Fiziksel Kuramlarda Zaman

Zamanın genel bir tanımını yapmak pek kolay değildir. Söz konusu fizik olduğundaysa zaman dördüncü boyuttur: Fiziksel olayları ifade etmek için kullanılan koordinat sistemlerinde üç uzay boyutunun yanında bir de zaman boyutu yer alır. Fiziksel niceliklerin değişim hızlarını ifade etmek için zaman koordinatından yararlanılır.

Modern fizik, uzay ve zamanı tek bir uzayzaman kavramı içinde bir araya getirir. Aynı fiziksel olayların koordinatları bir referans sisteminden diğerine aktarıldığında uzay ve zaman koordinatları birbirine dönüşebilir. Ancak bu durum uzay ve zamanın birbirine denk olduğu anlamına da gelmez. Fiziksel kuramlarda zaman, uzay koordinatlarından farklı bir yere sahiptir.

Bir parçacığın konumunu ifade etmek için kullanılan uzay koordinatları, fiziksel olaylar sırasında artabilir ya da azalabilir. Ya da bir referans sisteminde bir parçacığın uzay koordinatları artarken diğerinde azalabilir. Söz konusu zaman olduğunda ise tecrübelerimiz bize, zaman koordinatlarının herhangi bir fiziksel olay sırasında hangi referans sisteminde ifade edildiğinden bağımsız olarak daima arttığını söyler: Zaman geçmişten geleceğe doğru akar. Geçmiş sabit ve değişmezdir, geleceğin nasıl şekilleneceği ise önceden kesin olarak öngörülemez. Zamanın belirli bir akış yönünün olmasını ifade etmek için “zamanın oku” terimi kullanılır.

Zamanla ilgili temel kavramlardan biri nedenselliktir. Fiziksel olayların sebepleri ve sonuçları zamansal olarak sıralandığında sebeplerin her zaman sonuçlardan daha önce gelmesi gerekir. Her ne kadar zaman koordinatları bir referans sisteminden diğerine geçtiğinde değişse de olayların sırası değişmemelidir. Özel görelilik kuramının temel işlevlerinden biri, fiziksel olayların nedensellik ile uyumlu bir biçimde sıralanmasını sağlamaktır. Özel görelilik ile uyumlu bir kuramda farklı referans sistemleri arasındaki koordinat dönüşümleri, sebepler ile sonuçlar arasındaki zamansal sıralamayı korur. Uzay koordinatları için nedensellik benzeri bir ilke yoktur.

Zamanı uzaydan ayıran bir diğer önemli nokta, çeşitli fiziksel kuramların zamansal asimetriye sahip olmasıdır. Örneğin termodinamiğin ikinci yasası, kendiliğinden meydana gelen süreçlerde zaman ilerledikçe entropinin artacağını söyler. Söz konusu uzay koordinatları olduğundaysa fiziksel kuramlarda benzer bir asimetriye rastlanmaz. Uzayda belirli bir yönde ilerledikçe belirli fiziksel niceliklerin artacağını ya da azalacağını söyleyen bir teori yoktur.

Zaman Ölçümleri

Gün içinde ve yıl içinde meydana gelen değişimler açısından zamanı hassas bir biçimde ölçmek önemlidir. İnsanlar da binlerce yıldır zamanı ölçüyor ve zamanı ölçmek için kullandığı yöntemleri iyileştirmeye çalışıyor.

Zamanı ölçmek ile ilgili önemli bir ayrıntı zamanın akış hızının farklı referans sistemlerinde farklı olmasıdır. Özel görelilik kuramı bir gözlemci tarafından ölçülen zamanın, gözlemcinin uzaydaki hareketlerine (hareket yönüne ve hızına) bağlı olarak değişeceğini söyler. Genel görelik kuramı da zamanın akış hızının kütle çekim alanlarından etkilendiğini ifade eder. Görelilik kuramlarının tahmin ettiği farklar, günlük hayatta aşina olduğumuz hızlar ya da kütle çekim alanları söz konusu olduğunda hayli ufaktır. Ancak bu durum, zamanın akış hızındaki değişimlerin her durumda ihmal edilebilir olduğu anlamına da gelmez. Örneğin navigasyon sistemleri zaman ölçümlerindeki ufak farklara hayli duyarlıdır. Bir saniyenin milyarda biri kadar ufak bir hata bile konum tahminleriyle ilgili onlarca santimetrelere varan kaymalara yol açar.

