世界で最も正確な時計が教えてくれる、地球と宇宙のこと

世界で最も正確な時計が教えてくれる、地球と宇宙のこと 物理
©Ye group and Brad Baxley/JILA

コロラド大学の地下研究室にあるJun Ye氏の時計が1秒遅れるのに150億年かかると言われていますが、これは宇宙が存在している時間と同じです。

この発明により、中国系アメリカ人科学者のJun Ye氏は、日本の香取秀俊氏とともに、2022年ブレイクスルー賞基礎物理学部門の共同受賞者として300万ドルを分配することになりました。

2人は独自に、レーザーを用いて原子を捕捉・冷却し、その振動を利用して「光格子時計」と呼ばれる最も精密な時計を駆動する技術を開発しました。

現在の原子時計は、1億年に1度1秒遅れると言われています。

では、精度を上げることで何が得られるのでしょうか。

Ye氏はAFP通信に対し、「これは、宇宙の基本的な時空構造を探るための装置なのです」と語りました。

Ye氏の研究室では、アインシュタインの相対性理論の予言通り、時計を数センチ地面に近づけると時間が遅くなることを示しています。

この時計を現在の技術に応用すれば、GPSのナビゲーション精度を1,000分の1に向上させたり、無人のスペースプレーンを火星にスムーズに着陸させることができるかもしれない。

時刻の歴史を振り返る

超高精度の時計を発明した中国系アメリカ人の科学者、Jun Ye氏

2021年9月8日に入手したハンドアウト写真(undated handout photo)は、超高精度の時計を発明した中国系アメリカ人の科学者、Jun Ye氏 ©JUN YE/AFP

古代エジプト人や中国人が日時計を作っていた頃から、計時の精度を高めることは目標とされてきました。

1656年には振り子時計が発明され、その数十年後には海上で船の経度を測定できるほどの精度を持つクロノメーターが誕生しました。

20世紀初頭にはクォーツ時計が登場しました。クォーツ時計とは、電気を流すと特定の高い周波数(1秒間に何回の音がするか)で共振する時計のことです。

クォーツ時計は現代の電子機器にも使われていますが、製造工程や温度などの影響を受けやすいという欠点がありました。

そこで、エネルギーを持った原子の動きを利用して、環境変化の影響を受けない原子時計を開発することで、計時技術が飛躍的に向上しました。

物理学者は、ある特定の原子の原子核の周りを回る電子という粒子が、ある非常に高い周波数によって、より高いエネルギー状態にジャンプし、原子核から遠く離れた軌道をとることを知っています。

原子時計は、セシウムという元素の原子が高エネルギー状態に移行するためのおおよその周波数を生成します。

その後、検出器がエネルギーを持った原子の数を数え、必要に応じて周波数を調整して、時計の精度を高めます。

1967年以降、1秒はセシウム原子の91億9,226万1,770回の振動と定義されているほどの精度です。

宇宙を、そして地球を。

ストロンチウム光格子時計

2017年1月25日、エド・マルティ博士提供の画像は、コロラド大学ボルダー校のジュン・イエの研究室に保管されているストロンチウム光格子時計 ED MARTI ©Dr. Ed Marti/AFP

香取氏とYe氏の研究室では、原子時計の精度をさらに高めるために、振動を電磁スペクトルの可視光側に移動させ、現在の原子時計に使われている周波数の10万倍の周波数で発振させる方法を見つけました。

そのためには、原子(今回はストロンチウムという元素)を閉じ込めて、超低温で静止させる方法が必要だと考えたのです。

原子が重力で落下したり、動いたりすると、精度が落ちたり、相対性理論の影響で時刻が乱れたりするからです。

そこで発明者らは、原子を閉じ込めるために、レーザー波を逆方向に動かして卵パックのような形にした「光格子」を作り、静止させました。

Ye氏は、この時計の可能性に期待しています。例えば、世界最高水準の天文台の時計を1秒の単位で同期させることができれば、天文学者はブラックホールの概念をより正確に理解できるようになります。

また、地球の地質学的プロセスにも新たな光を当てることができます。

相対性理論では、巨大な物体に近づくと時間が遅くなると言われています。したがって、十分に正確な時計があれば、地表にある固体の岩石と火山の溶岩の違いが分かり、噴火の予知に役立つかもしれません。

また、海の水位や砂漠の地下に流れる水の量を測定することもできます。

次の大きな課題は、この技術を小型化して研究室の外に持ち出せるようにすることだとYe氏は言います。

物理学の基本的な概念を一般の人々に説明するのは難しいと、Ye氏は認めています。

「しかし、時計の話を聞くと、それが具体的なものであると感じられ、それに関連づけることができ、それはとてもやりがいのあることです。」と語っています。

© 2021 AFP

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