時間を測る最も正確な時計の探求 (そしてそれが私たちの生活にとってそれほど重要である理由)

時間を正確に測定することは、常に人類の社会的進化の一部でした。アイルランドのニューグレンジにある新石器時代の記念碑では、入り口の上にある特別な開口部により、一年で最も日が短い冬至の 12 月 21 日頃に太陽光が廊下と部屋を照らすことができます。

約2300年前、アリストテレスは時間を測る基準は「天の最外周の球の公転」であるべきだと言いました。

ギリシャの哲学者は、宇宙は地球を中心とした同心円状の球体で構成されていると信じていました。

紀元前2000年頃に登場した水時計。 C.は、時間を測定するための最も古い機器の 1 つです。これは、容器に出入りする水の流れを調整することによって行われます。

機械式時計は13世紀末に登場しました。

1967 年までは、1 秒は 1 日の 86,400 分の 1、1 日は 24 時間、1 時間は 60 分、1 分は 60 秒と定義されていました (24 x 60 x 60 = 86,400)。

国際単位系は状況を変更し、次の定義を維持しました。

2 番目の…は、セシウム 133 原子の…遷移周波数を取ることによって定義されます。これは、単位 Hz で表すと 9192631770 であり、⁻¹ に等しいです。

混乱している場合は、説明しましょう。この定義の中核は、遷移周波数と呼ばれるものです。遷移は、原子内の電子がエネルギーを吸収してより高いエネルギー準位に移動し、しばらくすると緩和状態に戻るときに発生します。

これはコーヒーを飲むのと似ています。カフェインが切れるまで、突然エネルギーが湧いてきます。 頻度は、特定の期間内に遷移が発生する予想される回数です。。

セシウム 133 の特定の 1 電子遷移は 1 秒間に 9192631770 回発生します。これが時間を測る基準になっています。

現在までのところ、セシウムが秒の最も正確な定義を提供していますが、より高い周波数を使用することで改善することができます。

遷移周波数が高いほど、読み取りエラーが全体の精度に影響を与える可能性は低くなります。 1 秒あたり 50 回の遷移がある場合、誤って 1 つを数えた場合の代償は、5,000 回ある場合よりも 100 倍大きくなります。

この誤差を減らすには 2 つの制限があります。1 つは周波数、特により高い周波数の測定における技術的課題、もう 1 つは測定可能な高周波数遷移を持つ系 (2 番目はセシウム 133 原子) を見つける必要性です。

未知の周波数を測定するには、科学者は既知の周波数の信号 (基準) を取得し、それを測定したい周波数と組み合わせます。

それらの差は、測定が容易な小さな周波数、つまりビート周波数を備えた新しい信号になります。

原子時計はこの技術を使用して原子の遷移周波数を非常に正確に測定するため、秒を定義するための標準となります。

このような精度を達成するには、科学者が必要とするのは 信頼性の高い基準信号。周波数コムと呼ばれるもので取得されます。。

周波数コムまたはスペクトルコムは、断続的なパルスで放射されるレーザーを使用します。これらの光線には多くの異なる光波が含まれており、その周波数は櫛の歯のように等間隔であるため、その名前が付けられています。

原子時計では、櫛の歯の 1 つが原子の遷移周波数でパルスすることを期待して、周波数コムを使用してエネルギーを数百万の原子に同時に転送します。

歯が多く、薄く、正しい周波数範囲にある周波数コムでは、この問題が発生する可能性が高くなります。したがって、これらは基準信号の高精度測定を達成するための鍵となります。

これまで見てきたように、2 番目はセシウム原子の電子遷移によって定義されます。より低い周波数で発生する遷移は測定が容易です。しかし、より高い周波数で発生するものは、測定の精度を高めるのに役立ちます。

セシウムの遷移は、マイクロ波とほぼ同じ電磁スペクトルの周波数で発生します。

これらのマイクロ波の周波数は可視光の周波数よりも低くなります。しかし、2021 年 9 月に、科学者は以下を使用して測定を行いました。 ストロンチウムはセシウムよりも遷移周波数が高い元素です。 そして可視光の範囲内にあります。

これにより、2030 年までに 2 番目を再定義できる可能性が開かれます。

2024 年 9 月、アメリカの科学者たちは、原子時計を超える核時計の構築において重要な進歩を遂げました。

原子時計とは異なり、 この新しい装置で測定される遷移は原子核で起こる （それが名前の由来です）、それによりさらに高い周波数が得られます。

この研究に使用されたトリウム 229 原子は、紫外線によって刺激される核遷移をもたらします。核時計に取り組んでいるチームは、紫外線の比較的高い周波数範囲で動作する周波数コムを構築するという技術的課題を克服しました。

核遷移は通常、ガンマ線の周波数など、はるかに高い周波数でのみ可視化されるため、これは大きな前進でした。しかし、ガンマ範囲の遷移を正確に測定することはまだできません。

トリウム原子の遷移周波数はセシウム原子の遷移周波数よりも約 100 万倍高いです。

これは、現在の最先端のストロンチウム時計よりも低い精度で計測されているものの、より正確な秒の定義を備えた新世代の時計が約束されていることを意味します。

彼らがそうするように、時間を小数点第 19 位まで計測する 核時計を使えば、科学者は非常に高速なプロセスを研究できるようになる。

写真フィニッシュのレースで同点になった 2 人のランナーについて考えてみましょう。審判のストップウォッチに数桁余分に数字があれば、勝者を特定できるだろう。

同様に、一般相対性理論は、量子力学との重複につながる可能性のある高速プロセスの研究に使用されます。核時計は、これらの理論を証明するために必要な技術を提供してくれるでしょう。

技術レベルでは、GPS などの正確な測位システムは複雑な計算に依存しており、信号があるデバイスから衛星、さらに別のデバイスに移動するまでにかかる時間を正確に測定する必要があります。

秒の定義が改善されると、より正確な GPS が得られます。。セシウム秒の時代は終わったかもしれないが、その先にはまったく新しい世界が待っている。

*ヴィットリオ・アイタは、キングス・カレッジ・ロンドンの物理学科の研究員です。

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