Geçmişten günümüze insanların zamanı ölçmek için kullandığı sistemleri genel olarak ikiye ayırabiliriz: takvimler ve saatler. Takvimler süresi bir günden uzun olan zaman dilimlerini, saatler ise süresi bir günden kısa olan zaman dilimlerini ölçmek için kullanılır.

Takvimler

Arkeolojik eserler, insanların günümüzden en az 6.000 yıl önce Ay takvimleri kullandığını gösterir. Ay’ın Dünya’nın etrafında bir tur dönmesi yaklaşık 29,5 gün sürer. Ay takvimlerindeki aylar da 29 ya da 30 günden oluşur, yıllar ise 12 ya da 13 ay içerir ve uzunlukları 354 ya da 384 gündür.

Ay takvimleri ile ilgili önemli bir sorun, bu takvimlerin mevsimsel döngülerle uyumlu olmamasıdır. Her yılın aynı sayıda aydan ve günden oluştuğu Ay takvimlerinde mevsimler hızla kayar. Bu soruna bir çare olarak bazı Ay takvimlerinde belirli yıllara günler ya da aylar eklenir.

Mevsimsel döngülerle daha uyumlu bir takvim oluşturmanın doğal yolu, Dünya’nın Güneş etrafındaki hareketlerine odaklanmaktır. Güneş takvimlerinde aylar genellikle 30 ya da 31 günden, yıllar ise 12 aydan oluşur. Bu takvimler Dünya’nın Güneş’in etrafındaki 365,2422 günlük dolanımını temel aldığı için mevsimsel döngülerle daha uyumludur. Ancak kaymaları engellemek için az sayıda da olsa belirli yıllara günler eklenmesi gerekir.

Güneş takvimlerinin bir örneği Roma İmparatoru Jül Sezar döneminde oluşturulan Jülyen takvimdir. Bir yılın 365,25 gün sürdüğü varsayımına dayalı bu takvimde ardışık 4 yılın üçü 365 gün, biri ise 366 gündür. Dört yılda bir yaşanan artık yıllar, önceki yıllardaki kaymaları bir miktar telafi eder. Ancak Dünya’nın Güneş etrafındaki dönüşünün 365,25 değil, 365,2422 gün sürmesi nedeniyle Jülyen takvim de mevsimsel döngülerle tam olarak uyumlu değildir. Jülyen takvimde ekinoks ve gün dönümleri her yıl yaklaşık 11 dakika ileriye kayar. Günümüzün en yaygın kullanılan takvimi olan Gregoryen takvim, Jülyen takvimin iyileştirilmesiyle oluşturulmuştur. Jülyen takvimde 4’ün tam katı olan tüm yıllar artık yıldır. Gregoryen takvimde ise Jülyen takvimden farklı olarak 100’ün tam katı olan ancak 400’ün tam katı olmayan yıllar, her ne kadar 4’ün tam katı olsalar da artık yıl değildir. Jülyen takvimde 400 yıllık zaman diliminde 100 artık yıl varken Gregoryen takvimde ise 97 artık yıl vardır. Gregoryen sistemde yıllar ortalama olarak 365,2425 gün sürer. Böylece 365,2422 günlük döngüyle daha uyumlu bir takvim ortaya çıkar.

Saatler

Bir günden daha kısa zaman dilimlerini ölçmek için saatler kullanılır. Bugüne kadar icat edilmiş saatler çok çeşitli mekanizmalarla çalışır. Bazıları yer çekiminden, bazıları yaylarda depolanmış potansiyel enerjiden bazıları ise elektrikten güç alır.

