlerde gezdirmiş. Tahmin edildiği gibi, birkaç bin nanosaniyelik hafif bir farklılık oluştuğunu görmüşler. 2020 yılında ise biri Tokyo Skytree kulesinde ve diğeri de onun 451 metre üstünde bulunan iki saat kullanan bilim insanları, Einstein’ın tahminlerini yeniden doğrulayan bir farklılık tespit etmişler.
Bu deneyler, göreliliğin evrensel olduğunu gösteriyor. JILA ve NIST’te yüksek lisans öğrencisi olan Alexander Aeppli, “Temelde Dünya’nın her yerinde aynı” diyor. “Eğer burada bir santimetre ölçüyorsanız, başka bir yerde de bir santimetre ölçersiniz.”
NIST, santimetre seviyesine çoktan inmiş. NIST’te çalışan bilim insanları, 2010 yılında yaklaşık 30 santimetre uzaklıkta bulunan farklı saatler kullanarak benzer bir ölçüm gerçekleştirmişler.
Yeni deneylerin birinde ise tek bir cihazda bulunan iki strontiyum krepi, birbirine çok daha fazla yaklaştırılmış: Yaklaşık bir milimetre kadar. Boulder’da çalışan grup, 90 saatlik veri topladıktan sonra ışıkta meydana gelen hafif farklılığı ayırt etmeyi başarmış ve daha önce yapılanlardan 50 kat daha hassas bir ölçüm gerçekleştirmiş.
Bothwell, genleşmede (ışığın frekansındaki bir farklılık) kırdıkları önceki ölçüm rekorunun 19 ondalık basamaklı olduğunu söylüyor. “Şimdiyse 21 rakama ulaştık… Normalde tek basamak bile ilerleseniz heyecanlanırsınız. Fakat biz şanslıydık ki iki basamak birden ilerledik.”
Kolkowitz’e göre bunlar, “çok güzel ve heyecan verici sonuçlar.”
Fakat NIST’te yapılan çalışmada yer almayan Kolkowitz, NIST’in saatinin bir dezavantajı olduğunu söylüyor: Saati laboratuvardan çıkarmak çok kolay değil. “NIST grubunda dünyanın en iyi lazeri var ama pek taşınabilir değil” diyor.
Kendisi iki grubun çalışmasının birbirini tamamladığını düşünüyor. Boulder’da geliştirilen saat, zamanı ve diğer fiziksel özellikleri hiç olmadığı kadar kesin şekilde ölçebilir. Bu arada Kolkowitz, Madison’dakine benzeyen daha taşınabilir bir saatin farklı ortamlara götürülebileceğini düşünüyor; bunların arasında uzay da var. Uzaya götürülen saat ile karanlık madde veya kütleçekimsel dalgalar aranabilir.
Temel fiziksel süreçlerin Einstein ve arkadaşlarının tahmin ettiği gibi çalıştığını kanıtlamak oldukça harika olsa da, aslında fiili dünya koşullarında bu tür bir bilim için oldukça fazla uygulama alanı var. Örneğin daha kesin saatler, yön bulma sistemleri için faydalı olabilir; GPS’in zaman genleşmesi için düzeltme yapması gerekiyor. Ayrıca zaman genleşmesinin kuvvetini ölçmek, kütleçekimsel alanların daha kesin şekilde ölçülmesini ve bu sayede örneğin Dünya yüzeyinin altına bakılmasını sağlayabilir.
“Dünya’nın altındaki magma bacalarına bakabilir ve belki de bir yanardağın ne zaman patlayabileceğini hesaplayabilirsiniz” diyor Aeppli. “Bunun gibi şeyler…”
Yazar: Rahul Rao/Popular Science. Çeviren: Ozan Zaloğlu.
