Atom Saatleri Nasıl Çalışır?

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 Standart ve Teknoloji Enstitüsü’nde geliştirilmişti ve 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. En son geliştirilen stronsiyum atom saati o kadar hassastır ki, Büyük Patlama’dan beri (yaklaşık 14 milyar yıldan beri) çalışıyor olsaydı bugün zamanı 1 saniyeden daha az bir hata ile gösteriyor olurdu.

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. Bu zaman standardına 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 kütleçekiminden etkilenmesidir. Dolayısıyla yeryüzünden farklı yüksekliklerdeki saatler farklı hızlarla çalışır. Dünya gibi küçük gezegenlerin etraflarındaki zayıf kütleçekim alanlarında bu etkiyi sıradan saatlerle ölçmek çok zordur. Ancak en son geliştirilen stronsiyum atom saatlerinin yüksekliğini sadece 2 santimetre değiştirerek zamanın akış hızında meydana gelen değişiklikleri gözlemlemek mümkün.

Atom saatlerinin gelecekte Dünya’nın şeklinde meydana gelen (jeodezik) değişiklikleri hassas bir biçimde belirlemek amacıyla da kullanılması planlanıyor. Günümüzdeki atom saatlerinin hassasiyeti bu işi geleneksel yöntemlerden daha iyi yapabilmek için yeterli olmasa da yakın gelecekte geliştirilecek atom saatleriyle jeodezik değişikliklerle ilgili çok daha hassas ölçümler yapılabilir.