Gündüz vaktini 12 saat dilimine bölme fikri Antik Mısırlılar’a atfedilir. Günümüzden binlerce yıl önce Mısırlılar zamanı ölçmek için Güneş saatleri kullanıyordu. Modern zamanlarda olduğu gibi bu saatlerde de 12 saat dilimi vardı. Mısırlıların 12’lik sistem kullanmasının bir nedeni muhtemelen bir yılda Ay’ın Dünya’nın etrafında yaklaşık olarak 12 kez dönmesiydi. Ayrıca daha da önemli bir başka nedeni ise gece vakti zamanın akışını ölçmek için yararlanılan yıldız gruplarının sayısının da 12 olmasıydı: Mısırlı gök bilimciler 36 yıldız grubu tanımlamıştı. Dekanlar olarak adlandırılan bu yıldız grupları yıl boyunca ufukta düzenli aralıklarla görünmeye başlıyordu. Herhangi bir gece 12 ayrı dekan gökyüzünde görülebiliyordu. Bu durum dekanların gökyüzünde görülmeye başlamasından yararlanılarak gece vakti saatin tahmin edilmesine imkân veriyordu. Ayrıca Dünya, Güneş’in etrafında dolanırken her ay gökyüzünde görülebilen dekanlar da değişiyordu. Dolayısıyla sadece gece vakti saati tahmin etmek için değil aynı zamanda yıl içinde ayları tahmin etmek için de dekanlardan yararlanılabiliyordu. Mısırlılar, gece gibi gündüzü de 12 saat dilimine ayırmıştı. Modern zamanlarda bir günün 24 saat dilimine bölünmesinin kökeninde Antik Mısır’da kullanılan bu sistem vardır.

Antik Mısır’da “yerel” saati tahmin etmek için kullanılan Güneş saatleri düz bir levhanın üzerine dikey olarak yerleştirilmiş bir ibreden oluşuyordu. Levhanın üzerinde saatleri göstermek için kalibre edilmiş işaretler vardı. Gün içinde ibrenin gölgesinin üzerine düştüğü işaret, yerel zamanı gösteriyordu.

Güneş saatleri sadece gündüz vakti çalışıyordu. Antik Mısır’da gece vakti de saati tahmin etmek için kullanılabilen bir başka teknoloji su saatleriydi. Yapısı hayli basit olan bu saatler sadece içine su doldurulabilen bir kaptan oluşuyor, kabın içine de saatin kaç olduğunu belirten işaretler çiziliyordu. İçi su dolu bir saat, bir oluk vasıtasıyla yavaş yavaş su kaybediyordu. Belirli bir anda kabın içindeki su seviyesine bakarak ne kadar zaman geçtiği hakkında fikir edinilebiliyordu. Mısır Firavunu I. Amenhotep’in mezarında da bir örneği bulunan bu saatler hem gece hem de gündüz vakti kullanılabiliyordu. Ancak çalışmaya devam edebilmeleri için sürekli bakım gerektirdikleri (ara ara yeniden suyla doldurulmaları gerektirdikleri) için pek pratik değillerdi. İlerleyen yıllarda su saatleri daha da geliştirildi: Arşimet üçüncü yüzyılda, El-Cezeri on ikinci yüzyılda farklı su saati tasarımları yaptı.

