Atomik saatler, dünyadaki en kesin zaman tutucular. Bu hassas cihazlar lazer ışını kullanarak, eşzamanlı şekilde sallanan birçok mikroskobik sarkaç gibi sabit bir sıklıkta salınan atomların titreşimlerini ölçüyor. Dünyadaki en iyi atomik saatler o kadar kesin şekilde zaman tutuyor ki; eğer evrenin başlangıcından beri çalışmış olsalardı, günümüzde sadece yarım saniye civarı sapmış olurlardı.
Yine de, bundan çok daha hassas olabilirler. Eğer atomik saatler atomsal titreşimleri daha isabetli şekilde ölçebilirse, karanlık madde ve kütleçekim dalgaları gibi olguları tespit edecek kadar hassas olabilirler. Bilim insanları, daha iyi atomik saatlerle birlikte bazı kafa karıştırıcı soruların cevaplarını bulmaya da başlayabilir; mesela kütleçekimin zamanın akışında ne gibi etkisinin olduğu ve zamanın, evren yaşlandıkça değişip değişmediği gibi soruların…
Şimdiyse Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nde (MIT) çalışan fizikçilerin tasarladığı yeni bir atomik saat türü, bilim insanlarının bu gibi soruları cevaplamasını ve belki de yeni fizik kurallarını ortaya çıkarmasını sağlayabilir.
Araştırmacılar dün Nature bülteninde aktardıklarına göre; şu an son teknoloji tasarımların ölçtüğü gibi rastgele sallanan bir atom bulutunu ölçmenin yanısıra, kuantum dolanıklığı sergileyen atomları da ölçen atomik bir saat geliştirmişler. Bu atomlar, klasik fizik kanunlarına göre imkansız bir bağlantı sergiliyor ve bu durum, atomların titreşimlerinin daha hassas şekilde ölçülmesine olanak sağlıyor.
Yeni düzenek, aynı hassaslığa dolanıklık içermeyen saatlerden dört kat daha hızlı ulaşabiliyor.
Çalışmanın baş yazarı ve MIT Elektronik Araştırma Laboratuvarı’nda doktora sonrası araştırma görevlisi olan Edwin Pedrozo-Penafiel, “Dolanıklık ile zenginleştirilmiş optik atomik saatler, günümüzdeki son teknoloji optik saatlere kıyasla bir saniyede daha yüksek kesinliğe ulaşacak” diyor.
Eğer son teknoloji atomik saatler, dolanık atomları bu yeni düzenek gibi ölçmeye uyarlansaydı; zaman tutma kabiliyetleri o kadar gelişirdi ki, evrenin başlangıcından bu yana 100 milisaniyeden az sapmış olurlardı.
İnsanlar zamanın akışını takip etmeye başladıklarından beri, zaman tutma işini Güneş’in gökyüzündeki hareketi gibi dönemsel olgular kullanarak gerçekleştirmişler. Günümüzde ise atomlarda meydana gelen titreşimler, bilim insanlarının gözlemleyebildiği en istikrarlı dönemsel olaylar niteliğini taşıyor. Üstelik bir sezyum atomu, başka bir sezyum atomuyla tamamen aynı sıklıkta titreşiyor.
Saatlerin mükemmel biçimde zaman tutması için, bir tek atomun salınımlarını takip etmeleri gerekirdi. Fakat bu ölçekte bir atom o kadar ufak olur ki, kuantum mekaniğinin gizemli kanunlarına göre davranır: Ölçüldüğü zaman, havaya atılan ve pek çok kez havaya atıldıktan sonra ortalaması alındığı zaman doğru ihtimalleri veren bozuk bir para gibi davranır. Fizikçiler bu kısıtlamaya Standart Kuantum Sınırı adını veriyor.
“Atomların sayısını artırdığınız zaman tüm bu atomların verdiği ortalama, doğru değeri veren bir şeye doğru gidiyor” diyor Colombo.
İşte bu yüzden günümüzdeki atomik saatler, aynı tipte binlerce atomdan meydana gelen bir gazı ölçmek ve bu atomların ortalama bir tahminini almak üzere tasarlanmış. Tipik bir atomik saat bunu yaparken, ilk önce bir lazer sistemi kullanıyor ve bu sistem yardımıyla ultra soğuk atomlardan oluşan bir gazı, bir lazerin oluşturduğu kapana hapsediyor. Frekansı atomların titreşimlerine yakın olan ikinci ve çok istikrarlı bir lazerin gönderilmesiyle beraber bu atomik salınım inceleniyor ve bu sayede zaman takip ediliyor.
Buna karşın, Standart Kuantum Sınırı hâlâ iş başında oluyor; yani binlerce atom arasında bile, tekil atomların tam frekanslarında halen bir takım belirsizlikler bulunuyor. Vuletic ve araştırma grubu, kuantum dolanıklığının burada imdada yetişebileceğini göstermiş. Kuantum dolanıklığı, genel olarak klasik olmayan bir fizik durumunu tanımlıyor. Bu noktada bir grup içerisindeki atomlar, tekil atomların her biri rastgele havaya atılan bozuk para gibi davransa dahi birbirleriyle bağıntılı ölçüm sonuçları gösteriyorlar.
Araştırma takımının vardığı sonuca göre eğer atomlar dolanık hale gelirse, tekil titreşimleri ortak bir frekans etrafında sınırlanır ve dolanık olmadıkları zamana kısayla daha düşük bir sapma meydana gelir. Bu yüzden atomik bir saatin ölçeceği ortalama titreşimler, Standart Kuantum Sınırı’nın ötesinde bir kesinliğe sahip olur.
Vuletic ve meslektaşları yeni atomik saatlerinde, görünür ışık ile aynı yüksek frekanslarda salınan 350 iterbiyum atomunu birbirine dolamışlar. Bu atomlardan her biri, bir saniyede sezyum atomundan 100.000 kat daha sık titreşiyor. Eğer iterbiyumun titreşimleri hassas şekilde takip edilebilirse, bilim insanları bu atomları kullanarak çok daha küçük zaman ölçeklerini ayırt edebiliyorlar.
Yazar: Jennifer Chu/Massachusetts Teknoloji Enstitüsü. Çeviren: Ozan Zaloğlu.
