Günlük yaşamda zamanı saat, dakika ve saniyelere ayırıyoruz. Bir saat 60 dakika, bir dakika ise 60 saniyedir. Peki bir saniyenin uzunluğu neye göre belirlenmiştir? Bugün saniye, Dünya’nın dönüşüne bakılarak değil, atomların son derece kararlı özelliklerinden yararlanılarak tanımlanıyor. Ancak bu noktaya ulaşılması yüzyıllar süren gözlem ve ölçümlerin sonucudur
Bir gün 24 saat, bir saat 60 dakika ve bir dakika 60 saniye olduğuna göre bir saniye, bir günün 1/86.400’üdür.
Uzun süre saniyenin tanımı da buna dayanıyordu. 1960 öncesinde saniye, ortalama güneş gününün 1/86.400’ü olarak tanımlanıyordu. Ancak burada önemli bir sorun vardı: Dünya kusursuz ve değişmez bir saat değildir. Dünya’nın kendi ekseni etrafındaki dönüş hızı tamamen sabit değildir. Atmosfer ve okyanuslardaki hareketler, Dünya’nın iç yapısındaki süreçler ve Ay’ın oluşturduğu gelgit etkileri dönüş hızında küçük değişimlere neden olabilir.
Bu nedenle Dünya’nın dönüşünü temel alan bir zaman birimi, günümüzün hassas bilimsel ölçümleri için yeterince kararlı değildir.
İnsanlar binlerce yıl boyunca Güneş’in gökyüzündeki konumundan yararlanarak zamanı belirledi.
Güneş saatleri, bir cismin oluşturduğu gölgenin konumundan yararlanarak gün içerisindeki zamanı gösteriyordu. Ancak görünen güneş zamanı, yıl boyunca tamamen sabit ilerlemez. Bunun nedenlerinden biri Dünya’nın Güneş çevresindeki yörüngesinin tam dairesel olmaması, diğeri ise Dünya’nın dönme ekseninin yörünge düzlemine göre eğik olmasıdır.
Bu nedenle görünen güneş zamanı ile düzgün ilerleyen ortalama güneş zamanı arasında yıl boyunca farklılıklar meydana gelir. Ayrıca Güneş saatlerinin çalışması hava koşullarına ve gözlem yapılan konuma bağlıdır. Daha hassas zaman ölçümüne ihtiyaç duyulması, bağımsız zaman tutma sistemlerinin geliştirilmesine yol açmıştır.
Mekanik saatler Avrupa’da Orta Çağ’ın sonlarında yaygınlaşmaya başladı. Bu saatlerde zamanı düzenli aralıklara ayırmak için mekanik bir salınım sistemi ve bu hareketi dişlilere aktaran mekanizmalar kullanılıyordu.
17. yüzyılda sarkaçlı saatlerin geliştirilmesi zaman ölçümünün hassasiyetini önemli ölçüde artırdı. Sarkaç belirli koşullarda düzenli aralıklarla salındığı için saat mekanizmasına daha kararlı bir referans sağlıyordu. Ancak mekanik sistemler sıcaklık, sürtünme ve malzemelerin fiziksel özelliklerinden etkilenebiliyordu. Bu nedenle zaman ölçümünde daha kararlı osilatörler geliştirilmeye devam edildi.
20. yüzyılda kuvars kristallerinin zaman ölçümünde kullanılması önemli bir gelişme sağladı.
İlk kuvars saat 1927 yılında Bell Laboratories araştırmacıları tarafından geliştirildi. 1940’lara gelindiğinde kuvars saatler, bilimsel laboratuvarlarda kullanılan en hassas mekanik saatlerin yerini almaya başlamıştı. Kuvars kristali piezoelektrik özelliğe sahiptir. Kristale elektriksel gerilim uygulandığında belirli bir frekansta titreşebilir. Elektronik devreler bu düzenli titreşimleri sayarak zamanı belirleyebilir. Kuvars saatler mekanik saatlerden çok daha kararlı olmasına rağmen tamamen kusursuz değildir. Kristalin titreşim frekansı sıcaklık, üretim özellikleri, yaşlanma ve çevresel koşullardan etkilenebilir.
Çok daha yüksek doğruluk gerektiğinde ise atomların özelliklerinden yararlanılır.
Atomların enerji düzeyleri belirli değerlere sahiptir. Atomlar belirli enerji durumları arasında geçiş yaptığında bu geçiş, çok kesin bir elektromanyetik frekansla ilişkilidir. Bu özellik, farklı laboratuvarlarda tekrar üretilebilen son derece kararlı bir frekans referansı sağlar. 1955 yılında İngiltere’deki Ulusal Fizik Laboratuvarı’nda Louis Essen ve Jack Parry tarafından ilk yüksek doğruluklu sezyum atom saati geliştirildi.
Bu saat sezyum-133 atomundaki belirli bir geçişin frekansını kullanıyordu. Atom saatlerinin Dünya’nın dönüşünden çok daha kararlı olduğu anlaşılınca saniyenin tanımının astronomik olaylar yerine atomik bir referansa bağlanması mümkün hâle geldi.
Saniyenin resmi tanımı zaman içerisinde birkaç önemli aşamadan geçti.