Saatlerin gelişiminde önemli bir aşama ayna dişlisi eşapmanının icat edilmesi oldu. Eşapmanlar, mekanik saatlerde zamanı ölçen aksama itki veren ve dişli takımını periyodik olarak serbest bırakarak saatin kollarının ilerlemesini sağlayan parçalardır. Sarılı bir yay ya da asılı bir ağırlık tarafından dişli takımı vasıtasıyla hareket ettirilirler. Ayna dişlisi eşapmanı, Avrupa’da 13. yüzyılda ilk tam mekanik saatlerin icat edilmesine imkân verdi. Güneş saatlerinde ve su saatlerinde zaman ölçümü, Güneş’in hareketleri ve su akışı gibi “kesintisiz” meydana gelen süreçlere dayalıydı. Ayna dişlisi eşapmanına sahip mekanik saatlerle zaman ölçümünde periyodik, salınan süreçlere dayalı zaman ölçümleri yapılmaya başlandı. Bu durum zaman ölçümlerinin daha hassas yapılabilmesine imkân verdi. Özellikle Christiaan Huygens’in 1656’da sarkaçlı saatleri icat etmesi saatlerin hassasiyeti konusunda önemli bir gelişme oldu. Modern saatlerin tamamı zamanı ölçmek için periyodik olarak tekrar eden, salınımlı süreçlerden yararlanıyor.

On dokuzuncu yüzyılın ilk yarısında elektrikli saatler üretilmeye başlandı. 1841 yılında İskoç saatçi Alexander Bain tarafından patenti alınan elektrikli saatte ana yayı sarmak için bir elektrik motoru ya da bir elektromıknatıs kullanılıyordu. Eşapmanın yay ya da ağırlıkla hareket ettirildiği, yayı germek ya da ağırlığı kaldırmak içinse elektrik akımının kullanıldığı bu tür saatler, elektromekanik saatler olarak sınıflandırılabilir. Bu tür saatlerde zamanı ölçmek için elektrikten yararlanılmaz. Elektrik enerjisi sadece mekanik saate güç sağlar. Ancak zamanı ölçmek için elektrikten de yararlanmak mümkündür.

Sabit ve kararlı bir frekansa sahip dalgalı akımdan yararlanarak zaman ölçümü yapılabilir. Bu saatlerde elektrik motoru akım ile senkronize biçimde çalışır. Mekanizmadaki dişliler ise motorun dönüşlerini saatin kollarına aktarır. Böylece esasen elektrik akımının salınımları sayılarak zaman ölçümü yapılır.

Yirminci yüzyılın başlarında kuartz saatlerin geliştirilmesiyle zaman ölçümü hassasiyetinde önemli bir iyileşme yaşanmıştı. Kuartz (silisyum dioksit) piezoelektrik malzemelerin bir örneğidir. Bu tür malzemeler mekanik strese maruz kaldığında kristal yapısındaki belirli düzlemlerde elektrik birikmeye başlar. Tam tersi biçimde kuartz kristalleri elektrik akımına maruz bırakıldığında ise şekil değiştirmeye ve salınmaya başlar. Bir kuartz kristalinin salınım frekansı, şekline ve büyüklüğüne bağlı olarak değişir. Kristalinin hangi frekansla salındığı biliniyorsa bu salınımların sayılmasıyla zaman ölçümü yapılabilir. Modern kuartz saatlerde kullanılan kristaller genel olarak diyapazon biçiminde kesilir ve titreşim frekansı 32.768 yani 2¹⁵ Hz’dir. Başka bir deyişle modern kuartz saatlerde diyapazon biçimli bir kuartz kristal saniyede 32.768 kez titreşir.

Günümüzün en hassas saatleri ise atom saatleridir. Bu saatlerde zamanı ölçmek için atomların yaydığı ışığın frekansından yararlanılır.

Atom Saatleri

Şu an var olan en hassas zaman ölçüm cihazları olan atom saatlerinin nasıl çalıştığına daha detaylı bir göz atalım.

Işık dalgalarının titreşimlerinden yararlanılarak zaman ölçümü yapılabileceği ilk olarak 1873 yılında James Clerk Maxwell tarafından öne sürülmüştü. Işık ışınlarının frekansının ölçülmesine dayalı ilk atom saati ise 1955 yılında geliştirildi. Birleşik Krallık’taki Ulusal Fizik Laboratuvarında Louis Essen ve Jack Parry tarafından geliştirilen saatte sezyum atomları kullanılıyordu.

