Atomik Saat Genel Göreliliğin Zamanı Bir Milimetre Boyunca Nasıl Büktüğünü Ölçtü

Bir milimetre çok fazla görünmeyebilir ancak bu kadar küçük bir mesafe bile zamanın akışını değiştirebilir. Einstein'ın yerçekimi teorisi ve genel göreliliğe göre, saatler Dünya'dan veya başka bir büyük nesneden uzaklaştıkça daha hızlı işler. Teorik olarak bu, saatlerin yüksekliklerindeki çok küçük farklılıklar için bile geçerli olmalıdır. Şimdi inanılmaz derecede hassas bir atomik saat, milimetre boyutundaki bir atom örneğinde bu hızlanmayı tespit etti ve her zamankinden daha küçük bir yükseklik farkı üzerindeki etkiyi ortaya çıkardı.

Araştırmaya dahil olmayan Newark'taki Delaware Üniversitesi'nden teorik fizikçi Marianna Safronova, “Bu harika. Bu noktaya gelmenin daha uzun süreceğini düşünmüştüm." dedi. Atom saatinin ölçümünün aşırı hassaslığı, hassas saatleri fizikteki diğer temel kavramları test etmek için kullanma potansiyelini ortaya koyuyor.

Atomların doğal bir özelliği, bilim insanlarının onları saat olarak kullanmalarına izin verir. Atomlar farklı enerji seviyelerinde bulunurlar ve belirli bir ışık frekansı onları bir seviyeden diğerine atlar. Bu frekans - ışığın dalgalarının kıpırdama hızı - bir saatin düzenli olarak ikinci ibresi ile aynı amaca hizmet eder. Yerden daha uzaktaki atomlar için zaman daha hızlı akar, bu nedenle enerjinin sıçramasını sağlamak için daha yüksek bir ışık frekansına ihtiyaç duyulur. Daha önce bilim insanları yerçekimsel kırmızıya kayma olarak bilinen bu frekans kaymasını 33 santimetrelik bir yükseklik farkı boyunca ölçtüler.

Yeni çalışmada Boulder, Colo'daki JILA'dan fizikçi Jun Ye ve meslektaşları, kabaca 100.000 ultrasoğuk stronsiyum atomundan oluşan bir saat kullandılar. Bu atomlar bir kafes içinde düzenlendi, yani atomlar bir merdivenin basamaklarında duruyormuş gibi bir dizi farklı yükseklikte oturdular. Bu yüksekliklerde frekansın nasıl değiştiğinin haritasını çıkarmak bir kaymayı ortaya çıkardı. Frekansı değiştirebilecek yerçekimi olmayan etkileri düzelttikten sonra saatin frekansı, genel göreliliğe göre beklenen miktar olan bir milimetrenin üzerinde yaklaşık yüzde yüz katrilyonda bir oranında değişti.

Dahası, yaklaşık 90 saat boyunca veri aldıktan sonra, saatin üst ve alt bölümlerinin işleyişini karşılaştıran bilim insanları, tekniklerinin göreli tıklama oranlarını yüzde bir trilyonun 0,76 milyonda biri hassasiyetle ölçebileceğini belirlediler. Bu, şimdiye kadar yapılmış en hassas frekans karşılaştırması için bir rekor haline getiriyor.

Wisconsin-Madison Üniversitesi'nden Shimon Kolkowitz ve meslektaşları, yaklaşık altı milimetre ile ayrılan iki saatin nispi tiktak oranlarını, yüzde birin trilyonda birinin 8,9 milyonda biri kadar bir hassasiyetle ölçtüler ve bu, kendisi için yeni bir rekor olacaktı. Ye'nin grubu tarafından yenilmedi. Bu hassasiyetle bilim insanları yaklaşık 300 milyar yıl sonra sadece bir saniye ile aynı fikirde olmayacakları kadar çok az farklı bir hızda çalışan iki saat arasındaki farkı tespit edebildiler. Ye'nin saati, kabaca 4 trilyon yılda birikmiş bir saniyelik saatin iki yarısı arasındaki daha da küçük bir farkı saptayabiliyordu. Kolkowitz'in ekibi henüz yerçekimsel kırmızıya kaymayı ölçmemiş olsa da, kurulum gelecekte bunun için kullanılabilir.

Her iki çalışmanın yazarları makaleler henüz hakem değerlendirme sürecinden geçmediği için yorum yapmaktan kaçındı.

Sidney'deki New South Wales Üniversitesi'nden teorik fizikçi Victor Flambaum, ölçümlerin kesinliğinin gelecekteki olasılıklara işaret ettiğini söyledi ve "atomik saatler artık o kadar hassas ki, karanlık maddeyi aramak için kullanılabilirler" dedi. Bu gizli, tanımlanamayan madde, kozmosta görünmez bir şekilde pusuya yatmaktadır. Bazı varsayımsal karanlık madde türleri, saatlerin tik taklarını değiştirebilir. Bilim insanları ayrıca farklı izotoplardan (çekirdeklerinde çeşitli sayıda nötron bulunan atomlar) yapılmış atomik saatleri karşılaştırabilirler; bu, keşfedilmemiş yeni parçacıklara işaret edebilir. Ve atomik saatler, doğanın temel sabitlerinin değişip değişmediğini inceleyebilir.

Farklı saatleri hassas bir şekilde karşılaştırma yeteneği zaman işleyişinin ana hedefi için de önemlidir: bir saniyenin tanımını güncellemek. Bir saniyenin uzunluğu şu anda iki yeni çalışmada kullanılanlar gibi daha yeni olanlar kadar hassas olmayan daha önceki nesil atomik saatler kullanılarak tanımlanmaktadır. Safronova, “Saatlerin çok parlak bir geleceği var” diyor. 

Kaynak:

https://www.sciencenews.org/article/atomic-clock-general-relativity-time-warp-millimeter-physics