史上最も正確な原子時計が再びアインシュタインの正しさを証明

人類の歴史の大半において、私たちは宇宙における地球の位置によって時間を計ってきました。秒は地球の一日をさらに細分したもので、後には地球の一年になりました。つまり、時間の範囲は地球の位置によって定義されました。その後、原子時計が登場しました。

科学者たちはセシウム元素の原子を詳しく調べ、そこでは超微細遷移と呼ばれるプロセスによってマイクロ波が放出され、吸収される。科学者たちは振動する水晶の助けを借りて、その時間を非常に正確に計ることができた。これは今日の科学者の時間測定の基礎となり、1967年に秒のより正確な定義を作り上げることを可能にした。

この定義は半世紀以上もの間、大きく変わっていません。また、この定義を作成するために使用された原子時計のタイミングも変わっていません。これらの時計は恐竜が絶滅して以来、1秒も遅れていません。しかし、より優れた原子時計が登場しており、時間を計るだけでなく、物理学の優れたツールとしても役立ちます。

現在、2つの異なるグループが、時計自体の内部の微妙な物理現象を測定できる時計を開発した。研究チームは、2月16日付けのネイチャー誌に2本の論文でそれぞれの研究結果を発表した。この新しい時計は、アルバート・アインシュタインの予測の1つである重力による時間の遅れを、これまでで最も小さなスケールで測定できる。

このような最先端の原子時計は、セシウムも水晶も使用していません。その代わりに、その基礎は、極低温のストロンチウム原子のパンケーキのような構造です。操作者は、可視光を発するレーザーを使用して原子を制御できます。そのため、これらは「光時計」と呼ばれています。

そうした光時計の 1 つがウィスコンシン大学マディソン校にあります。この時計は、6 個のストロンチウム パンケーキ (実質的には 6 個の小型時計) を同じ構造に収めています (この数字に特別な意味はなく、増減は可能です。「6 という数字は、いくぶん恣意的です」とウィスコンシン大学マディソン校の物理学者シモン コルコウィッツ氏は言います)。

マディソン クロックは、3000 億年にわたって 1 秒以内の誤差を保てます。これは宇宙の年齢の 20 倍以上です。これは世界記録ですが、このクロックは最も強力なクロックではありません。国立標準技術研究所 (NIST) とコロラド大学ボルダー校の共同プロジェクトである JILA の別のマルチクロックに勝っています。

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同じデバイスに複数の「時計」があっても、必ずしも時間管理には役立ちません。(たとえば、どの時計を見ますか?) しかし、時計同士を比較することはできます。これらの時計は非常に精密なので、非常に精密な物理現象を測定できます。たとえば、ボルダー グループは 1 つのデバイス内で時間の遅れをテストできます。

「これまでは、離れた場所にある別々の時計を比較することで発見するものだった」と、JILA と NIST の大学院生、トビアス・ボスウェル氏は言う。

相対性理論によれば、光速に近づくにつれて、速く移動するほど時間が遅くなります。重力場も同様の減速を引き起こします。つまり、場が強くなるほど、時間の遅れが大きくなります。地球を例に挙げましょう。地球の中心に近づくほど、地球の重力が強く引っ張られるため、時間の遅れが大きくなります。

実際、私たちは頭上の鳥よりもゆっくりと時間を感じていますし、足元にあるものも私たちよりもゆっくりと時間を感じています。地球の核は、地殻よりも 2.5 年若いのです。これはかなり長いように聞こえるかもしれませんが、地球の 46 億年の歴史を考えると、ほんのわずかな時間です。しかし、科学者たちは数十年にわたって、ガンマ線から火星の電波信号、さらには原子時計まで、あらゆるものを使って、こうした微妙な違いを測定してきました。

1971年、2人の科学者が民間航空機に原子時計を搭載し、各方向に1台ずつ世界中を飛行させた。彼らは数百ナノ秒の微妙な差を計測し、予測と一致した。2020年、科学者たちは東京スカイツリーの1,480フィート上空にある2台の時計を使用し、再びアインシュタインの正しさを証明する差を発見した。

これらの実験は相対性が普遍的であることを示している。「基本的に地球上のどこでも同じです」とJILAとNISTの大学院生であるアレクサンダー・エプリ氏は言う。「ここで1センチメートルを測定できるなら、他の場所でも1センチメートルを測定できます。」

NIST はすでにセンチメートルレベルまで到達していました。2010 年に NIST の科学者たちは、約 1 フィート離れた異なる時計を使用して同様の測定を行いました。

新たな研究の 1 つでは、1 つの装置内の 2 つのストロンチウム パンケーキの間隔がさらに狭く、約 1 ミリメートルでした。90 時間のデータ収集の後、ボルダー グループは光の微妙な違いを識別でき、これまでのどの測定よりも 50 倍正確な測定を実現しました。

ボスウェル氏によると、これまでの測定記録は、光の周波数の差である膨張を小数点以下 19 桁まで観測することだった。「今回、21 桁まで到達しました。通常、小数点を 1 つ動かすだけでも興奮します。しかし、幸運なことに、小数点を 2 つ動かすことができました。」

コルコウィッツ氏によると、これらは「非常に美しく、刺激的な結果」だという。

しかし、NISTの研究には参加していないコルコウィッツ氏は、NISTの時計には欠点が1つあると語る。それは、研究室から持ち出すのがそれほど簡単ではないことだ。「NISTグループは世界最高のレーザーを持っていますが、持ち運びにはあまり適していません」とコルコウィッツ氏は言う。

彼は、2 つのグループの研究は互いに補完し合うものだと考えている。ボルダーの時計は、時間やその他の物理的特性をこれまで以上に正確に測定できる。一方、マディソンの時計に似た、より移動可能な時計は、宇宙に持ち込んで暗黒物質や重力波を探索するなど、さまざまな場所に持ち運べると考えている。

基本的な物理学がアインシュタインとその仲間の考えどおりに機能することを証明するのはかなりすごいことですが、この種の科学には現実世界への応用もかなりあります。たとえば、ナビゲーションにはより正確な時計の恩恵がもたらされます。GPS は時間の遅れを補正する必要があります。また、時間の遅れの強さを測定すれば、重力場をより正確に測定できるようになり、たとえば地球の表面下を見ることができるようになります。

「地球の下のマグマの噴出を観察して、火山がいつ噴火するかを予測できるかもしれません」とエプリ氏は言う。「そういったことです。」

訂正 2022 年 3 月 2 日: この記事の以前のバージョンでは、地球の核は地殻よりも約 2.5 年古いと述べられていました。実際は、重力による時間の遅れにより、核は 2.5 年若いのです。