Atomlardaki elektronlar belirli enerji seviyelerinde bulunur ve enerji soğurarak ya da enerji yayarak bu seviyeler arasında geçiş yapar. Atom saatleri, frekans standardı olarak atomlar tarafından yayılan fotonların frekanslarını kullanan saatlerdir. Bu saatler günümüzün en hassas zaman ölçme aletleridir. İlk atom saati, 1949’da Amerikan Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’nde geliştirilmişti. Oda sıcaklığında çalışan bir amonyak mazeri (mikrodalga lazeri) içeren bu cihazın hassasiyeti düşüktü. Ancak zaman içerisinde büyük çoğunluğu düşük sıcaklıklarda çalışan çok daha hassas atom saatleri geliştirildi. Örneğin, stronsiyum atom saati o kadar hassastır ki, Büyük Patlama’dan (yaklaşık 14 milyar yıldan) beri çalışıyor olsaydı bugün zamanı 1 saniyedend aha az bir hata ile gösterecekti. Günümüzde pek çok standart enstitüsü atom saatleri ağlarına sahiptir ve bu saatler her gün 10-9 saniye hassasiyetle senkronize edilir. 1967 yılından beri sezyum-133 atomlarının iki enerji seviyesi arasındaki geçiş frekansı “9.192.631.770 Hz (s-1)” olarak tanımlanıyor. Başka bir deyişle, sezyum-133 atomları tarafından yayılan ışığın elektrik ve manyetik alanları saniyede 9.192.631.770 kez salınır. Zaman ölçümünde kullanılan bu standarda sezyum standardı denir. Atom saatlerinden çeşitli teknolojilerde ve bilimsel çalışmalarda yararlanılır. Örneğin konum belirlemek için kullanılan GPS uydularında hassas atom saatleri vardır. Bunun yanı sıra başta görelilik kuramı olmak üzere zamanın hassas bir biçimde ölçülmesinin gerekli olduğu bilimsel çalışmalarda da atom saatleri kullanılır. Örneğin, genel görelilik kuramının en önemli sonuçlarından biri, zamanın akış hızının kütle çekim kuvvetinden etkilenmesidir. Dolayısıyla, yeryüzünde farklı yüksekliklerdeki saatler farklı hızlarda çalışır. Dünya gibi küçük gezegenlerin etraflarındaki zayıf kütleçekim alanlarında bu etkiyi sıradan saatlerle ölçmek çok zordur. Ancak en son geliştirilen iterbiyum atom saatlerinin yüksekliğini sadece 1 santimetre değiştirerek zamanın akış hızında meydana gelen değişiklikleri gözlemlemek mümkün.
Yeni geliştirilen atom saatinin bir diğer kullanım alanı da karanlık madde araştırmaları olabilir. Karanlık madde, elektromanyetik dalgalarla etkileşime girmediği için, teleskoplar veya diğer ölçüm aletleri ile doğrudan gözlemlenemiyor. Fakat evrendeki toplam maddenin yaklaşık %85’ine yakınını oluşturan bu madde, gök cisimlerinin uzaydaki hareketlerini etkileyebiliyor. Bilim insanları, karanlık maddenin de, sahip olduğu kütle sayesinde, kütleçekimsel zaman genişlemesine yol açabileceğini öngörüyor. Yeni atom saati bu genişlemeyi hassas bir biçimde ölçmek için kullanılabilir. Bu atom saatinin bulunduğu bir uzay aracı uzayda dolaşırken yoğun miktarda karanlık maddenin yanına yaklaştığında zaman daha yavaş akacak. Oluşacak zaman farkı çok küçük olmasına rağmen hassas atom saatlerinin kullanılması ile bu farklılıkların ölçülebileceği düşünülüyor. Laboratuvar ortamında kurulan bu atom saatlerinin çalışabilmesi için çok sayıda lazere ihtiyaç duyuluyor. Saatleri geliştirmeye devam eden bilim insanları ileride taşınabilir bir versiyonunu yapıp dünyanın değişik yerlerindeki kütle çekim farklılıklarını ölçmeyi planlıyor.
Kaynaklar:
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0738-2
http://www.bilimgenc.tubitak.gov.tr/makale/atom-saatleri
http://www.astronomy.ohio-state.edu/~pogge/Ast162/Unit5/gps.html
https://www.abc.net.au/news/science/2018-11-29/
atomic-clock-physics-relativity-satellite-geodesy-ytterbium/10553936
