Adını pek duymasak da kullandığımız bazı sistemlerin çalışması için önemli olan atom saatleri, atomların salınımları ile zamanı belirler.
Atom saatinin ne olduğunu herkes bilmeyebilir. Bazılarımız da kulaktan dolma da olsa duymuşuzdur. Peki, atom saatinin yaşamımızdaki önemi nedir? Bunu hiç merak ettiniz mi? Birçok teknoloji, atom saatine dayanır. Atom saati olmadan birçok şeyi yapamazdık veya kullanamazdık. Hava trafiği kontrolü, uydu yönlendirmesi ve internet ticareti atom saatinin ultra hassas kronometresine dayanan uygulamalardan sadece birkaçı...
Atom Saati Nedir?
Atom saati, saniyeler arasındaki tikleri saymak için farklı enerji durumlarında atomların salınımlarını kullanan bir aygıttır. Diğer bir tanıma göre, atomların rezonans frekanslarını sayarak zamanı ölçen bir saat çeşididir. Günümüzde sezyum elementinin atomu, en çok tercih edilen atomdur; çünkü her saniyede 9 milyarın üstünde tike sahiptir. Sezyum atomunun salınımları hiç değişmez, zamanı tutmak için doğru bir metot verir.
Atom Saati Neden Önemli?
Atom saatleri, sadece büyük fizik laboratuvarlarında bulunur. Bu laboratuarlar Amerika Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) ve İngiltere Ulusal Fizik Laboratuarı (NPL) gibi laboratuvarlardır. Bazı insanlar bilgisayar ağlarını kontrol eden bir atom saatinden bahseder. Bazıları da duvarlarında bir atom saati asılı olduğunu iddia eder. Pratikte bu doğru değil. Aslında bu insanlar, zamanı bir atom saatinden alan bir zaman sunucusuna veya saate sahiptir. NTP zaman sunucusu gibi aygıtlar, NIST veya NPL gibi laboratuvarlardan uzun radyo dalgaları aracılığıyla atom saati sinyalleri alır.
Atom saatinden zaman değerlerini almanın başka bir metodu da GPS ağı kullanmaktır. GPS ağı ve uydu yönlendirmesi aslında atom saatinin bu hassas doğruluk oranına neden bu kadar ihtiyacımız olduğuna iyi bir örnektir. NIST, NPL ve yörüngedeki GPS uydularının içindekiler gibi modern atom saatleri, 100 milyon yılda 1 saniyeye kadar hassastır. Böyle bir doğruluk oranı, bir otomobilde GPS uydu yönlendirme sisteminin çalışması gibi durumları incelerken hayati önemdedir. Bir GPS sistemi, üç veya daha fazla GPS uydusundan ve onların tümleşik atom saatlerinden aldığı sinyalleri çoklayarak çalışır. Bu sinyaller ışık hızıyla hareket ettiği için 1 milisaniyelik yanlışlık bile yönlendirme sistemini 100 kilometre kaydırabilir.
Bu yüksek düzey doğruluk oranı, aynı zamanda hava trafik kontrolü, uydu sistemlerinin kontrolü ve internet ticareti işlemleri için de önemlidir; çünkü değerler her saniye artıp azalabilir. Modern radyo saatleri, atom saatlerini referans alır; ancak radyo saatleri ikincil ekipmanlar oldukları için atom saatlerindeki kesin değerleri tanımlayamazlar. Bu sebeple bilimsel uygulamalarda kullanılmazlar.
İstikrarlı ve devamlı bir zaman ölçümü standardı olan “Uluslararası Atomik Zamanı (International Atomic Time - IAT)” oluşturmak için atom saatleri kullanılır. Bunun dışında IAT'den elde edilen ancak gece ve gündüzün geçişiyle senkronize edilen “Koordine Evrensel Zaman (Coordinated Universal Time - CUT)” da kullanılır.
Nasıl Çalışır?
Atom saatindeki salınım veya osilasyon, atomun çekirdeği ve elektronları arasında gerçekleşir. Çekirdek ve elektronlar arasında geçen zamanın izini sürmek için salınımları kullanırlar. Atomdaki salınım frekansı, çekirdeğin kütlesi ve ağırlığına ve çekirdekteki pozitif yük ve onu çevreleyen elektron bulutu arasındaki elektrostatik yaya bağlıdır. Atomik bir saatte, atomların doğal salınımları dedelerimizin köstekli saatlerindeki sarkaç gibi davranır. Bununla birlikte, atomik salınımların çok daha yüksek bir frekansı olduğu ve çok daha kararlı oldukları için, atomik saatler konvansiyonel saatlerden çok daha hassastır. Birçok farklı atom saati türü bulunur; ancak genellikle aynı temel çalışma prensibini kullanırlar.
Atom saatleri, günümüzde Amerika Colorado’daki atom saati ile senkronize çalışır. Colorado’daki Amerikan Ulusal Standartlar ve Teknolojiler Enstitüsü (NIST) tarafından kurulup işletilen sistemde, zamanı bildiren radyo yayını “WWVB” adı verilen bir radyo istasyonundan yapılır. Düşük bir frekansta (60 bin Hz) 50 bin watt güce sahip olan ve oldukça verimli bir anteni bulunan WWVB, Kanada ve orta Amerika ülkelerine ulaşabilir. Japonya, Çin, Almanya ve Rusya’da da atom saati istasyonları bulunuyor.
