editor
İnsanlar uzun zamandır yaşadığımız dünyayı ölçmenin yollarını aradı. Ölçüm sistemlerine ve birimlerine sahip olmak, kendimizi ve çevremizi anlamamıza yardımcı olur. Bu durum, ister inşa ediyor, ister alım-satım yapıyor, ister temel fiziğin teorilerini benimsiyor olalım fark etmez.
Bir şeyi ölçtüğümüzde, aslında ölçülen şeyi sabit bir referans noktasına göre karşılaştırmış oluruz. Bu nedenle, kavramsal işaretimizi yaptığımız çıpanın stabil ve değişmez olması çok önemlidir.
Zaman genellikle frekansla ilişkilendirilerek ölçülür ve günümüzde zaman için kullandığımız referans, atomik saatlerden gelir.
Örneğin bir salınım yapan bir şeyimiz varsa, diyelim ki bir sarkaç, belirli sayıda salınımın gerçekleştiği zaman aralığını referans zaman olarak tanımlarız. Bir şey bir hertz (Hz) frekansla salınım yapıyorsa, bir salınımın gerçekleşmesi bir saniye sürer.
Atomik saatler, bir atom içindeki elektronların çok belirli enerji seviyelerinde bulunması gerçeğinden yararlanır. Bir elektron iki enerji seviyesi arasında sıçradığında, foton şeklinde – yani bir ışık kuantumu – çok kesin ve öngörülebilir bir miktarda enerji yayar veya emer.
Kuantum mekaniğinde frekans ve enerji ilişkilidir: bir foton, kendisiyle ilişkilendirilmiş kesin bir frekansa sahip bir kuantum ışık dalgasıdır. Sezyum atomunda, iki enerji seviyesi arasındaki bir atomik geçiş sırasında yayılan ışığın frekansı her zaman tam olarak 9.192.631.770Hz’dir.
Bu tutarlı frekans, bir saniyenin tanımlanmasında kullanılır: bir saniye, bir sezyum geçişinden gelen 9.192.631.770 ışık dalgasının bir dedektöre ulaşması için geçen süredir.
Bu enerji seviyeleri arasında kaç elektronun yukarı aşağı sıçradığını gözlemleyerek, bir lazer tam olarak bu frekansa ayarlanabilir ve lazerin frekansı zaman ölçümünde kullanılabilir.
Neden nükleer yaklaşıma gidiliyor? Bir atomik saat, atom içindeki enerji seviyelerinin sabit ve stabil olmasına bağlı olarak çalışır. Ancak bir atomun çevresi, iç yapısını etkileyebilir ve bu durum, elektronların enerji seviyelerini değiştirerek ölçümü bozar.
Elektriksel ve manyetik alanlardaki saptırmalar – ki bu alanlar, koruma önlemleri alınmış olsa dahi, her yerde mevcuttur – bu etkiyi yaratabilir. Bu durum, atomik saatlerin hassasiyetinin mevcut sınırını belirler.
Bu sınırlama, insanların uzun zamandır atomik saat yerine nükleer saat yapımına ilgi duymasının nedeni ve nadir bulunan bir izotop olan toryum-229’un son zamanlarda çıkan sonuçlarının kargaşa yaratmasının sebebidir.
Bir atomun tamamına kıyasla, çekirdek çok küçüktür – etrafındaki elektron bulutundan yaklaşık 100.000 kat daha küçüktür. Bu, çekirdeği etraftaki rastgele elektromanyetik alanlardan çok daha az etkilenir hale getirir.
Dolayısıyla, düşünce şu yönde ilerliyor: Eğer çekirdekteki proton veya nötronların, etrafındaki elektronlar yerine, enerji seviyeleri arasında sıçramasını sağlayabilirseniz, frekansın – dolayısıyla zamanın – daha stabil bir ölçümünü yapabilirsiniz.
Bu teori olarak mükemmel bir plan. Pratikteki sorun ise, çekirdek içindeki enerji geçişlerinin, atom içindeki elektron geçişlerinden genellikle binlerce kat daha büyük olmasıdır. İşte bu yüzden nükleer patlamalar, kimyasal patlamalardan çok daha güçlüdür. Çekirdeği bir arada tutan kuvvetler, elektronları bağlayan kuvvetlerden oldukça daha güçlüdür. Bu, çekirdek geçişlerinin frekanslarının çok daha yüksek olduğu ve bu aralıkta çalışan lazerler üretemediğimiz anlamına gelir.
İşte toryum devreye giriyor. Bu noktada, tuhaf nitelikteki nükleer izotop toryum-229 devreye giriyor. Toryum, atom numarası 90 olan elementtir (çekirdeğinde 90 proton bulunur). Farklı izotoplar, protonlarla birlikte farklı sayıda nötron içerir ve doğal olarak bulunan toryum neredeyse her zaman 142 nötron içeren toryum-232’dir. Ancak toryum-229 yalnızca 139 nötron içerir ve yaklaşık 8.000 yıl sonra bozunur; bu yüzden bunu elde etmek istiyorsanız, bir nükleer reaktörde üretmeniz gerekir.
