Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi yani CERN, ışık hızına yakın hareket eden parçacıklar ile ilgili ATLAS gibi büyük deneylerinde veri toplamak için bu deneylerini zaman uyumlu hale getirmeleri gerekiyordu. İletişim ve seyahatin yeterince hızlanmasından beri birbirinden uzak zaman kaynaklarını senkronize etmek bir sorun olmuştur. Demiryollarının ve özellikle telgrafın ortaya çıkışı, iki farklı yerde zamanın karşılaştırtılabileceği ve hatta senkronize edilebileceği anlamına geliyordu.
İsviçre Patent Ofisi’nde henüz genç bir patent memuru iken Albert Einstein, zaman senkronizasyonu mekanizmaları başvurularından en az bir tanesini gözden geçirmiştir. Matematikçi Poincaré, kendi adını verdiği zaman senkronizasyon cihazında uzak mesafeler arasında ışık demeti atışı yapıyor, ışığın aldığı mesafeyi ve hızını bilerek ışığın ne zaman çıktığını belirleyebiliyordu. Yani hem ışık kaynağı hem de alıcı birbirlerine göre sabit halde duruyor olsalardı bu geçerli olurdu. Bir saat, ışık hızının önemli bir kısmında hareket ediyorsa, iki saat arasındaki zaman senkronizasyonu zorlaşır çünkü farklı görünür hızlarda çalışırlar. Belki de bu mekanizmayı düşünmek Einstein’ı görelilik teorisini düşünmeye itti.
Einstein, ilk yazılarında birbirlerine göre hareket halinde olan saatler arasında zaman senkronizasyonunun imkansız olduğunu düşünüyor gibiydi ancak ışık hızı sinyal alışverişinin alternatifini asla düşünmedi. Yavaş zaman senkronizasyonu, bir konumdaki saatin sabit bir başka saatle senkronize edilmesini ve farklı bir yere taşınması ardından o saatle tekrar senkronize edilmesini içerir.
Aktarım yoluyla, her iki saat de hareket ettirilen saatin doğruluğu ve kayması dahilinde senkronize edilir. Bu fenomen, doğru gemi saatleri icat edildikten sonra boylamın nasıl belirlendiğine benzer. Bu saat, İngiltere’deki Greenwich ortalama Saati ile senkronize edilip daha sonra gemi hareket ettikçe Güneş’in konumunun söylediği zamanla karşılaştırılır. İki zaman arasındaki fark, geminin başlangıç meridyeninin ne kadar doğusunda veya batısında olduğunu gösterir.
Yavaş senkronizasyon aynı zamanda iki saatin birbirine göre hareket durumlarında nasıl senkronize edebileceğinizdir; çünkü birinden diğerine hareket ettiğiniz üçüncü saat, hareket durumunu birinden diğerine değiştirir. Böylece iki saati üçüncü ile de eşleştirmenizi sağlar.
Peki ya birbirinden uzak birden çok saati senkronize etmek ve onların öyle kalmasını istiyorsanız?
Seçeneklerden biri disiplinli osilatör yaklaşımı olarak adlandırılan şeyi kullanmaktır. Bu durumda, bir ana osilatörden birçok farklı konuma kare dalga, sinüs dalgası veya daha karmaşık bir dalga gibi bir analog dalga üretirsiniz. Salınımlar o kadar kesindir ki dipten tepeye zaman içinde daima aynı mesafedir.
Daha sonra yerel saatiniz olan yerel osilatör adı verilen şeyi sağlarsınız ve onu elektronik olarak, ana osilatörün yükselen voltajlarına uyması için kendisini periyodik olarak ayarlamaya zorlarsınız. Bu olay, faz kilitli döngü adı verilen bir buluştan yararlanır. Aynı zamanda, alıcıyı frekansın kendisine kilitleyerek TV ve radyoların belirli frekanslara ayarlı kalması şeklinde de gerçekleşir. Bu durumda zaman senkronizasyonunuz osilatörleriniz kadar iyi olacaktır.
2000’li yılların başlarından başlayarak, CERN bu fikri tam olarak yeni olmayan bir zaman senkronizasyonu yaklaşımı haline getirdi ancak birkaç popüler zaman senkronizasyon protokolünü birleştirerek eksiksiz bir senkronizasyon çözümü elde etmeyi amaçladı. Bunu yaparken, Ağ Zaman Protokolü gibi dijital zaman senkronizasyon protokollerinin çok ötesine geçmek istedi; CERN, evrenin sırlarını çözmek için ihtiyaç duyduğu 1 nanosaniyenin altında, yaklaşık 100 pikosaniyeye kadar hassasiyet arıyordu.