Atom saatlerinde elektronların farklı enerji seviyeleri arasındaki geçişlerden yararlanılır. İlk olarak belirli bir elementin atomlarının belirli bir enerji seviyesinde olduğu bir sistem hazırlanır. Daha sonra ortama mikrodalgalar gönderilir. Eğer mikrodalgaların frekansı doğruysa (ışınların enerjisi, atomların bulunduğu seviye ile uyarılmış bir seviye arasındaki enerji farkına karşılık geliyorsa) atomlar ışınlardan foton soğuracaktır. Mikrodalgaların enerjisi doğru enerjiye ne kadar yakınsa foton soğuran atomların sayısı da o kadar yüksek olacaktır. Bu durum mikrodalgaların frekansının arzu edilen frekans değerine (atomların iki enerji seviyesi arasında geçiş yapması için gerekli enerji değerine karşılık gelen frekansa) hassas bir biçimde ayarlanmasına imkân verir. Mikrodalgaların frekansı, bu bilinen değere ayarlandıktan sonra ise frekans üzerinden zaman ölçümü yapmak mümkün olur.

Atom saatlerindeki önemli bir avantaj, zamanı ölçmek için yararlanılan atomların özdeş olmasıdır. Mekanik, elektromekanik ve kuartz saatlerde kullanılan malzemelerin evrensel bir salınım frekansı yoktur. Kullanılan malzemenin yapısına ve türüne bağlı olarak frekans değişir. Ayrıca bu saatlerin hassasiyeti sıcaklık ve diğer çevresel etkenlere duyarlıdır. Atomların enerji seviyeleri arasındaki geçiş frekansları ise evrenseldir çünkü bir elementin atomları özdeştir. Ayrıca bu frekans değerleri sıcaklık ve diğer çevresel etkenlere bağlı değildir.

Geleneksel sezyum atom saatlerinin ölçtüğü zamanda bir saniye kadar bir hata ortaya çıkması için gereken süre yüz milyonlarca yıl ölçeğindedir. Söz konusu günümüzün en hassas atom saatleri olan optik atom saatleri (mikrodalga yerine görünür ışığın kullanıldığı atom saatleri) olduğundaysa bu süre evrenin yaşını (13,8 milyar yıl) bile aşar.

Atom saatleriyle ilgili güncel bir araştırma konusu “nükleer atom saatleri” geliştirmek. Bu saatlerde elektronların enerji seviyeleri arasındaki geçişlerin değil, nükleonların (atom çekirdeğindeki parçacıkların) enerji seviyeleri arasındaki geçişlerin kullanılması planlanıyor. Nükleer atom saatlerinin sıradan atom saatleri karşısında pek çok avantajı var. Örneğin nükleer enerji seviyeleri arasındaki geçişler daha fazla enerji ve dolayısıyla daha yüksek frekanslı ışık ışınları gerektiriyor ve bu durum saatleri daha kararlı yapar. Ayrıca hem çok küçük bir hacme yayılması hem de kendini çevreleyen elektron bulutunun bir kalkan görevi görmesi sebebiyle atom çekirdeği, elektron kabuklarına kıyasla ortamdaki elektromanyetik alanlardan çok daha az etkilenir. Bu durum, çok daha yüksek sayıda atom kullanılabileceği anlamına gelir. Nükleer saatlerdeki atomların sıradan atom saatlerindeki atomların aksine çevresel elektromanyetik alanlardan daha az etkilenmeleri için aşırı düşük yoğunluklu bir gaz ortamında bulunmaları gerekmez. Nükleer atom saatlerindeki atomlar katı hâlde bile bulunabilir. Sıradan atom saatlerindeki atomların sayısı binlerle ölçülürken nükleer atom saatlerindeki atomların sayısı milyarlarca olabilir. Nükleer atom saatleriyle ilgili bir zorluk nükleer enerji seviyeleri arasındaki geçişlerin gerektirdiği aşırı yüksek frekans değerlerini güncel teknolojilerle ölçmenin mümkün olmaması. Bu durumun bir istisnası ise morötesi fotonlar yayan toryum-229 izotopları. Nükleer atom saatleri, sıradan atom saatlerine kıyasla hassasiyette on kata varan iyileşme sağlayabilir.

