Zaman ve Uzayı Yeniden Tanımlamak: Bilim İnsanları Dünyanın En Doğru Atom Saatini Geliştirdi
JILA’daki bilim insanları, zaman tutma doğruluğunu benzeri görülmemiş seviyelere taşıyan ultra hassas bir atom saati geliştirdiler. Görünür ışık dalgalarını kullanarak zamanı ölçen bu yenilik, navigasyonu dönüştürebilir, gizli kaynakları ortaya çıkarabilir ve genel görelilik gibi temel teorileri test edebilir. (Sanatçının konsepti.)
JILA araştırmacıları, zaman ölçümü için görünür ışık kullanarak şimdiye kadarki en hassas atom saatini yarattılar. Bu atılım, zaman tutma standartlarını yeniden tanımlayabilir ve fizikte yeni bakış açılarının kilidini açarak hem uzay keşfine hem de kuantum hesaplamasına yardımcı olabilir .
İnsanlığın amansız mükemmellik arayışında, bilim insanları hassasiyet ve doğruluk açısından önceki tüm saatleri geride bırakan bir atom saati yarattılar. Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) ve Colorado Boulder Üniversitesi’nin ortak kuruluşu olan JILA’daki araştırmacılar tarafından geliştirilen bu yeni saat, zaman tutma teknolojisinde önemli bir ilerlemeyi temsil ediyor.
Uzayın enginliğinde hassas navigasyonu ve yeni parçacıkları aramayı mümkün kılan bu saat, salt zaman tutmanın ötesine geçen en son saattir. Arttırılmış hassasiyetleriyle, bu yeni nesil zaman tutucular gizli yeraltı mineral yataklarını ortaya çıkarabilir ve genel görelilik gibi temel teorileri benzeri görülmemiş bir titizlikle test edebilir. Atom saati mimarları için, mesele sadece daha iyi bir saat inşa etmek değil; evrenin sırlarını çözmek ve gelecek nesiller için dünyamızı şekillendirecek teknolojilerin önünü açmaktır.
Dünya çapındaki bilimsel topluluk, bu yeni nesil optik atom saatlerine dayanarak uluslararası zaman birimi olan saniyeyi yeniden tanımlamayı düşünüyor . Mevcut nesil atom saatleri, saniyeyi ölçmek için atomlara mikrodalgalar gönderiyor. Bu yeni saat dalgası, saniyeyi çok daha hassas bir şekilde saymak için atomları çok daha yüksek bir frekansa sahip görünür ışık dalgalarıyla aydınlatıyor. Mevcut mikrodalga saatleriyle karşılaştırıldığında, optik saatlerin uluslararası zaman tutma için çok daha yüksek doğruluk sağlaması bekleniyor – potansiyel olarak her 30 milyar yılda yalnızca bir saniye kaybediyorlar.
Ancak bu atom saatleri bu kadar yüksek doğrulukla performans gösterebilmeden önce, çok yüksek bir hassasiyete sahip olmaları gerekir; başka bir deyişle, saniyenin son derece küçük kesirlerini ölçebilmeleri gerekir. Hem yüksek hassasiyete hem de yüksek doğruluğa ulaşmanın çok büyük etkileri olabilir.
Zamanda Sıkışmış
Yeni JILA saati, aynı anda on binlerce ayrı atomu yakalamak ve ölçmek için “optik kafes” olarak bilinen bir ışık ağı kullanır. Böylesine büyük bir topluluğa sahip olmak hassasiyette büyük bir avantaj sağlar. Ölçülen atom sayısı arttıkça, saatin saniyenin hassas bir ölçümünü elde etmek için sahip olduğu veri sayısı da artar.
Stronsiyum atomlarından oluşan aşırı soğuk bir gaz, optik kafes olarak bilinen bir ışık ağında hapsedilir. Atomlar ultra yüksek vakum ortamında tutulur, bu da neredeyse hiç hava veya başka gaz bulunmadığı anlamına gelir. Bu vakum, kırılgan olan atomların hassas kuantum durumlarını korumaya yardımcı olur. Görüntüde gördüğünüz kırmızı nokta, atom tuzağını oluşturmak için kullanılan lazer ışığının bir yansımasıdır.