Beyaz Tavşan olarak bilinen bu mekanizmayı geliştirmenin anahtarı, iyi bilinen bir teknoloji olan Ethernet’i ve dijital bir ağ üzerinden yayılan sinyalleri ölçmenin bazı kesin yollarını içeriyordu. Standart Ethernet’in yanı sıra, WR deterministiktir, yani veri paketleri her zaman aynı sırayla hedeflerine aynı anda ulaşır.
Ayrıca, SyncE protokolüne dayalı olarak anahtarlar ve ağ donanımı arasında temel bir senkronizasyon sinyali setinden yararlanır. SyncE protokolü esasen yukarıdaki disiplinli osilatör yaklaşımına benzer, ancak verilerin zamanlama sinyallerinin yanı sıra Ethernet anahtarlarından geçirilebilmesi için bir dijital zaman paylaşım sistemi ile eşleştirilmiştir. Kesin Zaman Protokolü adı verilen başka bir protokol, bağlı tüm bilgisayarların sistem saatlerini senkronize tutar ve ayrıca herhangi bir veri parçasının ağdaki herhangi bir bilgisayara ulaştığı zamanı doğru bir şekilde tespit eder.
Tüm bunlar, büyük sensör ağlarının kilometreler boyunca birbirine bağlanabileceği anlamına gelir ve hepsi bu sensör dizisindeki her bir öğeye bir sinyal geldiğinde, saniyenin milyarda birinden daha kısa bir sürede tam olarak bilecek kadar doğru olan tek bir zamanlama sinyalini paylaşır.
Bu, Porto Riko’daki Arecibo radyo teleskopu gibi çanak tabanlı yaklaşımlar yerine bağımsız dijital sensörler kullanılarak devasa kilometre genişliğinde radyo teleskoplarının inşa edilebileceği anlamına geliyor.
Büyük ağlar, 5G için telekomünikasyon sistemlerinden tutun uzay enkazını yok edebilecek dev lazer dizilerine kadar her şey bu şekilde inşa edilebilir.
Ama bu bana zaman senkronizasyonunun sınırlarının ne olduğunu merak ettirdi. İki saati en fazla ne kadar yakınlaştırabilirsin?
İnanılmaz derecede yavaş kayma oranlarına sahip atomik saatlerin yapılabileceğini biliyoruz. Aslında, son birkaç yılda, en doğru (ytterbium-)stronsiyum kafes saatlerin, 10 kentilyonda 3.5 saniyeye kadar hassas olduğu, bu da evrenin yaşı içinde bir saniye kaybetmeyecekleri veya kazanmayacakları anlamına geliyordu.
Bu ilerlemenin, evrenin incelenmesine yönelik güçlü etkileri vardır. 2004’te Kip Thorne’a yerçekimi dalgası dedektörlerinin neden zaman bükülmesi yerine uzay bükülmesini ölçtüğünü sordum. Zamanı bu kadar doğru ölçemeyeceğimizi açıkladı, şimdi ise 20 yıldan daha az bir süre önce mümkün olmayan genel görelilik testlerine izin verebilecek kadar hassas saatlerimiz var.
Bu saatler, özel ve genel görelilikteki ihlalleri ve evrenin temel sabitlerinin zamanla değişip değişmeyeceğini, hatta karanlık maddeyi tespit etmeye çalışmak için zaten kullanıldı.
Yakın tarihli bir deneyde, Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST), stronsiyum kafes saatini, NIST Boulder ve JILA yani ultra soğuk iyon deneyleri için bilinen ilgili bir enstitüdeki farklı laboratuvarlarda bulunan bir alüminyum-iyon saat ve bir iterbiyum kafes saati ile karşılaştırdı.
Bu karşılaştırmalar o kadar doğrudur ki, bir zaman birimi olarak saniyenin mevcut standart tanımını aşarlar. Bu, sezyum atomunun saniyede 9 milyar titreşimdeki titreşimleriyle tanımlanır ve 1967’de tanımlanmıştır. NIST’in bir kentilyonda 6 ila 8 parçaya kadar hassas olan çalışması durumunda, kesinlik o kadar doğrudur ki, farklı atomların (itterbiyum-stronsiyum, iterbiyum-alüminyum ve alüminyum-stronsiyum) frekanslarının oranı açısından zaman doğruluğunu ölçmelidirler. Frekans oranının bir birimi olmadığından, herhangi bir standarttan bağımsızdır ve yakında yeni standart haline gelebilir.
Bu doğruluğu elde etmek için, NIST bilim adamları 1999 yılında optik frekans tarağı adı verilen bir yöntem kullanıyorlar.
Bu cihaz, düzenli aralıklarla sivri uçlar gibi görünen son derece kısa ışık darbeleri üretmek için bir lazer kullanır ve tarağın dişlerine benzer bir görünüm oluşturur. Her darbe farklı bir renk veya frekanstadır ve tarak tüm görünür spektrumu kapsar. Araştırmacılar, lazer ışığının dişlerinden birini optik frekanslarda yayılan bir atomun salınımlarına göre hizalayabilir, lazer frekansını bu çizgiye kilitleyebilir ve geçişleri ölçmek için karmaşık elektronikler kullanabilir. Bu durum, optik atomik saatler yaratmanın kapısını açmış oldu.
