1967 yılında dünyanın dört bir yanından araştırmacılar uzun süredir devam eden bilimsel bir soruyu yanıtlamak için bir araya geldi. Bir saniye ne kadar uzun? Evet sadece Bir saniye ne kadar uzun? Bu soruyu cevaplamak için toplandılar… İlk başta apaçık görünebilir. Bir saniye, bir saatin tik tak etmesi, bir sarkacın sallanması veya bire kadar saymak için geçen süredir. Ama bu ölçümler ne kadar hassas? Bu uzunluk neye dayanıyor? Ve bu temel zaman birimini bilimsel olarak nasıl tanımlayabiliriz?
Eski medeniyetlerin çoğu zamanı, gece gökyüzünün istikrarlı yürüyüşünü izleyen benzersiz takvimlerle ölçtüler. Aslında bildiğimiz gibi gregorian takvimi, İngiliz sömürgeciliğiyle birlikte tüm dünyaya yayılmaya başladığı 1500’lerin sonlarına kadar pek bilinmiyordu. Gregoryen takvimi, bir günü, kendi ekseni etrafında Dünya’nın tek bir devrimi olarak tanımladı.
Her gün 24 saate, her saat 60 dakikaya ve her dakika 60 saniyeye bölünebilir. Bununla birlikte, ilk tanımlandığında, ikincisi faydalı bir zaman biriminden çok matematiksel bir fikirdi. Kırsal topluluklardaki insanların çoğu için günleri ve saatleri ölçmek yeterliydi.
1950’lere gelindiğinde, çok sayıda küresel sistem, her saniyenin mükemmel ve olabildiğince hassas bir şekilde hesaplanmasını gerektiriyordu. Ve atom ölçeğinden daha kesin ne olabilir? Araştırmacılar, 1955 gibi erken bir tarihte, zaman işleyişi için yeni bir temel oluşturmak için değişmeyen fizik yasalarına dayanan atomik saatler geliştirmeye başladılar.
Bir atom, pozitif yüklü bir çekirdeğin etrafında tutarlı bir frekansta dönen negatif yüklü elektronlardan oluşur. Kuantum mekaniğinin yasaları bu elektronları yerinde tutar, ancak bir atomu ışık veya radyo dalgaları gibi bir elektromanyetik alana maruz bırakırsanız, elektronun yönünü biraz bozabilirsiniz. Ve bir elektronu doğru frekansta kısaca ince ayarlarsanız, tik tak sarkacına benzeyen bir titreşim yaratabilirsiniz.
Hızla enerji kaybına uğrayan normal sarkaçların aksine, elektronlar yüzyıllar boyunca çalışabilir. Tutarlılığı korumak ve titreşimlerin ölçülmesini kolaylaştırmak için araştırmacılar atomları buharlaştırarak onları daha az etkileşimli ve uçucu bir duruma dönüştürür. Ancak bu süreç, atomun oldukça hızlı hareketini yavaşlatmaz. Bazı atomlar saniyede dokuz milyardan fazla salınabilir ve atomik saatlere zamanı ölçmek için benzersiz bir çözünürlük sağlar. Belirli bir element izotopunun her atomu özdeş olduğundan, aynı elementi ve aynı elektromanyetik dalgayı kullanan iki araştırmacı mükemmel tutarlı saatler üretmelidir.
Ancak zaman işleyişi tamamen atomik hale gelmeden önce, ülkelerin hangi atomun en iyi çalışacağına karar vermesi gerekiyordu. Bu, 1967’de Uluslararası Ağırlıklar ve Ölçüler Komitesi’nin On Üçüncü Genel Konferansı’ndaki bir tartışmaydı.
Periyodik tabloda her biri kendine özgü özelliklere sahip 118 element vardır. Bu görev için araştırmacılar birkaç şey arıyorlardı. Hassas, uzun vadeli zaman işleyişi için elementin uzun ömürlü ve yüksek frekanslı elektron salınımına sahip olması gerekiyordu.
Bu salınımı kolayca izlemek için, aynı zamanda güvenilir bir şekilde ölçülebilir bir kuantum dönüşüne (yani elektronun etrafında döndüğü eksenin yönelimi) ve basit bir enerji seviyesi yapısına sahip olması gerekiyordu, Bu aktif elektronların az olduğu ve durumlarının tanımlanması basit olduğu anlamına gelir. Son olarak, buharlaştırmanın kolay olması gerekiyordu.
Kazanan atom mu? Sezyum-133. Sezyum, atom saati araştırmaları için zaten popüler bir unsurdu ve 1968’de bazı sezyum saatleri ticari olarak bile mevcuttu. Geriye kalan tek şey, bir saniyede kaç sezyum atomu tıkının olduğunu belirlemekti.
Konferans, o sırada mevcut olan bir saniyenin en hassas astronomik ölçümünü kullandı. Bir yıldaki gün sayısı ile başlayıp aşağıya doğru bölünüyor. Atomun tik tak oranıyla karşılaştırıldığında, sonuçlar resmi olarak bir saniyeyi tam olarak bir sezyum-133 atomunun 9,192,631,770 titreşmesi olarak tanımladı. Yani 1 saniyeyi 9 milyarda bir hassaslığında ölçme imkanı verir. Bu atomun titreşim sayısı o kadar hassastır ki, atom saatinin 30 milyon yılda ancak 1 saniye kadar şaşma ihtimali bulunmaktadır.
Günümüzde atom saatleri dünyanın her yerinde kullanılmaktadır. En basit örnek olarak GPS sistemlerini örnek verebiliriz: Telefonunuzda kullandığınız navigasyon uygulamaları, atom saatleri ile birbirine senkronize olmuş 32 adet GPS uydusundan aldığı sinyaller sayesinde milimetrik hassasiyetle yön bulmanıza olasılık sağlar.