Yeni rekor kıran bir performans elde etmek için JILA araştırmacıları, önceki optik kafes saatlerine kıyasla atomları yakalamak için daha sığ, daha nazik bir lazer ışığı “ağı” kullandılar. Bu, iki büyük hata kaynağını önemli ölçüde azalttı: atomları yakalayan lazer ışığından kaynaklanan etkiler ve atomlar çok sıkı bir şekilde paketlendiğinde birbirlerine çarpmaları.
Araştırmacılar, Physical Review Letters’da ilerlemelerini anlatıyorlar .
En Küçük Ölçeklerde Görelilik Kuramı
“Bu saat o kadar hassas ki, genel görelilik gibi teoriler tarafından öngörülen küçük etkileri mikroskobik ölçekte bile tespit edebiliyor,” dedi NIST ve JILA fizikçisi Jun Ye. “Zaman tutmayla mümkün olanın sınırlarını zorluyor.”
Genel görelilik, Einstein’ın uzay ve zamanın eğrilmesiyle yer çekiminin nasıl oluştuğunu açıklayan teorisidir. Genel göreliliğin temel öngörülerinden biri, zamanın kendisinin yer çekiminden etkilendiğidir – yer çekimi alanı ne kadar güçlüyse, zaman o kadar yavaş geçer.
Bu yeni saat tasarımı, tek bir insan saçının kalınlığı kadar olan alt milimetre ölçeğinde zaman tutma üzerindeki göreli etkilerin tespit edilmesine olanak tanıyabilir. Saati bu kadar küçük bir mesafe kadar yükseltmek veya alçaltmak, araştırmacıların yerçekiminin etkilerinin neden olduğu zaman akışındaki küçük bir değişikliği ayırt edebilmeleri için yeterlidir.
Genel göreliliğin etkilerini mikroskobik ölçekte gözlemleyebilme yeteneği, mikroskobik kuantum alanı ile genel görelilik tarafından tanımlanan geniş ölçekli olgular arasındaki boşluğu önemli ölçüde kapatabilir.
Uzayda Seyir ve Kuantum İlerlemeleri
Daha hassas atom saatleri ayrıca uzayda daha doğru navigasyon ve keşif olanağı sağlar. İnsanlar güneş sistemine doğru daha da ilerledikçe, saatlerin çok uzak mesafelerde kesin zamanı tutması gerekecektir. Zaman tutmadaki en ufak hatalar bile, seyahat ettikçe katlanarak artan navigasyon hatalarına yol açabilir.
Ye, “Uzay aracını Mars’a hassas bir doğrulukla indirmek istiyorsak , bugün GPS’te sahip olduğumuzdan kat kat daha hassas saatlere ihtiyacımız olacak ,” dedi. “Bu yeni saat, bunu mümkün kılmaya yönelik önemli bir adım.”
Atomları yakalamak ve kontrol etmek için kullanılan aynı yöntemler kuantum hesaplamada da çığır açabilir. Kuantum bilgisayarların hesaplamalar yapmak için bireysel atomların veya moleküllerin iç özelliklerini hassas bir şekilde manipüle edebilmeleri gerekir. Mikroskobik kuantum sistemlerini kontrol etme ve ölçmedeki ilerleme bu çabayı önemli ölçüde ilerletmiştir.
Kuantum mekaniği ve genel görelilik teorilerinin kesiştiği mikroskobik alana girerek araştırmacılar, gerçekliğin temel doğası hakkında yeni anlayış seviyelerine giden kapıyı aralıyor. Zaman akışının yerçekimi tarafından bozulduğu sonsuz küçük ölçeklerden, karanlık madde ve karanlık enerjinin hüküm sürdüğü uçsuz bucaksız kozmik sınırlara kadar, bu saatin mükemmel hassasiyeti evrenin en derin gizemlerinden bazılarını aydınlatmayı vaat ediyor.
Ye, “Ölçüm biliminin sınırlarını keşfediyoruz,” dedi. “Bu düzeyde bir hassasiyetle şeyleri ölçebildiğinizde, şimdiye kadar sadece teorileştirebildiğimiz fenomenleri görmeye başlıyorsunuz.”