1960 öncesinde saniye, ortalama güneş gününün 1/86.400’ü olarak tanımlanıyordu. Dünya’nın dönüşündeki düzensizlikler daha hassas ölçümlerle ortaya çıktığında bu tanım yetersiz kaldı. 1960 yılında saniye, Dünya’nın 1900 yılındaki tropik yılına dayanan astronomik bir tanımla ifade edildi. Buna göre saniye, belirli bir tropik yılın 1/31.556.925,9747’si olarak tanımlandı. Bu tanım da uzun süre kullanılmadı.
1967 yılında Uluslararası Ağırlıklar ve Ölçüler Genel Konferansı, saniyeyi sezyum-133 atomunun özelliklerine göre yeniden tanımladı.
Günümüzde saniye, Uluslararası Birimler Sistemi’nin temel birimlerinden biridir.
Tanım, sezyum-133 atomunun bozulmamış temel durumundaki iki aşırı ince enerji düzeyi arasındaki geçiş frekansına dayanır. Bu frekansın değeri tam olarak: 9.192.631.770 hertz olarak sabitlenmiştir. Başka bir ifadeyle bir saniye, bu geçişe karşılık gelen elektromanyetik ışınımın 9.192.631.770 periyodunun süresine karşılık gelir.
Burada söz konusu olan 9.192.631.770 adet “enerji salınımı” değildir. Ölçülen şey, sezyum-133 atomundaki belirli geçişe karşılık gelen elektromanyetik frekanstır. Bu atomik tanım sayesinde dünyanın farklı yerlerindeki laboratuvarlar aynı zaman birimini son derece yüksek hassasiyetle gerçekleştirebilir.
Atomik saniye çok kararlıdır ancak Dünya’nın dönüşü aynı derecede düzenli değildir.
Dünya kimi dönemlerde ortalamaya göre biraz daha hızlı, kimi dönemlerde biraz daha yavaş dönebilir. Uzun vadede Ay’ın oluşturduğu gelgit etkisi Dünya’nın dönüşünün yavaşlamasına da katkıda bulunur. Bu nedenle Dünya’nın dönüşüne dayanan astronomik zaman ile atom saatlerine dayanan zaman arasında zamanla küçük farklar oluşabilir. Uluslararası Atom Zamanı (TAI), atom saatlerinden elde edilen SI saniyelerini temel alır. Günlük yaşamda kullanılan Eşgüdümlü Evrensel Zaman (UTC) ise atomik zamanın kararlılığını korurken Dünya’nın dönüşüyle arasındaki farkın belirli sınırlar içinde tutulmasını amaçlar. Bu amaçla geçmişte UTC’ye gerektiğinde artık saniye eklenmiştir.
Son artık saniye 31 Aralık 2016 tarihinde eklenmiştir. 2026 yılı sonuna da artık saniye eklenmeyeceği açıklanmıştır.
2022 yılında Uluslararası Ağırlıklar ve Ölçüler Genel Konferansı, UTC ile Dünya’nın dönüşünü temsil eden UT1 arasındaki izin verilen farkın 2035 yılına kadar veya daha önce artırılmasına karar verdi. Bu değişikliğin amacı, sık sık bir saniyelik düzeltme yapılması gereksinimini ortadan kaldırarak UTC’yi daha sürekli bir zaman ölçeği hâline getirmektir.
Dolayısıyla “2035 yılında zaman sisteminden kesin olarak bir saniye çıkarılacak” veya “artık saniye tamamen kaldırılacak” şeklinde ifade etmek yerine, UTC’nin Dünya’nın dönüşüyle olan bağının daha geniş bir toleransla sürdürülmesinin planlandığını söylemek daha doğrudur.
Sezyum atom saatleri son derece hassas olmasına rağmen günümüzde geliştirilen bazı optik atom saatleri daha da yüksek doğruluğa ulaşmıştır.
Mevcut sezyum saatleri mikrodalga frekansındaki atomik geçişleri kullanırken optik saatlerde stronsiyum, iterbiyum ve alüminyum gibi atom veya iyonların çok daha yüksek frekanslı optik geçişlerinden yararlanılır. Frekans ne kadar yüksekse belirli bir zaman aralığında sayılabilecek salınım sayısı da o kadar fazla olur. Bu durum, uygun koşullar altında zamanın çok daha hassas biçimde ölçülmesine olanak sağlar. Günümüzde en gelişmiş optik atom saatleri yaklaşık 10⁻¹⁸ ve daha düşük düzeylerde kesirli frekans belirsizliklerine ulaşabilmektedir. Bu performans, mevcut sezyum tabanlı SI saniyesini gerçekleştiren en iyi standartların doğruluğunu aşmıştır.
Uluslararası metroloji kuruluşları bu nedenle saniyenin gelecekte optik atom saatlerine dayalı olarak yeniden tanımlanması üzerinde çalışmaktadır. 2026 yılında Uluslararası Ağırlıklar ve Ölçüler Genel Konferansı, çalışmaların sürdürülmesini ve yeni saniye tanımı için bir önerinin 2030 yılında yapılabilmesine yönelik hazırlıkların devam etmesini kararlaştırdı.
Ancak henüz yeni bir saniye tanımı kabul edilmiş değildir. Bugün kullandığımız saniyenin resmi tanımı hâlâ sezyum-133 atomunun 9.192.631.770 hertzlik geçiş frekansına dayanmaktadır.