Toryum-229’un özel yanı, çekirdeğinde gerçekten birbirine yakın iki enerji seviyesine sahip olmasıdır. Aralarındaki enerji farkı o kadar küçüktür ki, lazerlerin çalıştığı frekans aralığına denk gelir. Bu durum onu gerçekten benzersiz kılar – bilinen hiçbir diğer çekirdek buna yaklaşamaz. Ve bu, onu nükleer saat oluşturmak için en iyi aday yapan özelliktir.
Bu geçişin varlığına dair kanıtlar ilk olarak 1976’da bulundu, ancak bu geçişle ilişkili fotonların yayılımı ancak 2023’te ölçüldü. Ve ancak 2024’te fizikçiler, ayarlanabilir masaüstü bir lazer kullanarak çekirdeğin bu iki enerji seviyesi arasında sıçramasını sağladılar – bu, ilk gerçek nükleer saatin yapımına yönelik temel bir adımdı.
Bu durum, çok da uzun süre geçmeden, on yıllardır kullandığımız referanstan daha hassas bir zaman ölçüm yöntemi elde edebileceğimiz anlamına geliyor.
Bu rahatsız edici gerçek, zaman dünyasını altüst etti: Yeni nesil atomik saatler, mevcut saniye tanımımızda kullanılan sezyum saatlerinden çok daha stabil. Ancak bir nükleer saat, zamanın hassas ölçümleri açısından hepsini geride bırakacaktır.
Temel Önemi
Böyle bir saat, bize daha tutarlı ve doğru bir zaman algısı kazandırır. Günümüzde hiper-hassas zaman ölçümünün temel uygulamaları navigasyon, konum belirleme ve küresel iletişim alanlarında yer alırken, bir nükleer saat temel fiziğin en iyi teorisini belirlemede de çığır açıcı avantajlar sunabilir.
Doğru zaman ölçümü, evrenin temel fiziğini anlamamızda zaten kilit bir rol oynamıştır. Belki de en önemlisi, Einstein’ın Özel Görelilik ve genel görelilik teorileri, saatlerin hareket ettikleri göreceli hızlara ve bulundukları kütleçekim alanına bağlı olarak farklı çalıştığını öngörür.
Bu durum sezgisel olarak karşıt görünebilir; çünkü evrendeki herkes ve her şey için zamanın aynı şekilde aktığını düşünmeye eğilimliyiz. Ancak deneyler göstermiştir ki, çok hassas bir saat laboratuvardan çıkarılıp yüksek hıza – örneğin, bir yolcu uçağında yaklaşık 500 mil/saat (yaklaşık 800 km/saat) – ulaştırılıp sonra tekrar durdurulduğunda, laboratuvarda bırakılan bir saate kıyasla daha az zaman geçmiş olur.
Bu, özünde ‘ikiz paradoksu’dur – uzaya çok yüksek hızda (örneğin ışık hızının %10’u kadar) uçan ve sonra Dünya’ya dönen bir ikiz, evde kalan kardeşine göre daha genç olacaktır.
Bu etki, varsayımsal uzay yolculuğuna çıkan ikizlerden çok daha düşük hızlarda bile iyi ölçülmüştür.
Aynı şekilde, saatler o kadar hassas hale geldi ki, Dünya üzerindeki yüksekliklerine bağlı olarak bile anlamlı ölçü farklılıkları kaydedebiliyorlar. Bunun nedeni, Dünya’nın kütleçekim alanının çekirdeğinden uzaklaştıkça zayıflamasıdır.
Şaşırtıcı bir şekilde, Genel Görelilik nedeniyle, zaman ölçümü yalnızca birkaç santimetre yükseklik farklarına bile duyarlıdır.
Tüm bu etkiler iyi kurulmuş olup, Uydu Navigasyon Sistemi (GPS) gibi teknolojilerin varlığı için kritik öneme sahiptir; çünkü bu sistemlerde kullanılan uyduların hızı ve yüksekliği önemli rol oynar. Ve saat ne kadar doğruysa, evrenin işleyişine dair Görelilik teorisini test etme konusundaki doğruluk da o kadar artar.
Karanlık Maddeyi Keşfetmek
Hassas saatler, belirli karanlık madde türlerine karşı da duyarlıdır. Karanlık madde, galaksilerin dönüş hızları ve evrendeki madde ile radyasyon dağılımı gibi astrofiziksel gözlemleri açıklamak için varsayılır.
Bu gözlemleri açıklamak için ya evren, normal madde ile kütleçekim yoluyla etkileşime giren karanlık madde tarafından domine edilmeli ya da kütleçekim anlayışımız, tutarlı biçimde formüle edemediğimiz biçimde, kötü ve gizemli bir şekilde yanlış olmalıdır.
