Yazan: Jennifer Chu
Çeviren: Ümit Sözbilir
Düzenleyen: Çağla Ayaz
Özet: Dolanık atomların kullanıldığı atomik saat tasarımı, bilim insanlarının karanlık maddeyi tespit etmesine ve kütle çekiminin zaman üzerindeki etkisini incelemesine yardımcı olabilir.
Atomik saatler dünyadaki en hassas zaman ölçüm cihazlarıdır. Bu mükemmel aletler, eş zamanlı olarak sallanan birçok mikroskobik sarkaç gibi, sabit bir frekansta salınan atomların titreşimlerini ölçer ve bunun için lazerler kullanır. Dünyanın en iyi atom saatleri, zamanı o kadar hassas tutuyor ki evrenin başlangıcından beri çalışıyor olsalardı, bugün sadece yarım saniye kadar geri kalmış olacaklardı.
Yine de daha kesin ölçüm yapabilirler. Atomik saatler atomik titreşimleri daha doğru ölçebilselerdi, karanlık madde ve kütle çekimi dalgaları gibi olayları algılayacak kadar hassas olurlardı. Daha iyi atomik saatlerle bilim insanları, kütle çekiminin zamanın akışı üzerinde ne gibi bir etkisi olabileceği ve evren yaşlandıkça zamanın kendisinin değişip değişmediği gibi bazı akıl almaz soruları da yanıtlamaya başlayabilirler.
MIT fizikçileri tarafından tasarlanan yeni bir tür atom saati, bilim insanlarının bu tür soruları keşfetmesini ve muhtemelen yeni fiziği ortaya çıkarmasını sağlayabilir.
Araştırmacılar Nature dergisinde, son teknoloji tasarımların ölçtüğü gibi rasgele salınan atom bulutunu değil, bunun yerine kuantum olarak dolanık hâle gelmiş atomları ölçen bir atom saati inşa ettiklerini bildiriyorlar. Atomlar, klasik fizik yasalarına göre imkânsız olan ve bilim insanlarının atomların titreşimlerini daha doğru ölçmelerine olanak tanıyan bir şekilde ilişkilendirilir.
Yeni kurulum, aynı hassasiyeti, dolanık olmayan saatlerden dört kat daha hızlı elde edebilir.
MIT’nin Elektronik Araştırma Laboratuvarında doktora sonrası araştırma görevlisi olan başyazar Edwin Pedrozo-Peñafiel, “Dolanıklık ile geliştirilmiş optik atomik saatler, daha iyi hassasiyete mevcut son teknoloji optik saatlerden bir saniye daha erken ulaşıyorlar.” diyor.
Son teknoloji ürünü atomik saatler, MIT ekibinin kurulumunun yaptığı gibi, dolanık atomları ölçmek için uyarlansaydı, zamanı tutmaları öylesine gelişirdi ki evrenin tüm yaşı boyunca saatler 100 milisaniyeden daha az geri kalmış olurdu.
Zaman Sınırı
İnsanlar zamanın akışını izlemeye başladığından beri bunu, güneşin gökyüzünde hareketi gibi periyodik olayları kullanarak yaptılar. Günümüzde atomlardaki titreşimler, bilim insanlarının gözlemleyebileceği en istikrarlı periyodik olaylardır. Ayrıca, bir sezyum atomunun salınım frekansı, bir başka sezyum atomununkiyle tam olarak aynıdır.
Zamanı mükemmel tutmak için saatler ideal olarak yalnızca bir atomun salınımlarını izlerdi. Ancak bu ölçekte, bir atom o kadar küçüktür ki kuantum mekaniğinin gizemli kurallarına göre davranır: Ölçüldüğünde, yazı-tura için havaya atılmış bir bozuk para gibi davranır, fakat yalnızca birçok atışın sonucunun ortalaması doğru olasılıkları verir. Bu sınırlama, fizikçilerin Standart Kuantum Sınırı olarak adlandırdığı şeydir.
Colombo, “Atom sayısını artırdığınızda, tüm bu atomların verdiği ortalama, doğru değeri veren bir şeye gidiyor.” diyor.
