İKİ SAAT, İKİ ÜLKE, TEK BİR VURUŞ

Optik atom saatleri artık 10⁻¹⁸ ve altındaki bağıl belirsizliklere ulaşıyor — otuz milyar yılda bir saniye kaybetmeye denk. Bugün saniyeyi tanımlayan sezyum mikrodalga saatlerini yüz kattan fazla geride bırakıyorlar ve saniyenin optik saatlere dayanarak yeniden tanımlanması bekleniyor. Ancak yeni bir standart seçmeden önce saatlerin birbirleriyle karşılaştırılarak doğrulanması gerekiyor.

Neden iki özdeş saat

Aynı atomik geçişi — atomun iki enerji düzeyi arasındaki sıçramayı; saat bu sıçramanın ışık frekansını sayar — kullanan saatleri karşılaştırmak net bir sınav sunar: frekans oranlarının tam olarak bir olması gerekir. Böyle bir uyum 10⁻¹⁷’nin altında neredeyse yalnızca tek bir enstitü içinde kurulmuş sistemler arasında gösterilmişti. Aynı iki saat arasında yapılan önceki bir Avrupa kampanyası, yeterli veri olmadığı için yeniden tanımlama öncesinde belirlenen 5 × 10⁻¹⁸ hedefine ulaşamamıştı. Bağımsız olarak kurulmuş başka saatler arasındaki karşılaştırmalar ise belirtilen belirsizliklerin çok ötesinde uyuşmazlıklar ortaya koymuştu; bu, kimsenin hesaba katmadığı etkilerin işaretiydi.

Tek iyon, iki laboratuvar

Her iki saat de tek bir iterbiyum-171 iyonunu tuzaklıyor ve son derece dar bir geçişi yokluyor: uyarılmış durumu yıllarca yaşayan bir “elektrik oktupol” geçişi. Saatlerden biri, NPL-E3Yb+3, Birleşik Krallık’ın Teddington kentindeki National Physical Laboratory’de. Diğeri, PTB-Yb1E3, Almanya’nın Braunschweig kentindeki Physikalisch-Technische Bundesanstalt’ta. Tuzak tasarımları, kararlı hale getirilmiş lazerleri ve yoklama ışığının kendisinin yol açtığı kaymayı giderme yöntemleri bakımından birbirlerinden ayrılıyorlar.

Saatler, kendilerinden neredeyse hiç sapma eklemeyecek biçimde kararlı hâle getirilmiş optik fiberlerden oluşan Avrupa ağı üzerinden bağlandı: Fransa’daki üç aktarma istasyonu üzerinden 2.220 km — Villetaneuse’deki Laboratoire de Physique des Lasers, Paris Gözlemevi’ndeki Laboratoire Temps Espace ve Strazburg Üniversitesi. 18 Mart ile 12 Nisan 2025 arasında ekip 12,6 günlük kullanılabilir veri topladı; iki saat ve bağlantı, zamanın %51’inde birlikte çalışıyordu.

Sonuç

İki frekansın oranı 1,000 000 000 000 000 001 0 çıktı; son basamaklarda 48’lik bir belirsizlikle. Yani fark 1,0 × 10⁻¹⁸ ± 4,8 × 10⁻¹⁸: sıfırla uyumlu. Yazarların bildiği kadarıyla bu, 5 × 10⁻¹⁸’in altına inen ilk uluslararası saat karşılaştırması.

10⁻¹⁸ biriminde hata bütçesi (bağımsız hatalar kısmen birbirini götürür: karelerinin toplamının karekökü olarak birleşirler, bu yüzden toplamları 8,8 değil 4,8 eder):

saatlerin kendisi: 2,8; en büyük etki, oda sıcaklığındaki çevrelerinin yaydığı ısı;
uluslararası fiber bağlantı: 0,9;
istatistik: 1,6;
iki konum arasındaki göreli kırmızıya kayma — bir saat Dünya’nın çekim alanında ne kadar yüksekte durursa o kadar hızlı işler, santimetre başına yaklaşık 1 × 10⁻¹⁸ —, gelgitlerin değişen çekimi de dahil olmak üzere: 3,5 — tek başına en büyük terim.

Bu son düzeltme, her saatin Dünya’nın çekim potansiyelindeki konumuna bağlı. Belirsizliği, iki saat arasındaki 3 santimetreden biraz fazla bir yükseklik farkına denk düşüyor.

Yan ürün olarak bir görelilik sınavı

İki konum birbirinden çok uzak ve Dünya’nın dönüşü aralarındaki çizgiyi sürekli döndürüyor. Işık hızı yöne bağlı olsaydı — fizikçilerin Lorentz değişmezliği dediği şeyin ihlali — frekans oranı her yıldız gününde — Dünya’nın yıldızlara göre bir tam dönüşü, 23 sa 56 dk — salınırdı. Böyle bir sinyal görülmedi. Bu yön bağımlılığını ölçen parametre öncekinden yaklaşık beş kat daha sıkı sınırlandı. Bu arada, gelgit düzeltmesi yapılmadığında, bir sinyal ipucu sanılacak kadar güçlü sahte bir salınım ortaya çıkıyordu (2,6 standart sapma).

Veriler, fiberin gürültü eklediğini de gösterdi: saçılım gündüz geceye göre %24 daha genişti; bu, bağlantı boyunca çevresel bozulmalarla tutarlı.

Artık santimetreler önemli

Hatayı yerçekimi belirlediği için yazarlar, daha da iyi karşılaştırmaların her konumdaki çekim potansiyelinin daha iyi bilinmesini gerektireceğini yazıyor — ya da performansını yitirmeden diğer konuma taşınabilen bir saati.