Türkiye’de “Türksat Saat TV” adlı televizyon kanalı aracılığı ile atom saatine referanslı saat bilgisi yayını yapılıyor. Saat TV’de, saat bilgisi ses tonundan verilmektedir. Reciever ses çıkışı “IRIG-B” uyumlu saatlere bağlandığında saat bilgisi otomatik olarak güncelleşir.
Nerelerde Kullanılır?
Atom saatleri, hassas zaman değeri ihtiyacı duyulan birçok cihazda ve sistemde kullanılıyor. Bunlardan bazıları şunlardır; fotogrametrik ölçü aletleri, GPS sistemleri, internet, uzay araştırmaları, uydu sistemleri, uçak takip ve kontrol sistemleri, manyetik alanlar, dedektörler, radyo kontrollü saatler, navigasyon sistemleri, iletişim ve telekomünikasyon sistemleri, borsalar, elektrik enerjisi sistemleri…
Maser Nedir?
İlk atom saatleri, sayım ekipmanları eklenmiş maserlerdi. Maser; atomların dışarıdan uyarılması sonucu dışarıya salınan radyasyon yardımı ile elde edilen elektromanyetik dalgadır. “Maser” kelimesi ”Molecular Amplification by Stimulated Emission of Radiation” kelimesinin kısaltılmasıdır. Işın gibi uyarılmış radyasyon yayılımıyla moleküler dalga kuvvetlendirilmesi işlevi gören maser cihazı, hassas frekansta mikrodalga titreşimleri ve düşük gürültü seviyeli kuvvetlendirme elde eder. Maser ortamı, gaz veya katı halde aktif bir ortamdır. Tek renk ışık elde etmek için oluşturulan optik düzenekler maserdir. Bunların optik frekanslarda çalışanlarına “optik maser” veya “lazer” adı verilir.
FOTO: (Dünyanın ilk sezyum atomik saatin yanında duran Louis Essen (sağda) ve Jack Parry (solda).
Bunları Biliyor musunuz?
- Atom saatlerinin 3 milyon yılda 1 saniye hata yapmalarının ihtimali yüzde 22,522'dir.
- Bugünün en iyi atom saatleri, soğuk atomlar ve atomik çeşmelerle çalışan ileri fizik ürünü saatlerdir.
- İlk atom saati 1949 yılında ABD Ulusal Standartlar Bürosu'nda üretildi.
- İlk isabetli atom saati, 1955 yılında İngiliz fizikçi Louis Essen tarafından,“Sezyum-133” izotopu atomunun rezonansının ölçümüyle İngiltere Ulusal Fizik Laboratuvarı'nda yapıldı.
- Bilgisayar çipi boyutundaki ilk atom saati, Ağustos 2004 tarihinde Amerika Ulusal Standartlar ve Zaman Enstitüsü’nde üretildi.
- “Sezyum-133” atomunun “9 milyar 192 milyon 631 bin 770” vibrasyonu (titreşim), 1 saniye olarak kabul edilir.
- Uluslararası standarda göre sezyum rezonansı için doğru frekans 9,192,631,770 hz’dir.
- “Stronsiyum” elementi atomunun “429 trilyon 228 milyar 4 milyon 229 bin 952” vibrasyonu, 1 saniye olarak kabul edilir.
- Yeni modifikasyon stronsiyum atom saati, 15 milyar yılda 1 saniye hata payı var.
- Yaygın olarak kullanılan atom saatleri; sezyum, hidrojen, rubidyum ve iterbiyum atom saatleridir.
- Kısa zaman diliminde hidrojen atom saatleri, sezyum atom saatlerinden 10 kat daha doğru bir sonuç verir. Uzun zaman dilimlerinde ise sezyum atom saatlerinin doğruluk payı daha yüksektir.
- Atomik saatler, astronomik tekniklerle yapılan ölçümlere göre 1 milyon kat daha doğru sonuçlar verir.
- Atom saatleri radyoaktif değildir.
- NIST’e, 2014 yılında 8 milyar kez bilgisayar saati senkronize etme talebi geldi.
- Uluslararası standart zaman, dünyadaki 50 laboratuvarda bulunan 400 atom saati tarafından ölçülen zamanın ortalaması alınarak belirleniyor.
- Uluslararası Atom Süresi (IAT), 400 hassas atomik saatin birleşik çıktısını kullanan bir zaman ölçeğidir. Saatlerimizin tam hızını belirtir.
- Dünyanın en hassas atom saati, 100 milyon yılda 1 saniyelik hata payı vardır. Bu saat, Amerika Colorado Boulder'daki “NIST-F1” adlı atom saatidir.
- Atom saatleri günümüzde Hewlett Packard, Frekans Elektronik ve FTS gibi şirketler tarafından üretilmektedir.