国際標準単位の由来、第2部：第2

今週、サム・キーンは、途方もなく正確な基準（メートル、秒、その他の国際標準単位）と、時代を超えてそれらの基準を定義、再定義、再再定義する上で要素が果たしてきた役割について考察します。

かつての「秒」の定義は、地球が軸の周りを一回転する時間の 86,400 分の 1 (より正確には、1 日の秒数) でした。しかし、いくつかの厄介な事実により、この基準は不便なものになりました。

一日の長さは、地球が太陽の周りを一周するたびに変化する。これは、海の潮の波動によって地球の自転が妨げられ、遅くなるためだ。また、計測学者（測定科学者）は、平凡な恒星の周りを小さな岩が回ることに、世界共通の時間単位を結び付けようとはしなかった。

これを修正するために、科学者たちはセシウムという元素に着目しました。より具体的には、セシウムの孤立電子に着目しました。周期表の同じ列にある他の元素と同様に、セシウムは本来必要な電子の集合より 1 つ多い電子を持っています。この電子は他の電子よりも高いエネルギー レベルにあり、そのため露出度が高く、通常は特定の軌道でセシウムの原子核の周りを高速で回っています。しかし、光が電子に当たると、さらに高い軌道にジャンプすることができます。

さて、電子の「スピン」（生まれつきの性質）が上向きか下向きかによって、電子はわずかに高い軌道または低い軌道にジャンプすることができます。最初のジャンプが G から G にオクターブ上がるようなものだったとすると、このジャンプは G から G シャープまたは G フラットへのジャンプです。これらのわずかに異なるレベルは、微細構造として知られています。そして、さらに正確に測定し、さらに多くの要素（電子の電荷や原子核の磁場など）を考慮に入れると、電子がさらに小さな量で隔てられたレベル間をジャンプしているのを観察できます。これは、半音ではなく、四分音、さらには八分音の音楽の違いのようなものです。これは超微細構造として知られています。

計量学者は、これらの超微細構造の違いを利用して、セシウム 133 を使った最初の原子時計を作成した。これらの「ビーム時計」の内部では、セシウム原子のガスが通常の大気圧の約 1 兆分の 1 の圧力のチャンバーに集められ、強力なメーザー (マイクロ波レーザー) によって励起される。メーザーのこのかき鳴らしによってセシウム電子が励起され、特定の超微細レベルにジャンプする。重要な点は、電子は長く励起されたままでいられないため、すぐに別の超微細レベルに戻るということである。そして、そうなると、電子は光を発する。この上下のジャンプのサイクルは何度も繰り返され、各サイクルは完全に弾性的であるため、同じ時間がかかります。メーザーの精度により、すべてのセシウム原子が同期しているため、原子時計は放出された光子を数えるだけで時間を測定できます。

セシウムは原子時計のゼンマイとして便利であることが証明された。なぜなら、その電子は孤立しているため、科学者は他の元素の場合のように、他の電子が上下に飛び跳ねて自らの光子を発射するのを心配する必要がないからだ。セシウムの重くて動きの鈍い原子は、太くてメーザーの格好の標的でもある。しかし、動きの鈍いセシウムでも、外側の電子は素早い。1秒間に数十回から数千回ではなく、1ミシシッピごとに9,192,631,770回往復する。

科学者たちは、9,192,631,769 で打ち切るか、9,192,631,771 まで時間を延ばす代わりに、この不格好な数字を選んだ。なぜなら、1955 年に最初のセシウム時計を作ったとき、その数字が 1 秒の最良の推測と一致したからだ。いずれにせよ、9,192,631,770 が定義として現在では定着している。そして今日、計量学者はビーム時計ではなく、セシウム「泉時計」に頼っている。これは同じ基本物理学に基づいて動作するが、絶対零度をわずかに上回る、はるかに低い温度で動作する。これらの時計の中には、3000 万年に 1 秒以内の精度を誇るものもある。

しかし、セシウム基準が世界中で精度と正確さを保証することで科学に利益をもたらした一方で、人類は間違いなく何かを失った。古代エジプト人やバビロニア人より前から、人類は星や季節を使って時間を追跡し、最も重要な瞬間を記録していた。セシウムは天空とのつながりを断ち切り、街灯が星座を覆い隠すのと同じくらい確実にそれを消し去った。どんなに優れた元素であっても、セシウムには月や太陽のような神秘的な雰囲気が欠けている。

科学を動かす基準を探る次回のエピソードは明日もお楽しみに。このシリーズは、周期表全体に隠された面白くて奇妙な物語を集めた『The Disappearing Spoon』の著者、サム・キーンが執筆しています。