Temel Zaman Birimi Saniye

Söz konusu bilim olduğunda zamanı ölçmek için kullanılan en temel birim saniyedir. Kısaca SI olarak adlandırılan, modern metrik sistemde yer alan yedi temel birimden biri saniyedir. Dakika, saat ve zamanla ilgili tüm diğer bilimsel birimler saniye üzerinden tanımlanır. Peki bir saniyenin tanımı nedir?

Tarihin erken dönemlerinde kullanılan Güneş saatleri ya da su saatleri gibi teknolojiler, saniyelerin kaydını tutacak kadar hassas değildi. Mekanik saatlerin icadından sonra saniye ilk kez tanımlandı. Modern SI sisteminin atası olan MKS (metre, kilogram, saniye) sistemindeki bu tanımda Dünya’nın kendi etrafındaki dönüşüne referans veriliyordu. Dünya’nın kendi etrafındaki dönüş hızı “hemen hemen” sabittir. Saniyenin ilk tanımında ortalama bir günde 86.400 saniye olduğu söyleniyordu. Başka bir deyişle bir saniye Dünya’nın kendi etrafında bir kez dönmesi sırasında geçen zamanın 86.400’de 1’i olarak tanımlanmıştı.

Dünya’nın kendi etrafındaki dönüş hızı esasen sabit değildir. Örneğin depremler ya da su döngüsü gibi yerküredeki kütle dağılımının değişmesine sebep olan olaylar, açısal momentumun korunumu uyarınca Dünya’nın kendi etrafındaki dönme hızının değişmesine yol açar. Ayrıca Ay’ın kütle çekimi etkisi de Dünya’nın kendi etrafındaki dönüş hızının zamanla azalmasına sebep olur. Ancak bu değişimleri tespit edebilmek için zamanı çok hassas bir biçimde ölçebilen teknolojilere ihtiyaç vardır. Dolayısıyla her ne kadar hızı sabit olmasa da yeteri kadar hassas teknolojilerin olmadığı dönemler için Dünya’nın kendi etrafındaki dönüşü, saniyeyi tanımlamak için iyi bir referans noktasıydı.

Dünya’nın kendi etrafındaki dönüş hızındaki farkları tespit etmek ancak 1940’lara gelindiğinde mümkün olmaya başladı. O dönemlerde kuartz saatlerin hassasiyeti bu seviyeye ulaşmıştı. Daha iyi bir zaman standardı elde etmek için saniye yeniden tanımlandı. Bu kez de Dünya’nın Güneş etrafındaki dönüşü referans alındı. Dünya’nın Güneş etrafında dönme süresi de (yıl uzunluğu da) kendi etrafındaki dönme süresi (gün uzunluğu) gibi sabit değildir. Yine de ortalama yıl uzunluğundaki değişimler, ortalama gün uzunluğundaki değişimlere kıyasla daha küçüktür. 1960 yılında SI sistemine de giren yeni saniye tanımı şöyleydi: “Bir saniye 1900 senesinin süresinin 31.556.925,9747’de biridir.”

Atom saatlerinin geliştirilmesinden sonra ise SI’daki saniye tanımı bir kez daha güncellendi. Bugün hâlâ geçerli olan bu tanıma göre bir saniye “Temel enerji seviyesindeki sezyum-133 atomunun iki aşırı ince seviyesi arasındaki geçişe karşılık gelen radyasyonun 9.192.631.770 periyodunun süresidir.” SI tanımında ayrıca çevresel faktörlere ve kütle çekiminin zamanın akışına etkilerine atfen 0 Kelvin sıcaklık ve ortalama deniz seviyesi vurgulanır.

