Fizikçiler altta yatan ilkeleri gösterdi. Sırada prototip var.
Atomik saatler 70 yılı aşkın süredir zamanı ölçmenin en kesin araçları olarak hizmet verdi. Fakat saltanatları artık sona eriyor olabilir. Amerikan Standartlar ve Teknoloji Enstitüsünün (NIST) geçtiğimiz hafta yaptığı bir duyuruya göre uluslararası bir araştırma takımı, ilk nükleer saat prototipini tamamlamaya hiç olmadığı kadar yaklaştı. Uzmanlar saatin geliştirilmiş hassasiyetinin GPS’ten internet hızlarına ve dijital güvenliğe kadar her şeyi daha iyi hale getireceğini düşünüyor. Böyle bir cihaz ayrıca karanlık maddenin ve diğer temel parçacık fiziği kuramlarının tabiatını araştırmaya da yardımcı olabilir.
İki saat arasında ilk bakışta çok fark yokmuş gibi gelebilir fakat her şey ölçekle ilgili. Atomik saatlerin zaman tutma kabiliyetleri, tekil atomların kesin titreşimlerini ölçerek bir saniyenin uzunluğunu belirlemeye dayanıyor. Bunu yapmak içinse yüksek güçlü bir lazer ışını, bir sezyum-133 atomuna doğrultuluyor ve sonrasında atomun elektronlarını uyararak, enerji seviyeleri arasında bir saniye boyunca tam 9.192.631.770 titreşimle geçiş yapmasını sağlıyor. Sonrasında gezegen çapındaki atomik saat ağları, sistemlerini bu ölçümle eş zamanlayarak internet iletişimleri, haritalama, uzaya fırlatılan roketler ve diğer pek çok kullanım alanı için son derece kesin bir eş güdüm sağlıyor. 2014 yılından beri ABD’de geçerli olan ana standart (NIST’te yer alan bir sezyum çeşmesi saati), 300 milyon yılda sadece 1 saniyelik sapmayla zaman tutma kabiliyetine sahipti.
Fakat nükleer saatler bu konseptleri katbekat daha ince ayarlanmış parametrelerde uygulayacak. Adından da anlaşılacağı üzere bu cihazlar, daha büyük atomların titreşimlerinin aksine tek bir çekirdeğin titreşimlerine odaklanıyor. Çekirdeğe yöneltilen lazer ışığı (atomun tamamından 100.000 kat daha ufak) daha yüksek frekanslar gerektiriyor ve ayrıca saniye başına daha fazla dalga döngüsünü garanti ediyor. Böylelikle saniye başına titreşim artıyor ve sonrasında daha büyük hassasiyete olanak sağlanıyor. Kuramsal olarak bu durum, 300 milyon yılda gerçekleşen zaman belirsizlikleriyle kıyaslandığında onları güvenilmez hale getiriyor.
NIST ve ABD Ortak Laboratuvar Astrofiziği Enstitüsünde (JILA) çalışan fizikçi Jun Ye, Çarşamba günü yapılan duyuruda şöyle aktarıyor: “Milyarlarca yıl çalışsa dahi bir saniye bile kaybetmeyecek bir kol saati düşünün. Henüz oraya gelmedik ama bu araştırma bizi o hassasiyet seviyesine daha da yaklaştırıyor.”
Genel olarak konuşacak olursak çekirdekler, benzer faz sıçramaları yapmak için uyumlu X-ışınları gerektiriyor; fakat mevcut teknoloji, bunun yapılması için gereken enerji seviyelerini üretemiyor. Araştırmacılar bu engelin üstesinden gelmek için toryum-229’a yönelmişler. Bu elementin çekirdeği bilinen diğer tüm atomlardan daha düşük bir sıçrama sergilerken, uyarım için de daha düşük enerjili morötesi ışığa ihtiyaç duyuyor.
Toryum çekirdekleri küçük bir kristalde asılı tutulduklarında, araştırmacılar üzerlerine tahmin edilebilir aralıklarla UV lazer ışınları yansıtmış. Bu esnada da optik frekans tarağı şeklinde bilinen bir şeyi (“son derece hassas bir ışık cetveli” şeklinde tanımlanıyor) kullanarak proton ve nötronların titreşimsel “tıkırtılarını” saymışlar. Sonuç ise dalga boyuna dayanan önceki ölçümlerden yaklaşık 1 milyon kat daha yüksek olan bir hassasiyet seviyesi olmuş. Araştırma takımı, UV frekanslarını dünyanın strontiyuma dayalı diğer en doğru atomik saatlerinin optik frekansıyla da karşılaştırarak, bir nükleer geçiş ile atomik blok arasındaki ilk “doğrudan frekans bağlantısını” da kurmuşlar. NIST’e göre bu gelişme, “nükleer saatin geliştirilmesi ve mevcut zaman tutma sistemleriyle bütünleştirilmesi yolunda atılan çok önemli bir adım.”
Deneylerde sadece zaman ölçüm bariyerleri kırılmamış. Bu yeni dizi ayrıca fizikçilerin, bir toryum çekirdeğinin şeklini de çığır açan detaylarla gözlemlemesine olanak sağlamış. Araştırma takımı bu gelişmeyi, bir uçağın içerisinden yerdeki çimleri tek tek görebilmeye benzetiyor.
Tümüyle tamamlanmış bir nükleer saat olmasa da araştırmacılar, altta yatan ilkelerin yapılabilirliğini ilk defa göstermişler. Uzmanlar bu noktadan itibaren artık böyle aletleri uygulamaya koyacak gerçek bir cihaz tasarlamaya başlayabilir. Nükleer saatler bir gün tamamlandığında, daha hızlı, daha güvenilir internet bağlantılarını ve daha doğru haritalama sistemlerini destekleyip, fizik dünyasının içerisinde de karanlık maddenin tespit edilmesi veya doğanın kuramsal sabitlerinin doğrulanması gibi önemli keşiflere olanak sağlayabilir. Hepsi de devasa parçacık hızlandırıcılara gerek duyulmadan yapılabilir.
Yazar: Andrew Paul/Popular Science. Çeviren: Ozan Zaloğlu.
