Zamanın 19. hanesi: en hassas saat rekoru lutesyum iyonuna geçti

Rakam soyut geliyorsa şöyle düşünün: bu mertebede bir belirsizlik, evrenin yaşından kat kat uzun sürelerde bile bir saniyelik sapmanın birikmemesi demek. Ama işin asıl önemli tarafı bu değil. Önemli olan, böyle bir saatin neyi ölçebildiği ve saniyenin tanımını kimin yazacağı.

Neden lutesyum?

Optik saat alanının bilinen isimleri stronsiyum, iterbiyum ve alüminyum. Lutesyum bu listede uzun süre kenarda kaldı. CQT ekibinin başındaki Doç. Dr. Murray Barrett'in on yıldan uzun süredir peşinde olduğu fikir ise şuydu: hassasiyeti laboratuvarı aşırı koşullarda tutarak değil, doğrudan atomu seçerken kazanmak.

Lutesyum-176 iyonunun saat geçişi — 848 nanometre dalga boyunda bir lazerle uyarılan, atomun iki enerji düzeyi arasındaki geçiş — sıcaklıktan ve manyetik alan dalgalanmalarından olağanüstü az etkileniyor. Atom saatlerinin en inatçı hata kaynağı, çevredeki her şeyin yaydığı ısıl ışımanın (kara cisim ışıması) saat geçişinin frekansını hafifçe kaydırmasıdır; bu yüzden rakip laboratuvarlar kriyojenik soğutmaya, sıvı azota ve ağır kalkanlamaya bel bağlıyor. Barrett'in Phys.org'a aktardığı benzetme farkı özetliyor: «Lutesyum saati, kayıtlardaki en sıcak yer olan Death Valley'den Antarktika platosundaki en soğuk yere taşınsanız bile kararlı kalırdı.»

Barrett aynı açıklamada iddiasını açıkça koyuyor: «Elimizdekinin dünyanın en doğru saati olduğundan eminim.» Makalenin ortak ilk yazarları CQT araştırmacısı Kyle Arnold ile doktora öğrencisi Michael Lee.

Asıl zorluk ölçmek değil, ölçümü doğrulamak

Bir saatin belirsizliğini hesaplamak, o saati kuran ekibin kendi hata bütçesini çıkarması demektir: bilinen her kaymayı tek tek ölçüp toplarsınız. Sorun şu ki bu bir öz değerlendirmedir. Gözden kaçan bir etki varsa, o etki bütçeye hiç girmez.

Makalenin başlığı doğrudan bu noktaya bakıyor: «19. hanede doğruluğu doğrulanmış Lu+ optik frekans referansları.» Ekip aynı türden iki bağımsız saat kurup birbirine karşı çalıştırdı. İki saat de aynı gizli hatayı taşımadığı sürece, aralarındaki uyum hata bütçesinin gerçekten kapandığını gösteriyor. Karşılaştırma korelasyon spektroskopisi denen bir yöntemle yapıldı: iki iyon aynı lazerle sorgulanınca yanıtlarındaki ortak gürültü birbirini götürüyor, geriye saatler arasındaki gerçek fark kalıyor.

Makaleye göre birkaç laboratuvar 10⁻¹⁸'in altında belirsizlik bildirmişti; eksik olan, aynı tür atomla kurulmuş iki saatin bu düzeyde karşılıklı doğrulanmasıydı.

Vitrindeki rakamlar

Son iki yılda bildirilen sistematik belirsizlikler, alanın ne kadar hızlı sıkıştığını gösteriyor. Aşağıdaki tablo ilgili kurumların kendi yayın ve duyurularından derlendi.

NIST, kendi alüminyum iyonu saatini duyururken bu sonucun yirmi yıllık kademeli iyileştirmenin ürünü olduğunu ve bir önceki rekora göre yüzde 41 daha doğru olduğunu belirtmişti. Rekorların birkaç ay arayla el değiştirmesi, farklı atomlarla kurulan yolların aynı duvara ayrı taraflardan vurduğu anlamına geliyor.