Bu nedenle günümüzün atom saatleri, ortalama salınımlarının bir tahminini elde etmek için aynı türden binlerce atomdan oluşan bir gazı ölçmek üzere tasarlanmıştır. Bu işlemi genel bir atom saati ilk önce bir lazer sistemi kullanarak ultra soğutulmuş atomlardan oluşan gazı bir lazer tarafından oluşturulan tuzağa bağlayarak yapar. Atomik salınımı araştırmak ve böylelikle zamanı takip etmek için atomların titreşimlerine yakın bir frekansa sahip çok daha kararlı ikinci bir lazer gönderilir.
Yine de Standart Kuantum Sınırı hâlâ iş başında, bu da binlerce atom arasında bile kesin olarak bireysel frekanslarıyla ilgili bir miktar belirsizlik olduğu anlamına geliyor. Vuletic ve çalışma ekibinin, kuantum dolanıklığının yardımcı olabileceğini gösterdiği yer burasıdır. Genel olarak kuantum dolanıklığı; bir gruptaki atomların, her bir atom bir madenî paranın rasgele atışı gibi davranmasına rağmen ilişkili ölçüm sonuçları gösterdiği klasik olmayan bir fiziksel durumu tanımlar.
Ekip, atomlar dolaşıksa bireysel salınımlarının birbirine dolanmamış oldukları hâle göre daha az sapma ile ortak bir frekans etrafında sınırlanacağını düşündü. Bu nedenle bir atom saatinin ölçeceği ortalama salınımlar, Standart Kuantum Sınırının ötesinde bir hassasiyete sahip olacaktır.
Dolanık Saatler
Vuletic ve meslektaşları yeni atom saatlerinde görünür ışıkla aynı, çok yüksek frekansta salınan yaklaşık 350 iterbiyum atomunu dolanıklaştırıyor; yani herhangi bir atom sezyumdan bir saniyede 100.000 kat daha fazla titreşiyor. İterbiyumun salınımları tam olarak izlenebiliyorsa bilim insanları atomları giderek daha küçük zaman aralıklarını ayırt etmek için kullanabilirler.
Ekip, atomları soğutmak ve onları iki aynanın oluşturduğu optik bir boşlukta tuzaklamak için standart teknikler kullandı. Daha sonra optik boşluktan, aynalar arasında masa tenisinde topun gidip gelme gibi salınma hareketini yaptığı ve atomlarla binlerce kez etkileşime giren bir lazer gönderdiler.
Shu, “Işık, atomlar arasında bir iletişim bağı görevi görüyor.” diye açıklıyor ve ekliyor “Bu ışığı gören ilk atom ışığı biraz değiştirecek ve bu ışık da ikinci atomu ve üçüncü atomu değiştirecek. Bir süre sonra birçok döngü boyunca atomlar toplu olarak birbirlerini tanıyor ve benzer şekilde davranmaya başlıyor.”
Bu şekilde, araştırmacılar atomları kuantum olarak dolanık hâle getiriyor ve daha sonra ortalama frekanslarını ölçmek için mevcut atom saatlerine benzer başka bir lazer kullanıyor. Ekip; atomları dolanıklaştırmadan benzer bir deney yaptığında, atomları dolanık olduğu atom saatinin istenen hassasiyete dört kat daha hızlı ulaştığını buldular.
Vuletic, “Daha uzun ölçüm yaparak saati her zaman daha hassas hâle getirebilirsiniz. Soru, belirli bir kesinliğe ne kadar sürede ulaşmanız gerektiğidir. Hızlı zaman ölçeklerinde birçok olgunun ölçülmesi gerekiyor.” diyor.
Vuletic ayrıca bugünün en son teknolojiye sahip atomik saatlerinin, kuantum olarak birbirine dolanık atomları ölçmek için uyarlanabilirlerse sadece zamanı daha iyi tutmakla kalmayıp aynı zamanda evrendeki karanlık madde ve kütle çekimi dalgaları gibi sinyallerin deşifre edilmesine yardımcı olabileceğini ve bazı eski soruları cevaplayabileceğini söylüyor.
“Evren yaşlandıkça ışık hızı değişiyor mu? Elektronun yükü değişiyor mu? Daha hassas atom saatleriyle araştırabileceğiniz şey budur.” diyor Vuletic.