Gerekli karanlık madde yoğunluğunu hesaplayabiliyoruz ve bunun yavaş hareket eden bir madde olması gerektiğini söyleyebiliyoruz. Ancak, bunun İsviçre’deki CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda aranan ağır parçacıklardan mı yoksa çok düşük kütleli parçacıklardan mı oluştuğunu henüz belirleyemiyoruz.
Eğer karanlık madde yavaş hareket eden, düşük kütleli parçacıklardan oluşuyorsa, bu parçacıklar saatlerimizin çalıştığı ortamda titreşen bir arka plan enerji alanı şeklini alır. Karanlık madde ile normal madde arasında, en ufak bir elektromanyetik etkileşim bile varsa, bu titreşimler enerji seviyelerini – dolayısıyla saatlerin zaman ölçümlerini – etkileyebilir.
Bunu tespit etmek için, farklı saatleri karşılaştırıp etkilerin birbirini iptal etmediğini görmek gerekir, böylece aradaki fark ölçülebilir. Bir nükleer saat, böyle bir ölçüm için en hassas referans noktasını sağlayacaktır.
Yeni Nesil Testler
Bir nükleer saat, niteliksel olarak tamamen yeni testler de getirecektir.
Toryum-229’da önemli geçişin enerjisi, doğanın iki temel kuvveti arasındaki etkileşimin sonucu olarak düşüktür. elektromanyetizma, çekirdekteki pozitif yüklü protonları birbirinden itmeye çalışırken, kuantum kromodinamiği (QCD) ile tanımlanan güçlü nükleer kuvvet, proton ve nötron içindeki kuarklar arasında etkili olarak bu itici kuvveti büyük ölçüde dengeler.
Bu toryum-229 geçişinde, protonlar ve nötronlar arasında bir yeniden düzenlenme yaşanır; bu yeniden düzenlemede, aralarındaki güçlü kuvvet değişiklikleri neredeyse, elektromanyetik kuvvetteki benzer derecede büyük değişikliklerle iptal edilir. Böylece, iki enerji seviyesi arasında küçük bir net fark ortaya çıkar. Bu durum, yalnızca elektromanyetizmanın etkili olduğu atomik saatlerle tezat oluşturur.
İki farklı temel kuvvet arasındaki bu hassas denge nedeniyle, toryum-229 nükleer saati, bu kuvvetleri farklı şekillerde etkileyen her şeye karşı çok duyarlı hale gelir. Yani, karanlık madde kuarklarla elektronlara göre farklı etkileşime giriyorsa, varlığına duyarlılık daha da artar.
Ayrıca, doğanın temel sabitlerinin zamanla yavaş yavaş değişme olasılığı da vardır. Bir nükleer saat, güçlü ve elektromanyetik kuvvetlerin gücündeki göreli değişikliklere son derece duyarlı olacaktır.
Sıradaki Adım
Toryum-229’u lazerle “dans ettirmeyi” başardıktan sonra bir sonraki adım, bu sistemi sağlam ve kullanışlı bir saate dönüştürmektir. Böylece, lazer, nükleer geçiş enerjisine karşılık gelen frekansa göre ayarlanıp sabitlenebilir.
Bunun muhtemelen, atomik saatlerde olduğu gibi, çok sayıda toryum atomunun depolanması ve lazerlerle soğutulmasını gerektirmesi beklenir. Dış elektromanyetik alanların nükleer geçiş enerjisi üzerinde çok az etkisi olduğundan, toryumun şeffaf bir kristal içerisine gömülerek katı hal nükleer saati yapılması gibi benzersiz bir olasılık da mevcuttur.
Her iki ya da her iki adımın gerçekleştirilmesi elbette zorlu olacaktır, ancak prensip olarak bunların başarılamayacağına dair bir neden görünmemektedir.
Böyle bir saat, bize zamanın tanımını ve ölçümünü şimdiye kadar görülmemiş bir hassasiyetle yapabilme imkânı sunar.
Temel fiziğe yönelik bu ölçümlerin ne anlama geldiğini çözmek, atomik saatlerde elektron davranışını öngörmek için yapılan hesaplamalardan çok daha zor olan, güçlü etkileşimin de – elektromanyetizmanın yanında – hesaba katılmasını gerektiren karmaşık hesaplamaları da beraberinde getirir. QCD o kadar güçlüdür ki, bu hesaplamalar zaten zor olan atomik saatlerdeki hesaplamalardan daha da zordur. Yine de bu, zevkle karşılanacak bir meydan okumadır ve QCD kullanarak öngörü yapma yeteneğimizi geliştirmeye yönelik yoğun ve sürekli bir çaba zaten mevcuttur.
Tüm bu gelişmeler, çok da uzun süre geçmeden yalnızca zamanın ne olduğunu ve nerede olduğumuzu her zamankinden daha hassas bir şekilde bilmemizi sağlamakla kalmayacak, aynı zamanda içinde yaşadığımız evrenin yapısı hakkında da bize önemli ipuçları verecektir.
Kaynak Link: sciencefocus.com
