Zamanı ölçmek, günlük hayatımızda genellikle bir saatin tik taklarına bakmak ya da bir sarkaç izlemek gibi basit yöntemlerle yapılır. Ancak kuantum dünyasında, yani atomların ve elektronların dünyasında işler çok daha karmaşıktır. Burada, “o an” ve “şu an” arasındaki farkları anlamak daha zor hale gelir. Bu yüzden, klasik bir saat ya da kronometreyle zaman ölçmek her zaman mümkün değildir.
İsveç’teki Uppsala Üniversitesi’nden bir grup bilim insanı, bu soruna çözüm bulacak yeni bir yöntem geliştirdi. 2022 yılında yaptıkları bir araştırmada, kuantum düzeyindeki atomların dalga benzeri hareketlerini inceleyerek zaman ölçmenin farklı bir yolunu keşfettiler. Bu yeni yöntem, geleneksel bir başlangıç noktası gerektirmeden zaman ölçmeyi mümkün kılıyor.
Rydberg atomları, bu araştırmada kullanılan özel atomlardır. Rydberg atomları, çok fazla enerji alarak büyüyen ve çekirdeklerinden oldukça uzaklaşan atomlardır. Bir lazer ışını kullanılarak bu atomlar yüksek enerji seviyelerine getirilir. Ancak her lazer ışını, atomları büyük ölçekte şişirmez. Genelde lazerler, atomların elektronlarını daha yüksek enerji seviyelerine çıkarmak için kullanılır.
Bir lazerin bu şekilde elektronları hareket ettirmesinin yanı sıra, başka bir lazerle bu elektronların hareketlerini de izlemek mümkündür. Bu yöntem, özellikle ultrahızlı elektronik cihazların hızını ölçmek için kullanılır. Rydberg atomlarının özelliklerinden faydalanmak, mühendisler için önemli bir avantaj sağlar, özellikle kuantum bilgisayarları için yeni bileşenler tasarlarken.
Fakat, kuantum dünyasında işler biraz daha karışıktır. Elektronların hareketleri, tıpkı bir rulet masasında topun rastgele hareket etmesi gibi tahmin edilemezdir. Bu hareketler, “Rydberg dalga paketleri” adı verilen bir matematiksel modelle açıklanır. Bir alanda birden fazla Rydberg dalga paketi bulunursa, bu paketler birbirleriyle müdahale eder ve benzersiz desenler oluşturur.
Fizikçiler, bu dalga desenlerinin her birini, zamanın nasıl geçtiğini belirlemek için bir “parmak izi” gibi kullanabileceklerini fark ettiler. Yani, zamanın geçtiğini ölçmek için her bir dalga deseninin kendine özgü bir zamanı temsil etmesi sağlanabilir. Bu yeni yöntem, zaman ölçmek için kesin bir başlangıç noktasına ihtiyaç duymaz.
Yapılan deneylerde, lazerle uyarılmış helyum atomlarının hareketleri incelendi ve elde edilen sonuçlar teorik hesaplamalarla karşılaştırıldı. Sonuçlar, bu yeni zaman ölçüm yönteminin oldukça doğru olduğunu gösterdi. Uppsala Üniversitesi’nden fizikçi Marta Berholts, “Bir sayaç kullanıyorsanız, sıfır noktasını belirlemeniz gerekir ve saymaya oradan başlarsınız,” diyerek yeni yöntemin avantajını şöyle açıkladı: “Ancak bu yöntemde saate başlamak gerekmez. Sadece dalga desenlerine bakarak, ‘tamam, bu 4 nanosecond (nanodakika) sürdü’ diyebilirsiniz.”
Bu buluş, özellikle zamanın net bir şekilde ölçülemeyeceği veya çok kısa sürelerin gözlemleneceği durumlarda kullanışlıdır. Atomların kuantum düzeyindeki hareketleri sayesinde, zamanın trilyonlarca kez bölündüğü hassas ölçümler yapılabilir. Bu yeni teknik, gelecekte farklı atomlar ve lazer enerjileriyle genişletilebilir. Böylece, çok çeşitli koşullarda kullanılabilen bir zaman ölçüm yöntemi ortaya çıkabilir.
Özetle fizikçiler, kuantum düzeyindeki atomların dalga hareketlerinden faydalanarak zaman ölçmenin yeni bir yolunu keşfetti. Bu yöntem, zamanın geçtiğini ölçmek için belirli bir başlangıç noktasına ihtiyaç duymadan, atomların hareketlerinden zaman damgası almayı mümkün kılıyor.
Bu araştırma, Physical Review Research dergisinde yayımlandı.