Akıllı telefonunuz tam olarak nerede olduğunuzu nasıl biliyor? Cevap başınızın 19,312 km üstünde kuantum mekaniği ile çalışan ve atomik saatin atışlarıyla zamanı belirleyen bir uyduda gizli. Daha detaylı bakalım.
Öncelikle, yerimizi öğrenmek istediğimizde, uyduda zamanın ne olduğu neden bu kadar önemli?
İlk önce telefonunuzun uydudan ne kadar uzakta olduğunu bilmesi gerekiyor. Her bir uydu sürekli olarak uzaydan telefonunuza ışık hızında giden radyo sinyalleri yollar. Telefonunuz sinyalin geldiği zamanı kaydeder ve uyduyla arasındaki mesafesi hesaplamak için kullanır. Bunun için şu basit formülü kullanır, Mesafe= c x zaman, burada c ışık hızı ve zamanda sinyalin seyahat etme süresidir. Fakat bir sorun var. Işık son derece hızlıdır. Eğer biz sadece en yakın ikinci saniyeyi hesaplayabilseydik. Dünya üzerindeki her nokta, ve daha ötesi, uyduya aynı uzaklıktaymış gibi gözükürdü. Bu mesafeyi birkaç metreyle hesaplayabilmek için, icat edilmiş en iyi saate ihtiyacımız var. Atomik saatler, bazıları o kadar hassastır ki 300 milyon yıl çalışsalar bile bir saniye ileri gitmezler veya geride kalmazlar. Atomik saatler kuantum fiziği sayesinde çalışır. Bütün saatlerin sabit bir frekansı olmalıdır. Yani bir saat, zaman artışını belirleyebilmek için sürekli bir devinim gerçekleştirmelidir. Tıpkı ayaklı duvar saatlerinde sarkacın yer çekimi etkisinde ileri geri salınımıyla çalıştığı gibi, bir atomik saatin tik takı da bir atomdaki iki enerji seviyesinde geçişlerle sağlanır. Burası kuantum fiziğinin oyuna dahil olduğu yerdir. Kuantum mekaniği der ki; atomlar enerji taşır, fakat rastgele miktarlarda taşımazlar. Bunun yerine, atomik enerji belirli seviye gruplarıyla sınırlandırılmıştır. Bunlara quanta denir. Basit bir benzetme olarak, bir arabayla yol aldığınızı düşünün. Hızınız artırdıkça, Normal olarak 30 km/saat’ten 110 km/saat’e aralıksız olarak çıkarsınız. Şimdi, eğer kuantum atomik arabanız olsaydı, doğrusal şekilde ivmelenemezdiniz. Bunun yerine, aniden zıplardınız, veya geçerdiniz, bir hızdan diğerine. Bir atomda, bir enerji seviyesinden diğerine geçiş olduğu zaman, kuantum mekaniği der ki; bu enerji değişimi karakteristik bir frekansa eşittir, bir sabitle çarpılmış, burada enerjideki değişim eşittir, Planck sabiti denilen sayı çarpı frekanstır. Bu karakteristik frekansa, saatimizi oluştururken kullanırız. GPS uyduları sezyum ve rubidyum atomlarının frekanslarını standart alır. Sezyum 133’ün karakteristik saat frekansı 9,192,631,770 Hz’tir. Bu da 1 saniyede 9 milyar çevrim demektir. Gerçekten çok hızlı bir saat. Saatçinin ne kadar yetenekli olduğunu önemli değil, her sarkaç, kurma mekanizması ve quartz kristalleri az da olsa farklı frekansta salınırlar. Buna rağmen, evrendeki bütün sezyum 133 atomları tam olarak aynı frekansta salınırlar. Böylece atomik saat sayesinde, zamanı saniyenin milyarda biri hassasiyetle, ve uydudan olan mesafeyi de çok hassas bir şekilde belirleyebiliyoruz. Hemen hemen kesinlikle dünyada olduğunuzu ihmal edelim. Uydudan sabit bir uzaklıkta olduğunuzu biliyoruz. Yani, merkezinde uydunun bulunduğu kürenin yüzeyinin bir yerindesiniz. Mesafeniz ikinci bir uydudan da ölçülür ve örtüşen başka bir küredesinizdir. Böyle devam eder, dört ölçüm sonucunda, ve Einstein’ın izafiyet teorisi kullanılarak yapılan küçük bir düzeltme ile, Uzaydaki yerinizi bir nokta olarak kesin bir şekilde belirleyebilirsiniz.