Bunları kablosuz olarak senkronize etme yeteneği daha az etkileyici değildir. İki yönlü bir yöntem kullanan havadan zaman senkronizasyonu , türbülans ve titreşimden kaynaklanan etkileri ortadan kaldırır. Fotonik alanının bir parçası olan bu yöntemler, fiber kabloları çalıştırmadan uzak noktaları senkronize etmek anlamına gelebilir ve zamanlama doğruluğu açısından, Beyaz Tavşan’ı femto ve hatta attosaniye hassasiyetlerinde, molekülden geçen ışıktan daha kısa sürede sudan çıkarır.
Mekanik bir saat ile Güneş’in konumunun karşılaştırılmasının size boylamınızı söyleyebildiği gibi, iki atom saatini büyük doğrulukla karşılaştırmak da size nerede olduğunuzu söyleyebilir. Ama bu durumda, o kadar hassas ki, yeni GPS uyduları o kadar hassas konumlar verebilir ki, bir santimetre içindeki bir GPS’in vücudunuzun neresinde olduğunu belirleyebilirler.
Ayrıca, Dünya’nın yerçekimi alanının gücünü, ne kadar hızlı veya yavaş hareket ettiklerini belirleyebilirler. Daha zayıf bir yerçekimi alanındaki saatlerin daha güçlü olan yerlerdekine göre daha hızlı çalıştığını söyleyen Einstein’ın genel görelilik ilkesini kullanarak; belirli bir konumdaki Dünya’nın kesin yoğunluğu, bu saatlerden birinin ne kadar hızlı çalıştığına bağlı olarak belirlenebilir.
Başka bir deyişle, bu saatler o kadar doğrudur ki, ultra hassas LIGO kütleçekimsel dalga dedektörünün yalnızca uzay için yaptığı gibi, uzay-zamanın kendisini ölçebilirler.
Ama ne kadar doğru sonuca ulaşabiliriz?
Her şeyin frekansla ilgili olduğu ortaya çıkıyor. Osilatörünüzün frekansını arttırdıkça, yani bir lazerden gelen darbeli bir ışıkla, daha doğru zamanı ölçebilirsiniz. Stronsiyum kafes saatleri 429 Terahertz’de salınır.
Mümkün olan en küçük ölçülebilir zaman, basitçe mümkün olan en küçük ölçülebilir uzunluk ve mümkün olan en yüksek hız ile ilgilidir. Ölçülebilir en küçük uzunluk, mümkün olan en küçük kara deliğin boyutu olan Planck uzunluğu olarak adlandırılan bir şey olarak ortaya çıkıyor. Mümkün olan en küçük olmasının nedeni basit bir düşünce deneyi ile gösterilmiştir.
Dalga boyu Planck uzunluğunda olacak şekilde ışık üreten bir lazeriniz olsaydı, o kadar çok enerjiye sahip olurdu ki küçük kara delikler yaratırdı. Daha küçük dalga boyuna sahip bir lazer yapmaya çalışırsanız, daha fazla enerjiye sahip olur ve böylece daha büyük kara delikler yaratacaktır. Bir kara deliğin içini göremediğiniz için Planck uzunluğu bir sınır olarak ortaya çıkıyor. Planck dalga boyu lazerimizin frekansı, çözülebilir en küçük zaman olan Planck zamanının tersidir.
Bu hızda salınan bir madde bulabilirsek, zamanı Planck zamanının doğruluğu içinde ölçebiliriz.
Bu kadar hızlı salınım yapacak bir şey düşünmek zor. Yapılan herhangi bir şey muhtemelen son derece dengesiz olurdu ancak doğruluğu artırmak için çok fazla alan olduğunu bize gösteriyor. Bir karşılaştırma yapmak gerekirse, Planck zaman saatinin tik tak değeri, stronsiyum kafes saati ile karşılaştırıldığında, stronsiyum kafes saatin dört ayda bir tik tak eden bir saatle karşılaştırılması kadar doğru olacaktır.
Zaman senkronizasyonu, yine de dünyayı değiştirebilecek araştırma alanlarından biridir. Bugünkü teknolojimizin çoğu, saatlerin gerçek zamanlı olarak büyük mesafelerde tam olarak senkronize edilemeyeceği fikrine dayanıyor. Yine de bunu başardığımızda bize bir kara deliğin ilk görüntüsünü veren Event Horizon teleskopunun da yaptığı gibi, dünyayı gerçekten değiştirebilir.
Sezin Aliye Bozdoğan