Zaman Standartları

Günümüzde zamanı ölçmek ve ifade etmek için kullanılan çeşitli standartlar vardır. Bu standartlardan biri “astronomi zamanı” olarak adlandırılan UT1 (Universal Time)’dir. Bu standartta Dünya’nın kendi etrafında bir tur dönmesi “bir gün” olarak tanımlanır. Bir gün 24 saate, her saat 60 dakikaya, her dakika 60 saniyeye bölünür. Dünya’nın kendi etrafındaki dönme süresi sabit olmadığı için UT1’deki gün, saat ve saniye uzunlukları da sabit değildir. Bu standardın temel amacı, adından da anlaşılabileceği gibi gün doğumu ya da gün batımı gibi astronomi olaylarıyla uygun bir zaman çizelgesi elde etmektir. Bu zaman standardında yılın belirli zamanlarında, Dünya’nın belirli bir bölgesinde Güneş hep aynı zamanda doğar ve hep aynı zamanda batar.

Bir diğer zaman standardı kısaca TAI olarak adlandırılan uluslararası atomik zamandır. TAI’da SI’daki saniye tanımı esas alınır. Bir günün uzunluğu ise 24·60·60=86.400 saniyedir. TAI zamanı ölçmek ve ifade etmek için hassas bir bilimsel yöntemdir. Ancak uzun vadede gök olaylarıyla uyumlu bir standart değildir. Dünya’nın kendi ekseni etrafındaki dönüş hızında meydana gelen değişimlere bağlı olarak TAI zamanı, gök olaylarıyla giderek uyumsuzlaşma eğilimindedir.

Günlük hayatta en çok karşımıza çıkan zaman standardı olan ve kısaca UTC olarak adlandırılan “eş güdümlü evrensel zaman” hem zamanı hassas bir biçimde ölçme hem de gök olaylarıyla uyumlu bir standart elde etme çabasının ürünüdür. UTC’de zamanı ölçmek için TAI’da olduğu gibi SI’daki saniye tanımı esas alınır. Ancak UTC zamanı, gök olaylarıyla uyumlu olması için gerektikçe UT1’e uygun biçimde düzenlenir.

UTC’de doğudan batıya doğru sıralanan 24 saat dilimi vardır: UTC0, UTC+1, UTC+2, … UTC0, 0 boylamındaki Güneş zamanına karşılık gelir. Bu sistemde her ülke coğrafi konumuna uygun bir saat dilimini seçer. Doğu-batı ekseninde geniş bir alana yayılan ülkelerse birden fazla saat dilimi kullanmayı tercih eder.

UTC standardı 1960’ta ilk kez oluşturulduğunda UTC zamanını UT1 zamanı ile uyumlu hâle getirmek için “zamanın esnetilmesi” uygulamasına başvuruluyordu. 1960-1971 arasında kullanılan bu yöntemde her yılın başında UTC saniyeleri ile TAI saniyeleri arasında sabit bir oran belirleniyor ve böylece iki zaman standardı arasındaki farkın açılması engellenmeye çalışılıyordu. Örneğin 1960-1962 döneminde UTC saniyelerinin TAI saniyelerinden milyarda 15 daha kısa olması kararlaştırılmıştı. Atom saatleri ile ölçülen her bir milyon saniyede UTC zamanı 15 milisaniye geri kalıyordu. UTC zamanını UT1 ile uyumlu hâle getirmek için başvurulan güncel yöntem ise “artık saniye” uygulamasıdır. 1971’den beri gerektikçe kullanılan bu yöntemde UT1 ve TAI ile ölçülen zamanlar arasındaki fark 0,9 saniyenin üzerinde çıktığında UTC zamanı bir saniye kaydırılarak astronomi zamanıyla daha uyumlu hâle getiriliyor. Dünya’nın kendi ekseni etrafındaki dönme hızı giderek yavaşlama eğiliminde olduğu için bugüne kadarki uygulamaların tamamı UTC zamanına bir artık saniye “eklenmesi” biçiminde oldu. En son artık saniye uygulamasına gidildiği 2017 yılından beri UTC zamanı ile TAI zamanı arasında 37 saniye fark var.