Saniye nasıl tanımlanıyor, neden değişecek

1967'den beri bir saniye, sezyum-133 atomunun belirli iki düzeyi arasındaki geçişe karşılık gelen ışımanın 9.192.631.770 salınımı olarak tanımlı. Bu tanım mikrodalga bölgesinde çalışır. Optik saatler ise görünür ışık frekanslarında, yani saniyede on binlerce kat daha fazla «tik» sayarak aynı süreyi çok daha ince bölebiliyor. Bir cetvelin milimetre çizgileri yerine mikron çizgilerinin olması gibi.

Uluslararası zaman otoritesi, saniyenin optik bir geçiş üzerinden yeniden tanımlanması için optik saatlerden gelen verileri değerlendiriyor. CQT'nin duyurusunda bu değişimin 2030 ya da sonrasında beklendiği belirtiliyor. Hangi atomun seçileceği henüz kapalı; lutesyumun sunduğu argüman, egzotik bir laboratuvar ortamı gerektirmemesi.

Milimetrenin sınırında

Bu hassasiyetin bedeli var ve ekip bunu kendisi yazıyor. 10⁻¹⁹ düzeyinde çalışan bir saat, Einstein'ın öngördüğü kütleçekimsel zaman genişlemesini milimetre ölçeğindeki yükseklik farklarında görür: masadan bir milimetre yukarı kaldırılan saat, ölçülebilir biçimde daha hızlı işler. CQT ekibi kendi iki saati arasındaki yükseklik farkını milimetrenin altında ölçmek zorunda kaldı.

Bu aynı zamanda bir tavan anlamına geliyor. Farklı ülkelerdeki saatleri bu düzeyde karşılaştırmak için Dünya'nın kütleçekim alanının ne kadar iyi haritalandığını bilmek gerekiyor; CQT'ye göre bugünkü küresel harita bu doğruluğa yetmiyor. Yani rekor kıran saatler artık kendilerini karşılaştırabilecekleri zemini bulmakta zorlanıyor. Aynı zorluk bir fırsat da: saatler yeterince hassaslaştığında jeodezide, yani yeryüzünün şeklini ve kütleçekimini ölçmede doğrudan ölçü aleti hâline geliyorlar.

Türkiye'de zamanın adresi

Türkiye'nin resmî zaman ölçeği UTC(UME), TÜBİTAK Ulusal Metroloji Enstitüsü'nde üretiliyor. UME, 2018'de duyurduğu bir iş birliğiyle Türkiye'nin ilk optik atomik saatini — stronsiyum örgü (lattice) tipinde — geliştirme projesini başlatmıştı. Enstitünün o tarihli açıklamasına göre hedeflenen saatin milyar yılda bir saniyeden az sapması, böylece ülkenin zaman ölçeğinin doğruluğunun yüz kattan fazla artırılması ve jeodezi ile temel bilim çalışmalarının önünün açılması amaçlanıyordu. Saniyenin yeniden tanımı gündeme geldiğinde, böyle bir saati işletebilen ülkeler tanımı kendi laboratuvarında üretebilecek; işletemeyenler dışarıdan aktarılan zamanı kullanmayı sürdürecek.

Sırada ne var

CQT ekibinin bir sonraki hedefi, oda dolusu düzeneği taşınabilir bir sisteme küçültmek. Nedeni pratiklik değil: bir saat ancak başka laboratuvarlardaki saatlerle karşılaştırılabildiği ölçüde standart olur, ve 10⁻¹⁹ düzeyinde karşılaştırma bugün optik fiber bağlantısı ya da saatin bizzat yola çıkarılması dışında bir yolla yapılamıyor. Açık soru da burada: lutesyumun laboratuvarda gösterdiği soğukkanlılık, kutuya konup taşındığında da sürecek mi?

Fotoğraf: National Institute of Standards and Technology, Public domain, Wikimedia Commons