Zaman Ölçümünün Geleceği

Atom saatleri gelişmeye devam ediyor. Bu durumun bir sonucu olarak yakın gelecekte SI’daki saniye tanımının güncellenmesi bekleniyor. Günümüzün en hassas optik atom saatleri şu an var olan en hassas sezyum atom saatlerinden yüz kat daha iyi zaman ölçümü yapabiliyor. Bu durum, güncel saniye tanımının frekans ölçümlerinin kesinliğini “sınırlandırmasına” ve bilimsel, teknolojik ilerlemelerin önünü tıkamasına yol açıyor. Uluslararası Ağırlıklar ve Ölçüler Bürosu (BIPM) bu soruna bir çare bulmak için 2030 yılında saniyeyi yeniden tanımlamayı planlıyor. Yeni saniye tanımının nasıl oluşturulacağıyla ilgili üzerinde durulan birkaç seçenek var. Birincisi saniye, atomların iki enerji seviyesi arasındaki geçişe karşılık gelen bir “optik frekans” üzerinden yeniden tanımlanabilir. İkincisi tek bir optik frekans yerine birkaç farklı optik frekansın geometrik ortalaması üzerinden bir saniye tanımı yapılabilir. Üçüncü bir ihtimal ise yakın geçmişte kilogramın yeniden tanımlanmasında yapıldığı gibi fiziksel bir “sabitin değerini sabitleyerek” saniyeyi yeniden tanımlamak. Örneğin elektron kütlesi ya da Rydberg sabiti üzerinden bir saniye tanımı yapmak mümkün olabilir. Ancak şu an için elektron kütlesi ya da Rydberg sabitinin sayısal değerlerindeki belirsizlikler, optik frekans ölçümlerindeki belirsizliklerin çok üzerinde. Dolayısıyla bu seçeneğin tercih edilme olasılığı diğer iki seçeneğe kıyasla çok daha düşük.

Yakın gelecekte artık saniye uygulamasından vazgeçilmesi de ihtimaller dâhilinde. Artık saniye uygulaması astronomi olaylarıyla uyumlu bir zaman standardı sağlasa da günümüzün dijital dünyasında pek çok soruna sebep oluyor. Örneğin artık saniyenin dijital ortamda nasıl temsil edileceğinin bir standardı yok. Unix sistemleri artık saniyeleri 23:59:60 ile kodluyor. Bazı sistemler artık saniye sırasında zamanı dondurmayı tercih ediyor. Bazı sistemler ise artık saniye civarında saniyeleri esnetiyor. Uluslararası Ağırlıklar ve Ölçüler Konferansı’nın 2022’de Paris’te yapılan toplantısında 2035’ten sonra artık saniye uygulamasından vazgeçilmesi tavsiyesi çıktı. UTC zamanlarının kontrolü ve Dünya genelindeki sunuculara dağıtımını yapan Uluslararası Telekomünikasyon Birliği de tavsiyeye olumlu yaklaştı. Uygulamaya konulması hâlinde 2035’ten sonra UTC ve UT1 zamanları arasındaki farkın 0,9 saniyenin üzerine çıkmasına izin verilecek. Onlarca belki de yüzlerce yıl boyunca UTC zamanında yeni bir düzenleme yapılmayacak. Muhtemelen iki zaman standardı arasındaki farkın dakika ölçeğine çıkmasına müsaade edilecek. Ancak iki zaman standardının kontrolsüz biçimde birbirinden uzaklaşmasına izin verilmesi de düşünülmüyor. Uzak gelecekte iki standardı uyumlu hâle getirmek için belki de “artık dakika” uygulamalarına başvurulacak. Zaman ölçümündeki hassasiyetin bilim ve teknolojiyle nasıl geliştiğine hep birlikte tanıklık etmeye devam edeceğiz.